从马路守护者到马路杀手，为何水马底部总先破烂？-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/dafenqi_science/article/details/148240355

一、现象观察

如果你每天在马路上走，那么一定会遇到这个像马鞍一样的水泥水马（学名：道路隔离墩，本文简称“隔离墩”），下次一定要观察下它，会惊讶地发现它底部总是破破烂烂的，周围散落一地碎石子，若有车辆压到，会急速弹射出去，给路上行人和车辆造成巨大的安全风险。达芬奇观察到很多地方的隔离墩都会出现这种情况，很是好奇为何隔离墩底部总是破烂？为何这种现象很普遍？是否有办法改进以减少安全隐患呢？带着这些疑问，我们一起探索一下，也给路上出行的你多增加一份安全保障。

二、大胆猜测

物理学家理查德费曼说面对未知问题，要从最直观的现象出发，以归纳演绎为过程，一步步推导出答案。我们也同样首先大胆猜测下可能原因：

1.首先想到的原因是，这些隔离墩使用的劣质材料或制造工艺不符合要求，导致出现这种“豆腐渣”工程；

2.隔离墩与马路底部接触，底部是否有力的传导，其中有如重力、瞬态冲击力的破坏，还有摩擦或振动等，经过长时间的反复交变力传递，形成疲劳破坏，导致底部率先破坏；

3.两者接触后，是否有可能有化学破坏，比如水泥和沥青有某些化学反应，导致化学腐蚀性破坏；

4.马路上的其他物质，比如雨雪水，洒水，汽车尾气、油污等物质在隔离墩底部汇集，是否形成冻蚀、融蚀或化学腐蚀破坏。

5.同学们想想还有没其他原因？

三、小心求证

针对上节我们猜测到的可能破坏原因，下面达芬奇与大家一起进行一一分析探索，力求找到最根本的原因，

1.可能原因1分析

（一）偷工减料，我们经常会遇到这种行为，让人深恶痛绝；如果隔离墩加工厂商偷工减料或加工不合规范，肯定会出现隔离墩早早破坏的情况，但是为什么很多地方的隔离墩都是底部破坏呢？如果用料不规范，最有可能是整体烂掉，而不仅仅是底部，（用图举例），图中为达芬奇在多个地方拍到的隔离墩破坏图，隔离墩上部基本都比较完好，只有底部破坏严重，这种隔离墩在各个地区都会生产，难道每个地方的生产商都在底部偷工减料吗？似乎很难保持统一，所以这个原因应该不是主要原因。

