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Die wichtigsten Eigenschaften des Baustoffs Lehm

   
Wenn ein Lehmhaus jahrhundertelang halten soll,
muss es einen guten Hut und feste Stiefel haben.
     
 

1. Zusammensetzung

Lehm setzt sich zusammen aus Sand und Ton. Der Ton, genauer gesagt die Tonminerale, umschließen die Sandkugeln und kleben sie zusammen. Die sehr unterschiedlichen Korngrößen des Sandes (von 0,002 mm bis Feldsteingröße) und die unterschiedlichen Eigenschaften der Tonminerale ergeben eine sehr große Variationsbreite von Eigenschaften.
     
Tonmineralien   Korngrößen von Steinen, Sand, Schluff, Ton
(nach DIN 4022 T1)
Mineralgruppe Quellung   Benennung Korngröße
[mm]
spez. Oberfläche
[cm²/g]
Kaolinit mäßig   Steine 400 - 63  
Pyrophylilite keine   Grobkies 20- 63 20
Montmorillonite sehr stark   Mittelkies 6,3 - 20  
Beidellite sehr stark   Feinkies 2 - 6,3  
Vermiculite stark   Grobsand 0,6 - 2 200
Illite mittel   Mittelsand 0,2 - 0,6  
      Feinsand 0,06 - 0,2  
      Grobschluff 0,02 - 0,06 2.000
      Mittelschluff 0,006 - 0,02  
      Feinschluff 0,002 - 0,006  
      Ton < 0,002 > 20.000
Die Zusammensetzung kann dargestellt werden durch das Dreiecksnetz nach Voth oder nach Gewichtsprozent der einzelnen Korngrößen durch eine Sieblinie.
     
     

2. Sieblinien

     
Das Korngerüst ist um so belastbarer, je weniger Zwischenräume für die Tonmineralien als Klebstoff bleiben und je besser die einzelnen Kügelchen des Sandes ineinander passen. Am wenigsten dicht liegen sie, wenn alle Kügelchen gleich groß sind, am dichtesten, wenn sie nicht gleich groß sind und ihre Verteilung auf der Größenskala der Sandkörner, der Sieblinie, die "Fuller-Parabel" beschriebt. Die Sieblinie erhält man durch Sieben mit verschiedenen Sieböffnungen und Wiegen der Siebrückstände. Bei kleineren Korndurchmessern ist das allerdings nicht mehr möglich.


Wichtig für die Festigkeit ist außerdem die Größe der größten Sand- bzw. Kieskörner und ihre Scharfkantigkeit, mit der sie sich ineinander verzahnen. Schluff liegt in der Korngröße zwischen Sand und Ton, hat aber keine Klebekräfte, sondern verbraucht vermutlich durch seine große Oberfläche viel der wertvollen Klebekräfte der Tonminerale. Das genaue Zusammenwirken von Schluff und Lehm ist allerdings noch unklar.


Für Putze und Massivlehmbauten sind Lehme gut geeignet, die ein festes Korngefüge haben. Sie sollten etwa 10% Tonminerale, 30% Schluff und den Rest Sand gleichmäßig von 0,06 - 2 mm verteilt haben. Bei Leichtlehm wird das Korngerüst von den Zuschlagsstoffen gestellt, die von dem sehr bindigen (d.h. tonhaltigen) Lehm verklebt werden.
     

3. Was ist Ton

Plättchenstruktur der Tonmineralien

Die Plättchen der Tonmineralien liegen wie ein Kartenhaufen dicht aufeinander. Wird Wasser zugegeben, bilden sich hauchdünne Wasserfilme zwischen ihnen, und das Ganze wird sehr glitschig, bei geringer Wasserzugabe plastisch. Wenn das Wasser verdunstet, ziehen sich die Plättchen mit der flachen Seite gegenseitig an. Der Prozess des Verdunstens und wieder Wasser zugeben, kann, anders als beim Zement, beliebig oft wiederholt werden. Deshalb kann ungebrannter Lehm als Baustoff immer wieder verwendet werden.
Bei der Bearbeitung des Tons durch äußere mechanische Kräfte werden die Plättchen wie kleine Magneten ausgerichtet. Diese Strukturen bleiben auch beim Austrocknen erhalten. Man spricht deshalb vom Gedächtnis oder Geheimnis des Tons.

