Beton Maitre ATS

8/12/2019 Beton Maitre ATS

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GUIDE DU MATRE

Juin 2008

LE BTON


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Table des matires

Capsules de scurit ........................................................................................................................ 3Introduction.......................................................................................................................................4Mandat de llve propos au personnel enseignant.................................................................5Ia- Laboratoire sur le durcissement du ciment........................................................................ 6Ib- Questionnaire sur le durcissement du ciment ................................................................... 6II- La composition du bton .......................................................................................................... 8III- Le mrissement du bton .................................................................................................... 12IV- Le bton comme matriau..................................................................................................... 14V- La mcanique du bton............................................................................................................. 16VI- La mcanique de la poutre..................................................................................................... 19Conception de la poutre.................................................................................................................24

Fabrication de la poutre................................................................................................................26

Mise lessai de la poutre (test destructif de rsistance) .................................................27Commission denqute sur leffondrement de votre poutre .................................................28Fournisseurs suggrs...................................................................................................................28Matriel suggr pour chaque quipe........................................................................................29Webographie....................................................................................................................................32


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Centre de dveloppement pdagogique Le btonbeton_maitre_ATS.doc Rvision : mai 2009

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Capsules de scuritCiment et bton

1. Attention! Le ciment et le bton prpar sontcorrosifs.

2. Se laver la peau avec de leau en cas de contact etse laver les mains la fin des manipulations.

3. Porter des lunettes de scurit pour se protgerdes claboussures. En cas de contact avec lesyeux, rincer immdiatement avec la douche oculaire

installe dans la classe.4. Porter un masque antipoussire si des particules de

ciment sont en suspension dans lair. Lorsque leciment est manipul dlicatement, le masque nestpas ncessaire.

5. Porter des vtements de protection afin de seprotger des projections accidentelles.

6. Nettoyer la surface de travail aprs lesmanipulations pour bien enlever de possibles

claboussures. Une solution dacide chlorhydriquepourrait tre utilise pour les dpts rcalcitrants.

7. Les restes de ciment ou de bton pourraientobstruer lgout. Dposer le tout dans un sac de

plastique et jeter la poubelle. Leau du rinagefinal peut tre vacue par lgout, la conditiondutiliser un bon dbit deau.

N. B. On doit sassurer que les modifications cette capsule ne compromettentpas la scurit des lves. La personne fautive devra rpondre de ses choix.


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Introduction1. Comme pralable la lecture du prsent guide, nous vous invitons lire le canevas

de cette tche beton_canevas_ATS.pdf et le cahier de llve beton_eleve_ATS.pdf .Le canevas permettra de mieux situer cette activit

lintrieur du programme.2. La poutre qui est au cur de cette SAE est facile fabriquer et donne loccasion

de toucher une quantit surprenante de concepts. En effet, llve sera amen,entre autres, quilibrer des quations chimiques, tudier diffrentescontraintes mcaniques ainsi qu calculer des forces et des avantages mcaniques.

3. Huit priodes sont prvues pour cette activit :o Priode 1 : Mise en situation et mandato Priode 2 : Activits dapprentissage I et IIo Priode 3 : Activits dapprentissage III et IVo

Priode 4 : Activits dapprentissage V et VIo Priode 5 : Activit dapprentissage VII et conception de la poutreo Priode 6 : Fabrication des coffrages et coule du btono Priode 7 : Mise lessai des poutreso Priode 8 : Commission denqute et amliorations

4. Cette SAE pourrait tre aborde en quipe de deux lves.

Vido intressante

La vido suivante peut tre utilise pour prsenter plusieurs emplois touchant lesstructures en bton arm. Elle montre aussi des techniques de pointe utilises pourlinspection et la rfection douvrages existants.

http://www.radio-canada.ca/audio-video/pop.shtml#urlMedia%3D/Medianet/2007/CBFT/Decouverte200710141830_1.asx


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Mandat de llve propos au personnel enseignant

Les lves devraient :

- cerner le problme en fonction du cahier des charges;

- sapproprier les concepts touchs par la fabrication dun ouvrage en bton;(Les lves doivent former des quipes de deux personnes et se runir pourcomplter les activits dapprentissage).

