BRA岩沥青与SBS复合改性沥青及其混合料性能研究

尚晓峰

(成都理工大学 工程技术学院， 四川 乐山　614000)



BRA岩沥青与SBS复合改性沥青及其混合料性能研究

尚晓峰

(成都理工大学 工程技术学院， 四川 乐山614000)

为了改善高速公路重车道和城市道路交叉口路段沥青路面病害突出的问题，通过对BRA与SBS复合改性沥青及其混合料性能进行了系统研究，确定了BRA与SBS适宜的掺配比例，系统评价了复合改性沥青混合料的路用性能，并将其与SBS改性沥青混合料进行了对比。试验研究结果表明：增大SBS掺量后复合改性沥青黏度显著增大，高温PG分级明显提高，但同时又会对低温性能有所弱化，工程实践中只要严格控制BRA掺量才不会对复合改性沥青低温性能造成大的影响，推荐BRA与SBS复合改性沥青中，适宜的SBS添加量为2.5%～3.0%，BRA合理掺量为6%～8%。BRA与SBS复合改性沥青可大幅改善沥青混合料的高温稳定性，其抗疲劳耐久性优于SBS改性沥青混合料；实体工程和试验段检测结果表明，BRA与SBS复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，BRA与SBS复合改性沥青混合料对于解决重载交通的车辙和水损坏问题具有较高的应用价值。

道路工程； 布顿岩沥青； 岩沥青与SBS复合改性沥青； 复合改性沥青混合料； 路用性能

0　引言

目前沥青路面车辙病害是我国高速公路早期病害的主要形式之一[1-4]，沥青混合料高、低温性能和水稳定性、疲劳性能的改善措施一直是国内外学者研究的热点，沥青混合料高温抗车辙性能和低温抗裂性能处于此消彼长状态，目前大多数沥青改性剂及其相关的生产工艺各有优点和不足之处，通常不能兼顾改善高温性能和低温抗裂性能，这也是大多数添加剂所面临的一个问题，而有的外掺材料在改善普通沥青混合料单一方面性能的同时甚至会对其他性能带来一定的负面影响。国外大量研究和工程实践表明，BRA岩沥青是一种优良的改性剂，可改善沥青混合料的高温性能，提高集料与沥青的粘附性，改善沥青混合料的水稳定性、抗疲劳性能和抗老化性能，但同时又对低温性能有所劣化或改善效果不明显，这成为其规模化生产的技术瓶颈[5-9]。SBS作为一种优良的沥青改性剂，可显著改善沥青混合料的高低温性能、水稳定性和抗疲劳性能，但其存在储存稳定性差，易老化分解和生产加工成本高等问题，此外，工程实践表明[10-13]，为满足特殊气候和重载交通的要求，需要将SBS改性剂掺量增大至4%以上。目前鲜见对BRA与SBS复合改性沥青及其混合料性能的研究报道，尤其该项技术在高速公路特重交通和城市道路交叉口路段的适用性还未曾涉及，本文研究了BRA与SBS复合改性沥青及混合料性能路用性能，研究成果可以为该项技术的规模化推广应用提供技术支撑。

1　BRA与SBS复合改性沥青流变性能试验

1.1原材料

试验选用实体工程中采用的SK70A级重交通道路石油沥青，SBS选用岳阳石化生产的YH4303星形SBS改性剂(S/B=30∶70)，经检测沥青和SBS改性剂技术参数均满足《公路沥青路面施工技术规范》(F40-2004)要求。为使研究具有代表性，选用我国工程实践中普遍采用印尼产的布顿岩沥青，考虑粒径、细度等对天然沥青改性沥青混合料拌合均匀性的影响，对于以“干法”工艺使用的BRA岩沥青，筛分试验及主要技术性能检测结果见表1。

