Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). In de tussentijd geven we de site weer zonder stijlen en JavaScript, om ondersteuning te blijven bieden.
Met de Sui-Chongqing-spoorweghelling als onderzoeksobject, bodemweerstand, bodemelektrochemie (corrosiepotentieel, redoxpotentieel, potentiaalgradiënt en pH), bodemanionen (totale oplosbare zouten, Cl-, SO42- en) en bodemvoeding. (Vochtgehalte, organische stof, totale stikstof, alkali-gehydrolyseerde stikstof, beschikbare fosfor, beschikbare kalium) Onder verschillende hellingen wordt de corrosiegraad geëvalueerd volgens de individuele indicatoren en uitgebreide indicatoren van kunstmatige grond. Vergeleken met andere factoren heeft water de grootste invloed op de corrosie van het hellingbeschermingsnet, gevolgd door het aniongehalte. Het totale oplosbare zout heeft een matig effect op de corrosie van het hellingbeschermingsnet en de zwerfstroom heeft een matig effect op de corrosie van het hellingbeschermingsnet. De corrosiegraad van bodemmonsters werd uitgebreid geëvalueerd en de corrosie op de bovenste helling was matig en de corrosie op de middelste en onderste hellingen was sterk. De organische stof in de bodem was significant gecorreleerd met de potentiaalgradiënt. Beschikbare stikstof, beschikbaar kalium en beschikbare fosfor waren significant gecorreleerd met anionen. De verdeling van voedingsstoffen in de bodem is indirect gerelateerd aan het type helling.
Bij de aanleg van spoorwegen, snelwegen en waterbeheersfaciliteiten zijn openingen in de bergen vaak onvermijdelijk. Vanwege de bergen in het zuidwesten is er voor de aanleg van spoorwegen in China veel uitgraving in de bergen nodig. De oorspronkelijke bodem en vegetatie worden verwoest, waardoor er rotsachtige hellingen ontstaan. Dit leidt tot aardverschuivingen en bodemerosie, waardoor de veiligheid van het spoorvervoer in gevaar komt. Aardverschuivingen zijn schadelijk voor het wegverkeer, vooral na de aardbeving in Wenchuan op 12 mei 2008. Aardverschuivingen zijn een wijdverspreide en ernstige aardbevingsramp geworden1. Bij de evaluatie uit 2008 van 4.243 kilometer aan belangrijke hoofdwegen in de provincie Sichuan waren er 1.736 ernstige aardbevingsrampen in wegbeddingen en hellingmuren, goed voor 39,76% van de totale lengte van de evaluatie. Directe economische verliezen door wegschade overschreden 58 miljard yuan 2,3. Wereldwijde voorbeelden laten zien dat geologische gevaren na een aardbeving minstens 10 jaar kunnen aanhouden (aardbeving in Taiwan) en zelfs wel 40-50 jaar (aardbeving in Kanto in Japan)4,5. Helling is de belangrijkste factor die het aardbevingsgevaar beïnvloedt6,7. Daarom is het noodzakelijk om de weghelling te onderhouden en de stabiliteit ervan te versterken. Planten spelen een onvervangbare rol bij de bescherming van hellingen en het herstel van ecologisch landschap8. Vergeleken met gewone grondhellingen hebben rotshellingen geen accumulatie van voedingsfactoren zoals organische stof, stikstof, fosfor en kalium, en hebben ze niet de bodemomgeving die nodig is voor vegetatiegroei. Vanwege factoren zoals grote hellingen en regen erosie, hellinggrond gaat gemakkelijk verloren. De hellingomgeving is ruw, mist de noodzakelijke omstandigheden voor plantengroei en de hellinggrond mist ondersteunende stabiliteit9. Het besproeien van hellingen met basismateriaal om de grond te bedekken en de helling te beschermen, is een veelgebruikte ecologische restauratietechnologie voor hellingen in mijn land. De kunstmatige grond die voor het besproeien wordt gebruikt, bestaat uit gebroken