正交异性钢桥面设计、施工和维护手册
翻译：何小军、王昌将
第九章桥面铺装
9.6铺装层试验
如今铺装层设计多基于专项试验。如前文所述，试验是非常必要的，铺装层的使用性能取决于桥面钢板的厚度、铺装层类型和厚度，桥面铺装层通常承受的温度范围，钢板复合结构，铺装层受温度变化影响的弹性模量，桥面板疲劳荷载的特性（特定车辆荷载下的应力幅值，与车流车辆构成和车流量有关）。这些参数使得铺装层与钢板构成的组合结构具有非弹性和相互耦合的特性，使得常规简化方法无法进行分析。尽管分析具有其复杂性，但我们仍可以通过试验获取结果：（1）对同一正交异性板桥梁不同桥面铺装层在同一参数下进行试验并评价其性能，（2）采用规范化的基本试验确定铺装层最小厚度以保证设计性能，（3）监控运营状态，及时养护以提高行车舒适性、延长使用期。以下三个测试方法可达到以上一个或是多个目的。此外，采用复合桥面板足尺试验模型(Hague,Denmark)和在使用荷载及温度下正交异性板铺装层节段实验法(Gopalaratnam等人)也成功地对不同的桥面铺装层的表现做出评价。但出于成本考虑大多数工程都未能采用足尺试验模型。在可能的情况下，还是会采用相似试验对铺装层进行测试。
9.6.1弯曲试验
小比例的弯曲试验常用来模拟在梯形加劲肋与格构箱室上铺装层的拉伸应力。这样的试验同样可以再现铺装层与桥面板之间的粘结应力。图9-8所示，为使用复合样本来测试不同的桥面铺装层时通常所采用的加载形式。模型采用的钢板厚度与桥面板相同。焊接于钢板两端的钢垫板与桥面板里梯形加劲肋硬度相似。这些垫板同样用于复合模型中，如图9-8，使用4个滚轴，模型一侧2个。加载的跨度与桥梁肋板间距相同（13英寸的跨度用于模拟PoplarStreet桥13英寸的梯形加劲肋的间距,Gopalaratnam等人,年）。铺装层放置于模型钢板上与实际桥面板铺装效果相同。试验所采用的桥面板厚度和构成与设计一致。实验模型也应采用与实桥一致的防腐涂料或防水材料。样本名义幅度4英寸，为捕捉铺装层的显著特性而设。采用此幅度是考虑太小幅度不能用以观察边界效应，和较大幅度用以观察更大荷载两种情况后，得到的结果。由于模型尺寸过小边界影响显著，尺寸过大荷载会显著增加。
试验结构如图9-8所示，便于观察铺装层裂缝与分离。主要测量参数有荷载值，模型跨中挠度（在桥宽的两侧），沿长度方向铺装层与钢板间末端的滑移量，预埋在铺装层上表面导线内的电流。在试验中，特别实时记录了模型在静态测试中或样本硬度中的荷载变形回应和在疲劳测试中模型的变形（由荷载范围变率比变形速率算得）。开裂可通过复合层应力的下降或埋设在桥面铺装上部细线内电流变化观测到。分层撕裂可以通过传感器测量铺装层与钢板之间的相对滑移量得到(Gopalaratnam等人,)。
图9-8铺装层试验推荐结构—温度与荷载作用下钢板与铺装层复合模型（Gopalaratnam等人,）
根据试验需要可以采用静力（线性）加载或是幅值一定的（正弦）加载。通常采用成套的电动液压伺服设备对铺装层与钢板构成的复合模型进行弯曲试验。也可以采用其他设备（非伺服和机电测试设备）进行试验。通过复合结构的弯曲试验可以得到铺装层在某一温度下静力弹性模量，同时还可以得到铺装层的开裂时或剥离时的应变。疲劳试验可以得到在某一温度下的动弹性模量，同时这些测试可以用于建立整体结构的疲劳表现并预测在特定条件下疲劳寿命。