1.2复合改性沥青制备

根据实体工程中采用的岩沥青最佳掺量为8%(占沥青质量的百分比)，初拟BRA掺量为4%、6%、8%、10%，为节省工程造价，试验和实体工程中均采用2%、2.5%、3%小剂量的SBS掺量。制备复合改性沥青时先制备成品SBS改性沥青，加热SBS改性沥青至175～185 ℃后加入BRA岩沥青，边加入BRA边快速搅拌，使加入的BRA改性剂能在短时间内与SBS改性沥青混合均匀，并快速加热到所需的试验温度，待BRA全部加入后，保持剪切温度为175～185 ℃，以4500～5000 r/min连续剪切30min后完成BRA/SBS复合改性沥青制备。

表1 BRA岩沥青基本技术性能指标检测结果Table1 BRArockasphaltmodifierstechnicalindicatorstestresults检测指标外观形态沥青含量/%灰分含量/%密度/(g·cm-3)0.075mm筛孔通过百分率/%试验结果棕黑色粉末79.3200.7734.7BRA岩沥青筛分试验结果筛孔尺寸/mm4.752.360.60.075通过百分率/%筛分结果10096177.5规范要求10090～10010～30

1.3BRA与SBS复合改性沥青评价指标及试验结果讨论

我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)采用针入度体系评价改性沥青技术性能。研究室内试验发现，由于BRA岩沥青中所含的灰分并不能被沥青溶解，灰分大量聚集处于一种不均匀状态，沉淀于针入度试件底部，BRA岩沥青改性沥青中大量矿物质存在，在用湿法工艺进行沥青混合料设计时改性沥青稳定性差，离析问题严重。此外，针入度试验过程中，试验针头在下降时可能会碰到灰分聚集区，影响试验结果，针人度和低温延度试验并不能真实地衡量BRA岩沥青的改性效果。按照SHRP提出的基于路用性能的PG分级，采用BBR和DSR试验研究不同改性剂掺量的复合改性沥青PG分级，同时采用针入度评价指标中的黏度、软化点指标综合评价BRA和SBS掺量对复合改性沥青高低温性能的影响。试验方法严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20 — 2011)和AASHTO T315相关标准进行，BBR、DSR试验结果见表2、表3，黏度、软化点试验结果见图1、图2。

从表2和表3: 图1和2可知:

① 相同SBS掺量下随着BRA掺量增大,复合改性沥青蠕变劲度模量增大,同时弯曲蠕变速率减小, 劲度模量越小，沥青相对更有柔性，同时劲度模量变化率m值较大，说明该沥青中的温度应力能够更更快地释放，相应的沥青低温抗裂性能越好,因此可认为掺加BRA会对低剂量SBS改性沥青低温性能有不利影响。相同BRA掺量情况下,随着SBS掺量增大,复合改性沥青蠕变劲度模量减小,同时蠕变速率增大,可见增大SBS掺量可改善复合改性沥青的低温抗裂性,双因素方差分析结果表明BRA和SBS掺量均对复合改性沥青低温性能有显著影响。

表2 BBR试验结果Table2 BBRtestresults掺量/%-12℃-18℃-24℃SBSBRAS/MPamS/MPamS/MPam42490.3223310.213062920.3093710.19183340.222407103670.18744542070.3472340.3123670.281262510.3102840.2794450.25182780.2673140.2404920.216103060.2183460.1965420.17641880.3892130.3503340.3352.562220.3482510.3133930.28182560.3142890.3024530.254102790.2433150.2194930.19741830.4362070.3923240.353362160.3902440.3413820.31782490.3672810.3204400.308102710.2733060.2464790.271

表3 不同BRA和SBS掺量下复合改性沥青抗车辙因子Table3 BRAandSBScompoundmodifiedasphaltper-formancecurvewithdifferentBRAandSBScon-tent掺量/%抗车辙因子(G*/sinδ)/kPaSBSBRA58℃64℃70℃76℃82℃88℃42.7831.2440.876064.7694.0982.6541.1140.35485.9594.5422.8791.9981.0560.753106.6094.7863.1122.2281.1250.96443.1951.9831.074265.3034.5572.9511.5390.92786.6265.0513.7012.8221.8740.837107.3495.3224.4613.4781.9510.91743.5532.2051.1942.565.8975.0673.2821.7111.0310.50387.3685.6174.1163.1382.0841.153108.1725.9184.9613.8682.1701.24243.9512.4521.3280.765366.5575.6353.6501.9031.1460.75488.1936.2464.5773.4892.3171.282109.0876.5815.5174.3012.4131.381

