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技術 繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法

出願人 東レ株式会社東レテクノ株式会社
発明者 中山孝男大串勝教北野彰彦
出願日 1997年9月1日 (22年2ヶ月経過) 出願番号 1997-252735
公開日 1999年3月30日 (20年7ヶ月経過) 公開番号 1999-085944
状態 未査定
技術分野 音響的手段による測長装置 物品の計数 超音波による材料の調査、分析 積層体(2)
主要キーワード スレショールドレベル 繊維シート層 埋設層 欠陥検知 加熱タイプ 高分子圧電膜 マーキング材 円柱状体
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年3月30日)のものです。
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図面 (5)

課題

ビル橋脚などの建造物の表面に、シート状に配列された多数本の繊維からなる繊維シートを、基材一体化させて、取り付け施工した際、完成物繊維補強構造物)における前記繊維シートの層数の検出を、その施工現場オンサイト)にて可能にした、繊維補強構造物の繊維シートの層数の検出方法を提供する。

解決手段

シート状に配列された多数本の繊維(例えば、炭素繊維)からなる繊維シートが層状をなして基材(例えば、エポキシ樹脂)と一体化されている繊維補強構造物における前記繊維シートの層数を、当該繊維補強構造物を破壊することなく検出する検出手段(例えば、発信周波数が100KHz乃至100MHzの超音波)を用いて検出してなる繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法。

概要

背景

特公昭62−25986号公報には、マトリックス材基材)と繊維強化材とからなる複合材料成型品埋設された繊維強化材の層構成偏り乱れによる成型品の欠陥を、成型品を破壊することなく検出する方法として、成型品の成型前に、強化材を構成する繊維とは異なるX線透過度を有する繊維を、強化材中にマーキング材トレーサ)として挿入した強化材を用意し、これを用いて複合材料成型品を製造し、得られた成型品における強化材の層構成の欠陥を、X線の透視により検出する方法が提案されている。

しかるに、この提案は、強化材の偏りや乱れによる成型品中の欠陥検知を教えるに止まり、繊維強化材の層数の検出を、開示、示唆するものではない。

なお、この提案によれば、トレーサーを繊維強化材中に挿入しておく必要があるがため、すなわち、格別の繊維強化材を別途用意する必要があるがため、かつ、X線を用いるものであるがため、工場規格品を製造するような環境での製品検査手法としては、利用価値が考えられるものの、ビル橋脚などの建造物が存在する現場オンサイト)において、その建造物の表面に、基材を用いて層状に一体化施工された繊維シートの層数の検出に、この提案を応用することは、前記トレーサを組み込むなど準備作業が煩雑過ぎる上、X線と云う取り扱い基準が厳格な手段を用いるがため、実用上不可能である。

また、特開平5−38790号公報には、複数枚樹脂フィルム主材層)を接着材を介して積層した多層積層構造材において、接着材層欠落による欠陥を、当該構造材を破壊することなく検出する方法として、主材層とは異なる音響インピーダンスを有する特定の成分からなる接着材層を用意し、これを用いて多層積層構造材を製造し、得られた多層積層構造材における接着材層の欠陥を、超音波により検出する方法が提案されている。

しかるに、この提案は、超音波を用いることは開示しているものの、ここに開示されている多層積層構造材(成型品)は、樹脂フィルムと接着材とからなる多層積層構造材(成型品)であって、基材中に層状に繊維シートが存在する繊維補強構造物とは異なる上、この提案は、前記多層積層構造材(成型品)中の接着材層の欠陥の検知を教えるに止まるもので、その層数を検出することは、示唆しておらず、ましてや、繊維シートのごときものの層数を検知することは、示唆していない。

なお、この提案によれば、主材層とは異なる音響インピーダンスを有する特定の成分からなる接着材層を用意する必要があるがため、この文献にも述べられている通り、工場での品質管理工程管理における製品検査手法としては、利用価値が考えられるものの、ビル、橋脚などの建造物が存在する現場(オンサイト)において、その建造物の表面に、基材を用いて層状に一体化施工された繊維シートの層数の検出に、この提案を応用することは、前記特定の接着材層を組み込むなど準備作業が煩雑過ぎるため、実用上不可能である。

