JP7755367B2 - Expansive admixture - Google Patents
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Description
本発明は、モルタル、コンクリート等のひび割れ抑制等のために混和使用される膨張性混和材に関する。 The present invention relates to an expansive admixture used to inhibit cracking in mortar, concrete, etc.
セメントを結合相とするモルタル、コンクリート等の各種部材や建築物、とりわけコンクリート製の建築構造物の耐久性を向上するためには、硬化収縮に伴い発生するひび割れや乾燥収縮で発生する亀裂を抑制することが不可欠である。ひび割れ抑制の特に有効な手段は、コンクリート用膨張材の使用である。このような膨張材としては、生石灰を有効成分とするものと、カルシウムサルフォアルミネートを有効成分とするものに大別される。このうち、生石灰を有効成分とするものは、一般に、反応活性が高いため早期膨張発現性に優れ、また比較的大きな膨張量も期待できるため、特にコンクリートの大規模な初期収縮を抑制するには適している。 In order to improve the durability of various materials and buildings, such as mortar and concrete, which use cement as a binder phase, particularly concrete architectural structures, it is essential to suppress cracks that occur due to hardening shrinkage and drying shrinkage. A particularly effective means of suppressing cracks is the use of concrete expansive additives. Such expansive additives are broadly divided into those that use quicklime as the active ingredient and those that use calcium sulfoaluminate as the active ingredient. Of these, those that use quicklime as the active ingredient generally have high reactivity, making them excellent at achieving early expansion, and can also be expected to expand relatively greatly, making them particularly suitable for suppressing large initial shrinkage of concrete.
しかしながら、近年、膨張材が各種用途への応用展開が図られる中、膨張性能に加えて付加的機能が求められてきている。このような要望を受けて、例えば、打放しコンクリート用膨張材、水中不分離性コンクリート用膨張材などが提案されている(特許文献1、2)。 However, in recent years, as expansive additives have been applied to a variety of applications, there has been a demand for additional functions in addition to expansion performance. In response to these demands, for example, expansive additives for fair-faced concrete and expansive additives for underwater non-segregating concrete have been proposed (Patent Documents 1 and 2).
一方、コンクリート製品工場において製造されるプレキャスト(PCa)コンクリートにおいては、コスト削減、高性能化、省エネ等の目的で様々な混和材が使用されており、膨張材もひび割れ抑制の観点から多く適用されている。膨張材以外の混和材としては、高炉スラグ微粉末、シリカフューム、フライアッシュ、ケイ酸質微粉末、石灰石微粉末、高強度混和材、早期強度混和材、着色材等があげられる(非特許文献1)。近年、生産性向上を目的に、型枠の回転率を上げるため、より短時間での強度発現性が求められており、そのために早期強度混和材が使用されているが、膨張材と併用する場合にはサイロが2つ必要になる。サイロを設けない場合は、手投入することになるが、その場合は投入作業が煩雑となり、管理も難しくなる。そのため、1材で膨張性能と早期強度発現性が得られる手法が望まれていた。 Meanwhile, in precast (PCa) concrete manufactured at concrete product factories, various admixtures are used to reduce costs, improve performance, and save energy, among other purposes. Expansive additives are also widely used to suppress cracking. Examples of admixtures other than expansive additives include ground granulated blast furnace slag, silica fume, fly ash, siliceous fine powder, limestone fine powder, high-strength admixtures, early-strength admixtures, and colorants (Non-Patent Document 1). In recent years, with the aim of improving productivity, there has been a demand for shorter strength development times to increase formwork turnover rates. For this reason, early-strength admixtures are being used, but when used in conjunction with expansive additives, two silos are required. Without a silo, the admixtures must be added manually, which makes the addition process cumbersome and difficult to manage. Therefore, a method that can achieve both expansion performance and early-strength development with a single material has been desired.
よって、本発明が解決しようとする課題は、良好な膨張性能を確保しつつ、早期強度発現性が得られる膨張性混和材を提供することである。 Therefore, the problem that this invention aims to solve is to provide an expansive admixture that can achieve early strength development while maintaining good expansion performance.