- prciser leur mandat la suite des activits dapprentissage;

- concevoir et fabriquer une poutre en respectant le cahier des chargesrelativement :a) sa conception (dessins de la poutre avec ses armatures);b) la fabrication des coffrages laide dune gamme de fabrication;c) linstallation des armatures;d) la coule de bton;e) la supervision du mrissement;

- procder la mise lessai des poutres (test destructif de rsistance);

- instituer une commission denqute sur leffondrement (analyse des rsultats etamliorations suggres).


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Question 4(La raction libre moins de chaleur que de chaleur perdue dans lenvironnement.) ( D )

(La raction libre de la chaleur un rythme constant.) ( B )

(La raction libre autant de chaleur que de chaleur perdue dans lenvironnement.) ( C )

(La raction commence librer de la chaleur.) ( A )

Question 5Le ciment se dshydrate et la raction chimique de mrissement sarrte. Sarsistance en sera grandement affecte.

Question 6Le durcissement sera acclr si les grains sont petits. La raction chimiqueseffectue lorsque les ractifs entrent en contact. Par exemple, en cassant un grain en

deux, on cre deux nouvelles surfaces par lesquelles la raction chimique pourrasoprer. Plus on fractionne les grains plus la raction sera explosive. Ce nest pas pourrien quon fabrique de lapoudre canon.En augmentant la temprature on peut aussi acclrer la prise. Il ne faut cependantpas llever au point de provoquer la dshydratation du ciment. Finalement, lajout dunacclrateur (catalyseur) comme de chlorure de calcium (CaCl2) peut aussi acclrer leprocessus.

Question 7 Le ciment atteint 75 % de sa rsistance aprs sept jours.


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Question 8

Exemple dun volume

interstitiel pour 100 mL dun

gravillon1particulier.

Volume interstitiel :30 mL/100 mL de gravillon

Pourcentage dair dans cegravillon : 30 % v/v

Question 9

Exemple dun volume

interstitiel pour 100 mL

dun sable particulier.

Volume interstitiel :33 mL/100 mL de sable

Pourcentage dair dans cesable : 33 % v/v

1.GRAVILLON: Fin gravier obtenu par concassage.


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Question 10

Voici ce que lon pourrait

obtenir comme recette en

considrant les questions

prcdentes.

Recette pour 100 mL de gravillon Solide dugravillon

Solide dusable

Ciment Eau

Rapports trouvs exprimentalement (%) 70 20 10 !5 ?

Rflexion pour 100 mL de gravillon Gravillon Sable Ciment Eau

Volumes rellement mesurs (mL) 100 30 10 !5 ?

Volumes incluant un facteur de scurit

100 % plus de sable (mL) 100 60 20 !10 ?

Volumes incluant un facteur de scurit

50 % plus de ciment (mL) 100 60 30 !15 ?

Exemple de recette secrte Gravillon Sable Ciment Eau

Volumes approximatifs simplifis (mL) 90 60 30 !15 ?

Rapport 3 2 1 !0,5 ?

En rsum Gravillon Sable Ciment Eau

Rapport trouv exprimentalement 10 3 1 !0,5 ?

Rapport scuritaire habituellement accept 3 2 1 !0,5 ?

La recette secrte devrait se trouver entre ces deux rapports !


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Notes

La quantit deau ajoute est trs variable. On trouve des recettesrecommandant un rapport ciment/eau de 1 pour 0,5. En pratique, une telle

recette donne un bton beaucoup trop pteux. Le rapport ciment/eau que vousutiliserez sera probablement autour de 1 pour 1. Labsorption deau par lesdiffrents types de granulats1est probablement en cause. La quantit deaudevrait donc tre ajuste empiriquement.