steen, landbouwgrond, stro, samengestelde meststof, waterretentiemiddel en lijm (veelgebruikte lijmen zijn onder andere Portlandcement, organische lijm en asfaltemulgator) in een bepaalde verhouding. Het technische proces is: eerst prikkeldraad op de rots leggen, vervolgens het prikkeldraad met klinknagels en ankerbouten bevestigen en ten slotte kunstmatige grond met zaden op de helling spuiten met een speciale sproeier. Het 14# ruitvormige metalen gaas dat volledig gegalvaniseerd is, wordt meestal gebruikt, met een maaswijdte van 5 cm × 5 cm en een diameter van 2 mm. Het metalen gaas zorgt ervoor dat de grondmatrix een duurzame monolithische plaat op het rotsoppervlak vormt. Het metalen gaas zal corroderen in de grond, omdat de grond zelf een elektrolyt is en de mate van corrosie afhangt op de eigenschappen van de bodem. De evaluatie van bodemcorrosiefactoren is van groot belang voor het evalueren van bodemgeïnduceerde erosie van metalen netten en het elimineren van aardverschuivingsgevaren.
Er wordt aangenomen dat plantenwortels een cruciale rol spelen bij hellingstabilisatie en erosiecontrole10,11,12,13,14. Om hellingen te stabiliseren tegen ondiepe aardverschuivingen, kan vegetatie worden gebruikt omdat plantenwortels de bodem kunnen fixeren om aardverschuivingen te voorkomen15,16,17. Houtachtige vegetatie, met name bomen, helpt ondiepe aardverschuivingen te voorkomen18. Een stevige beschermende structuur gevormd door de verticale en laterale wortelsystemen van planten die fungeren als versterkende palen in de bodem. De ontwikkeling van wortelarchitectuurpatronen wordt aangestuurd door genen en de bodemomgeving speelt een beslissende rol in deze processen. Corrosie van metalen varieert afhankelijk van de bodemomgeving20. De mate van corrosie van metalen in de bodem kan variëren van vrij snelle oplossing tot verwaarloosbare impact21. Kunstmatige bodem is heel anders dan echte "bodem". De vorming van natuurlijke bodems is het resultaat van interacties tussen de externe omgeving en verschillende organismen gedurende tientallen miljoenen jaren22,23,24. Voordat de houtachtige vegetatie een stabiel wortelstelsel en ecosysteem vormt, of het metalen gaas gecombineerd met de rotshelling en kunstmatige grond veilig kan functioneren is direct gerelateerd aan de ontwikkeling van de natuurlijke economie, de veiligheid van het leven en de verbetering van het ecologische milieu.
Corrosie van metalen kan echter leiden tot enorme verliezen. Volgens een onderzoek dat begin jaren 80 in China werd uitgevoerd naar chemische machines en andere industrieën, waren de verliezen veroorzaakt door metaalcorrosie goed voor 4% van de totale outputwaarde. Daarom is het van groot belang om het corrosiemechanisme te bestuderen en beschermende maatregelen te nemen voor economische constructie. Bodem is een complex systeem van gassen, vloeistoffen, vaste stoffen en micro-organismen. Microbiële metabolieten kunnen materialen corroderen en zwerfstromen kunnen ook corrosie veroorzaken. Daarom is het belangrijk om corrosie van metalen die in de grond begraven liggen te voorkomen. Momenteel richt het onderzoek naar corrosie van begraven metaal zich voornamelijk op (1) factoren die corrosie van begraven metaal beïnvloeden25; (2) methoden voor metaalbescherming26,27; (3) beoordelingsmethoden voor de mate van metaalcorrosie28; Corrosie in verschillende media. Alle bodems in het onderzoek waren echter natuurlijk en hadden voldoende bodemvormingsprocessen ondergaan. Er is echter geen rapport over kunstmatige bodemerosie van hellingen van spoorwegrotsen.