图1　软化点与改性剂掺量之间的关系Figure 1　Relationship between softening point and BRA and SBS modifier content

图2　177 ℃旋转黏度与改性剂掺量之间的关系Figure 2　Relationship between modifier content and 177 ℃ rotary viscosity

② 以反映复合改性沥青高温性能的抗车辙因子和软化点来看，抗车辙因子用来表征沥青抵抗高温永久变形的能力，其值越大表明沥青的高温性能越好，由表3试验结果可知: 相同BRA掺量下,随着SBS掺量增大抗车辙因子增大,再者相同SBS掺量下,抗车辙因子随着BRA掺量的增大而增大。BRA与SBS复合改性沥青的PG分级普遍可达到82 ℃，可见其具有优良的高温性能。软化点是一个等黏温度的概念，能够反映沥青的高温性能。由图2可知: 相同SBS掺量条件下，随着BRA掺量增大复合改性沥青软化点增大，SBS和BRA掺量均对复合改性沥青软化点有显著的影响。

③ 177 ℃旋转黏度用于表征复合改性沥青的施工和易性，由图3试验结果表明，BRA和SBS掺量均对复合改性沥青的177 ℃旋转黏度有显著影响，相同BRA掺量情况下，随着SBS掺量增大复合改性沥青旋转黏度呈二次函数关系增大，SBS掺量相同条件下，旋转黏度增大，尤其BRA掺量超过8%后黏度增加幅度较大。黏度越大沥青在高温荷载作用下的剪切变形越小，黏度与混合料的高温性能有一定的关系，同时黏度增大，沥青混合料的施工和易性变差，施工难度增大，对复合改性沥青的黏度上限有一定的要求。参考国内外对聚合物改性沥青旋转黏度的要求，以改性沥青黏度1.5～3.5 Pa·s作为评判标准，复合改性沥青方案中BRA掺量不宜超过8%，SBS掺量不宜超过3.0%。

④ 当以BBR试验蠕变劲度模量S=300 MPa，蠕变速率m=0.3作为复合改性沥青的低温PG分级临界值时，以原样沥青抗车辙因子G*/sinδ≥1.0 kPa，RTFO老化后抗车辙因子G*/sinδ≥2.2 kPa，PAV老化后抗车辙因子G*sinδ≤5 MPa，考虑沥青的高温性能和低温性能[9],采用BBR和DSR试验研究不同改性剂掺量的复合改性沥青PG分级，试验结果见表4,由表4可知： BRA和SBS掺量越大,复合改性沥青的高温分级越高,BRA掺量对复合改性沥青的高温性能有显著影响，而SBS掺量决定了复合改性沥青的低温分级。

表4 BRA与SBS复合改性沥青PG分级结果Table4 BRAandSBSmodifiedasphaltPGresultsSBS掺量/%BRA掺量/%040 PG58-12PG64-122.0PG64-12PG76-182.5PG70-18PG76-243.0PG76-24PG76-244.5%SBS改性沥青PG82-24BRA掺量/%6810PG76-12PG82-16PG88-12PG76-18PG82-22PG88-18PG76-24PG82-28PG88-24PG76-24PG82-28PG88-24

2　BRA岩沥青与SBS复合改性沥青性混合料配合比设计

2.1BRA岩沥青与SBS复合改性沥青性混合料工厂化生产参数

考虑到湿法改性工艺易BRA易产生离析，导致BRA中灰分沉淀在沥青罐底部难于泵送和清理，再者BRA与SBS复合改性沥青黏度偏大，沥青的加热温度过高，不利于工厂大规模化生产。本文采用干法工艺添加BRA岩沥青。干法改性工艺岩沥青的改性作用主要发生在混合料拌合和摊铺碾压过程中，集料的加热温度、混合料拌合温度以及混合料拌合时间对BRA改性效果的发挥起着决定性作用，通过方差分析研究混合料拌合温度和搅拌时间对复合改性沥青混合料高温性能的影响最终确定集料加热温度为190～195 ℃，BRA与集料的干拌时间为90 s，混合料拌合时先将预定质量的BRA改性剂和集料一起干拌90 s，使其在矿料中充分融化、分散均匀，最后再加入SBS改性沥青，拌合60 s，最后加入矿粉，拌合60 s，总拌合时间为3.5 min。

