趙濤 楊更社 奚家米 申艷軍 陳新年 賈曉峰

摘要：為研究人工凍結(jié)對白堊系砂巖物理力學(xué)特性的影響，以粗粒、中粒砂巖為研究對象，分別開展了一次凍融前后砂巖飽和吸水率試驗、氮氣吸附實驗;并進行20，-30，20 ℃等不同凍結(jié)過程下的強度測試。試驗結(jié)果表明：2種巖石經(jīng)歷凍融作用后飽和吸水率均有所增大，粗粒砂巖飽和吸水率增加幅度較大。一次凍融循環(huán)后粗粒砂巖比表面積和孔容都增大而平均孔徑減小，而中粒砂巖區(qū)別于粗粒砂巖的是，其孔容呈現(xiàn)減小趨勢。凍融作用下兩種巖石單軸抗壓強度和彈性模量均有不同程度的降低，粗粒砂巖單軸抗壓強度和彈性模量降低幅度大于中粒砂巖。低溫凍結(jié)提高了試驗巖石的單軸抗壓強度，粗粒砂巖單軸抗壓強度提高幅度大于中粒砂巖。揭示了飽和砂巖物理力學(xué)特性劣化內(nèi)在機理，指出了巖體結(jié)構(gòu)特征及飽和狀況是控制不同凍結(jié)過程損傷狀況的主要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：白堊系砂巖;凍融損傷;細(xì)觀結(jié)構(gòu);強度特征;控制指標(biāo)

中圖分類號：TU 45文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0209文章編號：1672-9315（2019）02-0241-08

0引言

近年來，西部地區(qū)掀起礦井建設(shè)的熱潮，由于該地區(qū)煤炭資源大多上覆巨厚富水白堊系巖層，井筒建設(shè)多采用凍結(jié)法鑿井[1-2]。人工凍結(jié)作用下，巖石經(jīng)歷一次凍融過程，凍融作用下，巖石物理力學(xué)特性參數(shù)會發(fā)生變化，若采用常溫下巖石的參數(shù)或經(jīng)驗值進行工程設(shè)計，設(shè)計結(jié)果往往不盡合理[3]。因此，開展凍融作用下白堊系巖石的物理力學(xué)特性試驗研究對凍結(jié)巖石力學(xué)理論研究和工程實際都具有重要意義。

