presentado a: nicolás estrada mejía la universidad de los

PROYECTO DE GRADO

Presentado a: Nicolás Estrada Mejía

LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

Para obtener el título de

INGENIERO CIVIL

Por

JUAN PABLO DUEÑAS VALENCIA

Verificación y análisis de la influencia de la sal en arcillas Caolinitas y

Montmorillonitas

Enero 2014

- Asesor: Nicolás Estrada Mejía, Profesor Asistente, Universidad de los Andes

1

Agradecimientos

Agradezco al profesor Nicolás Estrada por su apoyo en el desarrollo de este proyecto, a mi

familia, a Marie y a mis amigos, porque sin su apoyo no sería posible y a los técnicos que me

acompañaron en el laboratorio en especial a José Naranjo por su paciencia y enseñanzas.

2

1 Tabla de contenido

Índice de Tablas ............................................................................................................................. 3

Índice de Gráficos .......................................................................................................................... 3

1 Introducción .......................................................................................................................... 4

1.1 Descripción de la problemática y justificación del trabajo ........................................... 4

1.2 Alcance y productos finales ........................................................................................... 4

1.3 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 5

1.3.1 Objetivo General ................................................................................................... 5

1.3.2 Objetivos Específicos ............................................................................................. 5

2 MARCO TEÓRICO y CONCEPTUAL ......................................................................................... 6

2.1 Marco Teórico ............................................................................................................... 6

2.1.1 Cambio del límite liquido con base a los estudios realizados por Asuri Sridharan 6

2.1.2 Cambio del límite liquido con base a los estudios realizados por R. M. Schmitz &

L. A. vanPaassen 2003 ........................................................................................................... 7

2.2 Marco Conceptual ......................................................................................................... 8

2.2.1 Límite líquido ......................................................................................................... 8

2.2.2 Norma técnica Colombiana 4630 .......................................................................... 8

3 Procedimiento de trabajo. .................................................................................................. 11

4 Resultados y Análisis ........................................................................................................... 12

5 Conclusiones y recomendaciones ....................................................................................... 19

6 Estudios Futuros .................................................................................................................. 20

7 Referencias .......................................................................................................................... 21

3

Índice de Tablas

Tabla 1. Ejemplo del ensayo de límite líquido. Valores obtenidos del ensayo ............................. 9

Tabla 2. Ejemplo del límite líquido. Resultados de los cálculos .................................................. 10

Tabla 3. Resultados Mezcla 100% Caolín, Promedio, Prueba 1, Prueba 2 .................................. 13

Tabla 4. Resultados Mezcla 80% Caolín+ 20% Bentonita, Promedio, Prueba 1, Prueba 2 ......... 14




Tabla 8.Resultados Mezcla 100% Bentonita, Promedio, Prueba 1, Prueba 2 ............................. 18

Índice de Gráficos

Grafica 1. Efecto de la salinidad para el límite líquido y limite plástico, realizado por (J.K.

Torrance, 1974) ............................................................................................................................. 6

Grafica 2. Limite liquido Vs concentración (M) de sal, (R. M. Schmitz & L. A. vanPaassen, 2003) 7

Grafica 3. Regresión lineal para hallar el valor del límite líquido................................................ 10

Grafica 4. Efecto de la sal sobre el límite líquido para diferentes mezclas de arcillas ................ 12

Grafica 5.Limite Liquido Vs concentración de sal Mezcla 100% de Caolín ................................. 13

Grafica 6. Limite Liquido Vs concentración de sal Mezcla 80% de Caolín + 20% Bentonita ....... 14




Grafica 10. Limite Liquido Vs concentración de sal Mezcla 100% Bentonita.............................. 18

4

2 Introducción

Este proyecto de Grado pretende replicar el ensayo realizado por Asuri Sridharan (2001) en su

artículo Engineering behavior of clays: Influence of mineralogy. Buscando comprobar los

planteamiento dados por este autor y adicional a ello encontrar sus posibles aplicaciones en el

campo de la ingeniería civil por ser un proceso novedoso de bajos costos.