概要

ビル、橋脚などの建造物の表面に、シート状に配列された多数本の繊維からなる繊維シートを、基材と一体化させて、取り付け施工した際、完成物(繊維補強構造物)における前記繊維シートの層数の検出を、その施工現場(オンサイト)にて可能にした、繊維補強構造物の繊維シートの層数の検出方法を提供する。

シート状に配列された多数本の繊維(例えば、炭素繊維)からなる繊維シートが層状をなして基材(例えば、エポキシ樹脂)と一体化されている繊維補強構造物における前記繊維シートの層数を、当該繊維補強構造物を破壊することなく検出する検出手段(例えば、発信周波数が100KHz乃至100MHzの超音波)を用いて検出してなる繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法。

目的

この発明は、このような、現場施工に起因する問題を解決することを目的とし、より具体的には、ビル、橋脚などの建造物の表面に、シート状に配列された多数本の繊維からなる繊維シートを、基材と一体化させて、一体化施工した際、完成物(繊維補強構造物)における前記繊維シートの層数の検出を、その施工現場(オンサイト)において可能にした、繊維補強構造物の繊維シートの層数の検出方法の提供を目的とするものである。

効果

実績

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請求項1

シート状に配列された多数本の繊維からなる繊維シートが層状をなして基材一体化されている繊維補強構造物における前記繊維シートの層数を、当該繊維補強構造物を破壊することなく検出する検出手段を用いて検出してなる繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法

請求項2

基材が、樹脂である請求項1記載の繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法。

請求項3

検出手段が、発信周波数が20KHz乃至1GHzである超音波を用いてなる検出手段である請求項2記載の繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法。

請求項4

繊維シートを形成している繊維が、実質的に炭素繊維である請求項1記載の繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法。

請求項5

基材が、樹脂である請求項4記載の繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法。

請求項6

検出手段が、発信周波数が100KHz乃至100MHzである超音波を用いてなる検出手段である請求項5記載の繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法。

技術分野

0001

本発明は、シート状に配列された多数本の繊維からなる繊維シートが層状をなして基材一体化されている繊維補強構造物における前記繊維シートの層数検出方法に関するものである。特に、ビル橋脚などの建造物が存在する現場オンサイト)にて、その建造物の表面に、前記繊維シートを、樹脂セメントなどの基材(マトリックス材)を用いて、層状に一体化施工した際、完成物(繊維補強構造物)における前記繊維シートの層数を、施工現場において検出する、繊維補強構造物における前記繊維シートの層数の検出方法に関するものである。

背景技術

0002

特公昭62−25986号公報には、マトリックス材(基材)と繊維強化材とからなる複合材料成型品埋設された繊維強化材の層構成偏り乱れによる成型品の欠陥を、成型品を破壊することなく検出する方法として、成型品の成型前に、強化材を構成する繊維とは異なるX線透過度を有する繊維を、強化材中にマーキング材トレーサ)として挿入した強化材を用意し、これを用いて複合材料成型品を製造し、得られた成型品における強化材の層構成の欠陥を、X線の透視により検出する方法が提案されている。

0003

しかるに、この提案は、強化材の偏りや乱れによる成型品中の欠陥検知を教えるに止まり、繊維強化材の層数の検出を、開示、示唆するものではない。

0004

なお、この提案によれば、トレーサーを繊維強化材中に挿入しておく必要があるがため、すなわち、格別の繊維強化材を別途用意する必要があるがため、かつ、X線を用いるものであるがため、工場規格品を製造するような環境での製品検査手法としては、利用価値が考えられるものの、ビル、橋脚などの建造物が存在する現場(オンサイト)において、その建造物の表面に、基材を用いて層状に一体化施工された繊維シートの層数の検出に、この提案を応用することは、前記トレーサを組み込むなど準備作業が煩雑過ぎる上、X線と云う取り扱い基準が厳格な手段を用いるがため、実用上不可能である。

