건설 시장에서는 기존의 건물을 철거하거나 보수하는 사례가 늘어나면서 막대한 양의 건설 폐기물이 발생되고 있다. 건설폐기물의 재활용은 자원절약과 환경보전 그리고 건설 산업의 지속적인 발전을 실현하는데 있어서 중요하다. 이에 따라, 폐콘크리트를 파쇄한 후 생산되는 순환 골재의 가치가 환경적, 경제적인 측면에서 대두되고 있다. 순환 골재를 사용한 콘크리트는 일반 골재를 사용한 콘크리트에 비해 성능이 저하한다고 알려져 있고, 성능 저하의 원인은 부착 이질재(시멘트 페이스트 및 모르타르)의 양과 부착 이질재에 내포하는 공극의 양에 따라 좌우된다고 보고되고 있다. 탄산화 메커니즘에 대한 보고에 따르면 탄산화의 진행에 의해 시멘트계 재료의 공극이 충전된다고 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 순환 골재에 부착한 이질재의 공극 충전에 의한 품질향상을 목표로 하여 탄산화 메커니즘을 기반으로 순환 골재의 부착 이질재 두께에 적합한 최적 탄산화 개질 기간의 추정을 목적으로 한다. 이에 따라, 본 연구에서는 순환 골재의 입도분포에 대한 부착 이질재의 부착율과 부착 두께를 산정하여 부착 이질재를 가정한 모의시험체의 촉진 탄산화 재령에 따른 화학적 정량분석을 통해 재령 경과에 따른 탄산화 깊이를 도출하였다. 또한, 촉진 탄산화 재령과 탄산화 깊이에 대한 상관관계를 바탕으로 부착 이질재 두께에 적합한 순환 골재의 탄산화 개질 추정 기간을 제안하였다.
건설 시장에서는 기존의 건물을 철거하거나 보수하는 사례가 늘어나면서 막대한 양의 건설 폐기물이 발생되고 있다. 건설폐기물의 재활용은 자원절약과 환경보전 그리고 건설 산업의 지속적인 발전을 실현하는데 있어서 중요하다. 이에 따라, 폐콘크리트를 파쇄한 후 생산되는 순환 골재의 가치가 환경적, 경제적인 측면에서 대두되고 있다. 순환 골재를 사용한 콘크리트는 일반 골재를 사용한 콘크리트에 비해 성능이 저하한다고 알려져 있고, 성능 저하의 원인은 부착 이질재(시멘트 페이스트 및 모르타르)의 양과 부착 이질재에 내포하는 공극의 양에 따라 좌우된다고 보고되고 있다. 탄산화 메커니즘에 대한 보고에 따르면 탄산화의 진행에 의해 시멘트계 재료의 공극이 충전된다고 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 순환 골재에 부착한 이질재의 공극 충전에 의한 품질향상을 목표로 하여 탄산화 메커니즘을 기반으로 순환 골재의 부착 이질재 두께에 적합한 최적 탄산화 개질 기간의 추정을 목적으로 한다. 이에 따라, 본 연구에서는 순환 골재의 입도분포에 대한 부착 이질재의 부착율과 부착 두께를 산정하여 부착 이질재를 가정한 모의시험체의 촉진 탄산화 재령에 따른 화학적 정량분석을 통해 재령 경과에 따른 탄산화 깊이를 도출하였다. 또한, 촉진 탄산화 재령과 탄산화 깊이에 대한 상관관계를 바탕으로 부착 이질재 두께에 적합한 순환 골재의 탄산화 개질 추정 기간을 제안하였다.
Increase in demotion and repair works on buildings in the construction market generates a large amount of construction waste. Recycling of construction waste is important for saving of resources, preservation of environment and constant advance of the construction industry. Accordingly, the environm...