在疲劳试验需要多组数据统计时（见图9-9，Rigdon等人，），可以采用多组模型平行布置使用位移控制加载（使用等代荷载，用刚性梁配合柔性垫块均分荷载）。柔性垫块的采用使得荷载控制的同时实现位移控制，并均匀的作用于每个模型。当某一模型开裂后，并不影响其他模型荷载。
在测试一个模型时，常使用荷载控制使静力和疲劳试验的铺装层达所需的应力等级。
试验可以控制在恒温下（室温，或最低温，或最高温）或在变温环境下，变温范围模拟桥面板在运营期内可能出现的温度。温度试验是在带有温控试验箱的绝缘封闭室完成观测模型(图9-9)的。
图9-9等代荷载（应力）下多组模型同时试验（Rigdon等人,）
图9-10所示为恒温下（冷温-18°C[-0°F]）相应的模型应力系数（当前模型应力与原模型应力比值），对比了聚合物混凝土钢桥面模型（附图左）的疲劳循环次数（速率5Hz）。此实验的疲劳荷载上限在每70,次疲劳循环后增加直至铺装层出现裂缝时，已达磅（0.67kN）。在低温疲劳试验中可以观察到相对应力的急剧下降，显示出疲劳荷载上限与试验温度的结合作用更可能会导致铺装层开裂。通常，模型试验还不成熟，因为桥面铺装实验涵盖了大量不真实的需要研究的参数（温度、冻融等）。
图9-10右侧为另一个测试的结果，此测试是有恒定荷载上限(磅[6.45kN])和恒定荷载下限(磅[0.67kN]——保证试验过程中加载块不松弛)的5Hz的疲劳试验。试验中板块温度变化模拟桥面板夏季和冬季的实时温度变化。同样的，结果显示了在疲劳过程中相对刚度（当前刚度与初始刚度比值）的变化。第一次模型变形开裂出现在额定疲劳荷载下和最低温度（-18°C[0°F]）的试验中。
图9-10复合模型的渐增荷载下低温试验疲劳试验（左）和额定荷载下变温疲劳试验（Gopalaratnam等人,）
9.6.2拉伸粘结试验
粘结试验采用荷载拉伸的形式（图9-11），多用于正交异性板的聚合物混凝土铺装层（Gopalaratnametal.b）。粘结试验多用于质量控制测试，用于保证良好的钢板表面及适当的铺装层施工以确保出现最小拉伸粘结强度。最初此实验是针对混凝土桥面板上的聚合物铺装层设计的，但现已应用于钢桥面板，并遵循ACIR-93(ACI,)附录A中的准则。
铺装层可以在需要试验的位置处，采用50mm（2英寸）（公称内径）进行钻孔（至钢板表面），见图9-11所示。在钻孔完成胶粘管帽清理后，通过测量可以得到钻孔处铺装层平均厚度。胶水固化后（通常1个半到2小时），使用专门设计符合ACIR-93的加载设备对钻孔进行张拉（无扭转）。ACIR推荐采用89N/s(20lb/s)速率加载。加载设备带有应变计的加载块或是机械弹性加载块，用以测量加载峰值。假设破坏发生在铺装层与钢桥面板之间（如图9-11破坏类型5），我们便可以通过加载峰值得到面层间的平均粘结强度。因为粘结失效也可能是由于(1)管帽脱胶，(2)胶体破坏，(3)铺装层上面层脱胶，(4)铺装层内部破坏，试验只能用于求铺装层与钢面板之间的最小拉伸粘结强度。细部的失效类型和粘接强度需正常报告。验收规范可规定最小拉伸粘结强度。粘结测试可只在指定铺装表层位置进行。
图9-11桥面板铺装层法向粘结试验（Gopalaratnam等人,）
9.6.3电阻率试验
钢桥面板铺装层的电阻率试验遵循ASTMD-98（修订于年）。试验用于确定铺装层开裂的严重性（图9-12）。此类试验适用于小型模型试验，同时也能很好的用于铺装层现场测试。试验可用于早期的微裂缝检测。
