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Manual de Técnicas de Reparación y Refuerzo
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INDICEPág.
Introducción 31 Diagnóstico y Soluciones 5
1.1 Algunos Defectos 51.2 Evaluación del Daño 61.3 Descripción – Diagnóstico y Soluciones 7
1.3.1 Hormigón Armado, Vigas y Losas 7 Pilares, Columnas, Muros 111.3.2 Albañilería Reforzada (Confinada) 14 Muros 14 Puntos Singulares en Albañilerías 151.3.3 Albañilería Armada 17 Muros 17
2 Procedimientos de Reparación y Refuerzo 18Elección del Procedimiento 18
2.1 Hormigón Armado 192.1.1 Reparaciones Superficiales 192.1.2 Reparaciones Profundas – Reemplazo de Hormigón 212.1.3 Inyección de Grietas 242.1.4 Refuerzos Internos 262.1.5 Refuerzos Externos de Acero 29 Refuerzos con Fibra de Carbono 31
2.2 Albañilerías 322.2.1 Albañilería de Ladrillo 322.2.2 Albañilería de Bloques 352.2.3 Albañilería de Relleno 36
3 Materiales para la Reparación 373.1 Morteros de Cemento 373.2 Morteros con Polímeros 383.3 Morteros Predosificados 383.4 Hormigones 393.5 Aditivos para el Hormigón y Morteros 41
3.52 Sistemas Epóxicos 423.53 Fibra de Carbono (FRP) 43
Bibliografía 44
Manual de Técnicas de Reparación y Refuerzo
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INTRODUCCIÓN
El hormigón armado ha demostrado en el tiempo su excelente comportamiento, incluso fren-te a severas y diversas solicitaciones, a veces muy superiores a las previstas en el cálculo. Sin embargo, eventualmente y por efecto de acciones externas como sobrecargas o sismos, puede sufrir daños. Ellos solo ocasionalmente Ilegan a comprometer la seguridad de la es-tructura, la que excepcionalmente puede colapsar.
Las estructuras dañadas normalmente pueden recuperarse por medio de reparaciones, las que a lo menos, deberán permitir recuperar las condiciones primitivas a la construcción. En otros casos puede ser necesario recurrir a la instalación de refuerzos, los que serán exitosos en la medida que otorguen amplia seguridad a los usuarios y preserven la vida útil de las construcciones por el periodo para el cual fueron diseñadas.
Para la reparación se suele recurrir a retapes superficiales que no otorgan ninguna seguridad, o bien, a demoliciones y refuerzos injustificados. Evidentemente ambos extremos son incon-venientes, ya que pueden repercutir en graves daños o elevado costo.
Hoy en día, partiendo del análisis de causas y efectos, y utilizando procedimientos, equipos y productos de avanzada tecnología, es posible abordar con éxito la reparación y recuperación de obras que de otra forma estarían perdidas.
Desde un punto de vista general, se considera que los defectos de construcción se pueden reparar, con lo que se recuperan las condiciones originales de proyecto; en cambio, cuando hay defectos de diseño, u omisión de armaduras, la solución suele ser más compleja y la mayoría de las veces se Ilega a la necesidad de reforzar.
El Instituto del Cemento y del Hormigón de Chile ha querido contribuir con estas páginas a la divulgación de técnicas adecuadas de reparación, presentadas de manera de facilitar la elección del procedimiento más adecuado en cada caso y los requisitos que deben cumplir los materiales que se utilicen.
Por la complejidad técnica que revisten tanto el diagnóstico de las fallas como el proyecto de reparación, debe ser realizado por un profesional especialista.
Durante la ejecución de los trabajos es imprescindible desarrollar un completo y detallado control de calidad de todas y cada una de las etapas del proceso de reparación o refuerzo.
El presente texto fue preparado por el Sr. Jorge Montegu Soler, Constructor Civil U.C., ex pro-fesor de Tecnología del Hormigón en la escuela de Construcción Civil, Facultad de Ingeniería de la P.U.C., en la actualidad Consultor y profesor de Sistemas Constructivos en Hormigón de la Universidad Mayor.