Wie entsteht Ton

Die Tonmineralien entstehen z.B. beim Verwittern vom Feldspat des Granit. Gleichzeitig werden dann die beiden anderen Bestandteile des Granit, Quarz und Glimmer, frei und vermischen sich mit den Tonmineralien. Diese Verwitterungsprodukte sind von Wasser, Wind und Eis oft weit weg transportiert worden. Je nach endgültiger Lagerstätte hat der Ton bzw. Lehm dann eine sehr unterschiedliche Zusammensetzung und wird als "Berglehm", "Geschiebelehm", "Schwemmlehm", "Lößlehm", "Schlicklehm", "Auelehm", etc. bezeichnet. Damit sind seine technischen Eigenschaften allerdings noch nicht ausreichend beschrieben.

Die bekanntesten Tonmineralien sind Kaolinit, aus dem Porzellan hergestellt wird, Montmorillonit, dem wichtigsten Bestandteil des Bentonit, einem Verwitterungsprodukt aus vulkanischen Aschen, das zum Plastifizieren von Tonen verwendet wird, Illit und Chlorit. Die Tonmineralien sind unvorstellbar kleine Kristallblättchen, etwa ein tausendstel Millimeter klein, deren elektrostatische Aufladung die Klebekraft des Tons ausmacht. Je mehr Sand als Füllmaterial nun im Ton ist, desto magerer nennt man ihn. Fetter Ton besteht etwa zu zwei Drittel aus Tonmineralien, bei 50% spricht man von lehmigem Ton, toniger Lehm hat nur noch ein Drittel, Lehm ca. 20% und sandiger Lehm 10% Tonmineralien. Baulehm soll 10-15% Tonmineralien haben, für Leichtlehmbauweisen bis 30%, der Rest ist Schluff, Sand und ev. Kies. Mergel, also Lehm mit Kalk, ist zum Bauen genauso wenig geeignet wie Lehm, der Mutterboden enthält.
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4. Rohdichte (Gewicht)

Lehmart
Dichte
[kg/m³]
Quelle
erdfeucht, krümmelig 1000 - 1500 Minke
geschüttet 1400 - 1800 Niemeyer
sandig, Lößlehme 1750 Niemeyer
mittelfett 1850 Niemeyer
fett 1900 Niemeyer
sehr fett und steinig 2200 - 2400 Niemeyer
Steine, Stampflehm 1700 - 2200 Minke
     
     

5. Einfache Feldversuche

Lehm findet man in nahezu allen Gegenden. Wenn der erste halbe Meter Mutterboden abgetragen ist und er genügend Klebekraft hat, kann er meist zum Bauen verwendet werden.


Schon vor Ort kann man mit etwas Erfahrung die ersten "Materialprüfungen" machen: Man kann am Knirschen zwischen den Zähnen feststellen, wie viel Sand im Lehm enthalten ist, man kann den Lehm mit dem Fingernagel glätten und sieht am Glanz, wie fett er ist. Beim "Händewaschen" mit Lehm, fühlt sich Ton seifig an, Schluff mehlig und Sand schwimmt schnell weg.


Die Klebekraft lässt sich abschätzen, indem man eine kleine Kugel langsam zu einer dünnen Scheibe drückt, indem man eine etwa drei Zentimeter dicke und dreißig Zentimeter lange Wurst rollt und sie über eine Brettkante rollend zum Abbrechen bringt. Wenn sie es länger als zehn Zentimeter aushält, ist der Lehm fürs Bauen interessant. Außerdem ist das Schwindmaß von Interesse, also das Maß, um das sich der Lehm beim Trocknen zusammenzieht, ferner der Kalkanteil (Salzsäuretest) und die Abschlemmprobe.


Durchgetrocknete fünf Zentimeter dicke Kugeln aus geringer Höhe auf einen Steinboden zerspringen bei gutem Baulehm in mehrere Teile, zerkrümeln sie, so ist der Lehm zu sandig, bleiben sie ganz, so ist er zu fett. Bei der genaueren Untersuchung in einem einfachen Feldlabor wird mit dem "Achterling" die Klebekraft festgestellt. Dieser Versuch wurde von Niemeyer entwickelt und ist in der Lehmbau-DIN beschrieben. Näheres hierzu findet sich in den allen Lehmbaubüchern.
     