在小型试验模型（如图9-8，模型弯曲试验）中铺装层四周采用绝缘材料，如PVC板或胶合板。然后采用硅橡胶材料填充边缘，防止水接触钢板。填充后，将肥皂水置于铺装层表面。肥皂降低了水的表面张力，从而使水渗入裂缝（通常是肉眼不可见的），便可在此实验中观察到此种裂缝。将附有薄铜板的海绵浸入肥皂水中。用导线将“探测器”连接于欧姆计的一端，另一端与模型钢板相连。读数时，将探测器移除肥皂水放置于模型顶部进行读数。读数一般取，模型在肥皂水浸透后的1分钟,10分钟,30分钟,1小时,2小时的数值。随着时间的增加,通常测量的电阻值将降低。结果可以定性的评估铺装层开裂的程度。低电阻（少于10,ohms）表示表面铺装层已有贯穿裂缝。当电阻最小值为,ohms（规定的可采用的最小值）时，铺装层为无裂缝。同样的试验已经成功地运用于PoplarStreet桥的聚合物铺装层(Gopalaratnam等人,-)。
图9-12监测铺装层潜在裂缝的桥面板电阻率试验（Gopalaratnam等人,）
9.7施工
正交异性板铺装层已具有多种施工铺装技术。铺装材料决定了所采用的技术。常用的铺装材料在前文9.1已有介绍，其中包括沥青，聚合物和水泥混凝土。
不论铺装层使用何种材料，钢桥面板都需要对油、油脂、污垢、灰尘、氧化皮、铁锈、油漆、氧化物、腐产物和其他异物进行清理并喷涂SSPCSP10/NACE2（标准的抗腐蚀保护涂装材料，美国钢结构油漆协会，当前被称为保护涂装，美国腐蚀工程师协会）。通常在完成喷涂后立即添加锌底层（厚1mm到1.5mm）对钢桥面板进行防腐处理。除了这些方法，对不同的铺装层采用不同的施工方法。铺装层中各面层的使用见图9-1。
沥青
这里描述的沥青施工工序同样适用于环氧沥青铺装层，为加利福利亚的大多数正交异性板桥采用。其他的沥青（沥青砂胶，浇筑式沥青，和其他相似常用于欧洲的沥青）技术不同于这里所提到的。一般的环氧沥青（无集料或填料）粘结层，大约0.68mm厚，涂装在锌底层表面。接着是25mm厚环氧沥青混凝土整平层，采用沥青摊铺机铺设，压实机进行整平。在铺装25mm的环氧沥青混凝土之前，先铺装0.45mm厚环氧沥青粘结层(图9-1b)。整平同样采用压实机完成。
聚合物
聚合物铺装层施工可采用两种不同的方法：多层叠置法（也被称为摊铺法）和泥浆法。
多层叠置法是通常采用10mm到12mm(3/8英寸to15/32英寸)的聚合树脂与粗集料多层叠置达到所需铺装层厚度。这种方法在混凝土桥面板薄层铺装上使用已有20多年历史，同样也使用于近期的一些正交异性板桥梁。通常聚合树脂采用一定次数进行碾压（在规定的厚度下）。粗集料摊铺于部分硬化的树脂上，集料可以嵌入树脂层中并且不会穿透树脂层。控制集料用量比例确保树脂层可以覆盖在干燥的集料表面。树脂固化后清除多余的集料。然后添加新一层的聚合树脂，再铺装新一层的集料。重复上述过程直到铺装层达到所需厚度（通常10mm到12mm[3/8英寸to15/32英寸]厚的铺装层铺装3层）。通车前，常采用高分子树脂进行密封处理。多层聚合物混凝土铺装层可以根据需要采用人工或是自动化进行铺设。
泥浆覆盖法有以下3步。首先，将聚合树脂均匀地填铺于钢板上作为粘结层（采用35ft/gallon的速率，填铺大约1mm[0.04英寸]厚）。随后摊铺10mm（3/8英寸）厚聚合物水泥砂浆。与粘结层的聚合物不同的是,聚合物泥浆含有细石英砂填料(由施工方确定所占水泥比例)。在水泥砂浆硬化到可以支撑集料自重并且集料可以嵌入泥浆层中时，以1-3lbs/ft2的速率摊铺铺装层粗集料。聚合物混凝土硬化后除去多余的集料。通车前采用高分子树脂进行密封处理。水泥聚合物铺装层可以根据需要采用人工或是自动化进行铺设。