（二）针对加工工艺不符合要求的可能性，我们首先了解下水泥隔离墩的制造过程，通常分以下几个步骤：

a.选料：选择符合规范要求的水泥、砂石骨料、钢筋（若有）及外加剂，以及钢筋骨架（视情选用）；

b.制作模具：制作“水马”状钢模具或塑料模具；以及制作钢筋骨架（视情选用）；

c.浇筑：制作合适配比混凝土，并倾倒至模具，进行浇筑成型；

d.养护和脱模：浇筑后需定期洒水养护，待混凝土凝固到一定压力后，再进行脱模；

e.表面处理和质检：脱模后要对表面进行质量检测，若不合格，还需进行修补；并喷涂或粘贴合格的反光警示漆或标语，最后入库；

f.安装及后期养护：将合格品运输到现场进行安装，并在安装后定期进行维护。

我们逐一分析下其制造过程：

a.如果“选料”不合适，是会引起隔离墩快速烂掉的情况，但应该会是整体烂掉，而不仅仅是底部破碎，不太符合现有普遍现象；

b.混凝土配比错误会引起隔离墩开裂烂掉，同上述原因一样，应该会是整体烂掉，而不仅仅是底部破碎；模具制作不当属偶发性缺陷，不会在各个地区重复出现；，

c.道路隔离墩为规则形，底部平整，并不容易出现浇筑缺陷，可以排除浇筑过程中出现的问题；

d.养护和脱模不当，会导致表面或内部有裂纹缺陷，但不会集中于底部；

e.只会加强和保护，不会破坏；

f.安装过程中，涉及到搬运装卸过程，在此过程中出现磕碰，是可能会导致底部出现缺陷，最后引起首先破坏，但施工的偶发性破坏不足以出现普遍性现象，可以排除此过程。

所以，制造工艺不符合这个原因，不是出现这种普遍现象的主要原因。

2.可能原因2分析

（一）静载荷影响

a.隔离墩底部受重力载荷最大，如果地面凹凸不平，易形成载荷不均匀，导致局部受载过大，超过抗拉强度而脱落断裂，下面做个简单的计算：

隔离墩最常见尺寸：1500×500×1000mm；

重量为150-400kg；

底部面积为：1.5m*0.5m = 0.75m2；

最大承受压强为：5333Pa；

隔离墩常用混凝土的抗压及抗拉强度分别为：30MPa，

从上述参数可见：混凝土的抗压及抗拉强度均远大于其底部受载压强。如果出现隔离墩底部不平的现象，也很难超过其承载压强，基本可以排除底部受重力载荷不均导致。

b.受到瞬态的冲击力载荷，导致底部受力较大，从而产生破烂；

当车辆撞击到隔离墩时，瞬间受到一个冲击力，使隔离墩受冲击载荷集中在两处：

一处为底部区域，受到一个很大的弯矩和横向剪切力；

二为受撞击区域，受到一个集中应力，其主要破坏面也在此区域；

若隔离墩没有与路面的底部桩基连接，则受到强烈撞击后，会沿着底面摩擦滑动，导致底部受磨损破坏，但偶尔撞击磨损不会出现大面积破烂现象，多次受撞滑移才会出现底部磨损破坏现象，不符合现在的普遍现象；

（二）动载荷影响

马路上车水马龙，会持续对隔离墩产生一个不断反复的冲击力，就像拿一把锤子反复敲打隔离墩，这种反复的冲击力会加大水泥隔离墩内部的微裂纹，长久以往，不断放大，导致砂石脱落破坏，这种可能性确实存在，但是实验测试表明马路上车辆引起的振动典型应力范围为：高速沥青路面引起的隔离墩底部振动应力幅值通常在1.5~5.0 MPa之间，远低于 C30 混凝土的疲劳极限（12 MPa)。在正常交通荷载下，隔离墩的疲劳寿命可达10^5~10^14 次循环，基本不受振动影响，不会引起混凝土隔离墩的大面积开裂。

3.可能原因3分析

隔离墩底部和沥青路面直接接触，是否会产生某些腐蚀性化学反应呢？首先分析下两者的化学组成，水泥隔离墩主要是由如下物质组成：水泥，砂石，钢筋骨架（如果有）以及外面覆盖的告警漆组成，其中水泥和沥青是直接接触介质，下面我们分析下两者的主要成分及物理化学特性。

（一）水泥隔离墩的化学组成成分

隔离墩的水泥成分主要为与水发生化合反应后的物质，主要为：水化硅酸钙凝胶、钙矾石晶体、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙和氢氧化钙晶体（Ca (OH)₂）等物质，其中水泥表面和内部形成的氢氧化钙（Ca (OH)₂）和水化硅酸钙（C-S-H）凝胶可构成一层密实的碱性保护层，完全可抵御一般弱酸侵蚀。

（二）沥青的化学组成成分

沥青是由高分子碳氢化合物及其衍生物组成的复杂混合物，呈弱酸性（pH 值约 5-7），含有少量有机酸、酚类物质及硫化物。常温下化学性质稳定，但在长期光照、温度变化或水分作用下，可能缓慢释放酸性成分。

虽然酸碱中和，但是沥青的弱酸性，不足以达到直接腐蚀混凝土隔离墩的效果，更何况其外部通常会涂刷一层防水警示漆，起到直接的隔绝作用。但是雨雪水溶解沥青中的微量酸性物质（如脂肪酸）后，可能与混凝土表面的氢氧化钙发生中和反应，反应产物为可溶性钙盐，可能随水分流失，导致混凝土表面碱度下降、孔隙率增加，长期可能引发表面酥松或微裂纹，但总体这种影响会比较小，不会在短时间内导致大范围隔离墩脱落现象。

4.可能原因4分析

达芬奇之前讲到过张家界天门山天门洞和桂林漓江象鼻山的形成过程，提到了水融蚀作用，那么隔离墩是否也有这种融蚀破坏影响呢？另外在北方的同学们应该都会遇到水泥地被冻烂掉的情况，是否也有这方面影响？最后，我们知道没有人喜欢吸汽车尾气，那么其对隔离墩是否有危害呢？上述现象是我们在生活中最常见的侵蚀情形，除了这些还有其他的我们不熟悉的侵蚀破坏吗？下面和达芬奇一起分步进行一一解密：

