严寒地区水磨石面层水化热模拟及施工技术

0 引言
水磨石地面造价低廉、式样多，经久耐用，常用于如工业厂房、机场、地铁车站等大型建筑物的地面装饰。

但水磨石地面面积尺度过大，环境条件较为恶劣时，往往会导致裂隙产生。

其主要原因为：（1）是地基不均匀沉降；（2）大体积的水磨石地面在施工过程中产生的水化热处理不当，从而引起开裂。

如严、高寒地区，环境温差大，大尺度的混凝土水磨石地面水化反应后释放热量大，更易导致开裂现象。

王振宇等[1]认为水化热反应初期，结构表面产生张拉应力；水化热反应后期，水化热温度降低，收缩变形量大于表面的收缩变形量，则使得结构内部出现张拉应力。

关兵等[2]讨论了高寒地区水磨石地面施工技术，指出高寒、高海拔、大温差、强辐射地区水磨石地面一直受到耐久性差、开裂等问题的困扰，而且针对施工技术进行的简要探讨，以有效防止水化热造成开裂。

目前，对于严寒地区的大尺度水磨石面水化热相关研究成果整体看略偏少，对其受温差影响规律的研究也相对较少，因温差应力导致的裂隙产生机理仍有待进一步深入探讨[3]。

通过了解温差影响水化热的基本规律，可对于高、严寒地区相关施工措施提出针对性的处理或优化建议，减少甚至是防止大尺度水磨石地面面层开裂，提高施工质量，减少施工工期，节约工程建设及维护成本。

1 工程概况
本文拟以哈尔滨地区某地铁线车辆基地为例，该车辆基地
长约950m，宽约410m，建筑面面积8万m 2，包括停车列检库、检修库、物资总库及工程车库等，钢筋混凝土框架结构，地面水磨石工程量约4万m 2。

工程区域冬季漫长寒冷，最低月平均气温-15.8℃。

面临严寒地区大尺度水磨石地面冬季施工典型问题。

借助于ABAQUS 有限元软件，对大尺度水磨石面层进行水化热温度场进行数值模拟研究，探讨温差对水化热影响，并
依据研究成果对施工措施优化提供支撑。

2 数值模拟
2.1 基本假定
目前，关于大体积混凝土表面温场计算方法较多。

其中采用有限元模型的热导系数法较常用，为了便于计算，常做如下假定。

（1）假定混凝土为均质的各向同性材料，认为结构在温度和静力作用下，材料处于弹性范围，结构构件的温度变形符合伯努利平面假定。

（2）在温度场范围以内，材料特性不随温度改变而变化。

混凝土收缩变形均匀分布。

热源的放热率是时间的函数，而与
空间变量无关。

2.2 计算方法（1）边界条件认为水磨石面层的顶表面与大气层接触，接触面温度传递是连续的，接触面按第三类边界条件，表达式为：算方法
（1）边界条件认为水磨石面层的顶表面与大气层接触，接触面温度传递是连续的，接触面按第界条件，表达式为： = ( − ))(2T T T
n
-=∂∂βλ
2）模型建立
整个模拟区域为115m ×275m ，水磨石厚度2cm 。

考虑柱子布置，按1.4mX1.5分隔，并设置伸缩缝，整体模拟采用等参元划分。

几何模型如图1所示。

（1）
认为水磨石面层的底部与原始地面直接接触，接触面温度传递是连续的，接触面第四类边界条件，表达式为：
算方法（1）边界条件认为水磨石面层的顶表面与大气层接触，接触面温度传递是连续的，接触界条件，表达式为：
= ( − )边界条件，表达T T =212）模型建立整个模拟区域为115m ×275m ，水磨石厚度2cm 。

考虑柱子布置，按1分隔，并设置伸缩缝，整体模拟采用等参元划分。

几何模型如图1所示。

（2）
算方法（1）边界条件认为水磨石面层的顶表面与大气层接触，接触面温度传递是连续的，接触面界条件，表达式为：
= ( − )n
n
T T T T ∂∂=∂∂=22
1
1
λλ2）模型建立整个模拟区域为115m ×275m ，水磨石厚度2cm 。