本発明者らは、膨張性混和材の構成成分について鋭意検討した結果、上記課題を解決し得る膨張性混和材を見出した。すなわち、本発明は、以下の〔1〕~〔5〕に示すとおりである。
〔1〕膨張性組成物を30~55質量%、石膏類を25~60質量% 、カルシウムアルミネートを10~30質量%含む膨張性混和材。
〔2〕さらに、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム等のアルカリ金属硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属炭酸塩、硝酸カルシウム、亜硝酸カルシウム及び硫酸アルミニウムから選ばれる1種または2種以上の金属塩を0.1~3.0質量% 含む〔1〕の膨張性混和材。
〔3〕〔1〕又は〔2〕の膨張性混和材を含有してなるモルタル又はコンクリート。
〔4〕〔1〕又は〔2〕の膨張性混和材を含有し、最高温度が40~80℃で蒸気養生することを特徴とするプレキャストコンクリートの製造方法。
〔5〕材齢5 時間の圧縮強度が10N/mm
2 以上、材齢5時間における膨張量が150×10-6以上を有することを特徴とする〔4〕のプレキャストコンクリートの製造方法。
As a result of extensive research into the constituent components of expansive admixtures, the present inventors have discovered an expansive admixture that can solve the above problems. That is, the present invention is as described in the following [1] to [5].
[1] An expansive admixture containing 30 to 55% by mass of an expansive composition, 25 to 60% by mass of gypsum, and 10 to 30% by mass of calcium aluminate.
[2] The expansive admixture of [1] further contains 0.1 to 3.0 mass% of one or more metal salts selected from alkali metal sulfates such as sodium sulfate and potassium sulfate, alkali metal carbonates such as lithium carbonate, sodium carbonate and potassium carbonate, calcium nitrate, calcium nitrite and aluminum sulfate.
[3] Mortar or concrete containing the expansive admixture of [1] or [2].
[4] A method for producing precast concrete, characterized by containing the expansive admixture of [1] or [2] and steam curing at a maximum temperature of 40 to 80°C.
[5] A method for producing precast concrete according to [4], characterized in that the compressive strength at 5 hours is 10 N/ mm 2 or more and the expansion amount at 5 hours is 150×10 −6 or more.
本発明の膨張性混和材を使用することによって、良好な膨張性能を確保しながら、早期強度発現性に優れたモルタル又はコンクリートを得ることができる。本発明の膨張性混和材をプレキャストコンクリートに用いることによって、型枠の回転数を増やすことが可能となり、生産性向上が図れる。 By using the expansive admixture of the present invention, it is possible to obtain mortar or concrete that has excellent early strength development while maintaining good expansion performance. Using the expansive admixture of the present invention in precast concrete makes it possible to increase the rotation speed of the formwork, thereby improving productivity.
<膨張性混和材>
本発明の膨張性混和材は、膨張性組成物を30~55質量%、石膏類を25~60質量%、カルシウムアルミネートを10~30質量%含むことを特徴とする。以下、詳細に説明する。
<Expansive admixture>
The expansive admixture of the present invention is characterized by containing 30 to 55 mass % of an expansive composition, 25 to 60 mass % of gypsum, and 10 to 30 mass % of calcium aluminate.
本発明における膨張性組成物は、遊離生石灰(f-CaO)を有効成分として含有する。遊離生石灰含有量としては、30~80質量%が好ましく、40~70質量%がより好ましい。遊離生石灰以外には、CaO・2SiO2(C2S)、CaO・3SiO2(C3S)等のカルシウムシリケート、4CaO・Al2O3・Fe2O3(C4AF)、6CaO・2Al2O3・Fe2O3(C6A2F)等のカルシウムアルミノフェライト、3CaO・3Al2O3・CaSO4(アウイン)等のカルシウムサルフォアルミネート等の水硬性化合物を1種または2種以上含むことができる。膨張性組成物の粉末度としては、ブレーン比表面積で2000~7000cm2/gが好ましく、3000~6500cm2/gがより好ましい。 The expandable composition of the present invention contains free quicklime (f-CaO) as an active ingredient. The free quicklime content is preferably 30 to 80% by mass, more preferably 40 to 70% by mass. In addition to the free quicklime, the composition may contain one or more hydraulic compounds, such as calcium silicates such as CaO.2SiO2 ( C2S ) and CaO.3SiO2 ( C3S ) , calcium aluminoferrites such as 4CaO.Al2O3.Fe2O3 ( C4AF ) and 6CaO.2Al2O3.Fe2O3 ( C6A2F ), and calcium sulfoaluminates such as 3CaO.3Al2O3.CaSO4 ( aouine ). The fineness of the expandable composition is preferably 2000 to 7000 cm 2 /g, more preferably 3000 to 6500 cm 2 /g, in terms of Blaine specific surface area.