Increase in demotion and repair works on buildings in the construction market generates a large amount of construction waste. Recycling of construction waste is important for saving of resources, preservation of environment and constant advance of the construction industry. Accordingly, the environmental and economic value of recycled aggregate, which is produced after waste concrete is crushed, is increasingly highlighted. It is generally known that compared to concrete made of ordinary aggregate, concrete made of recycled aggregate has low quality, and the low quality is dependent on the amount of the bonding heterogeneous (cement paste and mortar) as well as the amount of the pores within the bonding heterogeneous. Reports on carbonation mechanism shows that the pores of cement-based materials are filled up by the progress of carbonation. Therefore, this study aims at an estimation of the period for optimum carbonation reforming appropriate for the thickness of the bonding heterogeneous of recycled aggregate, based on carbonation mechanism, with a view to improving the product quality by means of filling up the pores of the bonding heterogeneous of recycled aggregate. This study drew the carbonation depth according to the passage of age by calculating the bonding ratio and bonding thickness of the bonding heterogeneous as against the particle size distribution of recycled aggregate as well as by chemical quantitative analysis according to the age of accelerated carbonation of mock-up samples imitating bonding heterogeneous. Based on the correlation between the age of accelerated carbonation and carbonation depth, this study also proposed the estimated period of carbonation reforming of recycled aggregate appropriate for the thickness of the bonding heterogeneous.
Increase in demotion and repair works on buildings in the construction market generates a large amount of construction waste. Recycling of construction waste is important for saving of resources, preservation of environment and constant advance of the construction industry. Accordingly, the environmental and economic value of recycled aggregate, which is produced after waste concrete is crushed, is increasingly highlighted. It is generally known that compared to concrete made of ordinary aggregate, concrete made of recycled aggregate has low quality, and the low quality is dependent on the amount of the bonding heterogeneous (cement paste and mortar) as well as the amount of the pores within the bonding heterogeneous. Reports on carbonation mechanism shows that the pores of cement-based materials are filled up by the progress of carbonation. Therefore, this study aims at an estimation of the period for optimum carbonation reforming appropriate for the thickness of the bonding heterogeneous of recycled aggregate, based on carbonation mechanism, with a view to improving the product quality by means of filling up the pores of the bonding heterogeneous of recycled aggregate. This study drew the carbonation depth according to the passage of age by calculating the bonding ratio and bonding thickness of the bonding heterogeneous as against the particle size distribution of recycled aggregate as well as by chemical quantitative analysis according to the age of accelerated carbonation of mock-up samples imitating bonding heterogeneous. Based on the correlation between the age of accelerated carbonation and carbonation depth, this study also proposed the estimated period of carbonation reforming of recycled aggregate appropriate for the thickness of the bonding heterogeneous.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 순환 골재에 부착한 이질재의 공극 충전에 의한 품질향상을 목표로 하여 탄산화 메커니즘을 기반으로 순환 골재의 부착 이질재 두께에 적합한 최적 탄산화 개질 기간의 추정을 목적으로 한다.
본 연구에서는 순환 골재의 부착 이질재 두께에 적합한 최적 탄산화 개질 기간을 평가하기 위하여, 먼저 국내에서 유통되고 있는 순환 골재의 입도분포를 파악하고, 순환 잔 골재와 순환 굵은 골재의 부착 페이스트와 모르타르의 두께를 산정하였다.
가설 설정
그러나, 최악 조건으로 가정한 25 mm의 모르타르 덩어리 굵은 골재가 실제 순환 골재 내에 포함될 확률은 현저히 낮고, 탄산화 장비 등의 가동에 의한 에너지 사용을 고려하여 최악 조건의 탄산화 기간은 고려하지 않는 것으로 하였다.
따라서 최악조건으로 설정한 25 mm의 모르타르 덩어리가 내부까지 완전 탄산화 되는 것을 가정하기 위하여 25 mm(반지름 12.5 mm)를 추가로 설정하였다.
또한, 순환 잔 골재 내부에 원 잔 골재를 포함하지 않은 시멘트 페이스트 덩어리가 존재할 수 있고, 그 크기 또한 최대치수 5 mm 수준까지 존재할 수 있다. 따라서, 최악조건으로 설정한 5 mm의 시멘트 페이스트 덩어리가 내부까지 완전 탄산화 되는 것을 가정하기 위하여 5 mm(반지름 2.5 mm)를 추가로 설정하였다. 시험 결과에 의한 순환 잔 골재의 구성과 최악조건으로 설정한 순환 잔 골재의 구성을 Fig.