考虑柱子布置，按1.4m 分隔，并设置伸缩缝，整体模拟采用等参元划分。

几何模型如图1所示。

式中，为放热系数，kj/（m.h.0C）。

本次计算采用等效系数法，即采用文献[1]相关计算方法。

（2）模型建立整个模拟区域为115m×275m，水磨石厚度2cm。

考虑柱子布置，按1.4m×1.5m 进行分隔，并设置伸缩缝，整体模拟采用等参元划分。

几何模型如图1所示。

作者简介：张涛（1979-），男，高级工程师，研究方向：地铁工程。

严寒地区水磨石面层水化热模拟及施工技术
张 涛
（中电建铁路建设投资集团有限公司，湖北 武汉 430200）
摘 要：水磨石地面在受大尺度、高严寒等不利因素影响时，更易产生裂隙，影响水磨石外观甚至产生安全隐患。

本文以哈尔滨地区某地铁线车辆基地大尺度水磨石地面为背景，针对严寒地区地面水磨石水化热产生特点及施工工艺进行了讨论，认为严寒地区水磨石面层呈现初期升温速度快，后期降温速度慢典型特征影响。

以此提出了优化配合比，增设PVC 条等裂隙变形等措施。

结果表明这些措施使水磨石面层裂隙有效减小，相关成果可为类似工程提供技术参考，具有广泛的推广和应用前景。

关键词：水磨石地面； 温度场；抗裂钢丝网；施工技术中图分类号：TU767 文献标识码：A DOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.08.020
60中国建筑金属结构
2023
年
图1 几何模型
（3）参数选取
因当地大气温度的历史最低气温是-37.7℃，最高为36.4℃，多年平均气温通常在-24℃～27℃。

拟模拟两个工况，即最低的温度和0℃，通过模拟两工况，讨论此地区温差对水化热的影响。

2.3 模拟结果
为了研究严寒地区气温对混凝土水化热温度场的影响，根据现场条件，模拟初始温度分别为-37.7℃和0℃，未采用保温措施时水磨石内部温度演化。

见图2，图中0.4cm 和1.6cm 均指有表面向基面距离。

（a ）0℃ （b ）零下37.7℃
图2 水化热温度时程图
根据模拟结果看，内部温度均出现不同程度的增高，温升速率达到0.81℃/h。

这一温升速率同大体积混凝土温升速率是极其接近。

而且随着越靠近几何结构内部，升温越明显。

相关成果是合理的，如文献[1]指出大体积文凝土温升速率接近0.91℃/h，温度最高位于几何模型核心。

模拟结果表明，对于严寒地区，冬季进行大面积水磨石地面施工时，受混凝土水化热影响，结构内部温度上升约10℃左右，特别是对于内部温度影响较大，呈现出前期升温速度快，后期降温速度慢典型特征。