Vergeleken met andere corrosieve media heeft kunstmatige grond de kenmerken van illiquiditeit, heterogeniteit, seizoensgebondenheid en regionaliteit. Metaalcorrosie in kunstmatige gronden wordt veroorzaakt door elektrochemische interacties tussen metalen en kunstmatige gronden. Naast aangeboren factoren hangt de snelheid van metaalcorrosie ook af van de omgeving. Verschillende factoren beïnvloeden metaalcorrosie afzonderlijk of in combinatie, zoals vochtgehalte, zuurstofgehalte, totaal oplosbaar zoutgehalte, anion- en metaaliongehalte, pH en bodemmicroben30,31,32.
In 30 jaar praktijk is de vraag hoe kunstmatige grond op rotsachtige hellingen permanent bewaard kan worden een probleem gebleken33. Struiken of bomen kunnen na 10 jaar handmatige verzorging op sommige hellingen niet meer groeien vanwege bodemerosie. Het vuil op het oppervlak van het metalen gaas is op sommige plaatsen weggespoeld. Door corrosie zijn sommige metalen gaasstukken gebarsten en is alle grond erboven en eronder verloren gegaan (Afbeelding 1). Momenteel richt het onderzoek naar corrosie van spoorweghellingen zich vooral op corrosie van het aardingsrooster van spoorwegonderstations, corrosie door zwerfstromen die wordt gegenereerd door lightrail en corrosie van spoorbruggen34,35, sporen en andere voertuiguitrusting36. Er zijn geen meldingen geweest van corrosie van het metalen gaas ter bescherming van spoorweghellingen. In dit artikel worden de fysische, chemische en elektrochemische eigenschappen van kunstmatige grond op de zuidwestelijke rotshelling van de Suiyu-spoorweg bestudeerd, met als doel metaalcorrosie te voorspellen door de bodemeigenschappen te beoordelen en een theoretische en praktische basis te bieden voor het herstel van het bodemecosysteem en kunstmatige restauratie. Kunstmatige helling.
De testlocatie bevindt zich in het heuvelachtige gebied van Sichuan (30°32′N, 105°32′E) in de buurt van het treinstation Suining. Het gebied ligt in het midden van het Sichuan-bekken, met lage bergen en heuvels, met een eenvoudige geologische structuur en vlak terrein. Erosie, uitsnijding en ophoping van water creëren geërodeerde heuvelachtige landschappen. De vaste rotsbodem is voornamelijk kalksteen en de bovenlaag is voornamelijk paars zand en moddersteen. De integriteit is slecht en het gesteente heeft een blokvormige structuur. Het studiegebied heeft een subtropisch vochtig moessonklimaat met seizoenskenmerken van vroege lente, hete zomer, korte herfst en late winter. De regenval is overvloedig, de licht- en warmtebronnen zijn overvloedig, de vorstvrije periode is lang (gemiddeld 285 dagen), het klimaat is mild, de jaarlijkse gemiddelde temperatuur is 17,4°C, de gemiddelde temperatuur van de warmste maand (augustus) is 27,2°C en de extreme maximumtemperatuur is 39,3°C. De koudste maand De gemiddelde temperatuur is januari (6,5 °C), de minimumtemperatuur is -3,8 °C en de jaarlijkse gemiddelde neerslag bedraagt ​​920 mm, voornamelijk geconcentreerd in juli en augustus. De neerslag in de lente, zomer, herfst en winter varieert sterk. Het neerslagpercentage in elk seizoen van het jaar bedraagt ​​respectievelijk 19-21%, 51-54%, 22-24% en 4-5%.