2.1 Descripción de la problemática y justificación del trabajo

Según los estudios realizados por Asuri Sridharan (2001) y Di Maio (1996), las características

de los suelos arcillosos varían cuando se ven afectados por soluciones de NaCl en agua a

distintas concentraciones, además su comportamiento, en presencia de este, cambia entre los

distintos tipos de arcillas (arcillas de baja y alta actividad), es decir, que las arcillas

Montmorillonitas como la bentonita cambia sus propiedades, por ejemplo, el limite líquido

que disminuye en aproximadamente un trescientos por ciento que el límite líquido que

presenta en condiciones normales (Sridharan, 2001, págs. 3-28), otro ejemplo es la variación

del ángulo de fricción, ya que este, varía de 6° a 14° en presencia de la solución salina.

En cuanto a las arcillas de baja actividad (arcillas caolinitas) como la caolita aumenta su

relación de vacíos de 8 a 12 en un cambio de concentración de 0.2g/l a 35 g/l. igualmente el

límite plástico aumenta desde 9 a 30 en el mismo intervalo (Sridharan, 2001).

Ya que el comportamiento anteriormente descrito es inusual y los resultados de los ensayos

realizados para este fenómeno son diferentes a los que se esperaría y ninguno de los

investigadores ha dicho de forma clara y especifica que genera esta situación. Se pretende

entonces buscar replicar alguno de los ensayos con el objetivo de acercarse a la respuesta de

por qué ocurre este fenómeno. Además de buscar las posibles aplicaciones en campo que

genere nuevas alternativas en el control de las arcillas.

2.2 Alcance y productos finales

Este documento presenta la verificación de la teoría dispuesta por el Dr. A Sridharan (2001)

con base al comportamiento de las arcillas al momento de reaccionar con diferentes

concentraciones de sal disueltas en agua, fenómeno que se muestran en las gráficas del 1 al 6,

en donde se encuentra el cambio del límite líquido en función de la concentración de sal

utilizada para cada una de las mezclas realizadas.

5

2.3 OBJETIVOS

2.3.1 Objetivo General

Verificar el comportamiento de las arcilla caolinitas y montmorillonitas con base a la teoría

descrita por el Dr. A. Sridharan.

2.3.2 Objetivos Específicos

Verificar mediante ensayos de laboratorio, utilizando la cazuela de casa grande para la

obtención del valor del límite líquido haciendo variaciones en la cantidad de cada uno de los

materiales de la mezcla con el fin de ver el comportamiento transitivo entre cada una de las

arcillas utilizadas.

Además realizar variaciones en la concentración de sal disuelta en agua destilada, la cual se

aplicara a cada uno de los ensayos.

6

3 MARCO TEÓRICO y CONCEPTUAL

3.1 Marco Teórico

3.1.1 Cambio del límite liquido con base a los estudios realizados

por Asuri Sridharan

En doctor Asuri Sridharan en su articulo Engineering behavior of clays: Influence of mineralogy

demostró que algunas de las propiedades de los suelos al verse en presencia de NaCl cambia

sus propiedades. Algunos las propiedades que demostró fueron los límites de Atterberg,

expansión de los suelos, compresibilidad, resistencia al corte, entre otros.

En la caso de los límites de Atterberg, mostro que el limite líquido para arcillas

montmorillonitas se disminuye a medida que la concentración de NaCl aumenta generando

una disminución de casi el 300%. Para las arcillas caolinitas el fenómeno ocurre a la inversa, es

decir que el limite liquido aumenta a medida que la concentración de sal aumenta.

Grafica 1. Efecto de la salinidad para el límite líquido y limite plástico, realizado por (J.K. Torrance, 1974)

7

3.1.2 Cambio del límite liquido con base a los estudios realizados

por R. M. Schmitz & L. A. vanPaassen 2003

Schmitz y VanPaassen en el 2003 realizaron pruebas con arcillas montmorillonitas y caolinitas a

diferentes concentraciones de NaCl, demostrando que en las arcillas montmorillonitas el

comportamiento es decreciente de forma cóncava, presentando una disminución en el limite

liquido en de 400 a 100 en concentraciones molares de 0 a 2. Además muestra una estabilidad

en el límite líquido en concentraciones cercanas al 1 molar molar.