Les gravillons devraient tre solides, sans quoi le bton sera affaibli. En effet,le bton ne peut tre plus solide que lun de ses composants. Les granulatsutiliss ne devraient tre rays que par lacier ou une substance plus dure.

La propret des granulats est aussi importante. Les substances dorigineorganique nont pas une trs grande rsistance mcanique. De plus, ces

substances peuvent nuire ladhrence entre les composants du bton.


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Question 5

Ractifs Produits

2(CaO)2SiO2 + 4H2O Ca3Si2O7(H2O)3+ Ca(OH)2

O 5 !8 !12 12

H 2 !8 8

Ca 2 !4 4

Si 1 !2 2

Question 6

Ractifs Produits

2(CaO)3SiO2 + 6H2O Ca3Si2O7(H2O)3+ 3Ca(OH)2

O 6 !12 !14 !15 !16 12 !14 !16

H 2 !4 !8 !10 !12 8 !10 !12

Ca 3 !6 4 !5 !6

Si 1 !2 2

Question 7Il est prfrable de le garder humide durant le mrissement, car leau participe laraction chimique et sintgre une plus grosse molcule.


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Question 8En utilisant cette technique on peut augmenter la duret et la rigidit de lalliage.Cette technique permet de contrler la prcipitation du carbone lors de la fabricationde lacier. Un refroidissement assez rapide pige les atomes de carbone dans lamatrice de fer, ce qui provoque le durcissement.

Question 9Lacier est moins ductile et plus rigide que le fer. Des armatures en fer stireraienttrop et provoqueraient leffritement du bton.

Question 10Le volume de lacier qui soxyde augmente puisquil y a ajout datomes doxygne.

Question 11

Si les armatures ne sont pas convenablement enfouies dans le bton, elles soxyderont,leur volume augmentera, ce qui brisera la surface du bton. Ce processus se rpteraavec la nouvelle surface mise nue, et ainsi de suite.

Question 12Ces substances augmentent de volume en ragissant avec le bton et provoquent sadsintgration.


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V- La mcanique du btonQuestion 1 ( vrifier exprimentalement.)La distance entre les points du haut diminue.

Question 2La distance entre les points du bas augmente.

Question 3Une force de compression apparat dans la section suprieure de la poutre.

Question 4Une force de traction apparat dans la section infrieure de la poutre.

Question 5Comme le bton est huit fois moins performant en traction quen compression, nousdevons le mnager dans les zones de traction. Cest pour cette raison quil faut ajouterdes armatures dacier dans le bas de la poutre.

Question 6 ( vrifier exprimentalement.)Le trou du bas laisse chapper une plus grande quantit deau.

Question 7

La pression semble plus importante dans le bas.

Question 8La pression est plus importante dans le bas du carton, car il y a plus de particulesdeau au-dessus de ce trou. Pour la mme raison, la pression atmosphrique est plus

grande au sol quau sommet dune montagne.

Question 9Les coffrages doivent tre plus robustes dans le bas.

Question 10Il faut simplement laisser se solidifier le mur infrieur avant de couler le mursuprieur. De cette faon, on peut limiter la pression dans le bas des coffrages.


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Question 11Pour augmenter ladhrence entre le bton et les armatures.

Question 12On laisse les armatures rouiller pour les rendre plus rugueuses. De cette faon, on

augmente ladhrence entre le bton et lacier. Une fois protges par le bton, lesarmatures dacier cesseront de soxyder.

Question 13Une faon simple de diminuer la charge organique est utiliser une dcantation enprsence deau. En effet, les rsidus devraient avoir une masse volumique plus faibleque les granulats et leau.

Question 14Principe dArchimde :Tout corps plong dans un fluide reoit, de la part de celui-ci, une pousse verticaledirige de bas en haut gale au poids du volume de fluide dplac.

Question 15Les granulats auront tendance slever et flotter sur le bton.

Question 16Les bulles dair auront tendance slever et sortir du bton.