2.2确定最佳沥青用量

沥青性能指标满足要求并不能确保混合料性能一定最佳，复合改性沥青的性能最终要以改性沥青混合料的路用性能来体现。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)马歇尔法试验流程确定SBS与BRA复合改性沥青混合料的最佳油石比。试验选用我国高速公路上面层常用的AC — 13C混合料，粗集料选用玄武岩，细集料采用石灰岩机制砂，矿粉由石灰岩磨制而成，混合料合成级配见表5。选用5种不同的沥青结合料，方案Ⅰ(8%BRA岩沥青)、方案Ⅱ(2.5%SBS+8%BRA)、方案Ⅲ(2.5%SBS+10%BRA)、方案IV(3%SBS+6%BRA)、方案V(4.5%SBS改性沥青)，不同复配方案在最佳沥青用量下的马歇尔试验结果见表6。

表5 AC-13C混合料试验级配组成Table5 GraduationofAC-13CAsphaltMixture级配类型不同筛孔(mm)通过百分率/%1613.29.54.75AC—13C10095.575.751.7规范要求10090～10068～8538～68不同筛孔(mm)通过百分率/%2.361.180.60.30.150.07534.325.317.913.29.85.724～5015～3810～287～204～154～8

室内试验和表6试验结果表明: BRA与SBS复合改性沥青混合料生产工艺与SBS改性沥青混合料相同，不需要特殊的拌合工艺，只需人工投放岩沥青和增加集料与岩沥青干拌时间。此外，BRA与SBS复合改性沥青马歇尔试验结果与SBS改性沥青混合料差别不大。

表6 AC—13C不同改性沥青复配方案及马歇尔试验结果Table6 AC—13CdifferentmodifiedasphaltMarshalltestre-sults沥青结合料OAC/%VV/%8%BRA岩沥青4.344.02.5%SBS+8%BRA4.564.02.5%SBS+10%BRA4.704.03%SBS+6%BRA4.744.04.5%SBS改性沥青4.664.04.5%SBS改性沥青4.694.0

续表6 AC—13C不同改性沥青复配方案及马歇尔试验结果VMA/%VFA/%MS/kNFL/mm14.6866.7611.152.1514.7767.3511.872.7614.8767.7812.172.2414.7266.5512.672.1914.6768.4312.352.1114.7668.6712.342.33

3　BRA与SBS复合改性沥青混合料路用性能

按照现行施工规范要求采用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性，采用-10℃小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性，采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验评价复合改性沥青混合料的水稳定性。车辙试验参数为：试验温度60 ℃，试验轮行走速率(42±1)次/min，试件尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×100 mm(高)；低温弯曲试验参数为：试验温度为-10 ℃，加载方法严格按照《公路沥青路面施工规范》(JTG F40—2004)和《公路工程沥青及沥青速率为50 mm/min，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm；浸水马歇尔和冻融劈裂试验试件制备和试验混合料试验规程》(JTGE20-2011)执行，BRA与SBS复合改性沥青混合料路用性能试验结果见表7～表9。

表7 不同复配方案车辙试验结果Table7 RuttingtestresultswithdifferentBRAandSBScontent沥青结合料类型动稳定度DS/(次·mm-1)60min车辙变形量/mm规范要求8%BRA岩沥青43561.9122.5%SBS+8%BRA55291.8432.5%SBS+10%BRA64361.785DS≥3000次/mm3%SBS+6%BRA59861.8364.5%SBS改性沥青46781.876

表8 不同复配方案改性沥青混合料低温弯曲试验结果Table8 Lowtemperaturebendingtestresultswithdiffer-entBRAandSBScontent沥青结合料类型抗弯拉强度/MPa弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa规范要求8%BRA岩沥青11.1423124818.342.5%SBS+8%BRA12.2231463884.302.5%SBS+10%BRA12.3729344216.09弯拉应变≥3000με3%SBS+6%BRA12.8539433258.944.5%SBS改性沥青11.7741752819.16

