學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué) 號(hào)

專 業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

黃志軒

201608020114

道路工程

男

2016

楊蘊(yùn)韜

201638090229

道路工程

男

2016

劉彪

201608020832

道路工程

男

2016

周垚

201610010436

道路工程

男

2016

匡鵬程

201608021024

道路工程

男

2016

指導(dǎo)教師

謝軍

職稱

副教授

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

道路與鐵道工程

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

一、學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

1. 為確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行，進(jìn)行了大量的材料性能試驗(yàn)，掌握了相關(guān)的試驗(yàn)方法及步驟，保證了自身的實(shí)踐能力；

2. 部分人員曾于2016年參與大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目立項(xiàng)，課題為基于裂隙度表征的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法，對于項(xiàng)目的進(jìn)行和完成擁有足夠的經(jīng)驗(yàn)；

3. 項(xiàng)目采用的剪切破壞試驗(yàn)方法以指導(dǎo)老師研究方向?yàn)橹?，可以得到充分的指?dǎo)以提高實(shí)驗(yàn)可信度和精準(zhǔn)度。

二、指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

指導(dǎo)教師謝軍，一直從事路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、路面材料、路面檢測與評(píng)價(jià)技術(shù)和路面養(yǎng)護(hù)管理等方面的工作。

1. 主持完成了包括國家自然科學(xué)青年基金、湖南省自科基金、交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目在內(nèi)的縱橫向科研課題十余項(xiàng)。

2. 有大量的學(xué)術(shù)研究成果，曾在國內(nèi)外期刊發(fā)表論文十余篇。

3. 曾獲中國公路學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)(主持)、一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，湖南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，并榮獲長沙市首屆“青年科技獎(jiǎng)”。

其中主持的“基于分形理論的瀝青路面剪切疲勞及破壞機(jī)理研究”(國家自然科學(xué)青年基金)、“瀝青混合料疲勞剪切破壞機(jī)理及剪切疲勞試驗(yàn)研究”(交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目)在瀝青混合料剪切性能研究、剪切試驗(yàn)方法開發(fā)等方面做了大量的工作，可為本項(xiàng)目實(shí)施提供較好的指導(dǎo)。

三、項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

3.1 目的

近年來，隨著我國道路交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的變化以及交通量、軸載、渠化交通的增加，公路瀝青路面出現(xiàn)了車轍、推移、擁包、縱向開裂等病害，國內(nèi)外研究資料表明：隨著軸載、胎壓、渠化交通等荷載條件的變化，瀝青路面面層受到較大的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變作用，瀝青混合料的抗剪性能不足是引起這些病害的主要原因。

基于此問題，本研究項(xiàng)目通過分析瀝青路面剪切破壞的特征，提出高抗剪性能瀝青混合料的設(shè)計(jì)方案，旨在提高瀝青路面的抗剪切能力，減小剪切破壞危害。

3.2 內(nèi)容

基于以上原因，本項(xiàng)目將通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）進(jìn)行廣泛而全面的室外現(xiàn)場調(diào)研，選取高速公路、城市道路、公交車站等不同地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地考察，并采集瀝青路面剪切破壞的樣本。通過對多個(gè)不同種類的路段的剪切破壞情況的檢測，對瀝青路面發(fā)生剪切破壞的原因進(jìn)行分析，根據(jù)道路情況的不同，對瀝青路面產(chǎn)生剪切破壞的影響因素進(jìn)行歸納分析。

（2）對已有的有關(guān)瀝青路面剪切破壞的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行深入研究和逐一嘗試，與此同時(shí)，學(xué)習(xí)此類實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)思路，并通過對比得出各種方法之間的利弊。在充分理解各種方法原理的同時(shí)，借此獲得盡可能多的剪切破壞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，初步得出瀝青混合料配比與抗剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。

（3）在前人相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對剪切破環(huán)的過程和影響因素進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)，分析瀝青路面剪切破壞的形成機(jī)理及影響剪切破壞形成的因素。結(jié)合室外調(diào)研獲取的樣本數(shù)據(jù)，以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析得到瀝青混合料的成分及配比與瀝青路面抗剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，從而總結(jié)出設(shè)計(jì)高抗剪切性能的瀝青混合料的基本思路。