混凝土
结合几种传统施工工艺铺装钢筋混凝土与纤维增强混凝土铺装层，已在试验室（Cao,）和施工现场（Buitelaar和Braam,和Kodamaet等人,）得到证实。这些工艺包括加筋钢筋网铺设和而后滑模施工法（Buitelaar和Braam,）。由于采用了65mm的混凝土保护层，在保证施工便利性的前提下，采用了较小（6mm[1/4英寸]）钢筋保护层厚度。同时，不规整的桥面板同样给铺装层施工带来了一定的难度。成熟的混凝土铺装层连接方式主要有剪力传递与粘结传递。在环氧沥青形成的粘结层上摊铺（环氧沥青硬化前）带有棱角的集料将剪力传递至粘结层上的纤维增强混凝土铺装层。同样的,Kodama等人年也发表了采用焊接剪力钉（40mm[1英寸]高）的方式将剪力传递至80mm（31/8英寸）钢纤维增强混凝土铺装层，其中面层加入了CFRP(碳纤维增强聚合物)网进行加强。常规的混凝土铺装方法已成熟的运用于SFRC铺装层。常规浇筑的混凝土进行拉槽处理，可以使车辆得到较好的摩擦力。
许多新建或是桥面更新的正交异性板桥梁，都采用了钢板与铺装层预制的形式。这种铺装层可以在工厂保证质量条件下实现部分提前安装，其现场浇筑可提高行车舒适性同时也便于现场焊接。
9.8养护与维修技术
针对铺装层开裂、剥落、压碎的养护与维修技术还没有系统的文献。维修技术也没有提供其有效性与运营寿命。在有限的文献基础上，主要有5种不同的维修技术，他们确保不同等级的有效性及耐久性。
1.加劲肋裂缝处采用低粘性粘结剂，可以使用沥青(冷浇注式沥青材料)或是聚合物(酯化物)。这种密封主要是为了防止水的渗透与桥面板的腐蚀（同时可不修复裂缝表面）。其使用年限取决于裂缝宽度与密封材料粘性。粘结时铺装层清洁（最好是干燥的，尽管一些材料可以用于潮湿的环境中）和无碎片是很重要的。密封的最好时间是在裂缝达到最大时（例如，桥面板温度温度最低时），这样可以很好地渗入。
2.声锤发现的小分层撕裂，可采用压入聚合物/环氧树脂进行临时处理。同样可以采用常规方法（声锤或拖链）和在出气孔处测量排气量的方法鉴别铺装层的填实度与分层撕裂的范围。
3.大范围的分层撕裂或是压碎可以采用切割去除掉损坏的部分，再使用修复材料（通常在可以的情况下使用原铺装层材料或是聚合物/环氧混凝土替换，可以在小范围无大型机械下施工）进行替换。
4.在已破坏的铺装层上加铺覆盖层。这种技术需要在破坏层的表面提供一个很好的粘结并且裂缝已经充分密封。铺装层开裂处不进行密封处理可能会产生反射裂缝。
5.铺装层的修补替换（上述3）和二次加铺（上述4）的维修方式都可以采用预制铺装板。通常，预制板与不规则的桥面板是很难匹配的，因而粘结预制板主要用于桥梁永久修复前车辆能安全使用的临时修补。
在年，Cao针对以上2种维修方式采用有限的弯曲疲劳试验研究了其有效性。图9-13为测试直接粘结技术有效性的弯曲疲劳模型。图9-14为采用钢纤维增强混凝土预制板粘结覆盖的图示，钢纤维增强混凝土简称SIMCON，是一种钢纤维渗入水泥制得的混凝土。虽然这两种技术在试验室效果不错，但更需要在实际交通运营，车轮荷载作用，外露在不利环境下的现场测试来客观证明此2种方法的有效性和耐久性。
图9-13立面图（上）和平面图（下）早期开裂铺装层的修补模型试验（cao，）
图9-14粘结韧性覆盖层（钢纤维渗入水泥-SIMCON）作为快速修复技术（Cao,）
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