0005

また、特開平5−38790号公報には、複数枚樹脂フィルム主材層)を接着材を介して積層した多層積層構造材において、接着材層欠落による欠陥を、当該構造材を破壊することなく検出する方法として、主材層とは異なる音響インピーダンスを有する特定の成分からなる接着材層を用意し、これを用いて多層積層構造材を製造し、得られた多層積層構造材における接着材層の欠陥を、超音波により検出する方法が提案されている。

0006

しかるに、この提案は、超音波を用いることは開示しているものの、ここに開示されている多層積層構造材(成型品)は、樹脂フィルムと接着材とからなる多層積層構造材(成型品)であって、基材中に層状に繊維シートが存在する繊維補強構造物とは異なる上、この提案は、前記多層積層構造材(成型品)中の接着材層の欠陥の検知を教えるに止まるもので、その層数を検出することは、示唆しておらず、ましてや、繊維シートのごときものの層数を検知することは、示唆していない。

0007

なお、この提案によれば、主材層とは異なる音響インピーダンスを有する特定の成分からなる接着材層を用意する必要があるがため、この文献にも述べられている通り、工場での品質管理工程管理における製品検査手法としては、利用価値が考えられるものの、ビル、橋脚などの建造物が存在する現場(オンサイト)において、その建造物の表面に、基材を用いて層状に一体化施工された繊維シートの層数の検出に、この提案を応用することは、前記特定の接着材層を組み込むなど準備作業が煩雑過ぎるため、実用上不可能である。

発明が解決しようとする課題

0008

最近、地震により被害を受けた建造物(ビル、橋脚、道路など)の表面に、シート状に配列された多数本の繊維からなる繊維シート(織物、不織布、マット、一方向あるいは二方向、更には、バイアスに繊維が配列されたプリプレグシートなど)を、基材(樹脂、セメントなど)と共に、現場にて一体化施工し、形成された繊維補強構造物により、当該建造物の補修補強をする工事が、その施工効果が顕著であることが認められ、盛んに行われるようになっている。

0009

このような工事は、盛んになるにつれ、現場での施工作業が、各種各様な作業計画に基づき、各種各様な作業者により進められることになり、中には、施工すべき繊維シートの層の数が、設計通りとなっているのか不安になるケースが出始め、安全上の問題や完成品引き渡しに際しての保証の問題などへの対処が必要となってきている。

0010

この発明は、このような、現場施工に起因する問題を解決することを目的とし、より具体的には、ビル、橋脚などの建造物の表面に、シート状に配列された多数本の繊維からなる繊維シートを、基材と一体化させて、一体化施工した際、完成物(繊維補強構造物)における前記繊維シートの層数の検出を、その施工現場(オンサイト)において可能にした、繊維補強構造物の繊維シートの層数の検出方法の提供を目的とするものである。

課題を解決するための手段

0011

上記目的を達成するためのこの発明の繊維シートの層数の検出方法は、次の構成からなる。

0012

シート状に配列された多数本の繊維からなる繊維シートが層状をなして基材と一体化されている繊維補強構造物における前記繊維シートの層数を、当該繊維補強構造物を破壊することなく検出する検出手段を用いて検出してなる繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法(発明その1)。

0013

ここで、繊維シートを形成する繊維としては、炭素繊維ガラス繊維セラミックス繊維などの無機繊維、あるいは、アラミド繊維ポリアミド繊維などの有機繊維などが、通常、用いられる。また、基材を形成する材料としては、樹脂、ゴム、セメントなどが、通常、用いられる。更に、繊維シートの基材中の層数としては、目的の補強強度の値、使用する繊維の特性、使用する基材の特性にもよるが、1層乃至10層が、通常、用いられる。

0014

また、前記発明その1において、基材が、樹脂である繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法(発明その2)。

0015

ここで、基材を形成する樹脂としては、エポキシ樹脂フェノール樹脂ポリアミド樹脂ポリエステル樹脂ビニルエステル樹脂、あるいは、これらの樹脂の変性樹脂などが、通常、用いられる。