（4）根據(jù)所得出的基本思路，嘗試修改瀝青混合料的配比以提高其抗剪切破壞性能，并付諸于實(shí)踐，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定，在驗(yàn)證方案可行性的同時(shí)，也對之前所得出各種理論分析的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其正確性。驗(yàn)證無誤后則著重拓展思路，采用添加外摻材料的方法來改變?yōu)r青混合料的配比，以期以此提高瀝青路面的抗剪切強(qiáng)度。

（5）對提出的多種理論方案進(jìn)行實(shí)際嘗試，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)際抗剪切能力，淘汰未提升瀝青混合料抗剪切強(qiáng)度的方案和成品有明顯的缺陷的方案，并在此過程中對已得出理論和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

在最后所得的方案中，則應(yīng)綜合考慮成本，工藝，抗剪切強(qiáng)度提升幅度等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合考量，逐一對比，并最終得出最佳的方案。

3.3 解決的主要問題

（1）通過室外現(xiàn)場調(diào)研，獲得剪切破壞的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)。

（2）研究和嘗試已有的實(shí)驗(yàn)方法，初步得出影響抗剪切強(qiáng)度的因素。

（3）進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)，完善自身的理論基礎(chǔ)。

（4）嘗試修改瀝青混合料的配比，提高其抗剪切破壞的性能。

（5）測定所提出方案的實(shí)際效果，得出最終結(jié)論。

就現(xiàn)實(shí)而言，近年來，公路瀝青路面出現(xiàn)了車轍、推移、擁包等新的病害，而瀝青混合料的抗剪性能不足則正是引起這些病害的主要原因。但另一方面，我國尚未對瀝青路面的抗剪切性能有明確的規(guī)定，這也間接導(dǎo)致了目前我國的瀝青路面在抗剪切性能方面往往存在不足。由此可見，提高瀝青路面的抗剪切性能顯然有著深遠(yuǎn)的意義和極高的價(jià)值。

就理論而言，路面的剪切破壞雖然早已有之，但直到近年，剪切破壞對路面壽命的影響日益凸顯，學(xué)界對此的重視才開始逐步提高。甚至于缺少一個(gè)公認(rèn)的實(shí)驗(yàn)方法確認(rèn)瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)度，即使是國內(nèi)廣受認(rèn)可的單軸貫入法，其理論基礎(chǔ)也尚不完全明晰。著手對此進(jìn)行研究，自然更易有所收獲，成果也將更有價(jià)值。

四、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

4.1 國外研究現(xiàn)狀

從二十世紀(jì)開始，國內(nèi)外從瀝青路面抗剪強(qiáng)度、抗剪指標(biāo)以及在路面荷載下所受剪切力分布等方面著手，進(jìn)行了大量有關(guān)于瀝青路面剪切破壞的研究。

早在1928年，美國加州公路局O.J.波特等在對破損路面進(jìn)行大量調(diào)查后，認(rèn)為路面病害的產(chǎn)生與道路基層及面層材料的剪切強(qiáng)度與壓實(shí)度不足密不可分^[1]，但當(dāng)時(shí)認(rèn)為的主要原因還是土基材料的剪切強(qiáng)度不足引起的，并建立了以單位壓力p下產(chǎn)生貫入度來測試土基的強(qiáng)度，即CBR法。在這一理論基礎(chǔ)上，還得到了不同路面厚度下土基的抗剪強(qiáng)度與CBR值得關(guān)系?？梢?/span>CBR法也是早期道路研究人員對土基剪切應(yīng)力的一種檢測方法，雖然尚未上升到路面的剪切強(qiáng)度，但也建立了道路一個(gè)新的研究方向。