巖石受環(huán)境溫度影響的熱力效應(yīng)長期以來是巖石熱力學(xué)理論與應(yīng)用研究的熱點問題之一[4]。寒區(qū)巖土工程、人工凍結(jié)工程使得工程結(jié)構(gòu)圍巖受到周期性低溫效應(yīng)作用或長期處于低溫凍結(jié)狀態(tài)[5]，其強度特性與常溫狀態(tài)有很大的不同。鑒于此，國內(nèi)外巖土工程及其相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者就低溫作用下巖石物理、力學(xué)特性變化方面已開展了大量的研究。李云鵬等對花崗巖開展了不同凍結(jié)溫度下的壓縮試驗，巖石抗壓強度、變形模量隨溫度降低呈增長趨勢，而泊松比變化相對較小[6];徐光苗等分別對紅砂巖和頁巖開展了不同凍結(jié)溫度和不同含水狀態(tài)下的單軸壓縮與三軸壓縮試驗，兩種巖石的單軸抗壓強度與彈性模量隨溫度降低而增大，且?guī)r石的含水狀態(tài)對巖石的凍結(jié)強度影響顯著[7];張慧梅等基于損傷力學(xué)理論和試驗統(tǒng)計方法相結(jié)合，通過探討凍融損傷變量，受理損傷變量以及總損傷變量之間的關(guān)系，建立了凍融巖石的損傷本構(gòu)模型與強度準(zhǔn)則[8-9];李棟偉等、Petrov等通過高圍壓固結(jié)、低溫凍結(jié)后再加卸載的試驗方法模擬白堊系凍結(jié)軟巖地下工程施工應(yīng)力狀態(tài)變化過程，提出了凍結(jié)軟巖黏彈塑非線性蠕變本構(gòu)力學(xué)模型[10-11];Vaferi等通過對處于不同圍壓、低溫狀況下下砂巖熱物理參數(shù)分析，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實現(xiàn)熱物理參數(shù)隨凍融參數(shù)的演化過程系統(tǒng)化模擬，為開展不同凍結(jié)溫度下的砂巖熱參數(shù)認(rèn)知提供了方向[12]。劉瑩等對內(nèi)蒙鄂爾多斯地區(qū)白堊系巖層開展了不同凍結(jié)溫度下的物理力學(xué)性能試驗，分析了單軸抗壓強度與溫度、含水率之間的相互影響關(guān)系[13];周科平等、李杰林等、對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的花崗巖進行了核磁共振和常規(guī)單軸壓縮實驗，得到了凍融循環(huán)后巖石的孔隙度、孔隙分布和單軸抗壓強度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系[14-15];楊更社等分別以煤、砂巖、砂質(zhì)泥巖為研究對象，開展了常溫和不同凍結(jié)溫度下巖石單軸壓縮和三軸壓縮試驗，獲得了不同溫度條件下巖石試件的基本力學(xué)參數(shù)，并探討了參數(shù)值與凍結(jié)溫度的關(guān)系[16-19];Jia等研究了長期凍結(jié)條件下巖體中裂隙的擴展機制，并提出了開放裂隙中凍脹力的數(shù)學(xué)模型[20]。概而言之，現(xiàn)階段的研究主要為開展不同凍融次數(shù)下完整巖塊物理力學(xué)性質(zhì)及其損傷演化規(guī)律，而目前，專門針對人工凍結(jié)狀況一次凍融下引起的富水軟巖物理力學(xué)影響的成果報道不足，特別是有關(guān)不同低溫凍結(jié)狀況下其力學(xué)特性的變化及其內(nèi)在機制報道甚少。

依托甘肅新莊煤礦人工凍結(jié)風(fēng)立井為工程背景，通過采集白堊系富水巖層穿越的粗粒砂巖、中粒砂巖，而后，分別開展在常溫、凍結(jié)后、解凍兩類砂巖的飽和吸水率試驗，并進行20，-30，20 ℃等不同凍結(jié)過程下的強度測試，探討經(jīng)過一次凍結(jié)、融化影響下，粗粒砂巖、中粒砂巖飽和吸水率與單軸抗壓強度、彈性模量等指標(biāo)的關(guān)系，分析凍融過程對富水巖層損傷影響過程，進而為富水巖層區(qū)開展人工凍結(jié)鑿井施工及設(shè)計提供基礎(chǔ)試驗依據(jù)。

1試驗過程及測試

1.1試樣制作及對應(yīng)設(shè)備

1.1.1試樣制作

巖樣取自甘肅新莊煤礦人工凍結(jié)風(fēng)立井白堊系富水軟巖區(qū)，首先，從施工現(xiàn)場取回包括粗粒砂巖、中粒砂巖兩種砂巖的新鮮完整大巖塊，并確保大巖塊滿足標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣加工尺寸及精度要求，而后，用水鉆法將大巖塊加工成5×100 nm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣，接著，先剔除外觀存在缺陷及視覺上差距明顯的試件，最后，通過RSMSY5 智能聲波檢測儀測定試件的縱波波速狀況，篩選波速相近的試件作為試驗巖樣，其中每3個為一組（圖1）。

1.1.2試驗設(shè)備

結(jié)合本次試驗?zāi)康募耙?，具體涉及到的試驗儀器包括：①電子天平（標(biāo)稱精度確保小于±0.01 g）;②DZF型真空干燥箱（含真空抽氣罐）;③DWX30低溫凍融循環(huán)試驗系統(tǒng);④MTS815型電液伺服試驗系統(tǒng);⑤全自動比表面積分析儀。其中，全自動比表面積分析儀由美國麥克公司生產(chǎn)的ASAP系列，其基于吸附理論，在低于臨界溫度的條件下，可根據(jù)不同壓力下砂巖對氮氣的吸附量來反映其比表面積狀況，而后設(shè)備可自動計算出對應(yīng)的比表面積、孔容及平均孔徑等孔隙狀態(tài)參數(shù)。