表9 不同复配方案改性沥青混合料水稳定性试验结果Table9 WaterstabilitytestresultswithdifferentBRAandSBScontent沥青结合料类型浸水马歇尔试验冻融劈裂试验MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%8%BRA岩沥青11.1510.3893.11.1070.98989.32.5%SBS+8%BRA11.8710.9692.31.1791.03387.62.5%SBS+10%BRA12.1711.3993.61.2161.10490.83%SBS+6%BRA12.6711.4990.71.2641.09086.24.5%SBS改性沥青12.3511.3591.91.2191.08789.2

车辙试验结果表明: 比较相同不同复配方案车辙试验动稳定度大小：2.5%SBS+10%BRA>3%SBS+6%BRA>2.5%SBS+8%BRA>4.5%SBS改性沥青>8%BRA岩沥青>3000次/mm，可见采用BRA与SB复合改性沥青混合料具有优良的高稳定性，2.5%SBS+10%BRA、3%SBS+6%BRA复合改性方案下车辙试验动稳定度优于SBS改性沥青混合料。此外,8%BRA改性沥青混合料DS大于3000次/mm,满足规范要求。

低温弯曲试验结果表明，相同SBS掺量，随着BRA掺量的增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度增大，但弯曲应变减小，可见增大BRA掺量导致复合改性沥青混合料的柔性变差，释放应力的能力减弱，以抗弯拉强度和释放荷载的能力考虑，BRA对沥青混合料低温性能改善效果不明显或有不利影响，这与已有研究成果相吻合；相同BRA掺量，随着SBS改性剂掺量增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度和弯曲应变均增大，相比4.5%SBS改性沥青混合料， 2.5%SBS+8%BRA和3%SBS+6%BRA复合改性方案下沥青混合料的弯拉应变可达到4.5%SBS改性沥青的水平，满足规范弯拉应变≥3000 με的要求，这主要与BRA增强了沥青混合料的抗破坏强度，而SBS改性剂增强了沥青混合料的释放荷载的能力有关。

浸水马歇尔、冻融劈裂试验结果表明，在6%～10%BRA和2%～3%SBS掺量范围内，随着BRA掺量增大冻融劈裂强度比(TSR)和马歇尔残留稳定度(MS0)均呈增大趋势，4种复配方案改性沥青混合料的浸水马歇尔残留强度比和冻融劈裂强度均可达到80%以上。可见采用BRA与SBS复配方案可改善沥青混合料的水稳定性。

4　BRA与SBS复合改性沥青混合料抗疲劳性能

通常采用间接拉伸疲劳试验和小梁弯曲疲劳试验研究沥青混合料的抗疲劳性能，加载方式以控制应力加载为主，这种加载方式疲劳寿命往往不超过10万次，数据离散性大，且与路面结构实际受力状况相差较大。研究表明，在应变控制疲劳试验过程中，沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情况，而沥青层底拉应变也是计算路面结构厚度的重要控制指标之一。本文采用四分点控制应变疲劳试验研究BRA与SBS复合改性沥青混合料的抗疲劳耐久性。试件尺寸为400 mm×400 mm×80 mm，试验温度为15 ℃，应变水平为100、200、300、400 με，疲劳试验在美国进口MTS液压疲劳机上进行，疲劳试验曲线程见图3。

图3　不同BRA和SBS掺量复合改性沥青混合料疲劳试验曲线Figure 3　Asphalt mixture fitting curve of fatigue test with different BRA and SBS content

表9及图3疲劳试验结果表明: 各应变水平下，2.5%SBS+8%BRA和3%SBS+6%BRA两种复配方案的沥青混合料疲劳性能相当，且疲劳性能最好。相同应变水平下5种改性沥青混合料疲劳寿命由大到小依次是：2.5%SBS+8%BRA>3%SBS+6%BRA>4.5%SBS>2.5%SBS+10%BRA>8%BRA岩沥青，可见BRA与SBS复合改性沥青混合料的疲劳性能要优于单一BRA和SBS改性沥青，且优于4.5%SBS改性沥青混合料。