     

6. Bindigkeit

Am gebräuchlichsten ist die Einteilung der Baulehme nach ihrer Bindigkeit, die wie erwähnt durch Achterling-Proben ermittelt wird. Dabei wird die alte Dimension "Gramm pro Quadratzentimeter" benutzt. Zu beachten ist, daß es jahrhunderte alte Stampflehmgebäude gibt, die mit "lehmigem Sand" gebaut wurden, der nach Niemeyer zum Bauen nicht mehr geeignet ist.
Lehmart
Bindekraft
  [g/cm²] [N/cm²]
lehmiger Sand unter 50 unter 0,5
magerer Lehm 50 -100 0,5 -1,0
fast fetter Lehm 111 - 200 1,1 - 2,0
fetter Lehm 201 - 280 2,1 - 2,8
sehr fetter Lehm 281 - 360 2,9 - 3,6
     
     

7. Aufbereitung

In allen Lehmbautraditionen spielt die Aufbereitung des Lehms eine große Rolle. Oft war sie verbunden mit schwerer körperlicher Arbeit. Möglichst gründliches Durchtreten, Mischen, Lehmmühlen von Mensch oder Tier bewegt. Traditionell wurde im Herbst der Lehm für eine Baustelle "gestochen", d.h. in schmalen Spatenstichen geborgen und zum Auswettern in etwa ein Meter hohe und zwei Meter breite lange Haufen geschüttet, damit Frost und Regen die Arbeit übernehmen konnten. Regen wird aufgesaugt und Frost zersprengt knollenartige Tonansammlungen. Er wurde dann durch ein Walzwerk - einen Kollergang - oder durch eine Lehmmühle geschickt.

Erst durch eine gute Aufbereitung entfaltet er seine Eigenschaften. In Japan werden für ganz spezielle Arbeiten gesumpfte Lehme aus früheren Generationen genommen. Vor allem die Bindigkeit und Druckfestigkeit wächst mit der Aufbereitung, weil die Klebekraft der Tonplättchen besser aufgeschlossen wird.

Heute wird der Lehm ohne größeren Arbeitsaufwand in ausgekleideten Erdlöchern oder größeren Behältern eingesumpft und mindestens über Nacht, besser über mehrere Tage stehen gelassen. Danach helfen Zwangsmischer, Rührtonne, Bäckerknetmaschine oder Farbmischquirl.
     
     
     

8. Zusätze

Grubenlehm darf nicht durch Zusätze verunreinigt sein, er soll kalk- und humusfrei sein. Durch Zugabe unterschiedlicher Zusätze wird versucht, die Eigenschaften von Lehm zu beeinflussen. Am verbreitesten sind:

Kalk, Zement Erhöht die Druckfestigkeit und Witterungsbeständigkeitangewandt vor allem bei Massivlehmbauten
Eiweiß Erhöht die Witterungsbeständigkeit und verringert das SchwindenTraditionell: Urin, Kuhschiet, Blut, Ei, Quark, viel ErfahrungenEiweiß wirkt wie Schmiermittel zwischen den Tonplättchen und führt zu Einsparungen von Anmachwasser. Dadurch schwindet der Lehm weniger beim Trocknen. Bei Kuhdung kommt noch hinzu, daß seine Faserstoffe besonders für Putze sehr günstig sind.
Salze Erhöht die Witterungsbeständigkeit und verringert das Schwinden und QuellensEine ähnliche Wirkung wie Eiweiß hat auch eine Zugabe von Soda zum Anmachwasser von 3-5 Volumenprozent.Salze wirken durch Jonenaustausches liegen wenig nur Erfahrungen über Anwendung vor
Holz / Fasern Erhöht die Zugfestigkeit bei Bauteilen als "Bewehrung"Stroh, Heidekraut, Zweige, Nadel
  Erhöht die Zug- und Stoßfestigkeit, Vermeidet Schwindrisse bei PutzenHäcksel, Kaff, Schäben (Stroh, Hanf, Flachs, Gras), Nadeln, Papierfasern
  bessere Wärmedämmung wegen Verringerung der RohdichteStroh, Holzhackschnitzel, Sägemehl, Sägespäne, Papierfasern
mineralische bessere Wärmedämmung wegen Verringerung der RohdichteBlähton, Blähglimmer (Vermaculite), Blähschiefer, Perlite
     