0016

更に、前記発明その2において、検出手段が、発信周波数が20KHz乃至1GHzである超音波を用いてなる検出手段である繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法(発明その3)。

0017

ここで、発信周波数の上記範囲は、好ましい範囲であるが、より好ましくは、使用されている繊維、基材により、受信する超音波情報鮮明度を考慮して、この範囲内において最適値を選択するのが良い。

0018

また、前記発明その1において、繊維シートを形成している繊維が、実質的に炭素繊維である繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法(発明その4)。

0019

更に、また、前記発明その4において、基材が、樹脂である繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法(発明その5)。

0020

更に、前記発明その5において、検出手段が、発信周波数が100KHz乃至100MHzである超音波を用いてなる検出手段である繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法(発明その6)。

0021

ここで、発信周波数の上記範囲は、繊維が炭素繊維である場合の好ましい範囲であるが、より好ましくは、使用されている基材を形成している樹脂により、受信する超音波情報の鮮明度を考慮して、この範囲内において最適値を選択するのが良い。

発明を実施するための最良の形態

0022

この発明に係る繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法を、その一実施例を用い、図面を参照しながら、説明する。

0023

図1は、この発明に係る繊維シートの層数の検出方法が適用される繊維補強構造物の一例の縦断面模式図であり、垂直のコンクリート製壁面1上に、繊維補強構造物2が、一体化施工された状態を示す。この図において、繊維補強構造物2は、エポキシ樹脂からなる基材3中に、炭素繊維からなる繊維シート4が層状に位置して、基材3と一体化されて形成されている。

0024

この繊維補強構造物2の形成は、より具体的には、炭素繊維が一方向または2方向以上に引きそろえられて形成されている繊維シート4を、補強強度設計により定められた枚数、一枚目は、基材3となる樹脂を下塗りした壁面1上に、それ以降は、その前に施工され形成された繊維シート4と基材3とからなる層上に、順次、繊維シート4を載置し基材3となる樹脂を塗布、含浸させて行われる。

0025

なお、基材3となる樹脂は、常温(5℃〜30℃)で硬化するいわゆる常温硬化タイプのものが多用されるが、施工現場で熱源が使用できる場合には、加熱タイプのものを用いても良い。また、樹脂の塗布、含浸は、通常、ローラハケなどにより行われ、一枚目の繊維シート4の貼着施工に際しては、通常、前処理として、プライマーと呼ばれるコンクリートなどの壁面1との接着性を向上させる下地層が壁面1上に形成される。下地層の材料にもよるが、この下地層の硬化には、通常、約1日を要している。

0026

なお、また、上記の例とは別に、繊維補強構造物2は、基材3となる樹脂が、所定量予め塗布、含浸されている繊維シート、いわゆるプリプレグを用い、補強強度設計により定められた枚数重ねていく方法により形成される場合もある。

0027

また、図2は、同じく繊維補強構造物の他の一例の一部破断斜視模式図であり、コンクリート製の円柱状体5の外周面に、繊維補強構造物6が、一体化施工された状態を示す。この図において、繊維補強構造物6は、エポキシ樹脂からなる基材7に、炭素繊維の織物からなる繊維シート8が一体化して形成されている。

0028

この繊維補強構造物6の形成は、基材7となるエポキシ樹脂が塗布、含浸されている炭素繊維の織物からなる繊維シート8を、補強強度設計により定められた枚数、一枚目は、円柱状体5の外周面上に、それ以降は、その前に貼着施工された繊維シート8上に、順次捲回貼着施工されることに行われる。この貼着施工は、加熱、加圧により、基材7を、円柱状体5の外周面との、あるいは、繊維シート8同士の接着剤として作用せしめ、相互に一体化することにより行われる。

0029

図3は、この発明に係る繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法を実施するための装置の一例の全体説明図である。

0030

図3において、壁面9の補強を目的として、補強工事現場において、当該壁面9上に、繊維補強構造物10が、一体化施工された状態を示す。すなわち、壁面9上に、繊維シート11に基材12となるエポキシ樹脂を塗布、含浸させたシートを、複数層、順次貼着積層することにより、繊維補強構造物10が、壁面9上に形成された状態を示す。