Manual de Técnicas de Reparación y Refuerzo
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1. DIAGNÓSTICO Y SOLUCIONES
1.1 Algunos Defectos
La falla de una estructura tiene generalmente una manifestación externa de cuyo análisis se podrá deducir la importancia, origen y posibles consecuencias. De lo anterior, se puede apreciar la importancia que representa el saber reconocer estos Daños, clasificarlos y des-cribirlos.
A continuación, algunas manifestaciones externas de fallas en el hormigón:
Deterioro superficialSe caracterizan en general, por su pequeña profundidad en relación con una extensión re-lativamente grandes. Se incluyen aquí todas las fallas cuyo espesor es inferior a 5 cm y/o alcanza a afectar solo el recubrimiento de las armaduras.
Discontinuidad local y profundaSu extensión puede ser grande o no, siendo su profundidad mayor que 5 cm, afectan el hor-migón detrás de las armaduras; un ejemplo típico son los nidos de piedra.
GrietasSe deben a que las tensiones internas en el hormigón, han sobrepasado la resistencia de este, produciendo la rotura del elemento. Si la causa que la originó ha desaparecido, dicha grieta se puede considerar sin movimiento (grieta muerta) y por lo tanto susceptible de ser reparada devolviendo el monolitismo a la estructura.
En cambio si la causa persiste, por ejemplo variaciones de temperatura, la grieta seguirá mo-viéndose como si se tratara de una verdadera junta de dilatación. Para hacer una clasificación según el tamaño, puede distinguirse entre fisura o grieta, según que su ancho sea menor o mayor que 0,3 mm, respectivamente.
Rotura de nudosFallas en la unión de elementos como cadenas y vigas entre sí por deficiencias de anclajes.
Pandeo de armaduras verticalesCorresponde generalmente a una insuficiencia de confinamiento por falta de estribos o arma-duras horizontales.
Fractura de un elementoCorresponde a una o varias de las fallas mencionadas, manifestándose con mayor intensidad y cortando o deformando la enfierradura original. Generalmente se hace necesario un reem-plazo total o parcial del elemento.
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1.2 Evaluación del Daño
Para poder determinar el procedimiento de reparación es indispensable conocer las causas que lo originan y sus efectos.
CausasDiseñoCorresponde a una falta o insuficiencia en los estudios preliminares, como condición de sue-los, ambiente, etc., errores de dimensionamiento o calidad, cantidad y disposición de las armaduras, especificaciones incompletas, etc.
EjecuciónPueden presentarse defectos por materiales y procedimientos. En el primer caso se trata de la elección inadecuada de los componentes del hormigón o incumplimiento de las normas de calidad. El segundo caso corresponde a la utilización de malos procedimientos, especialmen-te en el vaciado, colocación, compactación y curado del hormigón. Algunos ejemplos típicos muy frecuentes son los nidos de piedras y las juntas de hormigonado mal ejecutadas. Tam-bién ocurren por insuficiencia y desplazamiento de las armaduras.
UsoLos daños debidos al uso aparecen cuando la estructura está en servicio y después de un tiempo más o menos largo según el caso. A veces las condiciones de use no fueron bien pre-vistas, pero muchas veces se deben a que las condiciones cambian después.
Entre las causas de daño por el uso se pueden mencionar: sobrecargas, deformaciones, me-dio ambiente, ataque químico, desgaste, cavitación y efecto de los incendios.
EfectosEl daño en una estructura puede tener efectos sobre la durabilidad y seguridad de la obra y, eventualmente sobre su estabilidad. Pueden considerarse además aspectos de orden esté-tico los que pueden influir en consideraciones sicológicas, como una grieta en una vivienda, la cual produce una sensación de inseguridad en el usuario.
Desde el punto de vista de la durabilidad la falla original puede favorecer otras alteraciones: es el caso de corrosión debido a una grieta o nido de piedras. Cuando el daño influye en la seguridad de la estructura, requiere atención y reparación inmediata.