순환 골재의 평균 입경 산정을 위한 입도분포시험은 KS F 2502 체가름 시험방법에 의거하여 수행하였으며, 골재가 남은 각 체 크기와 상부 체 크기의 평균 값을 골재의 크기로 가정하였다.
제안 방법
시험 결과에 의해 염산 처리 전 순환 골재의 질량 값에 밀도를 반영하여 용적을 산정하였고, 염산 처리 후 부착 이질재를 제거한 원 골재의 용적도 동일한 방식으로 산정하여 부착 이질재의 용적비를 계산하였다.
4) 탄산화 깊이의 산정은 수산화칼슘의 탄산화에 의한 탄산화 깊이와 수산화칼슘 이외의 수화물의 탄산화에 의한 탄산화 깊이로 나누어 총 탄산화 깊이를 계산하였다.
Fig. 3과 같이 제작한 시험체는 익일 탈형 후 20 ± 2°C의 수중에서 재령 4주까지 양생을 실시하고, 아세톤에 침지하여 수화를 정지 시켰다.
그러나, 잔 골재 및 굵은 골재 최대치수인 5 mm, 25mm 체에 남은 입자의 경우 위 방법으로 산출할 경우, 입자 크기가 다소 크게 평가되는 것을 고려하여, 입자 10개의 실제 크기를 평균값으로 산정하였다.
그러나, 본 시험에서는 평균 입경의 정확성을 위해 KS A 5101-1에서 규정하고 있는 체눈의 크기를 적용하였으며, 2.1에서 언급한 바와 같이 최대치수인 5 mm 체에 남은 입자는 입자의 크기가 다소 크게 평가되는 것을 고려하여 입자 10개의 실제 크기를 측정하여 평균값으로 계산을 수행하였다.
그리고 알루미늄 테이프 접착 이물질이 발생하여 열중량분석에 영향이 있을 것으로 판단되어, 재단을 통해 제거되는 측면을 제외하고, 하부 면에 종이를 덧대어 알루미늄 테이프의 접착부가 발생하지 않도록 처리하였다.
그리고, 시멘트 페이스트 시험체의 두께는 내부에 원 잔 골재를 포함하지 않는 최대치수 5 mm의 페이스트 덩어리 입자의 존재 가능성을 고려하여 5 mm로 제작하였다.
따라서, 이를 제거하고 부착율 및 두께를 산정하기 위해 산 처리 전과 후로 나누어 시험을 수행하였다.
또한, 모르타르 시험체의 두께는 내부에 원 굵은 골재를 포함하지 않는 최대치수 25 mm의 페이스트 덩어리 입자가 포함될 수 있음을 고려하여 25 mm로 제작하였다.
탄산화 깊이 산정은 식 (9)~(10)에 따라 수산화칼슘의 탄산화에 의한 탄산화 깊이와 식 (11)~(15)에 따라 수산화칼슘 이외의 수화물의 탄산화에 의한 탄산화 깊이로 나누어 식 (16)과 같이 계산을 수행하였다. 또한, 수산화칼슘 이외 수화물 탄산화 깊이 산정은 Fig. 18와 같이 질량 보존의 법칙에 기초하여 탄산화 반응에 의한 탄산가스 흡수량을 포함하여 산정하였다.
또한, 촉진 탄산화 재령과 탄산화 깊이에 대한 상관관계를 바탕으로 부착 이질재 두께에 적합한 순환 골재의 탄산화 개질 추정 기간을 제안한다.
먼저, 순환 잔 골재의 염산 처리 전 질량 값에 밀도를 반영하여 용적을 산정하였고, 염산 처리 후 부착 페이스트를 제거한 원 골재의 용적도 동일한 방식으로 산정하여 부착 이질재의 용적비를 산출하였다.
설계기준강도는 고층 건물이 없던 2000년대 이전 가장 많이 사용된 설계 기준강도가 21 MPa임을 고려하여 21 MPa로 결정하였고, 국내 레미콘 회사에서 현재 사용되고 있는 25-21-150 콘크리트 배합을 기초로 물-시멘트비(W/C)를 반영하여 페이스트와 모르타르의 배합으로 조정하였다.
수산화칼슘은 450~550°C 범위에서 분해하고, 탄산칼슘은 600~900°C 범위에서 분해한다는 기존의 보고를 바탕으로 각 수화물의 분해온도 범위를 시험 결과에 반영하여 중량 감소를 통한 수화물의 정량 분석을 수행하였다.