     
<1>9. Druckfestigkeit
Die Druckfestigkeit des Baustoffs Lehm ist abhängig von:
  • dem Korngerüst
  • der Bindigkeit, da quer zur Druckspannung eine Zugspannung aufgenommen werden muß
  • der Textur der Tonplättchen gepatzte Steine, wie sie im Jemen verwendet werden, sind erheblich druckfester, da sich beim Patzen die Tonplättchen quer zur Belastungsrichtung ausrichten
  • der Art der Lehmaufbereitung
  • dem Alter des Bauteils, weil die Druckfestigkeit im Laufe der Zeit zunimmt
  • dem Verhältnis Anmachwasser zu Lehm ähnlich dem W/Z-Wert bei Beton

Es gibt erstaunlich wenig Angaben über die Druckfestigkeit, wohl auch, weil Lehm bei uns selten als lastabtragender Baustoff verwendet wird.
Allerdings müssen auch Lehmwände ihr Eigengewicht abtragen können. Deswegen ist es notwendig, bei Leichtlehmwänden die Last stockwerksweise durch Träger abzutragen. Bei höheren Brandwänden aus Massivlehmsteinen muss auf eine ausreichende Belastbarkeit der Lehmsteine geachtet werden.


Es ist notwendig, für alle Lehmfertigprodukte die max. Druckfestigkeit anzugeben. Dies gilt besonders für Lehmsteine
Gut verdichtete Lehme ohne Zusätze haben eine Druckfestigkeit
2 - 5 [N/mm²] oder 20 - 50 [kg/cm²]



Niemeyer gibt die zul. Druckspannung in Abhängigkeit von der Bindekraft mit 0,2 - 0,5 [N/mm²] oder 2 - 5 [kg/cm²] bei einer Bindekraft von 50 - 360 [g/cm²] extrem niedrig an, was verwundert, da er selbst für das mehr als hundert Jahre alte Wohnhaus in Weilburg eine vorhandene Druckspannung von 0,75 [N/mm²] oder 7,5 [kg/cm²] errechnet.
Für die Druckfestigkeit von Leichtlehm gibt es wenig Angaben. Erwähnt sei die Zusammenstellung bei Schneider u.a.


Lehmart Dichte Druckfestigkeit
  [kg/m³] [kg/cm²] [N/mm²]
Strohleichtlehm 850 17 1,7
Strohlehm 1600 > 25 > 2,5



Zuletzt sei noch die DIN 18954 erwähnt, die für Lehmsteine eine Mindestdruckfestigkeit von 2,5 [N/mm²] oder 25 [kg/cm²] vorschreibt und für Massivlehm und Wände folgende Werte:

Dichte Druckfestigkeit zul. Druckspannungen für Wände
[kg/m³] [kg/cm²] [N/mm²] [kg/cm²] [N/mm²]
1600 20 2 3 0,3
1900 30 3 4 0,4
2200 40 4 5 0,5


Für eine Verbreitung des Lehmbaus ist es notwendig, verlässliche Zahlen über die Druckfestigkeit von Lehmbaustoffen zu erhalten.
     
     

10. Feuerbeständigkeit

Lehmart
Dichte
[kg/m³]
Schichtdicke
[kg{m³]
Feuerwider-
standklasse
Massivlehm
2000
25
F 180
Massivlehm
2000
15
F 120
Massivlehm
2000
12,5
F 90
mineralischer Leichtlehm
900
25
F 180
mineralischer Leichtlehm
900
15
F 120
mineralischer Leichtlehm
900
12,5
F 90
Leichtlehm (organischer Zuschlag)
600
 
F 30
Lehmputz auf Leichtlehm
1700
2
F 30
Tabelle nach SIA (Empfehlung)



Schneider u.a. schlagen für eine Neuregelung des Bauens mit Lehm vor:
  • Brandmauern (F 90) dürfen nicht mehr als 5 Gewichtsprozent brennbarer Stoffe enthalten (incl. ev. enthaltener Konstruktionsteile). Brennbare Konstruktionsteile müssen mindestens 5 cm überdeckt sein, bei minimaler Wandstärke 25 cm.
  • Lehmbaustoffe, deren Gewichtsanteil brennbarer Stoffe 15% nicht übersteigt, sind nicht brennbar und können als Brandschutz brennbarer Konstruktionsteile gelten (für F 60- und F 90-Konstruktionen geeignet).
  • Lehmbaustoffe, deren Gewichtsanteil brennbarer Stoffe 20% nicht überschreitet und deren Tonanteil 10% nicht unterschreitet, sind schwer entflammbar. Bauteile aus solchem Lehm gelten als brandhemmend (F 30 und F 60 sind erreichbar).