5　BRA与SBS复合改性沥青混合料工程应用

本课题结合2014年陕西省西柞高速柳州段路面养护维修工程，经专家论证，结合室内试验结果进行了4 cm 2.5%SBS+8%BRA改性AC — 13C沥青混合料上面层铺设，路线长度为34.129 km。工程实践证明，采用BRA和SBS复合改性沥青混合料的生产不需要对传统的拌合楼进行改造，节约了工程成本13%。摊铺完成后压实度、平整度等各项指标均符合设计要求，通过长达2 a的试验路检测，2.5%SBS+8%BRA复合改性沥青混合料有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好。工程实践证明，BRA与SBS复合改性沥青混合料对于解决重载交通的车辙和水损坏问题具有较高的应用价值，可见采用BRA与SBS复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

6　结论

① 针入度和低温延度指标不适合用于评价BRA与SBS复合改性沥青。增大SBS掺量后复合改性沥青高低温性能显著改善，增大BRA掺量后复合改性沥青高温PG分级明显改善，黏度显著增大，同时又会对低温性能有所弱化，工程实践中只要严格控制BRA掺量才不会对复合改性沥青低温性能造成大的影响。根据BRA与SBS复合改性沥青的常规性能指标结果，推荐BRA与SBS复合改性沥青中，SBS添加量为2.5%～3.0%，BRA合理掺量为6%～8%。

② BRA与SBS复合改性沥青混合料具有优良的路用性能，2.5%SBS+8%BRA和3%SBS+6%BRA两种复配方案下复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度可达6000次/mm以上，优于SBS改性沥青混合料， 2.5%～3.0% SBS添加量，合理掺量为6%～8%BRA掺量下的复合改性沥青混合料满足规范-10 ℃弯曲应变大于3000 με的要求，采用BRA与SBS复配方案对于解决重载交通的车辙和水损坏问题具有较高的应用价值。

③ BRA与SBS复配方案可降低SBS掺量，大规模生产时不需要对传统的拌合楼进行改造，复合改性沥青混合料抗疲劳耐久性可达到甚至超过4.5%改性沥青混合料。将BRA与SBS复合改性沥青混合料用于高速公路重车道和城市道路交叉口路段，有助于提高沥青混合料综合路用性能和长期使用性能，具有较好的应用前景，在经济和质量上均具

有推广价值。

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Study on Durability of BRA and SBS Compound Modified Asphalt and its Mixture

SHANG Xiaofeng

(The Engineering & Technical College of Chengdu University of Technology, Leshan, Sichuan, 614000, China)

In order to improve the performance of asphalt pavement in highway lanes and section of urban road intersection. This paper did systematic study on road performance of BRA and SBS compound modified asphalt and its mixture. determined the BRA and SBS appropriate blending ratio, and SBS modified asphalt mixture are compared. Test results show that, increasing dosage of SBS composite modified asphalt viscosity increased significantly after high temperature PG rating has improved significantly, but at the same time will have weakened the performance of low temperature, as long as strictly control engineering practice BRA content will not big effects on the composite modified asphalt performance at low temperature, recommend BRA and SBS composite modified asphalt, the SBS suitable addition amount of 2.5%～3.0%, BRA reasonable dosage is 6%～8%. BRA and SBS composite modified asphalt can significantly improve the high-temperature stability of asphalt mixture, its fatigue durability is better than that of SBS modified asphalt mixture; Entity engineering and test section test results show that the BRA and SBS composite modified asphalt concrete to prolong the life of the road, BRA and SBS composite modified asphalt mixture to solve the problem of heavy traffic of rutting and water damage has higher application value.

road engineering； burton rock asphalt； composite modified asphalt rock asphalt and SBS composite modified asphalt； composite modified asphalt mixture； road performance

2016 — 02 — 29

国家自然基金项目(51410763)；国际科技合作专项项目(2015DRF9091)；交通运输部联合科技攻关项目(2014318331264)

尚晓峰(1983 — )，男，河南洛阳人，讲师，研究方向 ：混凝土材料性能研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0078 — 06