1.2砂巖飽和吸水率狀況測試

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23561.5-2009《煤和巖石吸水性測定方法》[21]關(guān)于巖石飽和吸水率測試要求，開展對砂巖試樣飽和，具體流程為：首先，將砂巖試樣置于真空干燥箱中，并將溫度設(shè)置到超過水分蒸發(fā)點溫度（110 ℃），連續(xù)烘烤時間為24 h，確保砂巖內(nèi)水分充分蒸發(fā);而后，將干燥完成試樣放置于室溫條件下冷卻6 h后稱量;然后，將試樣放置于專門的抽氣容器內(nèi)進行抽氣2 h，每間隔2 h向抽氣裝置內(nèi)注入蒸餾水，持續(xù)抽氣4 h直至無氣泡、水珠溢出，最后，將抽氣完完成的試樣放置水中連續(xù)浸泡24 h，最后完成取飽和后的試樣稱重。

而飽和吸水率測定試驗流程包括以下步驟：①為更好開展對照分析，分別將粗粒、中粒砂巖試樣各3塊，依據(jù)以上飽和方法分析對應(yīng)室溫條件下各自的飽和吸水率狀況，并取得對應(yīng)平均值;②將以上試樣放入低溫凍融循環(huán)試驗系統(tǒng)開展凍結(jié)。基于新莊煤礦現(xiàn)場人工凍結(jié)采用的鹽水溫度為-30 ℃的實際狀況，本次實驗將凍結(jié)溫度選擇為-30 ℃;③在以上溫度條件下連續(xù)凍結(jié)48 h，將試樣取出放置于室溫條件進行天然狀況下的解凍，待充分解凍完成后（24 h）開展其對應(yīng)解凍后2類砂巖飽和吸水率狀況測定。

1.3巖石單軸壓縮試驗

將兩類砂巖試樣分3組進行飽水處理，其中，第1組開展常溫狀況下的單軸壓縮測試;第2組首先開展低溫凍結(jié)試驗，保持恒溫凍結(jié)-30 ℃達48 h，而后，借助MTS815型電液伺服試驗系統(tǒng)進行單軸壓縮。第3組則完成“-30 ℃凍結(jié)（48 h）+20 ℃解凍（48 h）”組合過程后，再對試樣進行單軸壓縮試驗。獲得以上3組試樣對應(yīng)的單軸抗壓強度應(yīng)力應(yīng)變曲線，并藉此換算對于的彈性模量值。，其中，需要強調(diào)的是，單軸壓縮試驗采用軸向位移速率控制方法，對應(yīng)的控制速率選擇為0.002 mm/s.

1.4巖石微觀結(jié)構(gòu)測試

分別取兩種巖石試樣各1個，首先在每個樣品上切下一小塊（要求單體質(zhì)量大于20 g），之后，將樣品進行飽水處理，并開展一次凍融循環(huán)，對應(yīng)的凍融條件為：-30 ℃凍結(jié)48 h，之后自然融化48 h.在凍融后的樣品上再切下一小塊（同樣要求質(zhì)量大于20 g），并將凍融前的小塊樣品一起放入真空干燥箱進行烘干（110 ℃，24 h）。將烘干后的樣品分別粉碎過篩，取粒徑0.28～0.45 mm的樣品5～10 g裝入樣品袋并編號。之后利用ASAP型全自動比表面積分析儀進行氮氣吸附實驗，詳細(xì)的實驗流程參考規(guī)范GB/T19587-2004《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》[22]。

2結(jié)果分析

2.1不同凍結(jié)、融化狀態(tài)下砂巖飽和吸水率對比通過飽和吸水率指標(biāo)可較好反映砂巖內(nèi)部不同孔隙大小的空間發(fā)育狀況，對于了解其孔隙狀況具有重要參考[15]。具體可參考以下公式計算各自對應(yīng)的在凍結(jié)后的飽和吸水率狀況。

ωp=mp-msms×100%（1）

式中ωp為巖石的飽和吸水率，%;mp為巖石飽和后的質(zhì)量，g;ms為巖石的干質(zhì)量，g.