En el caso de las arcillas caolinitas el comportamiento es descendente con una pendiente muy

baja y un comportamiento lineal. En su máxima concentración de sal, presenta una valor

alrededor del 10% su límite líquido inicial. (R. M. Schmitz & L. A. vanPaassen, 2003)

A continuación se muestra la gráfica realizada por R. M. Schmitz & L. A. vanPaassen, 2003

Grafica 2. Limite liquido Vs concentración (M) de sal, (R. M. Schmitz & L. A. vanPaassen, 2003)

8

3.2 Marco Conceptual

3.2.1 Límite líquido

El límite liquido hace parte de los límites establecidos por Atterberg; y este específicamente

hace referencia al contenido de humedad en el suelo que hace que el suelo pase de un estado

plástico a un estado viscoso o semilíquido, cambio en parte las propiedades del suelo.

(J.Jimenez Salas, 1975)

Para la obtención del valor del límite líquido se han establecido normas con el fin que este sea

replicado. Para esto se tienen la norma técnica colombiana 4630 la cual explica el

procedimiento que se debe llevar a cabo. (J.Jimenez Salas, 1975)

3.2.2 Norma técnica Colombiana 4630

La norma específica el procedimiento y las ecuaciones que se deben de utilizar para la

obtención del valor del límite líquido. A continuación se describe el procedimiento que

presenta la norma NTC4630.

Procedimiento

Se coloca una porción de suelo preparado en el recipiente del aparato del límite líquido

(cazuela de casa grande) y se extiende en el recipiente hasta una altura de 10 mm, se debe de

formar una superficie horizontal teniendo como referencia el borde del recipiente.

Se realiza una ranura por la mitad de la muestra con el ranurador (condiciones específicas) con

el extremo biselado hacia afuera. Esta ranura debe de realizarse en un solo movimiento.

Se realiza en giro de la perilla con el objetivo que el recipiente golpe contra la base. Con un

frecuencia de dos golpes por segundo, en el momento que el material se una en

aproximadamente 13 mm se detiene el golpeteo y se pesa la muestra que se encuentra en el

recipiente.

Para el primer punto, se debe de encontrar el número de golpes dentro del rango de 30 a 40

golpes. Los puntos siguientes deben de encontrarse en menos 10 golpes más o menos 1 en

referencia de la cantidad de golpes del punto anterior.

Luego de haber tomado los pesos húmedos de la muestra para los 3 puntos se secan en horno

durante 24 horas.

9

Después que la muestra halla pasado el tiempo requerido en el horno se pesa la muestra seca

de los 3 puntos tomados.

Cálculos.

Del procedimiento realizado, se deben obtener los siguientes parámetros:

Peso de los recipientes que contienen las muestras

Peso del recipiente más muestra húmeda

Peso del recipiente más muestra seca

Numero de golpes necesarios para cerrar la apertura.

Con los parámetros obtenidos del ensayo se realiza la siguiente tabla. A continuación se

muestra un ejemplo.

Tabla 1. Ejemplo del ensayo de límite líquido. Valores obtenidos del ensayo

Con los parámetros mostrados en la tabla anterior se realiza el cálculo de los siguientes

parámetros y se organiza en una tabla.

Peso de la muestra húmeda sin recipiente.

( ) ( )

Peso de la muestra seca sin recipiente.

( ) ( )

Peso del agua

( ) ( )

Contenido de humedad (%)

( ) ( )

( )

A continuación se muestra los resultados del ejemplo anterior.

Recipiente Peso Recipiente [g]Peso Recipiente +

Muestra Húmeda [g]# de golpes

Peso Recipiente +

Muestra seca [g]

1 11,70 49,90 35,00 37,10

2 11,50 46,90 24,00 34,60

3 11,70 47,60 15,00 34,70

10

Tabla 2. Ejemplo del límite líquido. Resultados de los cálculos

Con base a los datos obtenidos en el ensayo y nos cálculos se realiza una gráfica de

Contenido de humedad contra Numero de golpes y se aproxima una línea recta entre los

puntos graficados. Y con estos se aproxima el valor que se tiene cuando se presentan los

25 golpes. La grafica en el eje correspondiente al número de golpes se debe colocar

función logarítmica. A continuación se muestra un ejemplo de la aproximación lineal de los

puntos.

Grafica 3. Regresión lineal para hallar el valor del límite líquido.