이에 따라, 먼저 국내에서 유통되고 있는 순환 골재의 입도분포를 파악하여, 염산 처리에 의한 부착 이질재의 부착율과 두께를 산정하여 부착 이질재를 가정한 모의시험체의 촉진 탄산화 재령에 따른 화학적 정량분석을 통해 재령경과에 따른 탄산화 깊이를 도출하였다.
이질재의 두께에 기초한 순환 골재의 부착 시멘트 페이스트 및 모르타르의 모의 시험체를 제작하여 촉진 탄산화를 실시하고, 화학적 정량분석을 통하여 촉진 탄산화에 의한 탄산화 깊이를 도출하였으며, 각 부착 두께에 적합한 최적 탄산화 개질 기간을 평가하였다.
촉진 탄산화는 온도 20 ± 2°C, 습도 60 ± 5%, 이산화탄소 20%의 조건에서 진행하였으며, 탄산화 진행이 완료된 시험체는 각 재령마다 아세톤에 침지하여 내부 수분과 이산화탄소를 제거하는 것으로, 목표 재령 이후의 탄산화 반응을 억제하였다.
탄산화 진행에 의한 시멘트 수화물 변화의 정량분석을 위해 각각의 시험체를 알루미나 유봉을 이용하여 75 ㎛ 정도의 미분말 형태 시료로 제작하였고, Mettler-toledo사의 열중량분석(Thermogravimetric Analysis; TGA) 시험 장비를 이용하여 가열속도 10°C/min으로 설정하여 1,000°C 까지 측정을 실시하였다.
대상 데이터
2에 나타내었다. 모든 시험체는 가로 50 mm, 세로 50 mm로 제작하였다. 그리고, 시멘트 페이스트 시험체의 두께는 내부에 원 잔 골재를 포함하지 않는 최대치수 5 mm의 페이스트 덩어리 입자의 존재 가능성을 고려하여 5 mm로 제작하였다.
이론/모형
순환 골재 산 처리 전과 후(농도 9.9%의 염산을 사용하여 질량변화가 없을 때 까지 수행)의 밀도 및 흡수율 시험을 KS F 2503, KS F 2504에 의거하여 수행하였다.
성능/효과
따라서, 탄산화에 국한한 수화물 변화의 정량분석을 위해 촉진 탄산화 시험체와 동일한 20°C, RH60%의 환경조건에서 재령 경과에 따른 수산화칼슘과 탄산칼슘의 증감량을 계산한 결과, 0.4% 이내(수산화칼슘 기준치 25.8, 탄산칼슘 기준치 9.5에서 변화, Table 3)로 나타났다.
1) 입도 분포 시험에 의한 순환 잔 골재의 평균 입경은 1.82 mm로 산정되었으며, 염산 처리를 실시하여 각각의 입경을 계산한 결과 원 잔 골재의 평균 입경은 1.66 mm, 부착 시멘트 페이스트는 0.16 mm(반지름 0.08 mm)로 산출되었다.
2) 입도 분포 시험에 의한 순환 굵은 골재의 평균 입경은 14.43 mm로 산정되었으며, 염산 처리를 실시하여 각각의 입경을 계산한 결과 원 굵은 골재의 평균 입경은 10.52 mm, 부착 모르타르는 3.91 mm(반지름 1.96 mm)로 산출되었다.
3) 탄산화를 실시한 시멘트 페이스트 시험체의 경우, 총 탄산칼슘의 생성량 중에 수산화칼슘의 탄산화에 의해 42.2%가 생성되었으며, 나머지 57.8%는 수산화칼슘 이외의 수화물의 탄산화에 의해 생성된 결과를 얻었다.
5) 본 연구의 결과로부터 순환 잔 골재의 평균 입경 1.82 mm에 대한 부착 페이스트 두께 0.08 mm에 적합한 탄산화 기간은 재령 3.46일(≒4일)이며, 순환 굵은 골재의 평균 입경 14.43 mm에 대한 부착 모르타르 두께 1.96 mm에 적합한 탄산화 기간은 14.19일(≒14일)인 것으로 도출되었다.