De onderzoekslocatie ligt op een helling van ongeveer 45° op de helling van de Yu-Sui-spoorlijn, die in 2003 werd aangelegd. In april 2012 lag de spoorlijn naar het zuiden gericht, op minder dan 1 km van het Suining-spoorwegstation. De natuurlijke helling werd gebruikt als controle. De ecologische restauratie van de helling maakt gebruik van de buitenlandse topdressing-bodembespuitingstechnologie voor ecologische restauratie. Afhankelijk van de hoogte van de helling aan de spoorwegzijde kan de helling worden onderverdeeld in opwaarts, middenhelling en neerwaarts (Fig. 2). Omdat de dikte van de kunstmatige grond van de gesneden helling ongeveer 10 cm is, gebruiken we alleen een roestvrijstalen schop om het grondoppervlak 0-8 cm te verwijderen om vervuiling door corrosieproducten van het metalen gaas van de grond te voorkomen. Vier replicaten werden voor elke hellingpositie ingesteld, met 15-20 willekeurige bemonsteringspunten per replicaat. Elke replicaat is een mengsel van 15-20 willekeurig bepaald uit S-vormige lijnbemonsteringspunten. Het verse gewicht is ongeveer 500 gram. Breng de monsters terug naar het laboratorium in polyethyleen ziplock-zakken voor verwerking. De grond wordt op natuurlijke wijze aan de lucht gedroogd en het grind en de dierlijke en plantaardige resten worden eruit gehaald, vermalen met een agaatstok en gezeefd met een 20-mesh, 100 mesh nylon zeef, behalve de grove deeltjes.
De bodemweerstand werd gemeten met de VICTOR4106 aardingsweerstandtester, geproduceerd door Shengli Instrument Company; de bodemweerstand werd in het veld gemeten; de bodemvochtigheid werd gemeten met de droogmethode. Het draagbare digitale mv/pH-instrument DMP-2 beschikt over een hoge ingangsimpedantie voor het meten van het bodemcorrosiepotentieel. Potentiaalgradiënt en redoxpotentiaal werden bepaald door de draagbare digitale mv/pH-meter DMP-2, totaal oplosbaar zout in de bodem werd bepaald door residu-droogmethode, chloride-iongehalte in de bodem werd bepaald door de AgNO3-titratiemethode (Mohr-methode), bodemsulfaatgehalte werd bepaald door indirecte EDTA-titratiemethode, dubbele indicatortitratiemethode om bodemcarbonaat en -bicarbonaat te bepalen, kaliumdichromaat-oxidatieverwarmingsmethode om bodemorganisch materiaal te bepalen, alkalische oplossingsdiffusiemethode om bodemstikstof te bepalen door alkalische hydrolyse, H2SO4-HClO4-digestie Mo-Sb-colorimetrische methode Totaal fosfor in de bodem en beschikbaar fosforgehalte in de bodem werden bepaald met de Olsen-methode (0,05 mol/L NaHCO3-oplossing als extractiemiddel), en het totale kaliumgehalte in de bodem werd bepaald door natriumhydroxide-fusie-vlamfotometrie.
De experimentele gegevens werden in eerste instantie gesystematiseerd. SPSS Statistics 20 werd gebruikt om gemiddelde, standaarddeviatie, eenzijdige ANOVA en menselijke correlatieanalyse uit te voeren.
Tabel 1 geeft de elektromechanische eigenschappen, anionen en voedingsstoffen weer van bodems met verschillende hellingen. Het corrosiepotentieel, de bodemweerstand en de oost-west potentiaalgradiënt van verschillende hellingen waren allemaal significant (P < 0,05). De redoxpotentialen van de dalende, middenhelling en natuurlijke helling waren significant (P < 0,05). De potentiaalgradiënt loodrecht op de spoorstaaf, dat wil zeggen de noord-zuid potentiaalgradiënt, is opwaarts > neerwaarts > middenhelling. De pH-waarde van de bodem was in de volgorde neerwaarts > opwaarts > middenhelling > natuurlijke helling. Het totale oplosbare zoutgehalte van de natuurlijke helling was significant hoger dan dat van de spoorweghelling (P < 0,05). Het totale oplosbare zoutgehalte van de bodem van de derdegraads spoorweghelling is hoger dan 500 mg/kg en het totale oplosbare zout heeft een matig effect op metaalcorrosie. Het gehalte aan organische stof in de bodem was het hoogst op de natuurlijke helling en het laagst op de dalende helling (P < 0,05). Het totale stikstofgehalte was het hoogst op de middenhelling en het laagst op de bergopwaartse helling helling; het beschikbare stikstofgehalte was het hoogst in de neergaande en middelste helling, en het laagst in de natuurlijke helling; het totale stikstofgehalte van de spoorlijn op en neergaande helling was lager, maar het beschikbare stikstofgehalte was hoger. Dit geeft aan dat de mineralisatiesnelheid van organische stikstof bergop en bergaf snel is. Het beschikbare kaliumgehalte is hetzelfde als het beschikbare fosfor.