Para este caso, la muestra que se utilizo fue de un 100% de caolín. Se obtuvo como

resultado un valor de 53,14 para el límite líquido.

RecipientePeso Muestra Húmeda

[g]Peso Muestra seca [g] Peso del H2O

Contenido de

Humedad [%]

1 38,20 25,40 12,80 50,39

2 35,40 23,10 12,30 53,25

3 35,90 23,00 12,90 56,09

11

4 Procedimiento de trabajo.

El trabajo que se realizó para este proyecto consistió en generar diferentes mezclas de arcillas,

manteniendo siempre una cantidad total de arcilla (100 gramos). Las mezclas que se realizaron

con el fin de verificar el comportamiento descrito en la teoría fueron las mezclas con un

contenido del cien por ciento de alguno de los materiales utilizados (Caolín o Bentonita). Las

mezclas restantes, se usaron como indicativo para ver en qué punto se suprime el

comportamiento de alguna de las arcillas.

El proceso de experimentación se realizó de la siguiente forma:

Se toma alguna de las mezclas de arcillas y se realiza una prueba de límite líquido siguiendo la

Norma Técnica Colombiana NTC 4630. El agua destilada que es añadida en la prueba, maneja

inicialmente una concentración de sal (NaCl) de 0 g/l; la concentración utilizada se mantiene

hasta el final de la prueba. Luego se le realiza una réplica a la mezcla con el fin de comprobar el

resultado obtenido. Seguidamente, se repite el procedimiento, variando las concentraciones

de sal en 10 g/l, 20 g/l y 30 g/l. Después de obtener los resultados de con cada una de las

concentraciones, se repite el proceso para cada una de las mezclas restantes.

12

5 Resultados y Análisis A continuación se encuentra la gráfica utilizada para comparar los resultados de forma global.

Además, se presentan las gráficas y las tablas con los resultados obtenidos en la fase

experimental de cada una de las mezclas utilizadas.

Grafica 4. Efecto de la sal sobre el límite líquido para diferentes mezclas de arcillas

En la gráfica 1, se observa que el comportamiento descrito por las mezclas es parabólico y

actúa de forma decreciente en toda su trayectoria hasta estabilizarse en una concentración

alrededor de los 26 g/l en donde los cambios que se presentan son pequeños en comparación

al resto de la gráfica. Comprobando así el comportamiento descrito en la teoría de A.

Sridharan (2001) y R. M. Schmitz L. A. van Paassen (2003), esto únicamente en las arcillas que

presentan un contenido de Bentonita.

A medida que se cambia de mezcla, el comportamiento de la arcilla pasa de ser parabólico a

ser lineal o con una curvatura muy baja, pero en todo instante la curva es decreciente.

El efecto que tiene la sal en las arcillas es significativo, ya que el cambio del límite líquido con

tan solo agregarle una concentración de 10 g/l baja en más de un 55% del total que baja antes

que llegue a estabilizarse. Esto sucede en las curvas que presentan al menos un 40% de

bentonita. En las curvas con contenidos menores de bentonita el cambio en esta

concentración es de aproximadamente el 40%.

Los resultados de la curva del 100% de caolín, no corresponde a las descripciones hechas en la

teoría de Sridharan (2001), ya que según esta, el límite líquido debería de aumentar a medida

que se incrementa la concentración de sal; en vez eso la curva disminuye a medida que la

concentración de sal aumenta. Por otro lado, la curva sigue el mismo comportamiento que las

13

arcillas “Jurica” y “El Salitre” usadas en el trabajo de investigación del instituto Mexicano de

transporte: Estabilización de suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres

(2002), las cuales presentan un límite líquido similar al del caolín usado en este proceso de

experimentación. Adicionalmente presentan el mismo comportamiento que describen R. M.

Schmitz L. A. van Paassen (2003)

Es posible que la diferencia en el comportamiento obtenido en las arcillas de caolín usado en el

proceso de experimentación, las arcillas utilizadas por Sridharan (2001) y las arcillas usadas por

R. M. Schmitz L. A. van Paassen (2003) radique en el lugar de obtención de la arcilla, ya que por

provenir de lugares diferentes presenten una composición química diferente, a pesar que son

categorizadas como arcillas Caolinitas.