     
     

11. Raumklima

Sich in den eigenen Wänden wohl fühlen, ist sicher das wichtigste Ziel beim Bauen und Umbauen. Für die thermische Behaglichkeit sind in der Regel zwei Baustoffeigenschaften wichtig: die Wärmespeicherung und die Wärmedämmung. Beim Lehmbau kommt als dritte die Wärmestrahlung dazu.

Wärmestrahlung
"Im Sommer kühl und im Winter warm" - so beschreiben die meisten Bewohner ihre Lehmhäuser und viele führen dies fälschlich auf die guten Wärmedämmeigenschaften von Lehmwänden zurück. Was erstaunt, da Keppler/Lemcke dies schon 1986 überzeugend mit den Strahlungseigenschaften des Lehm erklärt haben
"Von der Sonne erhitzte Lehmwände können ihre Eigenwärme nur schlecht abstrahlen und reflektierende Außenwände erscheinen selbst bei kühler Raumluft im Winter warm" (Schneider u.a.), was auf schlechte Strahlungsaufnahme und -abgabe zurückzuführen ist und physikalisch mit der Strahlungszahl beschrieben wird.
Der "Ideale schwarze Körper", der Wärme gut aufnimmt und Eigenwärme optimal abstrahlt, hat eine Strahlungszahl von 5 [W/m²hK4], ein total reflektierender Stoff 0. Die üblichen Baustoffe liegen mit einer Strahlungszahl von 4,6 in der Nähe des "Idealen Schwarzen Körpers" und Lehm mit 1,85 [W/m²hK4] in der Nähe eines total reflektierenden Baustoffs. "Das Verhalten des Lehms gegenüber Wärmestrahlung ist eine seiner hervorragenden Eigenschaften" (s.o.)

Wärmespeicherung, Wärmedämpfung
Wände speichern die Wärme des Tages und geben sie, wenn es kühler wird, wieder ab. Wieviel Wärme sie aufnehmen und wieder abgeben können, hängt ab von ihrem Gewicht und einer Stoffeigenschaft, der spezifischen Wärmekapazität c. Dieser Wert ist bei Lehm im allgemeinen vergleichbar anderen Baustoffen, nur Leichtlehm unter 800 [kg/m³] speichert im Vergleich mit anderen Leichtbaustoffen deutlich mehr Wärme.

Die Wärmedämpfung beschreibt, wie schnell die Außenwand die täglichen Temperaturschwankungen nach innen weitergibt. Eichler gibt als Komfortmaß dafür die 365 er Ziegelwand an. Schwere Wände speichern und dämpfen gut, leichte tun beides schlecht. Die Wärmedämpfung ist allerdings auch abhängig von der Dämmung einer Wand. Schwere Wände mit Außendämmung dämpfen weniger als ungedämmte. Die Bedeutung der Wärmespeicherung von Außenwänden wird in der Regel überschätzt, da Innenwände, Fußboden und Decke etwa die zehnfache Speichermasse haben.

Wärmeschutz
Die Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen ist in erster Linie abhängig vom Gewicht, von dem Anteil gut isolierender eingeschlossener Luft. Dies gilt auch für Lehmbaustoffe, wie in nachfolgender Tabelle zu sehen ist.