根據(jù)表1實驗結(jié)果，從同一種巖石試樣來看，不同試樣凍融前后的飽和吸水率有差異，兩組粗粒砂巖試樣凍結(jié)前飽和吸水率差值為0.4%，凍融后差值增加到0.8%，2組中粒砂巖凍結(jié)前和凍融后的飽和含水率差值均為0.2%，但總的來說同一種巖石個體試樣之間飽和吸水率差異不大。從不同巖石來看，無論是凍結(jié)前還是凍融后，粗粒砂巖飽和吸水率都大于中粒砂巖。2類砂巖在進行一次凍結(jié)、解凍后的飽和吸水率狀況均有增大趨勢，其中，粗粒砂巖飽和吸水率（32.1%）較中粒砂巖（15.3%）增幅更為顯著，反映出孔隙率狀況對飽和吸水率的影響作用。巖石試樣經(jīng)歷凍結(jié)融解后飽和吸水率增加是由于孔隙裂隙水結(jié)冰產(chǎn)生凍脹力，使得原有的孔隙裂隙微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，有新的微細(xì)裂紋產(chǎn)生。巖石的飽和吸水率的變化本質(zhì)上由于其孔隙率的變化[23]，因此，巖石試件凍融前后飽和吸水率變化幅度反映了其內(nèi)部凍融損傷的劇烈程度。巖石凍融損傷的大小取決于其強度和凍脹力的相對大小。粗粒砂巖凍融前后飽和吸水率變化幅度相對較大，說明在凍結(jié)過程中較大的飽和含水率產(chǎn)生了較大的凍脹力，從而產(chǎn)生了更為顯著的結(jié)構(gòu)化損傷。

2.2不同凍結(jié)、融化狀態(tài)下砂巖微觀結(jié)構(gòu)對比本次實驗采用ASAP型全自動比表面積分析儀進行氮氣吸附實驗，并基于孔隙內(nèi)氣體BET吸附理論、毛細(xì)孔凝聚方程獲得粗粒砂巖、中粒砂巖經(jīng)過一次凍結(jié)、融化后對應(yīng)的比表面積、孔容和平均孔徑變化狀況[24-26]，詳細(xì)測試結(jié)果見表2，3.其中，需要強調(diào)的是，以上測試指標(biāo)相關(guān)物理含義為：比表面積（m2/g）指單位質(zhì)量多孔固體物質(zhì)所具有的表面積，孔容（cm3/g）指多孔固體物質(zhì)單位質(zhì)量所具有的細(xì)孔總?cè)莘e，平均孔徑（nm）指吸附總孔體積與BET法比表面積的比值[27]。

表2顯示粗粒砂巖在一次凍融循環(huán)前后比表面積由凍結(jié)前2.44 m2/g增加到解凍后的3.55 m2/g（增幅45.5%）;孔容由凍結(jié)前6.4*10-3 cm3/g增加到解凍后的7.3*10-3 cm3/g（增幅14.1%）;孔徑由凍結(jié)前的10.48 nm降至解凍后的8.22 nm（降幅21.6%）。以上結(jié)果表明：粗粒砂巖在凍融過程中的損傷主要表現(xiàn)為小孔隙數(shù)量的增加，即孔容的增加。結(jié)合孔隙類巖石的凍融損傷機制分析[28]，具體而言：其在-30 ℃下除孔隙中的自由水結(jié)冰外，細(xì)孔中的毛細(xì)水也發(fā)生了部分凍結(jié)，產(chǎn)生了較大的凍脹力，導(dǎo)致砂巖內(nèi)部產(chǎn)生許多新的微細(xì)孔隙。平均孔徑的減小應(yīng)是由比表面積增加導(dǎo)致的。此外，通過表3同樣可反映出中粒砂巖在一次凍融循環(huán)前后的變化情況，其中，比表面積由凍結(jié)前0.56增至0.63 m2/g（增幅12.5%）;孔容由凍結(jié)前2.7*10-3 cm3/g變?yōu)榻鈨龊蟮?.5*10-3cm3/g，相對降幅不大;同樣，其平均孔徑由19.08 nm降至16.01 nm，大體降幅為16.1%，相較粗粒砂巖降幅也明顯降低。具體而言，中粒砂巖在凍融過程中的損傷主要表現(xiàn)為介孔、大孔的增加，即：孔隙水一次凍結(jié)過程導(dǎo)致細(xì)孔擴展為介孔和大孔，而對應(yīng)新產(chǎn)生的細(xì)孔數(shù)量較少，因此總比表面積增加但孔容減小。同時，平均孔徑的減小與比表面積增加關(guān)系密切。