깊이가 증가하고 있으며, 재령 경과에 따른 탄산화 깊이 계산 데이터를 선형 회귀분석 수행 결과 y=0.039x - 0.055(R2=0.986)으로 도출되었다.
도출된 추세선을 통해 3.1.1의 순환 잔 골재의 평균 입경에 대한 부착 페이스트 두께 0.08 mm에 적합한 탄산화 기간은 재령 3.46일(≒4일)인 것으로 도출되었다.
도출된 추세선을 통해 3.1.2의 순환 굵은 골재의 평균 입경에 대한 부착 모르타르 두께 1.96 mm에 적합한 탄산화 기간은 재령 14.19일(≒14일)인 것으로 도출되었다.
따라서, 실제 시험 데이터를 바탕으로 분석을 수행한 결과, 총 탄산칼슘의 생성량은 수산화칼슘의 탄산화에 의해 42.2%가 생성되었으며, 나머지 57.8%의 탄산칼슘은 수산화칼슘 이외의 수화물의 탄산화에 의해 생성된 것으로 나타났다.
따라서, 탄산화 기간 21일에서 탄산칼슘의 총 생성량 18.59%는 수산화칼슘의 탄산화에 의해 7.84%가 생성되었으며, 수산화칼슘 이외의 수화물의 탄산화에 의해 10.75%가 생성된 것으로 도출되었다. 탄산화 기간 21일에서의 수산화칼슘 및 이외 수화물의 생성 중량비에 대한 각각의 탄산칼슘 생성 중량비를 Fig.
따라서, 탄산화 기간 28일에서 탄산칼슘의 총 생성량 4.30%는 수산화칼슘의 탄산화에 의해 2.79%가 생성되었으며, 수산화칼슘 이외의 수화물 74.3%의 탄산화에 의해 1.51%가 생성된 것으로 도출되었다.
상기의 결과에 따라 순환 잔 골재의 평균 입경 1.82 mm에서 원 잔 골재 1.66 mm, 부착 시멘트 페이스트 0.16 mm(반지름 0.08 mm)로 구성되어 있는 결과를 얻었다.
염산 처리 전의 순환 잔 골재의 밀도와 흡수율은 각각 2.35 g/cm3, 4.73%로 측정되었으며, 염산 처리 후의 밀도와 흡수율은 각각 2.53 g/cm3, 1.51%로 측정되었다.
이 때문에, 배합 과정에서 순환 골재를 사용한 콘크리트는 천연 골재를 사용한 콘크리트 보다 더 많은 수분이 요구되어, 결과적으로 W/C가 증가하여 경화된 순환 골재 콘크리트의 내구성은 저하하고 건조수축은 증가하며, 강도 및 탄성계수는 하향하는 특성을 나타낸다.
재령에 따른 탄산화 깊이의 계산 결과, 탄산화 기간 21일에서 수산화칼슘의 탄산화에 의한 탄산화 깊이는 0.29 mm, 수산화칼슘 이외 수화물의 탄산화에 의한 탄산화 깊이는 0.51 mm로 산출되었으며, 총 탄산화 깊이는 0.80 mm로 도출되었다.
재령에 따른 탄산화 깊이의 계산 결과, 탄산화 기간 28일에서 수산화칼슘의 탄산화에 의한 탄산화 깊이는 2.90 mm, 수산화칼슘 이외 수화물의 탄산화에 의한 탄산화 깊이는 0.83 mm로 산출되었으며, 총 탄산화 깊이는 3.73mm로 도출되었다.
재령이 경과함에 따라 탄산화 깊이가 증가하고 있으며, 재령 경과에 따른 탄산화 깊이 계산 데이터를 선형 회귀분석 수행 결과 y=0.129x+ 0.129(R2=0.990)으로 도출되었다.
페이스트와 동일한 방법으로 계산을 수행한 결과, 재령 경과에 따른 증감량은 1.4% 이내(수산화칼슘 기준치 25.7, 탄산칼슘 기준치 8.1에서 변화, Table 4)로 나타났다.
페이스트와 동일한 방법으로 시험 데이터를 바탕으로 분석을 수행한 결과, 총 탄산칼슘 생성량은 수산화칼슘의 탄산화에 의해 64.9%가 생성되었으며, 나머지 35.1%의 탄산칼슘은 수산화칼슘 이외의 수화물의 탄산화에 의해 생성된 것으로 나타났다.