本発明の膨張性組成物は、石灰石、生石灰、消石灰等のカルシウム質原料を含む焼成原料を焼成することにより製造される。カルシウム質原料以外に、シリカ質原料、アルミナ質原料、酸化鉄原料等が使用される。シリカ質原料としては例えば珪石粉、珪藻土等が挙げられ、アルミナ質原料としては例えばアルミナ、ボーキサイト、バンド頁岩、アルミ灰、アルミドロス、石炭灰、粘土等が挙げられ、酸化鉄原料としては例えば酸化鉄、べんがら、銅スラグ、製鋼スラグ等が挙げられる。焼成には、ロータリーキルンや電気炉等が使用される。焼成温度は1100~1500℃とすることが好ましい。焼成後、焼成クリンカを粉砕、分級することによって、所定の粉末度に調製される。 The expandable composition of the present invention is produced by firing raw materials containing calcium-containing raw materials such as limestone, quicklime, and slaked lime. In addition to calcium-containing raw materials, silica-containing raw materials, alumina-containing raw materials, and iron oxide raw materials are also used. Examples of silica-containing raw materials include silica powder and diatomaceous earth. Examples of alumina-containing raw materials include alumina, bauxite, band shale, aluminum ash, aluminum dross, coal ash, and clay. Examples of iron oxide raw materials include iron oxide, red iron oxide, copper slag, and steelmaking slag. A rotary kiln or electric furnace is used for firing. The firing temperature is preferably 1100 to 1500°C. After firing, the fired clinker is crushed and classified to obtain the desired powder size.
本発明における石膏類は、半水石膏、二水石膏、無水石膏等が挙げられるが、特に無水石膏が好ましい。また、天然石膏、副生石膏の他に、粒度調整された廃石膏も利用できる。石膏類の粉末度としては、ブレーン比表面積で4000~10000cm2/gが好ましく、5000~8000cm2/gがより好ましい。 Examples of gypsum in the present invention include gypsum hemihydrate, gypsum dihydrate, anhydrous gypsum, etc., with anhydrous gypsum being particularly preferred. In addition to natural gypsum and by-product gypsum, particle-size-adjusted waste gypsum can also be used. The fineness of the gypsum is preferably 4,000 to 10,000 cm 2 /g, more preferably 5,000 to 8,000 cm 2 /g, in terms of Blaine specific surface area.
本発明におけるカルシウムアルミネートは、CaOとAl2O3からなる化合物であり、例えば、CaO・2Al2O3(CA2)、CaO・Al2O3(CA)、12CaO・7Al2O3(C12A7)、3CaO・Al2O3(C3A)等が挙げられる。また、非晶質のカルシウムアルミネートが挙げられる。これらを1種または2種以上含む。特にCAを主成分として含むものが好ましい。また、カルシウムアルミネートとして、市販のアルミナセメントも使用することができる。 The calcium aluminate in the present invention is a compound composed of CaO and Al2O3 , and examples thereof include CaO.2Al2O3 ( CA2 ) , CaO.Al2O3 (CA), 12CaO.7Al2O3 ( C12A7 ) , and 3CaO.Al2O3 ( C3A ) . Also included are amorphous calcium aluminates . These may contain one or more of these. Those containing CA as the main component are particularly preferred. Commercially available alumina cements may also be used as calcium aluminates.