Conocido el problema y determinados la causa y su efecto, es necesario ordenar y clasificar las fallas para luego seleccionar el procedimiento y racionalizar las faenas de reparación.
Finalmente es necesario señalar que en casos de daños en estructuras deberá consultarse a profesionales calificados, y elegir procedimientos de reparación simples, cuando no se dis-pone de personal y equipos especializados. Los métodos más sofisticados solo pueden ser ejecutados por personal idóneo y bajo la supervisión adecuada.
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2. PROCEDIMIENTOS DE REPARACIÓN Y REFUERZO
ELECCIÓN DEL PROCEDIMIENTO
Una vez realizados los estudios preliminares sobre el origen y posibles consecuencias del daño en una estructura, se deberá determinar el método de reparación más adecuado toman-do en consideración factores tales como eficiencia y seguridad, materiales y equipos nece-sarios, costos y condiciones particulares de la obra (temperaturas, condiciones ambientales, plazos etc.).
Para cada tipo de daño puede presentarse más de una alternativa de reparación, debiendo elegirse entre ellas la que otorgue mayor seguridad, es decir, que restituya en mejor forma las condiciones para las cuales fue diseñada la obra y, en caso de refuerzos, permita que el elemento trabaje como un todo armónico con el resto de la estructura.
En segundo lugar se deberá considerar la disponibilidad de tecnología (léase personal capa-citado, materiales y equipos) en el lugar en que se desarrollará la obra. La elección de proce-dimientos que requieren de equipos sofisticados como es el caso de la gunita e inyecciones de cemento, va generalmente asociada con aplicaciones en grandes extensiones o muy re-petitivas, por la fuerte incidencia que ellos tienen en los costos.
Similar consideración es válida para la ejecución de refuerzos en sus distintas formas.
La aparente simplicidad de muchos de los procedimientos descritos puede ser una tentación para resolver sin mayor análisis muchos de los problemas que se presentan en obras, sin em-bargo, conviene insistir en la necesidad de que profesionales especializados intervengan en los estudios y cálculos previos y elaboren las especificaciones detalladas para la reparación.
Finalmente, la seguridad queda satisfecha con una adecuada supervisión y control de calidad de las distintas etapas, incluidos los ensayes de resistencia y adherencia de los materiales, y la verificación de los procedimientos mediante extracción de testigos y/o pruebas de cargas cuando la situación lo amerite.
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Manual de Técnicas de Reparación y Refuerzo
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3.- MATERIALES PARA LA REPARACIÓN
3.1 Morteros de cemento
Composición
CementoCorriente o Alta Resistencia según requisitos de resistencia y velocidad de fraguado.
ArenaSe empleará arena apta para hormigones con tamaño máximo de 2,5 a 5,0 mm, según empleo.
Dosis de CementoA falta de especificación se emplearán morteros 1:3 en volumen (1 saco de cemento por 100 litros de arena).
AguaPotable y/o libre de impurezas.Dosis: la menor posible compatible con condiciones de colocación.
Aditivos Expansor para control de retracciones en morteros de relleno. Plastificante o fluidificante para morteros fluidos de inyección o grout.
Aceleradores de fraguado Trabajos rápidos de reparación (empleo limitado en contacto con armaduras).
Emulsiones acrílicas En lechadas de adherencia y aplicación de capas delgadas.
NOTA: En cada caso, respetar dosis e instrucciones de aplicación de los fabricantes.
Resistencias Mecánicas Deberá ser Igual o superior a la de los elementos que se deben reparar. Cuando no se especifique se recomienda una resistencia a compresión de 300 kg/cm2.
Bajas Retracciones Los morteros de reparación o de relleno deberán tener una retracción controlada. En general se recomienda el empleo de expansores para compensar la retracción plástica y exudación.
Trabajabilidad Empleo de morteros secos o ligeramente plásticos (baja razón agua-cemento) en todos los ca-sos en que sea posible su aplicación. Cuando se requieran morteros para inyección o grouting emplear aditivos plastificantes o fluidificantes, manteniendo una razón agua-cemento baja.