V.R.Smith在三軸試驗(yàn)下通過改變?yōu)r青混合料類型、試驗(yàn)的溫度以及加載頻率等分析不同試驗(yàn)因素對瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響^[2]。利用彈性理論方法系統(tǒng)全面的闡述了道路的剪切受力狀態(tài)，提出了瀝青混合料的破壞標(biāo)準(zhǔn)與混合料應(yīng)該滿足的物理特性，還給出了混合料在不同路面荷載情況下應(yīng)達(dá)到的剪切強(qiáng)度要求和諾模圖。

Zhang， Kun和 Muftah， Ahmed^[3]等人對十組不同 RAP 含量的瀝青混合料對比分析，驗(yàn)證其體積指標(biāo)、抗車轍性能、抗疲勞開裂性能和抗低溫開裂性能，提出含 RAP 瀝青混合料性能關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法。Soohyok Im^[4]等人也提出基于摻加 RAP 的新型瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，該法又被稱為瀝青混合料均衡設(shè)計(jì)方法，并以此來確定最佳瀝青用量，室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)研究顯示，該法能夠較好地均衡瀝青混合料路面的開裂和車轍問題。

4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

對于瀝青路面的抗剪切性能方面，我國的研究起步比較晚，但幾十年來，關(guān)于這方面的研究成果也是蔚然可觀。

20世紀(jì)80年代，我國為了解決路面出現(xiàn)的車轍問題，進(jìn)行了針對柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專項(xiàng)研究。但瀝青面層的抗剪指標(biāo)一直沒有得到重視。

1991年，徐世法通過研究認(rèn)為瀝青路面的擁包與推移變形是由于剪切應(yīng)力的作用下形成的^[5]。并說明瀝青混合料的剪切變形不僅與剪切應(yīng)力τ有關(guān)，還跟平均法向應(yīng)力σm有關(guān)。當(dāng)平均法向應(yīng)力σm為正時(shí)會(huì)使混合料更密實(shí)，稱為負(fù)剪脹，反之會(huì)使混合料松散，稱為正剪脹，路面正是在不斷的正負(fù)剪脹作用下形成擁包與推移。

馬新、郭忠印等人通過建立三維有限元分析模型，研究移動(dòng)荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力場的分布規(guī)律與半剛性基層瀝青路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并分別計(jì)算了汽車在勻速行駛階段、制動(dòng)階段時(shí)瀝青路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律^[6]。結(jié)果表明：在汽車在制動(dòng)階段相比勻速行駛階段時(shí)路面結(jié)構(gòu)層中的最大豎向位移與豎向最大剪應(yīng)力基本保持同一水平，但水平最大剪切應(yīng)力大大增加。

王旭東，張蕾^[7]等提出了基于骨架嵌擠原理的瀝青混合料均衡設(shè)計(jì)法。該法認(rèn)為在某一特定的壓實(shí)功作用下，無論何種礦料級(jí)配，起潤滑和填充作用的瀝青會(huì)將混合料的框架結(jié)構(gòu)逐漸撐開，則定義混合料框架結(jié)構(gòu)在被撐開前的狀態(tài)為其最緊密狀態(tài)，它是混合料壓實(shí)過程中的一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)。盡管很多國家瀝青混合料的抗剪因素都沒有納入設(shè)計(jì)控制指標(biāo)中，但是各國的道路工作研究者都深知抗剪因素的重要性。相關(guān)研究者對瀝青混合料的抗剪切性能做了大量的研究，并取得了很多成果。而瀝青混合料的設(shè)計(jì)是一個(gè)集材料設(shè)計(jì)和性能設(shè)計(jì)于一體的過程，涵蓋范圍廣，諸多研究也大都是基于既有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法從不同角度做了進(jìn)一步優(yōu)化，應(yīng)用局限性較大，存在進(jìn)一步完善的空間。

參考文獻(xiàn)

[1] 沙慶林. 柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[M]. 北京: 人民交通出版社， 1988

[2] V.R.Smith. stability method for flexible pavements design. proceedings of association of asphalt paving technologists， Triaxial 1949 February 14 and 15

[3] Zhang K. Muftah., Ahmed W.， et al. Performance-Related Design Method for Asphalt Mixes That Contain Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) [A]. TRB 95th Annual Meeting Compendium of Papers Transportation Research Board Annual Meeting[C]，2016:16-26.