因此，大尺度水磨石地面水化热引起的温度影响不可忽略。

如何减低内部温度，减少里表温差，从而有效控制温度应力引起的变形是防止或减少裂缝的主要手段。

3 严寒地区冬季施工工艺与流程
3.1 工艺与流程
施工工艺：（1）优化配合比并增加添加剂。

调整水磨石冬期施工配合比优化，并加入防冻剂，使其满足严寒地区冬期施工要求；（2）增设铜条及PVC 条防裂措施。

为了削弱由于水化热产生的温度应力，减少不可控的开裂。

在结构内设置双铜条；在与其他结构接触处设置PVC 条，以消除温度应力引起的不均匀变形。

除此之外，也可在水磨石面层内增设抗裂钢丝网以增加水磨石地面抗裂能力。

主要流程：地面凿毛→冲洗清理→大面积粗磨（ 水磨） →清理磨石浆、冲洗干净→补浆→细磨（ 水磨）→固化结晶。

3.2 施工要点
（1）施工准备及质量控制
技术准备。

熟悉工程图纸、施工工艺以及施工现场情况。

编制严寒地区水磨石地面冬季施工方案。

结合前期混凝土配合比试验及材料检测情况，提出适用于严寒地区冬季施工的优化配合比。

现场准备。

水源、材料及弃渣规划有序，防护到位，质量符合要求。

如同批产地石子的大小、颜色均匀。

颜色规格不同的石子应分类保管，且使用前过筛及水洗净晒。

砂的细度模数相同，颜色相近，含泥量小于3%。

使用同一品牌、批号的水泥。

基面处理。

结构施工缺陷处理完成、结构边角处理，场地清理等均需满足相关要求。

（2）铺抹找平及网格控制
首先完成标高线以及检查控制线，地面高程要相互校核保持一致。

然后在柱、墙等结构处刻画水磨石面层标高线。

前期布设灰饼，灰饼网格间距同图1网格间距，大小约10cm，并预留15～20mm 面层厚度。

基层上洒水湿润，刷素水泥浆（水灰比0.4），采用M15干硬性找平层防冻砂浆，并采用刮尺刮平，保证平整度。

抹好找平层防冻砂浆后进行养护，并进行下道工序施工。

（3）镶铜条及PVC 条
根据提前规划好的分格图，在平层上划分分格线。

对于有特殊图案造型的区域，按照图案刻画清晰线条。

铜条应平直、牢固，接头严密无缝隙。

分格铜条在接头处进行特除处理，以保证灰浆饱满。

在结构沉降缝、变形缝以及地面下结构形式变化处布置双铜条。

在与柱、墙接触面处布设PVC 条。

（4）水磨石料拌制及铺设要求
根据前述模拟成果，严寒地区大尺度水磨石冬季施工时，应该通过优化施工组织方案和冬期水磨石混凝土配合比，甚至采取加温措施，减少温度差，满足冬期水磨石地面施工要求。