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AdherenciaEmplear productos de adherencia acrílicos o epóxicos.
3.2 Morteros con polímeros
DefiniciónSon morteros de cemento a los cuales se les adiciona una emulsión de un polímero acrílico o Látex sintético.Los polímeros actualmente empleados en la elaboración de estas emulsiones son de tres tipos: acrílicos, estireno-butadieno (SBR) y acetato de polivinilo (PVA); estos últimos no son recomendables para aplicación a ambiente húmedo permanente.Las emulsiones de polímeros tienen dos formas de aplicación características.
Lechadas de AdherenciaUtilizadas como puente de adherencia entre el mortero fresco y la base (mortero, hormigón o albañilería).Para preparar la lechada de adherencia se mezcla cemento y arena fina en proporción 1:1 y luego se agrega la emulsión acrílica diluida en agua en la proporción indicada por el fabrican-te, mezclando hasta obtener una consistencia cremosa.La lechada se aplica con brocha sobre la superficie; el mortero se debe aplicar sobre la lecha-da fresca antes de una hora.
Morteros con PolímerosLa adición de una emulsión acrílica a morteros de cemento mejora considerablemente algu-nas de sus propiedades:
Elevada adherencia a la base (resistencia al corte 28 ± 5 kgf/cm2) Resistencia a compresión a 28 días: 250 a 450 kgf/cm2
Resistencia a flexotracción a 28 días: 65 a 100 kgf/cm2
Módulo de elasticidad en compresión: 250.000 kgf/cm2
Baja tendencia a la fisuración.
La dosificación recomendada es de 1:3 a 1:3,5 (en peso) con una razón agua-cemento entre 0.30 y 0.40 (incluida la emulsión acrílica previamente disuelta en el agua).
Los morteros con polímeros se emplean principalmente en trabajos de reparación y aplicación de capas delgadas.
3.3 Morteros Predosificados
DefiniciónExisten en el mercado diversos productos preparados en fábrica o en plantas, que se entre-gan listos para su empleo y sólo requieren que se agregue agua para su colocación en obra.
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VentajasProductos de fabricación controlada, dosificación en peso, diseñados para fines específicos. Especialmente adecuados para trabajos de reparación donde se requieren productos de cali-dad y no existen los medios para una confección controlada.
Tipos Morteros de reparación de baja retracción: Resistencia a compresión a 28 días entre
200 y 300 kgf/cm2 . Reparaciones en general, albañilerías, hormigones de resistencia mo- derada <300kgf/cm2.
Morteros de alta resistencia y baja retracción para reparaciones: Resistencia a com- presión a 28 días entre 300 y 450 kg/cm2 para reparación de estructuras de hormigón.
Morteros de fraguado rápido: Gran velocidad de endurecimiento para trabajos rápidos. Resistencia a 7 días > 300 kgf/cm2. Morteros para reparación de hormigones de alta resistencia, con resistencia a compresión
a 7 días de 700 kgf/cm2 y a 28 días > 800 kgf/cm2. Morteros con fibras sintéticas para mayor resistencia a la flexotracció (> 60 kgf/cm2 a 28 días).
Morteros autonivelantes: Morteros fluidos para aplicar en superficies horizontales (pisos).
PropiedadesLas propiedades específicas varían de un producto a otro y entre los distintos fabricantes. En general están caracterizados por su elevada resistencia, rápido desarrollo de resistencia, buena adherencia y baja retracción.
3.4 Hormigónes
CementoEmpleo de cemento Corriente o Alta Resistencia según requisitos de resistencia y velocidad de fraguado.
ÁridosDeben cumplir requisitos para empleo en hormigones de la norma NCh 163, especialmentecomposición granulométrica, resistencia y limpieza.
Morteros para grout o rellenos: Morteros fluidos, generalmente expansivos para aplicar bajo placas de anclaje de maquinarias o estructuras. Trabajos de inyecciones y rellenos en lugares estrechos.