2.3凍融作用下巖石力學(xué)特性

2.3.1一次凍融作用下砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比分析

圖2反映的是粗粒砂巖、中粒砂巖的在單軸壓縮狀況下對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，詳細(xì)標(biāo)注出在常溫、凍結(jié)、解凍后各自的應(yīng)力-應(yīng)變變化狀況。

由圖2可知，粗粒砂巖、中粒砂巖在3種不同狀態(tài)下其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)大體相似的變化規(guī)律。但具體對比而言，凍結(jié)狀態(tài)下2類砂巖的壓密階段和塑性屈服階段相對較短，彈性階段斜率相對較大;而解凍后砂巖壓密階段相對較長，彈性階段斜率相對較小。深入剖析原因可歸納為以下2點：①相對常溫狀態(tài)下的多孔隙砂巖試樣，其凍結(jié)狀態(tài)下孔隙內(nèi)的自由水逐步凝結(jié)成冰，并誘發(fā)水熱遷移至更為細(xì)小的孔隙內(nèi)，導(dǎo)致砂巖內(nèi)部孔隙多被裂隙冰充填，進而導(dǎo)致砂巖的整體脆性狀況增強，整體強度提升;②解凍后的砂巖試件因孔隙水的一次凍結(jié)、融化過程，會產(chǎn)生典型的“冰塞效應(yīng)”，誘發(fā)裂隙端部的張開、斷裂，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)新的不可逆損傷，即大量微裂紋叢集發(fā)生，從而導(dǎo)致其整體強度偏低，且其壓密變形階段延長。此外，尚可觀察到的現(xiàn)象有：砂巖單軸抗壓強度凍結(jié)時最大，常溫次之，而解凍后強度最小，說明對于多孔隙砂巖而言，一次凍結(jié)、融化過程對于其強度影響依然非常顯著。

2.3.2一次凍融作用下砂巖峰值抗壓強度

基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線進一步分析粗粒砂巖、中粒砂巖常溫（+20 ℃）、凍結(jié)（-30 ℃）和解凍后常溫（+20 ℃）狀態(tài)下各自對應(yīng)的峰值抗壓強度對比結(jié)果，討論一次凍結(jié)、融化過程對砂巖的影響作用，如圖3所示。

由圖3可以定量得到兩種巖石在不同狀態(tài)下單軸抗壓強度的變化情況。常溫狀態(tài)下，粗粒砂巖單軸抗壓強度大于中粒砂巖。砂巖在凍結(jié)狀態(tài)下的單軸抗壓強度均有所提高，但提高幅度不盡相同。與常溫狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度相比，粗粒砂巖凍結(jié)時的平均單軸抗壓強度由常溫時的28.01 MPa增大到38.98 MPa，提高了10.97 MPa（約39%）;中粒砂巖平均單軸抗壓強度由17.78 MPa增大到25.86 MPa，提高了8.08 MPa（約45%）。對比發(fā)現(xiàn)：凍結(jié)作用對中粒砂巖的峰值強度影響效應(yīng)應(yīng)大于與粗粒砂巖。而與常溫狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度相比，粗粒砂巖解凍后的峰值強度由出現(xiàn)了顯著降低（降幅約42.6%）;但中粒砂巖降幅并不大，僅約12.2%.由此可以得出，經(jīng)歷一次凍融后，粗粒砂巖單軸抗壓強度減小幅度較大，而一次凍融對中粒砂巖的單軸抗壓強度影響較小。