[4] Soohyok I., Pravat K.， Fujie Z., Development of new mix design method for asphalt mixtures containing RAP and rejuvenators[J]. Construction and Building Materials， Volume 115:727-734.

[5] 徐世法. 高等級(jí)公路道路瀝青路面車轍的預(yù)估與防治[同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文][D].上海: 同濟(jì)大學(xué)，1991

[6] 馬新，郭忠印. 動(dòng)載作用下瀝青路面的剪切破壞機(jī)理[J]. 中路公路學(xué)報(bào)， 2009， 22(6):34-39

[7] 王旭東，張蕾. 基于骨架嵌擠型原理的瀝青混合料均衡設(shè)計(jì)方法[M].北京，人民交通出版社，2014.5

五、本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

5.1 查閱與本項(xiàng)目相關(guān)的文獻(xiàn)

利用搜索引擎和知網(wǎng)等方式，我們詳細(xì)了解了與本項(xiàng)目相關(guān)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及概況，并進(jìn)行了總結(jié)和分析。雖然瀝青路面的剪切破壞已經(jīng)日益得到重視，但相關(guān)研究情況依然遠(yuǎn)不如路面其他方面，而對于瀝青路面的抗剪性能的考慮也依舊十分不足?？辜粜陨形醋鳛闃?biāo)準(zhǔn)中的一部分，成為對瀝青混合料的硬性要求，由此可見，我們的研究是有著深遠(yuǎn)意義和有所創(chuàng)新的，而非無用的重復(fù)前人的事業(yè)。

5.2 進(jìn)行與本項(xiàng)目相關(guān)的實(shí)驗(yàn)

利用學(xué)校已有的設(shè)備，我們進(jìn)行了大量材料性能方面的實(shí)驗(yàn)。從而掌握了相關(guān)的試驗(yàn)方法及步驟，積累了使用儀器設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，為項(xiàng)目中實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，指導(dǎo)老師也帶我們查看并使用了扭轉(zhuǎn)剪切破壞的實(shí)驗(yàn)儀器，詳細(xì)闡述了其實(shí)驗(yàn)過程，作用機(jī)理，和結(jié)果分析方法，為我們之后的剪切破壞實(shí)驗(yàn)做好了準(zhǔn)備。

5.3 部分成員參與過大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目立項(xiàng)

部分成員于2016年參與了大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目立項(xiàng)，課題為基于裂隙度表征的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法。雖然此課題與我們的項(xiàng)目相關(guān)性有限，但他們擁有了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和完成一個(gè)課題的經(jīng)驗(yàn)，這對我們十分有幫助，可以在很大程度上保證我們項(xiàng)目流程的順利進(jìn)行。

六、項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

6.1創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過設(shè)計(jì)新的瀝青混合料的配比以及外摻材料，來提高瀝青混合料的抗剪性能，從而延長瀝青路面的使用年限；

（2）在試驗(yàn)中創(chuàng)新性的運(yùn)用更易操作的正應(yīng)力條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)方法，簡化試驗(yàn)方法，提高試驗(yàn)效率，增加試驗(yàn)次數(shù)，使試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)更具有可靠性；

（3）尤其針對于中南地區(qū)的路段進(jìn)行研究分析，使得本項(xiàng)目的研究成果更加適應(yīng)于中南地區(qū)路段；

6.2 特色

（1）由于瀝青混合料的抗剪切性能影響因素復(fù)雜多變，通過現(xiàn)場調(diào)研和室內(nèi)試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)瀝青混合料的路用性能；

（2）所用的試驗(yàn)材料簡單易得且經(jīng)濟(jì)性好；

（3）設(shè)計(jì)了多組對照試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，使試驗(yàn)結(jié)果更具說服力和可靠性；

（4）正應(yīng)力條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)方法操作流程簡便，便于現(xiàn)場試驗(yàn)施工的展開。