Morteros tixotrópicos: Consistencia adecuada para trabajos en paramentos verticales y sobre cabeza sin correrse. La mayoría de los productos anteriormente mencionados poseen esta ca-racterística debido a su mayor contenido de finos(cemento, arna fina y microsílice) y aditivos.
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Tamaño máximo: Compatible con espesores y densidad de armaduras de elementos a repa-rar.
En general, a falta de especificación se empleará una mezcla de arena y gravilla de tamaño máximo 20 mm (3/4”).
AguaPotable y/o libre de substancias extrañas, sales disueltas o partículas en suspensión.
DosificaciónSegún requisitos de resistencia y trabajabilidad especificados. A falta de especificación se empleará una dosis mínima de cemento de 340 kg/m3.
AditivosPueden emplearse distintos productos según requisitos particulares necesarios, siendo de uso mas frecuente los plastificantes-reductores de agua, aceleradores y retardadores de fra-guado, expansores, etc. Ver 3.5.
Resistencias Mecánicas: Igual o superior a la de la estructura que se vaya a reparar. En ningún caso la resistencia podrá ser inferior a 250 kgf/cm2.
Retracciones: Deberán ser lo más bajas posibles, lo que se obtiene con dosificación adecua-da y mínima razón agua-cemento (a/c ≤ 0,45); obtención de trabajabilidad mediante aditivos plastificantes o fluidificantes, en volúmenes pequeños y confinados, emplear aditivo expan-sor.
Trabajabilidad: Generalmente se requieren hormigones de elevada docilidad, lo que se ob-tiene con aditivos plastificantes o fluidificantes. Asentamiento de cono 12 a 24 cm.
AdherenciaAsegurar la unión íntima con los hormigones de la estructura. Reparaciones estructurales: emplear puente de adherencia epóxico. Reparaciones superficiales: emplear lechada con emulsión acrílica. Confección, Colocación y Curado. Según prescripciones de NCh 170, extremando las pre-
cauciones en cada caso.
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Plastificantes:Permiten aumentar la docilidadcon una misma razón agua-cemento.Dosis: según producto
Fluidificantes:Permiten obtener hormigonesfluidos con razones agua-cemento bajas o normales.Dosis: según producto
Expansores:Aditivos que reaccionan concompuestos del cementoproduciendo un pequeñoaumento del volumen.Dosis: 2% del peso delcemento.
Aceleradores y Retardadores:Productos que reaccionancon compuestos del cemento,acelerando o retardando lasreacciones de hidratación.Dosis: variable según efecto.
Aditivos de Adherencia:Aditivos en base a polímerosacrílicos.Dosis: Variable según produc-to y aplicación.
Mejoramiento de la docilidad (asentamiento de cono) Aumento de las resistenciaspor reducción de la cantidad
de aguaDisminución de la retracción
plástica e hidráulica
Aumento considerable de la docilidad Baja segregación Alta resistencia
Reducen la exudaciónMejoramiento de la docilidadProducen un pequeño efectoexpansivo antes del fraguado(aproximadamente 3% en
pastas y morteros, 1% en hormigones)
Acortar o alargar el iniciodel fraguado
Acelerar el desarrollo inicial de resistencias (1, 3 y 7días)
Mejorar la adherencia demorteros a la base.Reducen la retracción y
tendencia a la fisuración.Reducen el módulo de elas-
ticidad.
Morteros de reparación engeneral Aplicación de capas delgadas Lechadas de adherencia
Trabajos rápidosReducir plazos de desencofradoDilatar el inicio del fraguado(retardadores) disponiendo demayor plazo para la colocación
Rellenos de hormigón en pequeños volúmenes - Nidos dos de piedras, solcal- zados Rellenos con morteros en
cavidades y huecos
Hormigones autonivelantesHormigonado de lugares
estrechos o de difícil acceso
Hormigones en general Reemplazos de hormigónRellenos de nidos de piedras
3.5 Aditivos para el Hormigón y Morteros
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3.52 Sistemas Epóxicos
Productos de origen sintético que endurecen por reacción química entre una resina y un endurecedor.Se entregan en 2 ó 3 componentes:Parte A ResinaParte B EndurecedorParte C Fillers o áridos.