(一)雨雪水对水泥水化物的侵蚀

上节提到了水泥水化后的主要成分，正常情况下，其水化生成物只会微溶于水，对隔离墩的整体影响较小；但是我们知道雨水降落过程中，会吸收空气中的多种成分，如

二氧化碳（CO2），二氧化硫（SO2），氮氧化物（NOₓ）等气体物质，以及空气中的气溶胶颗粒，如硫酸盐、硝酸盐、铵盐是主要贡献者，海盐离子在海边比较明显；形成带有酸性离子的酸雨落至地面，汇集至马路隔离墩底部；隔离墩浸泡在雨水中，会通过其上的微裂缝吸收底部的积水，而酸性水对水泥水化物的的危害却是很大的，产生多重化学及物理破坏，下面一一列举：

a.水化硅酸钙凝胶：水泥水化的稳定水化产物，是水泥的核心强度来源，提供胶结与骨架作用，难溶于水和稀酸，在高碱性环境下可稳定存在；

b.钙矾石晶体（AFt，3CaO・Al₂O₃・3CaSO₄・32H₂O）：在水泥正常硬化过程中，适量钙矾石可填充孔隙，起到增强作用；在无硫酸盐持续侵入的环境中，钙矾石可长期稳定存在，不发生显著溶蚀，但上文提到雨水会溶解空气中的二氧化硫及硫酸盐颗粒，形成带硫酸盐离子的溶液，此时，单硫型水化硫铝酸钙会与硫酸根发生如下反应继续生成钙矾石（AFt），使其体积膨胀约 2.5 倍，同时释放出 Ca²⁺和 OH⁻，过量膨胀即会导致水泥开裂：

同时，若硫酸盐浓度极高（如海水），钙矾石可进一步分解为氢氧化铝凝胶（Al (OH)₃）和石膏，加剧溶蚀：

总之，在化学溶解与钙矾石物理膨胀的共同作用下，导致水泥溶解及开裂破坏。

c.水化铝酸钙：在 pH＜7 的酸性水中，铝酸钙水合物中的 Al³⁺会与酸性水中的 H⁺反应生成可溶性铝盐，导致水泥石内部结构溃散，强度下降；

d.单硫型水化硫铝酸钙：在上述b.中提到，当水中含硫酸根时，与之反应生成钙矾石（AFt），使其体积膨胀约 2.5 倍，同时释放出 Ca²⁺和 OH⁻，过量膨胀即会导致结构开裂；伴随着后期水分的蒸发，硫酸盐浓度极高（如海水），钙矾石可能进一步分解为氢氧化铝凝胶（Al (OH)₃）和石膏，加剧溶蚀；

e.水化铁铝酸钙：弱酸性环境下会进行有限的溶蚀；

f.氢氧化钙晶体：本身微溶于水，但在雨水中易被溶解流失，溶解后导致水泥石孔隙率增加，碱性降低（pH 从 12.5 降至 10 以下），进而破坏水化硅酸钙的稳定环境（C-S-H 需高碱性维持结构）；与碳酸（CO₂溶于水）反应生成可溶的碳酸氢钙；与盐酸、硫酸等强酸反应生成可溶性钙盐，导致水泥溶蚀。

冬天下雪后，通常会撒盐（NaCl）融雪，雪融化后融盐于水，形成氯化钠溶液汇集在隔离墩底部，发生如下反应：

总结：其破坏过程如下：

a.雨水溶解空气中的致酸性气体及硫酸盐何硝酸盐颗粒→软水酸性水→溶解Ca(OH)₂晶体及钙矾石晶体等其他物质→孔隙率增加→开裂破碎。

b.雨水被吸附→结冰膨胀→裂缝增大→开裂破坏；

（二）汽车燃滑油及尾气对水泥水化物的破坏作用

汽车尾气是汽油柴油等燃料燃烧后的产物，其中，主要由二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）及未燃烧完尽的燃料及润滑油组成，他们对隔离墩是否有腐蚀性影响呢？达芬奇下面一一说明：