후속연구
6) 따라서 본 연구에서 제안한 순환 골재의 부착 이질재 두께 측정방법은 순환 골재의 품질 평가에 있어서 기반 자료로 이용될 수 있을 것으로 판단되며, 부착 이질재 두께에 따른 탄산화 개질 기간 평가 방법은 순환 골재의 탄산화 개질 기술에 대한 기초적 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
그러나, 최악 조건으로 가정한 25 mm의 모르타르 덩어리 굵은 골재가 실제 순환 골재 내에 포함될 확률은 현저히 낮고, 탄산화 장비 등의 가동에 의한 에너지 사용을 고려하여 최악 조건의 탄산화 기간은 고려하지 않는 것으로 하였다. 하지만, 25 mm 모르타르 덩어리의 포함율이 높아질 경우에는 추가적인 검토가 필요할 것으로 사료된다.
그러나, 최악 조건으로 가정한 5 mm의 페이스트 덩어리 잔 골재가 실제 순환 골재 내에 포함될 확률은 현저히 낮고, 탄산화 장비 등의 가동에 의한 에너지 사용을 고려하여 최악 조건의 탄산화 기간은 고려하지 않는 것으로 하였다. 하지만, 5 mm 페이스트 덩어리의 포함율이 높아질 경우에는 추가적인 검토가 필요할 것으로 사료된다.
6) 따라서 본 연구에서 제안한 순환 골재의 부착 이질재 두께 측정방법은 순환 골재의 품질 평가에 있어서 기반 자료로 이용될 수 있을 것으로 판단되며, 부착 이질재 두께에 따른 탄산화 개질 기간 평가 방법은 순환 골재의 탄산화 개질 기술에 대한 기초적 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 향후, 본 기술의 실용화를 위해서는 탄산화 개질에 의한 순환 골재 및 이를 이용한 순환 콘크리트의 품질 개선 효과에 대한 검토가 필요 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 순환 골재의 품질 향상을 위해 사용되는 방법은 무엇이 있는가?
일반적으로 순환 골재의 품질 향상을 위해 사용되는 방법은 공극이 많고 노후화 된 부착 시멘트 페이스트에 초점을 맞추어 약한 표면을 제거하거나 강화하는 방법의 두 가지가 있다. 이에 일부 연구자들은 순환 골재를 실리카퓸 용액, 콜로이달 실리카 용액에 함침하거나 규산나트륨의 가수분해 반응으로 생성되는 SiO2를 통해 Ca(OH)2을 결속시켜 표면을 강화시키는데 이용하였다.
순환 골재의 특징은 무엇인가?
순환 골재는 주로 폐 콘크리트의 분쇄에 의해 얻어져 입형이 좋지 않고 미세균열이 존재하며, 원 골재 표면에 부착한 시멘트 페이스트에 의해 높은 수분흡착이 발생된다. 이 때문에, 배합 과정에서 순환 골재를 사용한 콘크리트는 천연 골재를 사용한 콘크리트 보다 더 많은 수분이 요구되어, 결과적으로 W/C가 증가하여 경화된 순환 골재 콘크리트의 내구성은 저하하고 건조수축은 증가하며, 강도 및 탄성계수는 하향하는 특성을 나타낸다. 따라서, 순환 골재의 특성을 향상시키기 위한 전처리 작업은 순환 골재 적용범위를 확장하기 위해 매우 필수적이고 중요하다.
국토교통부에서 순환 골재의 효율적인 활용을 위한 법률과 기준을 공포하여 관리하는 것의 한계점은 무엇인가?
그러나 골재 품귀 현상의 사회적 필요성을 틈타 저급한 순환 골재를 구조용 골재 등으로 무분별하게 사용할 가능성이 있기 때문에 대부분의 국가에서 심각하게 규제하고 있으며, 대부분 아스팔트 및 도로보조기층용 등 저부가가치 산업에 머물고 있다.4-5) 또한, 도로시설이 진행된 도심에서는 신규수요의 부족에 따라 새로운 용도의 개척이 필요한 시점이다.
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