De la gráfica se observa que el límite líquido en su máxima concentración de sal se encuentra

dentro de un rango, mostrando como máximo un valor de 124 y como mínimo un valor de 42,

por lo tanto, se puede afirmar que cualquier mezcla se encontrara dentro de este intervalo en

su máxima concentración.

Tabla 3. Resultados Mezcla 100% Caolín, Promedio, Prueba 1, Prueba 2

Grafica 5.Limite Liquido Vs concentración de sal Mezcla 100% de Caolín

Salinidad [g/l] LL LL-1 LL-2

0 55,14 57,14 53,15

10 49,38 49,51 49,25

20 45,64 45,14 46,14

30 42,35 42,23 42,47

Mezcla 100% caolín -0% Bentonita

14

En la tabla 1 se encuentran los resultados experimentales de la mezcla 100% caolín, y en la

gráfica 2 se presenta el comportamiento que describe la mezcla. Este comportamiento es muy

similar al comportamiento de la bentonita debido a que presenta una concavidad similar pero

con una curvatura menor. Es posible que esto se deba a la composición química del caolín

usado, o que se haya afectado su comportamiento por contaminación por bentonita u otros

materiales.

En promedio el límite líquido para esta mezcla disminuye un 23% del límite líquido inicial en la

máxima concentración usada.

Tabla 4. Resultados Mezcla 80% Caolín+ 20% Bentonita, Promedio, Prueba 1, Prueba 2

Grafica 6. Limite Liquido Vs concentración de sal Mezcla 80% de Caolín + 20% Bentonita


máxima concentración usada. La tendencia en esta mezcla es lineal, esto pudo haber corrido

por manejar una concentración menor a la que se debería de haber utilizado en el punto

correspondiente a los 20 g/l.


0 71,58 72,50 70,67

10 62,72 62,57 62,86

20 57,01 56,50 57,52

30 46,61 46,57 46,66

Mezcla 80% caolín - 20% Bentonita

15



La mezcla de 60% caolín y 40% bentonita, ya muestra un comportamiento muy similar al

descrito en la teoría para la curvas que contienen materiales montmorilloniticos. En promedio

el límite líquido para esta mezcla disminuye un 49% del límite líquido inicial en la máxima

concentración usada.


0 145,11 144,14 146,08

10 104,14 104,11 104,18

20 91,15 90,55 91,76

30 74,56 75,40 73,72


16



Igual que la mezcla anterior el comportamiento que presenta es similar al de la curva de solo

bentonita. En promedio el límite líquido para esta mezcla disminuye un 60% del límite líquido

inicial en la máxima concentración usada.


0 251,99 247,92 256,07

10 166,65 160,95 172,36

20 121,69 122,23 121,15

30 101,91 101,03 102,79


17



La tendencia en esta mezcla es similar a la curva de bentonita descrita por los investigadores.


máxima concentración usada.


0 345,31 344,56 346,07

10 216,50 217,73 215,27

20 154,39 153,40 155,39

30 117,38 116,07 118,70


18

Tabla 8.Resultados Mezcla 100% Bentonita, Promedio, Prueba 1, Prueba 2

Grafica 10. Limite Liquido Vs concentración de sal Mezcla 100% Bentonita

La mezcla de 100% de bentonita comprueba de forma clara el comportamiento descrito por

los investigadores anteriormente mencionados el fenómeno que se colocó a prueba. Para esta

mezcla, en promedio el límite líquido disminuye un 68% del límite líquido inicial en la máxima

concentración usada.


0 391,53 390,55 392,50

10 237,21 235,42 239,01

20 164,27 163,17 165,38

30 124,69 125,47 123,90


19

6 Conclusiones y recomendaciones Se demostró que la sal tiene un fuerte impacto en las arcillas montmorillonitas

mientras que el las arcillas caolinitas presentan una menor alteración.

Se comprobó que la sal presenta un cambio en el límite líquido de las arcillas como lo

describe la teoría descrita por Sridharan.

Se presentaron errores en los resultados de la arcilla caolinita debido a que la curva de

comportamiento se generó a la inversa de la esperada.

La disminución del límite líquido es significativo en las arcillas que contengan por lo

menos un 40% de arcillas montmorillonitas; lo cual conlleva a un aumento de las

propiedades resistentes de la arcilla.