a.尾气中的 CO₂ 溶于水形成碳酸（H₂CO₃），与水泥中的碱性物质发生反应：反应生成的碳酸钙（CaCO₃）体积比氢氧化钙小，导致水泥结构孔隙率增加，强度下降。同时，降低水泥的碱性（pH 值从 12-13 降至 8-9），破坏钢筋表面的钝化膜，可能引发钢筋锈蚀（若隔离墩含钢筋）；

b.尾气中的 NO₂、SO₂ 溶于水后形成硝酸（HNO₃）、硫酸（H₂SO₄），与水泥中的氢氧化钙、铝酸钙等反应：生成的硫酸钙（石膏）会与水泥中的铝酸三钙（C₃A）反应生成钙矾石（3CaO・Al₂O₃・3CaSO₄・32H₂O），体积膨胀约2.5 倍，导致混凝土开裂；

c.部分燃料或添加剂含氯元素，燃烧后生成 HCl，与水泥反应生成氯化钙（CaCl₂）。氯离子会穿透混凝土保护层，加速钢筋锈蚀，导致混凝土胀裂剥落。

d.水泥的水化产物（如 C-S-H 凝胶）虽难溶于水，但对有机物有一定亲和性。长期接触燃油时，烃类物质可能渗透到水泥孔隙中，溶蚀胶体结构，导致表面软化、强度下降。

e.润滑油中的添加剂（如硫、磷化合物）可能与水泥碱性物质发生微弱反应，加剧结构劣化。

总之，汽车尾气中的酸性气体（CO₂、NOₓ、SO₂等）通过化学腐蚀（碳化、酸蚀、硫酸盐膨胀）破坏水泥结构，而燃油和润滑油通过物理溶蚀与渗透削弱隔离墩性能。两者在潮湿、低温环境中协同作用，导致隔离墩耐久性下降。尤其在北方冬天尤其明显，水泥道路经过冬天后的破坏非常严重。

并且，通过实际测试和观察证据表明[10]：冻融损伤和融盐侵蚀是造成道路混凝土损坏的主要原因，尤其在北方，冬天天气冷暖变化温差大，降雪多，撒盐融雪后汇集在路旁，致使隔离墩吸水后，反复冻融和融盐侵蚀，导致隔离墩底部率先快速破烂。

四、总结及扩展

我们从上述几个章节，从最开始的观察到的现象到一步步推导排除，最后定位到其底部经常性破烂的主要原因。其主要原因为雨雪水引起的反复冻融破坏和融盐侵蚀，其他影响因素包括其本身材料的组成，车辆通过时的冲击载荷影响及路旁高浓度的汽车尾气、大气中的酸性气体等引起的酸离子富集等因素共同作用，导致了我们看到的混凝土底部破坏现象，并成为对马路上行人和车辆的一个很大安全风险。

所以，在我们分析了其主要形成原因后，应该采取哪些措施来减缓或避免此类现象呢，

达芬奇觉得应该从两方面入手开展措施：

1.从选材制造方面采取措施

a. 选用特种水泥，从根本上增强防水防酸：如铝酸盐水泥（以铝酸钙为主，耐酸性强）、硫铝酸盐水泥（水化产物中钙矾石含量高，抗硫酸盐侵蚀）;

b.制造加工过程中，混凝土制作时：

提高密实度：降低水胶比，从而减少孔隙通道，减少吸水和吸盐的通道；

减少 Ca (OH)₂含量：使用高硅酸三钙（C₃S）水泥或掺合料（如矿渣、粉煤灰），通过火山灰反应消耗 Ca (OH)₂，生成二次 C-S-H 凝胶，以从源头减少易破坏源；

c.表面涂抹多层防护漆：利用材料成膜的特性，将特制材料喷涂在混凝土表层，覆盖混凝土表面，以阻止腐蚀液体渗透进混凝土内部，可有效防止或延后混凝土侵蚀破坏。

2.加强后期的维护保养及更换

针对已经出现大面积混凝土底部或表层酥松剥落的隔离墩，进行排查修补保护或更换。路上常见的底部破坏的道路隔离墩，很多明显年久失修，持续破坏，才会导致底部大面积的破坏，如果能够做到及时养护，通过对孔洞、剥落损伤部位进行修补，并喷涂混凝土表面保护剂或防水漆，会大大减缓其腐蚀速度，从而减少路上的安全隐患。