Question 17Si des bulles dair restent sous les armatures, le bton sera mal accroch etladhrence sera rduite.

Question 18Un bateau senfoncera jusqu ce quil ait dplac lquivalent de sa masse en eau.

Question 19Les armatures couleront au fond.

Question 20Les armatures devront tre supportes et attaches des supports.


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Question 21Pour que le bton enrobe parfaitement les armatures, il faut le brasser laide dunvibrateur. On dit souvent vibrer le bton. Dans le cas de notre poutre, uneagitation rapide du coffrage fera laffaire.

Question 22La masse du lingot est :"= m/V ! m = "V ! m = 19,3 g/cm31000 cm3 ! m = 19 300 g = 19,3 kg

La masse du lingot dans leau est : (masse volumique de leau = 1 g/cm3)Massede leau dplace= 1000 cm

3= 1000 g = 1 kgMasse dans leau= Massedans lair Massede leau dplaceMasse dans leau= 19,3 kg 1 kg = 18,3 kg


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Question 6

Une trop grande force de compressionapparatrait dans le haut de la poutre. Ondevrait voir une zone o le bton est

simplement broy. Le plus souvent, cette zoneest situe au centre de la porte de la poutre.

Question 7

Cette trop grande contrainte de tractionapparatrait dans le bas de la poutre. On

devrait voir une fissure, le plus souvent aucentre de la porte de la poutre.

Question 8

Cette trop grande contrainte de cisaillementapparatrait dans le bout de la poutre. Ondevrait voir une fissure vis--vis le coin de latable. Lorientation ainsi que la forme de lafissure peuvent changer en fonction desarmatures prsentes dans le bout de lapoutre.

FPoutre

FPoutre

Poutre

Table


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Question 9

a) Lavantage mcanique du marteau est : Am= Lm / Lr !Am= 30 cm/10 cm = 3b) La force subie par le clou est trois fois plus grande que la force applique sur le

manche.

c) La force ncessaire pour arracher le clou est :Am= Fr/Fm ! Fr= AmFm ! Fr= 350 N ! Fr= 150 N

Question 10(Cette question peut tre aborde qualitativement: voir la page suivante)

a) Lavantage mcanique de la poutre est :Am= Lm / Lr !Am= 30 cm/5 cm = 6

b) La force motrice ncessaire est :Am= Fr / Fm ! Fm= Fr / AmFm= 120 N / 6 ! Fm= 20 N

c) La masse est :F = mg ! m = F/gm = 20 N / 9,8 m/s2 ! m = 2,04 kg

d) Lavantage mcanique de la poutre est :Am= Lm / Lr !Am= 30 cm/3 cm = 10

e) La force motrice ncessaire est :Am= Fr / Fm ! Fm= Fr / AmFm= 120 N / 10 ! Fm= 12 N

f) La masse est :F = mg ! m = F/gm = 12 N / 9,8 m/s2 ! m = 1,22 kg

d) La plus haute poutre, soit celle dont la hauteur est de 5 cm, permet de supporter laplus grande masse.

e) Lavantage mcanique dun marteau doit tre le plus grand possible. De cette faonla force de lutilisateur sera dcuple.

f) Lavantage mcanique dune poutre doit tre le plus petit possible, de cettefaon, il faudra une plus grande force motrice pour briser larmature.

g) Le plus bas possible dans la poutre pour augmenter la longueur de rsistance (Lr), cequi a pour effet de rendre lavantage mcanique (Am) plus petit.


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Question 10(qualitativement)

Description :Les deux montages ci-dessous permettent de dcouvrir, qualitativement, lavantagedutiliser une poutre plus haute. Ces deux montages ne diffrent que par la hauteurdes poutres. Les bandes lastiques de chaque montage se doivent tre identiques.