根据水磨石地面设计厚度，选择水磨石骨料粒径。

防冻拌合料的配合比按体积比1 : 2.5 （水泥：中小八厘石粒）。

拌和时先投放中小八厘石子、白水泥、矿物颜料，干拌120s，再添加水和防冻剂混合液，均匀拌和，总拌制时间不得小于300s，要求拌和时称量准确，拌和均匀。

彩色水磨石拌合料，除彩色石粒外，还加入耐光耐碱的矿物颜料，其掺入量按相关规定标准，白水泥与颜料配合比、彩色石子与普通石子配合比。

同一彩色水磨石面层应使用同厂、同批颜料。

在拌制前应根据整个地面所需的用量，将水泥和所需颜料一次统一配好、配足。

各种拌合料在使用前加水拌和均匀，稠度约60mm。

随刷随铺拌合料，防止浆层风干导致空鼓。

水磨石拌合料的面层厚度应按石料粒径确定，厚度适宜。

铺设时将搅拌均匀的拌合料先铺抹分格铜条边，后铺入分格铜条方框中间，逐渐向边角推进。

先把分格铜条两边拍实，避免格条挤出和移位。

然后用钢制滚筒滚压，从横竖两个方向均匀碾压，表面达到平整密实。

然后进行保温保湿养护[4]。

（5）打磨
水磨石面层磨光遍数应不少于3遍，简述如下。

粗磨：采用略粗（60～90号）金刚石磨片进行打磨，直
61第8期中国建筑金属结构
至表面磨平、磨匀、分格条和石粒全部露出。

清洗晾干后，面层若有小的空洞要填实抹平，脱落石粒应补齐。

浇水养护2～3d。

细磨：采用稍细金刚石（90～120号）磨片进行打磨，要求磨至表面光滑为止。

然后用清水冲净，然后养护。

磨光：采用更细金刚石（约200号）进行打磨，磨至表面石子显露均匀，无缺石粒现象，平整、光滑、无孔隙。

（6）固化及结晶
为提高水磨石地面的耐久性，打磨完成后需对水磨石地面进行固化、结晶处理。

此工序必须在各专业全部完工后方可进行，防止后续工序对完成面造成划痕、污染等。

采用水磨石密封固化剂进行，固化前先用清水清洗地面并晾干，然后按要求涂覆水磨石密封固化剂，待固化剂与地面充分反应变干后，再进行打磨处理。

为提升水磨石地面光泽度，水磨石固化完成后需使用结晶剂进行结晶。

即待固化打磨完成后，使用清水将地面清洗晾干，将结晶剂涂抹或喷洒于地面，待地面干燥后使用打磨机抛光，达到表面亮丽效果。

4 人材机配置
（1）本工程投入主要材料及规格见表1。

表1 本工程投入的主要材料
序号名称规格单位备注
1彩色石子粒径4～8mm kg每1m2水磨石
2防冻剂-kg每1m2水磨石
3固化剂-kg每1m2水磨石
4结晶剂-kg每1m2水磨石
5分隔铜条-m由分格确定
6PVC板厚2mm m2由出地面结构确定
（2）根据工程技术特点，按照“分工合理、突出专业化、提高流水化、提倡智能化、满足工期要求，保证工程质量”的原则分阶段、分专业进行劳动力配置，达到技能、专业、资源、质量、安全，五位一体，同步推进。

投入人员见表2。

表2 本工程投入的主要工种
序号工种数量备注
1电焊工5角钢安装
2摊铺工4拌和料摊铺、找平
3瓦工4抹面
4打磨工12面层打磨
5普工15配合各工序
（3）根据工程技术特点，本技术所用机具，主要为搅拌机、打磨机等，主要机械配置详见表3。

表3 本工程主要机械配置
序号名称单位数量备注
1搅拌机台2水磨石料拌和
2打磨机台12面层打磨
3电焊机台5角钢安装
4钢制滚筒台2摊铺找平
5装载机台1拌和料转运5 质量控制
（1）不应出现空鼓现象，不漏磨，以及不出现磨纹、砂眼等。

同时也要保证不能出现面层石渣粒不匀情况。

（2）不应出现分格铜条或PVC条掀起，显露不清晰，接口平顺。

（3）通过提前规划分隔，采取双铜条，甚至可增设抗裂钢筋网等措施，增强地面抗裂能力。

在水磨石地面与出地面结构交界处粘贴PVC板增加滑动面，有效控制不均匀沉降及混凝土水化热导致水磨石地面裂缝。

除上述为，水磨石装饰面的外观缺陷还应满足如下技术要求及物理学性能指标。

其他性能指标如表4～5所示[5-6]。

表4 装饰面的外观缺陷技术要求
序号缺陷名称技术要求
1裂缝不允许
2返浆、杂质不允许
3色差、划痕、杂石、气孔不明显
4边角缺损不允许
5图案偏差≤案偏差
6越线
越线距离≤2mm；长度
≤10mm；允许两处
表5 物理力学性能及功能性能要求
序号项目指标
1抗折强度/MPa
平均值≥5.0
最小值≥4.0 2吸水率/%≤%.0
3光泽度不低于P25
4耐磨度≥1.5
6 结论
（1）根据模拟结果，通过调整防冻混合料等配合比，可有效防止因温度引起的应力变形。

（2）通过对水磨石面层内增设抗裂钢丝网，可有效增加水磨石面层抗裂能力，防止混凝土温度应力而产生裂隙。

（3）水磨石面层与地面结构交界处增设PVC板，可有效控制不均匀沉降拉裂水磨石地面。

参考文献
[1] 王振宇,王起才,代金鹏,等.冬季大体积混凝土水化热温度场数
值模拟研究[J].混凝土,2018(11):140-144.
[2] 关兵.高寒地区水磨石地面施工技术[J].水利技术监
督,2021(10):191-195.
[3] 李博平,张笈玮,卜长明,等. 风洞体水磨石面层热应力分析[C].
第25届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅲ册). 2016.
[4] 邵强,魏波,陶龙云.浅谈水磨石地面施工要点[J].四川建
筑,2021,41(06):242-243.
[5] GB 50209-2010,建筑地面工程施工质量验收规范[S].
[6] GB 50300-2013,建筑工程施工质量验收统一标准[S].。