Bodemweerstand is een index die de elektrische geleidbaarheid aangeeft en een basisparameter is voor het beoordelen van bodemcorrosie. Factoren die de bodemweerstand beïnvloeden, zijn onder meer het vochtgehalte, het totale oplosbare zoutgehalte, de pH-waarde, de bodemtextuur, de temperatuur, het gehalte aan organische stof, de bodemtemperatuur en de dichtheid. Over het algemeen geldt dat bodems met een lage soortelijke weerstand corrosiever zijn en omgekeerd. Het gebruiken van soortelijke weerstand om de bodemcorrosiviteit te beoordelen, is een methode die in verschillende landen veel wordt gebruikt. Tabel 1 toont de evaluatiecriteria voor de corrosiviteitsklasse voor elke afzonderlijke index37,38.
Volgens de testresultaten en normen in mijn land (tabel 1) geldt dat als de bodemcorrosiviteit alleen wordt beoordeeld aan de hand van de bodemweerstand, de bodem op de helling bergopwaarts zeer corrosief is; de bodem op de helling bergafwaarts matig corrosief is; de bodemcorrosiviteit op de middelste helling en de natuurlijke helling relatief laag tot zwak is.
De bodemweerstand van de helling is aanzienlijk lager dan die van andere delen van de helling. Dit kan worden veroorzaakt door regenerosie. De bovengrond op de helling stroomt met het water mee naar de middelste helling, waardoor het metalen beschermingsnet voor de helling dicht bij de bovengrond ligt. Een aantal metalen netten waren zichtbaar en zweefden zelfs in de lucht (figuur 1). De bodemweerstand werd ter plaatse gemeten. De paalafstand was 3 m en de heidiepte was minder dan 15 cm. Bloot metalen net en afbladderende roest kunnen de meetresultaten beïnvloeden. Daarom is het onbetrouwbaar om de bodemcorrosiviteit alleen te beoordelen aan de hand van de bodemweerstandsindex. Bij de uitgebreide beoordeling van corrosie wordt de bodemweerstand van de helling niet meegenomen.
Vanwege de hoge relatieve luchtvochtigheid zorgt de aanhoudende vochtige lucht in het Sichuan-gebied ervoor dat het metalen gaas dat aan de lucht wordt blootgesteld, ernstiger corrodeert dan het metalen gaas dat in de grond is begraven39.Blootstelling van gaas aan lucht kan resulteren in een verminderde levensduur, wat bergopwaartse bodems kan destabiliseren.Bodemverlies kan het voor planten, met name houtachtige planten, moeilijk maken om te groeien.Door het gebrek aan houtachtige planten is het moeilijk om bergopwaarts een wortelstelsel te vormen om de bodem te verstevigen.Tegelijkertijd kan plantengroei ook de bodemkwaliteit verbeteren en het humusgehalte in de bodem verhogen, wat niet alleen water kan vasthouden, maar ook een goede omgeving kan bieden voor de groei en voortplanting van dieren en planten, waardoor bodemverlies wordt verminderd.Daarom moeten in de vroege fase van de constructie meer houtachtige zaden op de helling worden gezaaid en moet er continu watervasthoudend middel worden toegevoegd en moet het met folie worden bedekt ter bescherming, om de erosie van de bergopwaartse bodem door regenwater te verminderen.