カルシウムアルミネートのCaO含有量としては、20~70質量%が好ましく、30~60質量%がより好ましく、35~45質量%が特に好ましい。なお、カルシウムアルミネート中には、不純物として、SiO2、MgO、K2O、Na2O、Fe2O3、TiO2、MnO、Cr2O3、V2O5、NiO、SrO、BaO、P2O5、ZrO2、CeO2等が少量含まれていても構わない。カルシウムアルミネートの粉末度としては、ブレーン比表面積で3000~8000cm2/gが好ましく、4000~7000cm2/gがより好ましい。 The CaO content of calcium aluminate is preferably 20 to 70% by mass, more preferably 30 to 60% by mass, and particularly preferably 35 to 45% by mass. Calcium aluminate may contain small amounts of impurities such as SiO 2 , MgO, K 2 O, Na 2 O, Fe 2 O 3 , TiO 2 , MnO, Cr 2 O 3 , V 2 O 5 , NiO, SrO, BaO, P 2 O 5 , ZrO 2 , and CeO 2 . The fineness of calcium aluminate, in terms of Blaine specific surface area, is preferably 3,000 to 8,000 cm 2 /g, and more preferably 4,000 to 7,000 cm 2 /g.
本発明の膨張性混和材の配合割合は、膨張性組成物が30~55質量%、石膏類が25~60質量%、カルシウムアルミネートが10~30質量%である。膨張性組成物が30質量%未満になると、膨張性能を確保できなくなる。また、石膏類が25質量%未満になると、蒸気養生条件下における強度発現性が低下するとともにコンクリートのフレッシュ性状も悪くなる。また、カルシウムアルミネートが10質量%未満になると、早期強度発現性が大きく低下する。上記配合割合とすることによって、良好な膨張性能と早期強度発現性に優れたコンクリートを得ることができる。 The blending ratios of the expansive admixture of the present invention are 30 to 55% by mass of the expansive composition, 25 to 60% by mass of gypsum, and 10 to 30% by mass of calcium aluminate. If the expansive composition is less than 30% by mass, expansion performance cannot be ensured. Furthermore, if the gypsum is less than 25% by mass, strength development under steam curing conditions decreases and the fresh properties of the concrete also deteriorate. Furthermore, if the calcium aluminate is less than 10% by mass, early strength development decreases significantly. By using the above blending ratios, concrete with good expansion performance and excellent early strength development can be obtained.
さらに、本発明の膨張性混和材は、促進成分として、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム等のアルカリ金属硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属炭酸塩、硝酸カルシウム、亜硝酸カルシウム及び硫酸アルミニウムから選ばれる1種または2種以上の金属塩を含むことができる。これらの中で、特に硫酸ナトリウムを含むことが好ましい。硫酸ナトリウム等の金属塩を添加することによって、さらに早期強度発現性を増進させることができる。上記金属塩の含有量としては、膨張性混和材中、0.1~3.0質量%が好ましく、0.2~2.0質量%がより好ましい。 Furthermore, the expansive admixture of the present invention can contain, as an accelerator component, one or more metal salts selected from alkali metal sulfates such as sodium sulfate and potassium sulfate, alkali metal carbonates such as lithium carbonate, sodium carbonate and potassium carbonate, calcium nitrate, calcium nitrite, and aluminum sulfate. Among these, sodium sulfate is particularly preferred. Adding a metal salt such as sodium sulfate can further enhance early strength development. The content of the metal salt in the expansive admixture is preferably 0.1 to 3.0% by mass, more preferably 0.2 to 2.0% by mass.
本発明における膨張性混和材には、上記構成成分の他に、本発明の特長が損なわれない範囲で、各種添加剤が併用されても良い。この種の添加剤としては、例えば減水剤、AE剤、発泡剤、収縮低減剤、凝結遅延剤、防水剤、防錆剤、増粘剤、セメント混和用ポリマー、保水剤、顔料、撥水剤、白華防止剤等が挙げられる。 In addition to the above-mentioned components, the expansive admixture of the present invention may also contain various additives, provided that the advantages of the present invention are not impaired. Examples of such additives include water-reducing agents, air-entraining agents, foaming agents, shrinkage-reducing agents, setting retarders, waterproofing agents, rust inhibitors, thickeners, polymers for cement admixture, water retention agents, pigments, water repellents, and anti-efflorescence agents.