Manipulations :Il suffit de tenir le montage dans la main comme sur le dessin. Puis, il faut le fairepivoter vers le bas puis de larrter brusquement. La force (Fm)gnre par linertiede la partie non maintenue de la poutre fera en sorte dtirer llastique. Voustrouverez, aux pages suivantes, des photos dun montage qui illustrent le toutdune manire diffrente.

Rsultats attendus :Il sera plus difficile dtirer llastique avec la poutre qui est plus haute (celle du bas).

Cette dmonstration illustre quil faudra, dans le cas de notre poutre en bton, uneplus grande charge pour briser larmature si la poutre est plus haute.

Poutre plus basse

Poutre plus haute

Deux poutres en bois

Penture (point dappui)

Bande lastique tendue entre deux clous

Fm

Fr

Lm Lr

Deux poutres en bois

Penture (point dappui)

Bande lastique tendue entre deux clous

Fm

Fr

Lm Lr


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Fabrication de la poutre

Fabrication des coffrages et installation des armaturesVoir le document intitul beton_gammes_ATS.pdf.

Notes sur la coule de bton Il serait bon de relire la capsule de scurit

sur le bton fournie dans le prsent guide etdans le cahier de llve.

Il faudrait couvrir adquatement les tables laide de papier journal, de plastique ou decarton.

Une truelle, ou une cuillre soupe, peut treutilise pour remplir le coffrage.

Une fois le coffrage rempli, brasser le btonpour faire sortir les bulles dair du mlange.Pour ce faire, agiter simplement le coffrageen le faisant glisser sur la table.

Les surplus de bton doivent tre jets lapoubelle.

Notes sur le mrissement du bton

Le mrissement du bton doit avoir lieu latemprature ambiante et un degr levdhumidit.

Un bac de rangement en plastique conu pourtre gliss sous un lit convient parfaitementau mrissement. Ce genre de bac permet deranger toutes les poutres dune mme classe.Un rcipient rempli deau ou des pongesmouilles, placs lintrieur, pourrontassurer la prsence dune humidit trsleve. Finalement, ces bacs peuvent treempils les uns sur les autres (trs pratiquelorsquon a plusieurs classes).

Matriel 1 bcher de 500 mL 1 bcher de 150 mL 1 truelle (ou cuillre soupe) 1 baguette de bois pour mlanger 1 bol de plastique pour faire le mlange

(capacit denviron 3 litres) 150 mL de poudre de ciment Sable et gravillons en quantit

suffisante Eau la temprature ambiante.


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Mise lessai de la poutre (test destructif de rsistance)

Notes sur linstallation de la poutre Chaque quipe devrait installer sa poutre sous la

supervision de lenseignant ou du technicien. Chaque extrmit de la poutre doit reposer sur unsupport en bois. De cette faon, la poutre reste

en position verticale (voir la photo 1). Une ferrure profile en U permet daccrocher

le seau que lon remplira de sable (voir les photos 2et 3).

Notes sur le systme de mesure de la flexion Le miroir plac sur la poutre peut tre fix laide dune

bande de polystyrne plie en forme de U . Le miroir doit

tre attach au support en bois laide de petites cordes(voir la photo 5). Il sera ainsi protg lors de la chute de lapoutre.

Un rayon laser peu coteux peut tre utilispour le test. Celui de la photo 4 a cot 3 $.

Une feuille de papier de 11 x 17 pouces, fixeau mur, peut servir dcran.

Notes sur lexcution du test Du sable propre devrait tre utilis, sinon la poussire

dgage dans la classe rendra vite lair irrespirable. Le sablepour filtre de piscine pourrait faire laffaire.

Un rcipient, dont on connat la masse lorsquil estrempli de sable, devrait tre utilis. Ceci permet,en comptant le nombre de rcipients, de mieuxsuivre lvolution du test. Un point peut mme tredessin, priodiquement, lendroit o le rayonlaser touche lcran. Par exemple, on pourraittracer un point tous les cinq rcipients. Un

graphique de la dformation en fonction de la masse peut tre produit partir dupatron form. On doit cependant tenir compte de plusieurs considrations

gomtriques.