2.3.3一次凍融作用下砂巖彈性模量對比

為更好反映一次凍融對砂巖彈性模量的影響效果，文中選取瞬時抗壓強度的50%與其所對應(yīng)的應(yīng)變ε50的比值作為試樣的彈性模量值進行對比計算。具體而言，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得到粗粒砂巖和中粒砂巖分別在3種不同溫度狀況下：常溫（+20 ℃）、凍結(jié)（-30 ℃）和解凍后常溫（+20 ℃）狀態(tài)下彈性模量變化情況，如圖4所示。

由圖4可知，兩類砂巖在經(jīng)過一次凍融循環(huán)后，各自的彈性模量均出現(xiàn)一定程度的降低，其中，粗粒砂巖的彈性模量降幅最為顯著，從常溫狀況下約4.4 GPa減小到一次凍融后的1.9 GPa，降幅約68%;而中粒砂巖從常溫狀況下約2.0 GPa減小到一次凍融后的1.4 GPa，降幅約30%.同樣印證了一次凍融對粗粒砂巖彈性模量的影響遠(yuǎn)大于中粒砂巖。

以上試驗結(jié)果表明，飽和狀態(tài)下粗粒砂巖和中粒砂巖凍結(jié)時單軸抗壓強度均有不同程度的提高，其提升原因與裂隙水、孔隙水發(fā)生冰水相變，提升其整體強度;同時冰的充填作用間接起到對孔隙的粘結(jié)效果。此外，溫度的降低也會導(dǎo)致巖石顆粒體積產(chǎn)生收縮，顆粒之間排列更加緊密，從而使得巖石試件強度略有提高。但是，3種巖石經(jīng)歷凍融后，其單軸抗壓強度和彈性模量均有所降低，其主要原因是：凍結(jié)過程中，飽和巖石試件內(nèi)部孔隙裂隙水結(jié)冰產(chǎn)生凍脹力，當(dāng)凍脹力大于巖石結(jié)構(gòu)強度時，會對試件產(chǎn)生新的損傷，從而降低其強度特性。粗粒砂巖因其飽和含水率，比表面積和孔容都較大，凍結(jié)對試件的損傷也更大，因此，其單軸抗壓強度和彈性模量減小幅度也相應(yīng)較大，而該結(jié)果在飽和吸水率、微觀結(jié)構(gòu)觀測中也得到很好印證。由此可知，砂巖內(nèi)部孔隙分布結(jié)構(gòu)和含水率是影響凍融損傷的兩大重要因素。

4結(jié)論

人工凍結(jié)法鑿井是西部地區(qū)富水軟巖地層井筒建設(shè)的主要技術(shù)手段，凍融作用下白堊系巖石物理力學(xué)特性的研究關(guān)系到凍結(jié)壁、井壁設(shè)計的科學(xué)性。文中開展2種代表性砂巖的在常溫、凍結(jié)、解凍后等3種不同狀態(tài)下的飽和吸水率、微觀結(jié)構(gòu)試驗及單軸壓縮試驗，獲得其凍融前后的飽和吸水率、孔隙結(jié)構(gòu)、單軸抗壓強度和彈性模量變化，探討了一次凍融作用下砂巖的損傷效果。

1）凍融對2種巖石飽和吸水率均有不同程度的影響，2種巖石經(jīng)歷凍融作用后飽和吸水率均有所增大，粗粒砂巖飽和吸水率增加幅度較大;

2）一次凍融循環(huán)后粗粒砂巖比表面積和孔容都增大而平均孔徑減小，而中粒砂巖則表現(xiàn)為：比表面積增大，孔容和平均孔徑減小;

3）一次凍融作用下，2類砂巖的單軸抗壓強度和彈性模量均有不同程度的降低，其中，粗粒砂巖峰值抗壓強度、彈性模量降幅均大于中粒砂巖;

4）低溫凍結(jié)提高了試驗巖石的單軸抗壓強度，粗粒砂巖單軸抗壓強度提高幅度大于中粒砂巖;

5）基于以上試驗結(jié)果可知，對于多孔隙砂巖而言，其內(nèi)部孔隙分布結(jié)構(gòu)、含水率狀況是導(dǎo)致其凍融損傷效果的主要控制因素。

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