0031

更に、図3を用いて、この発明に係る繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法を説明する。すなわち、前記繊維補強構造物10の表面に対向して、超音波探触子13が、用意される。この超音波探触子13は、繊維構造物10の表面に対し、所定の間隙を有し、かつ、1軸方向(X方向)に走査可能に、支持体14に取り付けられている。また、この超音波探触子13には、少なくとも前記間隙を水で満たした状態にするための水流柱15を形成するための水流噴射ノズル16が取り付けられている。

0032

なお、施工現場での作業を考慮して、超音波探触子13を含めこの支持体14は、全体として、人手による可搬(ハンディー)タイプとされている。

0033

なお、また、上に、超音波探触子13が1軸方向(X方向)に走査されることを説明したが、これと異なる方向、通常は、これと直角方向(Y方向)にも走査可能に、超音波探触子13を、支持体14により、支持しておいても良い。

0034

一方、超音波探触子13には、パルサーレシーバー17が係合され、このパルサーは、所定の発信周波数の超音波を超音波探触子13が繊維補強構造物10の表面に対し投射するように、超音波探触子13の超音波発受信素子(図示せず)を電気的に駆動し、レシーバーは、発信した超音波の、主として、前記壁面9、ならびに、前記繊維補強構造物10中の繊維シート11による反射波を、超音波探触子13の超音波発受信素子(図示せず)が受信した結果を、電気的に受け取る。なお、この超音波の発受信自体のメカニズムは、従来知られている超音波発受信メカニズムと特に変わるところはない。

0035

更に、パルサー/レシーバー17には、計数器18と画像処理装置19とが、電気的に係合されている。この計数器18は、前記反射波のうち繊維シート11でより強く反射されて発生するピークとその位置(繊維補強構造物10の表面からの深さ)情報により、繊維シート11の層数を、計数するように構成されている。なお、このピークの数の計数自体は、一定のスレショールドレベルを設けるなど、従来知られている処理技術を利用すれば良い。

0036

また、この画像処理装置19は、パルサー/レシーバー17に係合され、繊維補強構造物10の厚み方向の断面画像可視化して表示器20に表示させるための画像処理をなすものである。この画像処理により、繊維補強構造物10からの超音波の反射強度、および、反射波の時間、すなわち、音速から算出される繊維補強構造物10における深さから、繊維補強構造物10の深さ方向の構造情報が得られ、超音波探触子13のX軸方向の移動により、繊維補強構造物10の縦断面画像が得られる。これらの画像処理システムは、従来知られているシステムを利用すれば良い。

0037

上記システムにおいて、繊維シートの層数の検出には、計数器18による層数情報を用いても良いし、表示器20の表示画面情報を用いても良い。あるいは、これらの情報を適宜プリントアウトしたものを用いても良い。

0038

なお、超音波による検出は、原理的には、1点での検知により、繊維シート11の層数の情報が得られるはずではあるが、実際は、繊維シート11には、その構造自体由来する局部的不均一性があるため、超音波ビームが均一に反射しない箇所が出現する場合があることが、この発明をなすに当たり判明した。そこで、上記実施装置では、超音波探触子13を、1軸方向(X軸方向)に走査させることにより断面図の取得を可能とし、この問題を回避し、検出精度の向上が図れるようにしてある。なお、また、2軸方向(X、Y軸方向)に走査させることにより、Y軸方向について、複数枚の断面図の取得を可能とし、Y軸方向における同様の問題が解消され、検出精度の向上が図れる。

0039

図4は、この発明に係る繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法を実施するための装置の他の一例の全体説明図である。

0040

図4において、被補強物(図示せず)に一体化施工された繊維補強構造体21に対し、超音波探触子22が用意されている。この超音波探触子22は、支持体(図示せず)により、繊維補強構造体21の表面に対し、所定の間隙をもって二次元方向(X−Y方向)に移動可能に支持されている。なお、移動距離は、X、Y方向に、それぞれ、15mmとされている。