Lehm Rohdichte Wärmeleitfähigkeit
  [kg/m³] [W/mK]
Leichtlehm 300 0,10
Leichtlehm 600 0,17
Leichtlehm 800 0,25
Leichtlehm 1000 0,35
Leichtlehm 1200 0,47
Strohlehm 1400 0,59
Strohlehm 1600 0,73
Massivlehm 1800 0,91
Massivlehm 2000 1,13
Tabelle nach Volhard



Wände leiten die Wärme der Innenräume durch Wärmeleitung nach außen. Diese "Transmissionswärmeverluste" machen mehr als zwei Drittel der Energieverluste eines Wohngebäudes aus. Den Zusammenhang zwischen dem Energieverbrauch eines Hauses und dem "k-Wert" (kleiner k-Wert = geringer Wärmeverlust) der Außenwand als Maß der Bemühungen um Wärmeschutz für ein voll beheiztes Einfamilienhaus mit 100 qm zeigt folgendes Diagramm.


Durch die Ableitung der Wärme werden Außenwände auch auf der Raumseite kalt. Da das Wohlbefinden sowohl von der Temperatur der Raumluft als auch der umgebenden Wände abhängt, kommt es bei schlecht gedämmten Wänden zu überhitzten Räumen, zum "Barackenklima". Den Zusammenhang zwischen k-Wert und raumseitiger Oberflächentemperatur der Außenwand zeigt das folgende Diagramm. Dass Lehmwände auch bei kalten Oberflächentemperaturen anders auf das thermische Wohlbefinden wirken, haben wir zuvor beschrieben. Auch die Gefahr der Schimmelbildung als Folge zu niedriger Wandoberflächentemperaturen ist bei Lehmwänden mit ihren guten feuchteregulierenden Wirkungen unbekannt. Außerdem fühlen sie sich wärmer an, was jeder leicht selbst feststellen kann und die folgende Übersicht über Kontakttemperaturen belegt.


Baustoff Rohdichte Kontakttemperatur
  [kg/m³] [ °C ]
Leichtlehm 300 24,6
Faserlehm 1200 22,0
Massivlehm 1800 20,8
Beton 2400 19,2
Kalkputz 1800 20,8
Holz 600 23,1
Kontakttemperatur bei einer angenommen Oberflächentemperatur von 16°C (nach Schneider u.a.)
     
     

12. Beispiele

Im folgenden werden Konstruktionsbeispiele mit Angaben ihrer bauphysikalischen Kennwerte wiedergegeben. Besonders möchten wir hinweisen auf die

nachträgliche Innendämmung mit Leichtlehmbaustoffe
bestehender Gebäude, vor allem von Fachwerk- und Feldsteinwänden, für die sich Lehm (in Kombination mit anderen Naturbaustoffen) besonders anbietet. Innendämmungen sind bei Fassaden von ortsbildprägendem Charakter die einzige Möglichkeit, Gebäude mit den heutigen Komfortansprüchen zu nützen. Es ist - besonders bei Feldsteinmauerwerk - zwar denkbar, dass rechnerisch nach DIN 4108 T3 in der Dämmung Tauwasser anfällt, dieses wird aber durch die Kapillarität nach innen transportiert und kann verdunsten. Dies scheint uns allemal sicherer als eine auf Dauer zweifelhafte Dampfsperre auf der Innenseite. Leider gibt es für diesen physikalischen Vorgang keine Nachweise. Der einzige uns bekannte Ansatz (Häupl, Stopp, Dresden 1988) bedarf sicher einer Wiederbelebung.


zusätzliche Innendämmung Feldsteinwand Fachwerkwand
  Dicke
gesamt
[cm]
k-Wert
gesamt
[W/m²K]
Dicke
gesamt
[cm]
k-Wert
gesamt
[W/m²K]
Bestand 45 2,59 20 1,81
zusätzliche Dämmung:        
1. 5 cm Schilfrohrplatten
Lehminnenputz
52 0,66 27 0,59
2. 7 cm Schilfrohrplatten
Lehminnenputz
54 0,31 29 0,34
3. Lehmoment Strohleichtlehm
r=300 kg/m³
Lehminnenputz
59 0,64 34 0,58
4. 15 cm Leichtlehmelement r=600 kg/m³
Lehminnenputz
62 0,77 37 0,69
5. 115 er Lehmsteine r=1600 kg/m³
5 cm Schilfrohrpl. oder Dämmschüttung
Lehminnenputz
64 0,60 39 0,54
6. 20 cm Leichtlehmelement
r=500 kg/m³
Lehminnenputz
67 0,54 42 0,50
     
     
>anfang des Textes>

Burkard Rüger

 
     
   
     
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