Het corrosiepotentieel is een belangrijke factor die de corrosie van het hellingbeschermingsnet op de helling met drie niveaus beïnvloedt en heeft de grootste impact op de opwaartse helling (tabel 2). Onder normale omstandigheden verandert het corrosiepotentieel niet veel in een bepaalde omgeving. Een merkbare verandering kan worden veroorzaakt door zwerfstromen. Zwerfstromen verwijzen naar stromen 40, 41, 42 die in de wegbedding en de bodem lekken wanneer voertuigen gebruikmaken van het openbaarvervoersysteem. Met de ontwikkeling van het transportsysteem heeft het spoorwegsysteem van mijn land een grootschalige elektrificatie bereikt en de corrosie van begraven metalen veroorzaakt door gelijkstroomlekkage van geëlektrificeerde spoorwegen kan niet worden genegeerd. Momenteel kan de potentiaalgradiënt van de bodem worden gebruikt om te bepalen of de bodem zwerfstroomverstoringen bevat. Wanneer de potentiaalgradiënt van de oppervlaktebodem lager is dan 0,5 mv/m, is de zwerfstroom laag; wanneer de potentiaalgradiënt in het bereik van 0,5 mv/m tot 5,0 mv/m ligt, is de zwerfstroom matig; Wanneer de potentiaalgradiënt groter is dan 5,0 mv/m, is het niveau van de zwerfstroom hoog. Het zwevende bereik van de potentiaalgradiënt (EW) van het midden, de opgaande en de neergaande helling wordt weergegeven in Afbeelding 3. Wat het zwevende bereik betreft, zijn er matige zwerfstromen in de oost-west- en noord-zuid-richtingen van het midden van de helling. Daarom is zwerfstroom een ​​belangrijke factor die de corrosie van metalen gaas op het midden en de neergaande helling beïnvloedt, vooral op het midden van de helling.
Over het algemeen geeft de redoxpotentiaal van de bodem (Eh) boven 400 mV het oxiderend vermogen aan, boven 0-200 mV is het gemiddeld reducerend vermogen en onder 0 mV is het groot reducerend vermogen. Hoe lager de redoxpotentiaal van de bodem, hoe groter het corrosievermogen van bodemmicro-organismen ten opzichte van metalen. Het is mogelijk om de trend van microbiële corrosie in de bodem te voorspellen aan de hand van de redoxpotentiaal. Uit het onderzoek bleek dat de redoxpotentiaal van de bodem van de drie hellingen groter was dan 500 mV en dat het corrosieniveau erg laag was. Het laat zien dat de ventilatieomstandigheden van de bodem op de hellingen goed zijn, wat niet bevorderlijk is voor de corrosie van anaërobe micro-organismen in de bodem.
Uit eerdere onderzoeken is gebleken dat de invloed van de pH-waarde van de bodem op bodemerosie duidelijk is. Schommelingen in de pH-waarde hebben een aanzienlijke invloed op de corrosiesnelheid van metalen materialen. De pH-waarde van de bodem hangt nauw samen met het gebied en de micro-organismen in de bodem45,46,47. Over het algemeen is het effect van de pH-waarde op de corrosie van metalen materialen in licht alkalische bodem niet duidelijk. De bodems van de drie spoorweghellingen zijn allemaal alkalisch, waardoor het effect van de pH op de corrosie van het metalen gaas zwak is.