本発明の膨張性混和材をモルタル又はコンクリートに添加することによって、良好な膨張性能を確保しながら、早期強度発現性に優れたモルタル又はコンクリートを得ることができる。モルタル又はコンクリートに対する膨張性混和材の添加量としては、モルタル又はコンクリート中のセメントに対して、3~25質量%が好ましく、5~20質量%がより好ましい。また、コンクリート中の単位量としては、20~60kg/m3が好ましく、30~50kg/m3がより好ましい。 By adding the expansive admixture of the present invention to mortar or concrete, it is possible to obtain mortar or concrete that is excellent in early strength development while maintaining good expansion performance. The amount of expansive admixture added to mortar or concrete is preferably 3 to 25 mass% and more preferably 5 to 20 mass% relative to the cement in the mortar or concrete. Furthermore, the unit amount in concrete is preferably 20 to 60 kg/ m3 and more preferably 30 to 50 kg/ m3 .
また、本発明の膨張性混和材は、特にコンクリート製品工場で製造されるプレキャストコンクリートに使用されることが有効である。膨張性混和材を添加したコンクリート製品は、最高温度が40~80℃の蒸気養生によって5時間で10N/mm2以上の強度発現が得られるので、1日2回転の型枠製造が可能となり生産性を高めることができる。また、5時間材齢時における膨張量は、150×10-6以上を有するコンクリートを得ることができ、十分なひび割れ抑制効果を有する。 The expansive admixture of the present invention is particularly effective when used in precast concrete manufactured in concrete product factories. Concrete products containing the expansive admixture can achieve a strength of 10 N/ mm2 or more in five hours by steam curing at a maximum temperature of 40 to 80°C, enabling formwork to be manufactured twice a day and increasing productivity. Furthermore, concrete with an expansion rate of 150 x 10-6 or more at five hours of age can be obtained, providing sufficient crack suppression.
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。 The present invention will be explained in detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples in any way.
(膨張性組成物の作製)
工業用生石灰、珪石、バン土頁岩及び酸化鉄の混合物を、電気炉にて1400℃で焼成し、遊離生石灰が60質量%含有する焼成物を得た。この焼成物に含まれる遊離石灰以外の主な鉱物は、ケイ酸カルシウム(3CaO・SiO2)、カルシウムアルミノフェライト(4CaO・Al2O3・Fe2O3)等である。この焼成物を、ボールミルで粉砕し、ブレーン比表面積を3500±200cm2/gに粒度調製して、膨張性組成物を得た。
(Preparation of Expandable Composition)
A mixture of industrial quicklime, silica stone, alumina shale, and iron oxide was fired in an electric furnace at 1400°C to obtain a fired product containing 60% by mass of free quicklime. The main minerals contained in this fired product other than the free lime were calcium silicate (3CaO· SiO2 ), calcium aluminoferrite (4CaO· Al2O3 · Fe2O3 ), etc. The fired product was pulverized in a ball mill to obtain an expandable composition with a Blaine specific surface area of 3500±200 cm2 /g.
(膨張性混和材の作製)
作製した膨張性組成物、石膏類、カルシウムアルミネート及び硫酸ナトリウムを使用して、膨張性混和材を作製した。石膏類として、無水石膏(ブレーン比表面積:7000cm2/g)を用いた。また、カルシウムアルミネートとして、石灰石及び焼成ボーキサイトを原料として焼成して製造したCaO含有量が38質量%のカルシウムアルミネート(ブレーン比表面積:5100cm2/g)を使用した。これらを、所定の配合割合にてミキサで混合し、膨張性混和材を得た。
(Preparation of expansive admixture)
An expansive admixture was prepared using the prepared expandable composition, gypsum, calcium aluminate, and sodium sulfate. Anhydrous gypsum (Blaine specific surface area: 7000 cm2 /g) was used as the gypsum. Furthermore, calcium aluminate (Blaine specific surface area: 5100 cm2 /g) with a CaO content of 38% was used, which was produced by calcining limestone and calcined bauxite as raw materials. These were mixed in a mixer at a predetermined blending ratio to obtain an expansive admixture.