七、項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

7.1 技術(shù)路線

（1）收集相關(guān)的資料與論文，并對這些資料的理論進(jìn)行學(xué)習(xí)，為后面的實(shí)驗(yàn)研究打下理論基礎(chǔ)。

（2）對各路段進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，對受到剪切破壞的瀝青路面進(jìn)行觀測和取樣，匯總后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定和理論分析。

（3）利用分析結(jié)果，大膽設(shè)計(jì)出多種瀝青混合料試件的配比，并以此配比進(jìn)行配制，之后對其進(jìn)行正應(yīng)力條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)。

（4）對正應(yīng)力條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到抗剪能力好的配比，再將該配比細(xì)分，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定最優(yōu)配比。

7.2 預(yù)期成果

（1）借助整理掌握的資料，在導(dǎo)師指導(dǎo)下，分析不同地段瀝青路面發(fā)生剪切破壞的原因及影響剪切破壞的相關(guān)因素，對此撰寫小論文；

（2）對相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行深入研究和逐一嘗試，通過對比得出各種方法之間的利弊，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，初步得出瀝青混合料配比與抗剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，并記錄分析報(bào)告。

（3）提出新的瀝青混合料配比，配制后進(jìn)行正應(yīng)力條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)。反復(fù)試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行總結(jié)后，最終得到最優(yōu)抗剪瀝青混合料配比，申請專利；

（4）整理形成系統(tǒng)性瀝青路面剪切破壞特征的研究報(bào)告，撰寫高抗剪性能的瀝青混合料的研究論文以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總結(jié)報(bào)告。

八、年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

近些年來隨著我國交通量的快速增長，瀝青面層失穩(wěn)流動(dòng)產(chǎn)生的車轍變形，交叉口及大縱坡路段瀝青層間推移，擁包變形等破壞已成為我國高等級(jí)公路主要的破壞類型之一。而導(dǎo)致上述病害的主要原因就是瀝青混合料抵抗剪切流動(dòng)變形的能力不足。本項(xiàng)目試圖從剪切方面入手，提出抗剪性能更好的瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法。通過對現(xiàn)場的調(diào)查檢測，了解瀝青路面發(fā)生剪切破壞的表現(xiàn)，分析主要原因。針對瀝青路面的剪切破壞，從材料配合比設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行研究，運(yùn)用正應(yīng)力條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)不斷嘗試設(shè)計(jì)出更好的瀝青混合料，提出抗剪性能更好的瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法。

2018上半年：根據(jù)所做項(xiàng)目，學(xué)習(xí)必須的基礎(chǔ)理論知識(shí)，掌握必要實(shí)驗(yàn)技能，查閱相關(guān)資料，制定研究方案、確定研究技術(shù)路線。

2018下半年：選定具有代表性的路段，進(jìn)行現(xiàn)場勘測，收集檢測數(shù)據(jù)，總結(jié)路面剪切破壞的表現(xiàn)及成因，并提出抗剪性能更好的瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法。

2019上半年：根據(jù)現(xiàn)場結(jié)果和理論知識(shí)，試配瀝青混合料試件，進(jìn)行正應(yīng)力條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)對比，不斷進(jìn)行改良，篩選出抗剪切性能最好的試件，其代表的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法即項(xiàng)目所求設(shè)計(jì)方法。

2019下半年：總結(jié)項(xiàng)目以上進(jìn)程，撰寫小論文，完成項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告。

指導(dǎo)教師意見

項(xiàng)目針對我國瀝青路面剪切破壞發(fā)生現(xiàn)狀，從破壞原因，破壞機(jī)理入手，分析瀝青路面剪切破壞影響因素，采用正應(yīng)力條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)方法，對不同配比的瀝青混合料進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)。從材料設(shè)計(jì)角度對比不同配合比優(yōu)劣，提出抗剪性能更好的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法。

項(xiàng)目研究目標(biāo)明確，技術(shù)路線合理，研究方案可行，有較好的創(chuàng)新性。同意并支持項(xiàng)目立項(xiàng)申請，并及時(shí)指導(dǎo)督促，保證項(xiàng)目順利實(shí)施及完成研究任務(wù)。

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