0041

また、この超音波探触子22は、底面壁が厚さの薄いゴムシート23で形成された水槽24中の水の中にて、前記移動がなされるように支持されている。なお、ゴムシート23の外表面は、繊維補強構造体21の表面に、水、または、グリースを介して係合されている。

0042

超音波探触子22は、探傷映像装置25と電気的に係合されている。探傷映像装置25は、東レテクノ株式会社製HA701であり、前記実施装置におけるパルサー/レシーバー17および画像処理装置19とが組み込まれている装置である。この探傷映像装置25からの出力情報は、プリンター26により、プリントアウトされるように構成されている。

0043

ここに用いられている超音波探触子22は、超音波の発受信素子が、高分子圧電膜で構成され、超音波発受信面の直径が6mm、焦点距離が20mm、発信周波数が25MHzのものである。

0044

工事現場にある補強対象とされたスレート板からなる壁面9に、先ず、プライマーを塗布し、1日放置し、次いで、その上に、基材12を構成するエポキシ樹脂を下塗りし、その上に、繊維シート11を構成する厚さ約0.3mmの炭素繊維織物を載置し、その上から、ローラーを用いて、基材12を構成するエポキシ樹脂を塗布、含浸せしめ、次いで、同様にして、前記の炭素繊維織物を、2枚貼着積層して、当該壁面9に、合計3枚の繊維シート11が基材12中に埋設されてなる繊維補強構造物10を形成し、当該スレート板の補強工事を完了した。なお、形成された繊維補強構造物10の全体の厚さは、約1mmであった。

0045

この施工により、スレート板の壁面9上に形成された繊維補強構造物10における炭素繊維織物からなる繊維シート11のエポキシ樹脂からなる基材12中の埋設層数を、次のようにして検知した。

0046

すなわち、超音波の発受信素子が、高分子圧電膜で構成され、超音波発受信面の直径が6mm、焦点距離が20mmである超音波探触子13を、繊維補強構造物10の表面に対し所定間隙をもって1軸方向に、水流柱15と共に、15mm幅移動可能に支持する支持体14に取り付け、この支持体14を繊維補強構造物10の表面に載置固定し、前記超音波探触子13を1軸方向に15mm幅で往復移動させながら、周波数25MHzの超音波を繊維補強構造物10に対し照射し、そこからの反射波を、前記超音波探触子13により受信し、この情報を表示器18にて表示したところ、繊維補強構造物10における繊維シート11の基材12中の埋設層数が、3層であることが明確に把握された。

発明の効果

0047

本発明に係る繊維補強構造物の繊維シート層数の検出方法は、以上に説明したように、基材中の繊維シート層数を、繊維補強構造物を破壊することなく、検出するようにしたため、完成された繊維補強構造物を、検査のために損傷することがなく、また、その表面に施された塗装などの意匠性を損なうこともなく、当該繊維補強構造物の繊維シート層数を検出することができると云う効果を奏する。

0048

また、繊維シートを形成する繊維が炭素繊維、基材が樹脂である場合は、用いる超音波の発信周波数を、100KHz乃至100MHzに選択することにより、極めて鮮明な繊維シート層の画像を得ることができ、層数の検出精度が極めて良好で、繊維補強構造物の施工現場での繊維シート層数の検出に、現在のところ、最適な方法と云える。

図面の簡単な説明

0049

図1繊維補強構造物の一例の縦断面模式図である。
図2繊維補強構造物の他の一例の一部破断斜視模式図である。
図3この発明の方法を実施するための装置の一例の全体説明図である。
図4この発明の方法を実施するための装置の他の一例の全体説明図である。

--

0050

1:壁面
2:繊維補強構造物
3:基材
4:繊維シート
5:円柱状体
6:繊維補強構造物
7:基材
8:繊維シート
9:壁面
10:繊維補強構造物
11:繊維シート
12:基材
13:音波探触子
14:支持体
15:水流柱
16:水噴射ノズル
17:パルサー/レシーバー
18:計数器
19:画像処理装置
20:表示器
21:繊維補強構造体
22:超音波探触子
23:ゴムシート
24:水槽
25:探傷映像装置
26:プリンター

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