(コンクリートの作製)
膨張性混和材の配合量を40kg/m3として、スランプが3.0±1.5cmのコンクリートを作製した。セメントは普通ポルトランドセメント(太平洋セメント社製)を、細骨材は掛川産山砂を、粗骨材は桜川砕石2005を使用した。コンクリート配合を表1に示す。セメントと膨張性混和材の合計量に対して、高性能減水剤(ポゾリスソリューションズ社製、「マスターグレニウム8000S」)を0.85質量%添加した。コンクリートは、コンクリートミキサーで練り混ぜ後、型枠に詰め、前置き時間1時間、昇温速度30℃/時間、最高温度50℃、最高温度保持時間3時間の蒸気養生条件で5時間養生を行い、脱型後、試験に供した。
(Concrete preparation)
Concrete with a slump of 3.0±1.5 cm was prepared using 40 kg/ m3 of expansive admixture. Ordinary Portland cement (manufactured by Taiheiyo Cement Corporation) was used as the cement, Kakegawa mountain sand as the fine aggregate, and Sakuragawa crushed stone 2005 as the coarse aggregate. The concrete mix is shown in Table 1. 0.85% by mass of a high-performance water-reducing agent (Pozzolith Solutions'"Mastergranium8000S") was added to the total amount of cement and expansive admixture. The concrete was mixed in a concrete mixer, packed into a formwork, and steam-cured for 5 hours under the following conditions: a 1-hour pre-setting time, a 30°C/hour heating rate, a maximum temperature of 50°C, and a 3-hour maximum temperature hold time. After demolding, the concrete was subjected to testing.
(評価試験)
作製したコンクリートについて、圧縮強度試験及び拘束膨張試験を実施した。試験方法を下記に示す。
(1)圧縮強度試験
「JIS A 1108 コンクリートの圧縮強度試験」に準じて試験した。
(2)拘束膨張試験
コンクリートを成型し、以降「JIS A 6202 コンクリート用膨張材 付属書B」に準じ、A法に用いる拘束器具にひずみゲージを貼り付けて膨張量を測定した。
(Evaluation test)
The concrete was subjected to a compressive strength test and a restrained expansion test. The test methods are shown below.
(1) Compressive strength test: The test was conducted in accordance with "JIS A 1108 Compressive strength test of concrete."
(2) Restrained Expansion Test Concrete was cast, and the amount of expansion was measured by attaching a strain gauge to the restraining device used in Method A in accordance with "JIS A 6202 Expansive Additives for Concrete, Appendix B."
< 実施例1 >
膨張性混和材の配合割合及び試験結果を表2 に示す。本発明の範囲に調製された膨張性混和材を用いたコンクリートは、材齢5 時間における圧縮強度は10N/mm
2 以上であった。これはプレキャストコンクリートの型枠を脱型するには十分な強度である。また、膨張量も150×10- 6以上を示しており、いずれも良好な膨張性能を有することが分かる。
Example 1
The mixing ratios of the expansive admixtures and the test results are shown in Table 2. The concrete using the expansive admixture prepared within the scope of this invention had a compressive strength of 10 N/ mm2 or more at an age of 5 hours. This is sufficient strength for demolding precast concrete from its formwork. The expansion amount was also 150 x 10-6 or more, demonstrating good expansion performance.
<実施例2>
次に、金属塩を含む膨張性混和材について試験を実施した。金属塩以外は実施例1と同じ材料を使用した。膨張性混和材の配合割合及び試験結果を表3に示す。硫酸ナトリウムとしては芒硝(市販品)を、硫酸アルミニウムとしては硫酸バンド(市販品)を、炭酸リチウムとしては試薬を使用した。特に、硫酸ナトリウムを含む膨張性混和材を使用した場合、膨張性能を維持したまま、良好な早期強度発現性が得られることが分かった。
Example 2
Next, tests were conducted on expansive admixtures containing metal salts. The same materials as in Example 1 were used except for the metal salts. The blending ratios of the expansive admixtures and the test results are shown in Table 3. Glauber's salt (commercially available) was used as the sodium sulfate, aluminum sulfate (commercially available) was used as the aluminum sulfate, and a reagent was used as the lithium carbonate. In particular, it was found that when an expansive admixture containing sodium sulfate was used, good early strength development was achieved while maintaining expansion performance.
Claims (5)
5. The method for producing precast concrete according to claim 4, wherein the compressive strength at 5 hours is 10 N/ mm2 or more and the expansion amount at 5 hours is 150× 10-6 or more.
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