Si lon veut acclrer le processus, une masse minimum (par exemple 10 kg) peutservir maintenir les poutres les plus performantes dans la course. Cette faon defaire peut cependant diminuer la motivation des quipes limines avant les sriesfinales.

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Matriel suggr pour chaque quipe

1- Le durcissement du ciment! 100 ml ciment prise rapide! 2 verres de polystyrne expans (1 gros et 1 petit)! 1 thermomtre lalcool! 1 cuillre soupe ( acheter)! 1 tasse mesure 200 mL (magasin 1$)! 1 prouvette de plastique jetable ( trouver)! 50 ml deau (et plus)

2-La composition du bton

! 2 tasses mesurer de 200 ml! 100 ml de gravillon (la marque get a grip acheter en quincaillerie Rno-

dpt)! 100 ml de sable (sable de piscine de prfrence, il doit tre propre)

3- Le mrissement du bton! plat de plastique dau moins 150 ml! 30 ml de ciment portland de type 10! sable et gravillon disponible (llve en prend selon sa recette)! Balance (celle utilise dans le labo de science)! Cuillre soupe (pour brasser)! 1 tasse mesurer 200 ml! 1 tasse mesurer 500 ml

4- le bton comme matriau! plat de plastique dau moins 150 ml! 30 ml de ciment portland de type 10! sable et gravillon disponible (llve en prend selon sa recette)! Balance (celle utilise dans le labo de science)! Cuillre soupe pour brasser! 1 tasse mesurer 200 ml


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8- Mise lessai de la poutre! 2 feuilles 11 x 17! ruban adhsif! crayon marqueur! niveau laser! miroir double avec support 1 et !pouce! 3 grosses chaudire 20 gallons! lunettes de scurit! 2 x 20 kg sable de piscine! support! montage pour supporter les chaudires de sable (chane, crochet)! plat de plastique de 7 cm de hauteur pour supporter chaudire

Matriel acheter

24 tasses mesurer 200 ml12 tasses mesurer 500 ml12 contenants plastiques 150 ml12 petits bacs vaisselle12 cuillres soupepetites prouvettes2 sceaux en mtalpongesverres de polystyrne (gros et petit)plat de plastique de 7 cm hautcrayon marqueur


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Webographie

Le dosage du bton et du mortierhttp://www.ideesmaison.com/Le-dosage-du-beton-et-du-mortier.html

Le bton la fermehttp://www.mapaq.gouv.qc.ca/cgi-bin/MsmGo.exe?grab_id=232&page_id=2301440&query=b%C3%A9ton&hiword=B%C3%A9TONN%C3%89+B%C3%A9TONS+b%C3%A9ton+

Bton Lafarge (Recherche et innovation)http://www.lafarge.fr/wps/portal/3_2_5-Sciences_et_materiaux

Bton sans poussirehttp://www.lafarge.fr/lafarge/CONTENT_SHEET/20061020/10202006-press_cement_product-sensium-fr.wmv

Danger pour la sant du cimenthttp://www.invs.sante.fr/surveillance/matgene/guide_matrice.pdf

Superplastifiant (adjuvant pour bton)http://www.lafarge.fr/12152006-group-superplastifiant-fr.wmv

Empilement granulaire (formation du bton)http://www.lafarge.fr/lafarge/CONTENT_SHEET/20061215/12152006-group-empilement_granulaire-fr.wmv

Granulat Super Traction (granulomtrie passant la maille comprise entre 1-3 mm)http://www.icemelter.ca/products/getagrip_super_f.php

Fournisseurs de polypropylne alvolaire (Coroplast) pour les coffrageshttp://www.coroplast.com/http://www.plastiquealto.com/francais/produits/produits.htm

Institut Gopolymre (Chimie du ciment portland)http://www.geopolymer.org/fr/science/chimie-ciment-portland-opposee-a-chimie-geopolymere

Documents

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