DosificacionesDebe respetarse rigurosamente la proporción resina: endurecedor (A:B) indicada por el fabri-cante. En la mayoría de los casos se emplean juegos completos predosificados.La proporción de parte C (filler) puede ajustarse en obra según consistencia y propiedades requeridas.Los sistemas epoxi, dependiendo de cada uso, podrán emplearse en forma de: Líquidos más o menos viscosos según la formulación; Pastas de consistencia espesa para lo cual se agrega polvo de cuarzo y eventualmente un
agente tixotrópico; Morteros epóxicos: agregando a la mezcla resina-endurecedor una arena, generalmente
cuarzo, de una determinada granulometría.ViscosidadLa viscosidad de los sistemas epoxi puros (sin filler) puede variar entre 100 y 2500 cen-tipoise (cps) a 20°C, según la formulación. Para trabajos de inyección se requiere de productos de baja viscosidad. La viscosidad puede aumentarse con fillers para formar pastas tixotrópicas;
Velocidad de ReacciónCondiciona el pot-life o tiempo de endurecimiento inicial y el desarrollo de resistencia en plazos cortos. Depende de la formulación, temperatura y volúmenes de mezclas. En general se alcanzan altas resistencias a edades tempranas con posibilidades de puesta en servicio dentro de los 3 primeros días. Las reacciones son exotérmicas, lo que puede limitar los volúmenes a preparar.
RetraccionesEndurecimiento prácticamente sin retracción.Propiedades mecánicas (a 7 días) Resistencia a compresión 400 a 1 .000 kgf/cm2
Resistencia a flexotracción 200 a 800 kgf/cm2
Adherencia al acero sobre 200 kgf/cm2
Adherencia al hormigón sobre 50 kgf/cm2 (rotura del hormigón). Módulo de elasticidad 10.000 a 350.000 kgf/cm2 (según formulación y contenido de filler).
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Sensibilidad TérmicaLa temperatura de aplicación influye sobre la viscosidad y velocidad de reacción.Los cambios de temperatura posteriores intervienen en las deformaciones. El coeficiente de dilatación térmica varía de 4.5 a 6.5 x 10 -5 cm/cm ºC, valor que disminuye considera-blemente con la adición de fillers.Los fabricantes y proveedores ofrecen productos para distintas aplicaciones:
Productos tixotrópicos para sellado, adhesivo y trabajos sobre cabeza.
Puentes de adherencia: Adhesivos líquidos para la unión de hormigón fresco con hor- migón endurecido.
Adhesivos para hormigones prefabricados, acero-hormigón, anclajes.
Adhesivo para pegar placas de refuerzo de acero o fibra de carbono.
Productos líquidos para anclajes, nivelación y rellenos bajo placas de maquinaria o estructuras (grouts).
Morteros de sellado y nivelación.
Productos de baja viscosidad para inyección de grietas.
3.53 Fibra de Carbono (FRP)
Sistema de alta tecnología utilizado como refuerzo exterior, alternativo al acero, por su gran resistencia a la tracción.En general se emplean en forma de pletinas o tejidos de fibra de carbono.
Pletinas de Fibra de Carbono: Pletina de polímero reforzado con fibra de carbono de alta resistencia. Generalmente se presenta en espesor de 1,2 mm por 50 mm de ancho. Su resistencia a la tracción es > 28.000 kg/cm2. Se adhiere al hormigón con un adhesivo epoxi.
Tejido de fibra de carbono de alta resistencia unidas con una resina epoxi: Se pre-senta en espesor del orden de 0,2 mm y un ancho de 30 o 60cm. Cono adhesivo al hor-migón se emplea un sistema epoxi de impregnación
Estos sistemas son muy sofisticados y tanto el diseño del refuerzo como su aplicación y su-pervisión requieren de profesionales y personal calificados.
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BIBLIOGRAFÍA
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J. Omerovic-Waldo Ríos : Agrietamiento del Hormigón (apuntes) Concrete
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