Se recomienda verificar la pureza de los materiales, ya que con pequeñas alteraciones

se afecta considerablemente el ensayo.

Es necesario obtener la composición química de los materiales usados y compararlos

con las arcillas usados por los investigadores para tener seguridad en que los

materiales son los mismos.

Se recomienda que los materiales se tengan en lugares que presenten una baja

contaminación por otros materiales, ya que esto puede alterar los resultados que se

obtienen.

Debido a que el efecto de la sal sobre las arcillas es alto, se recomienda seguir

estudiando el comportamiento de las arcillas bajo estos efectos.

Se recomienda utilizar arcillas de diferentes partes del mundo con el fin de comprobar

que el fenómeno es replicable con cualquier arcilla, esto para identificar que arcillas

reaccionan de forma favorable a la teoría dispuesta por A. Sridhran.

Es recomendable realizar un análisis químico a las arcillas. Esto con el objetivo de

conocer la estructura molecular que la compone, para así ver con claridad por que la

sal tiene una influencia tan alta en las arcillas y porque muestra comportamientos

diferentes en ellas.

Con base a los resultados, es de utilidad implementar la sal como medio de

consolidación, ya que mejora las propiedades de las arcillas desde un 20% hasta casi

un 70% lo cual puede presentar ventajas en tiempo y en costos.

20

7 Estudios Futuros Ya que la sal logra un aumento en las propiedades del suelo y lo consolida, un posible

estudio seria la verificación de que tan significativo es este método en cuestiones

económicas, dado que podría estar acompañando el uso de terraplenes, esto con el fin de

disminuir el tiempo de consolidación del suelo y los costos relacionados con la cantidad de

suelo necesaria del terraplén.

Debido a que la influencia de sal es significativa, se ve necesario que se verifique este

comportamiento con arcillas que se encuentren en campo, para así conocer cuál sería su

comportamiento en campo e identificar las distintas dificultades que puedan llegar a tener

en este ambiente.

Debido a que la sal en algunos casos es utilizada para purificar las arcillas y luego es lavada

para dejar solo las partículas de la arcilla (Santamarina, Klein, Palomino , & Guimaraes,

2002 ), es pertinente conocer qué implicaciones que podría llegar a tener las

concentraciones de sal sobre los suelos de las obras cercanas. Además es necesario

conocer las implicaciones ambientales que pueda llegar a tener.

Como se mencionó anteriormente que las arcillas se pueden lavar, en consecuencia de eso

¿será que es posible que las arcillas después de ser lavadas o que la concentración de sal

que se encuentra dentro de estas disminuya causando que la arcilla se expanda generando

diferentes problemas?

Otro estudio futuro puede ser la comprobación del fenómeno con diferentes tipos de

arcillas traídas de diferentes partes del mundo. A estas realizarles un análisis químico para

conocer su estructura molecular y conocer cómo reaccionan ante la presencia de sal, para

así, ver con mayor claridad cuáles son los componentes químicos que influyen en el

fenómeno.

Es necesario verificar los tiempos que demora la sal para que se haga efectivo el

fenómeno.

21

8 Referencias Garnica Anguas, P., Pérez Salazar, A., Gómez López, J., & Obil Veiza, E. (2002). Estabilización de

suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres. Mexico : Sanfandila.

J.Jimenez Salas. (1975). Geotecnia y Cimientos I. propiedades de los suelos y las rocas. Madrid:

Rueda.

J.K. Torrance. (1974). A laboratory investigation of the effect of leaching on the compressibility

and shear strength of Norwegian marine clays. Géotechnique, 24(2):.

R. M. Schmitz & L. A. vanPaassen. (2003). The decay of the liquid limit of clays with increasing

salt concentration. Université de Liège: Ingeokring Newsletter.

Santamarina, J., Klein, K., Palomino , A., & Guimaraes, M. (2002 ). Micro-scale aspects of

chemical-mechanical coupling: Interparticle forces and fabric. The Netherslands:

Balkema publishers .

Sridharan, A. (2001). Engineering behaviour of clays: Influence of mineralogy. Chemo-

mechanical coupling in clays, From nano-sacale to engineering applications. The

Netherlands: A.A.Balkema Publishers.

presentado a: nicolás estrada mejía la universidad de los

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