Zoals blijkt uit Tabel 3, blijkt uit de correlatieanalyse dat het redoxpotentiaal en de hellingpositie significant positief gecorreleerd zijn (R2 = 0,858), dat het corrosiepotentiaal en de potentiaalgradiënt (SN) significant positief gecorreleerd zijn (R2 = 0,755) en dat het redoxpotentiaal en de potentiaalgradiënt (SN) significant positief gecorreleerd zijn (R2 = 0,755). Er was een significante negatieve correlatie tussen potentiaal en pH (R2 = -0,724). De hellingpositie was significant positief gecorreleerd met de redoxpotentiaal. Dit laat zien dat er verschillen zijn in de micro-omgeving van verschillende hellingposities en dat bodemmicro-organismen nauw verwant zijn aan het redoxpotentiaal48, 49, 50. De redoxpotentiaal was significant negatief gecorreleerd met pH51,52. Deze relatie gaf aan dat de pH- en Eh-waarden niet altijd synchroon veranderden tijdens het redoxproces van de bodem, maar een negatief lineair verband hadden. Metaalcorrosiepotentiaal kan het relatieve vermogen weergeven om elektronen te winnen en te verliezen. Hoewel de corrosiepotentiaal significant positief gecorreleerd was met de potentiaalgradiënt (SN), kan de potentiaalgradiënt worden veroorzaakt door het gemakkelijke verlies van elektronen door het metaal.
Het totale oplosbare zoutgehalte in de bodem is nauw verbonden met de corrosiviteit van de bodem. Over het algemeen geldt: hoe hoger het zoutgehalte van de bodem, hoe lager de soortelijke weerstand van de bodem, en dus hoe hoger de bodemweerstand. Bij elektrolyten in de bodem zijn het niet alleen de anionen en de variërende bereiken, maar ook de corrosie-invloeden die voornamelijk bestaan ​​uit carbonaten, chloriden en sulfaten. Daarnaast heeft het totale oplosbare zoutgehalte in de bodem indirect invloed op corrosie door de invloed van andere factoren, zoals het effect van het elektrodepotentiaal in metalen en de zuurstofoplosbaarheid van de bodem53.
De meeste oplosbare zout-gedissocieerde ionen in de bodem nemen niet rechtstreeks deel aan elektrochemische reacties, maar beïnvloeden metaalcorrosie via de bodemweerstand. Hoe hoger het zoutgehalte van de bodem, hoe sterker de bodemgeleiding en hoe sterker de bodemerosie. Het zoutgehalte van de bodem van natuurlijke hellingen is aanzienlijk hoger dan dat van spoorweghellingen, wat mogelijk te wijten is aan het feit dat natuurlijke hellingen rijk zijn aan vegetatie, wat bevorderlijk is voor bodem- en waterbehoud. Een andere reden kan zijn dat de natuurlijke helling een volwassen bodemvorming heeft ondergaan (moedermateriaal van de bodem gevormd door verwering van gesteenten), maar dat de bodem van de spoorweghelling bestaat uit gebroken steenfragmenten als matrix van "kunstmatige bodem" en geen voldoende bodemvormingsproces heeft ondergaan. Mineralen komen niet vrij. Bovendien stegen de zoutionen in de diepe bodem van natuurlijke hellingen door capillaire werking op tijdens de verdamping aan het oppervlak en hoopten zich op in de oppervlaktebodem, wat leidde tot een toename van het gehalte aan zoutionen in de oppervlaktebodem. De bodemdikte van de spoorlijnhelling is minder dan 20 cm, waardoor de bovengrond het zout uit de diepe bodem niet kan aanvullen.
Positieve ionen (zoals K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, enz.) hebben weinig effect op bodemcorrosie, terwijl anionen een belangrijke rol spelen in het elektrochemische corrosieproces en een aanzienlijke impact hebben op metaalcorrosie. Cl− kan de corrosie van de anode versnellen en is het meest corrosieve anion; hoe hoger het Cl−-gehalte, hoe sterker de bodemcorrosie. SO42− bevordert niet alleen corrosie van staal, maar veroorzaakt ook corrosie in sommige betonmaterialen54. Corrodeert ook ijzer. In een reeks experimenten met zure grond werd vastgesteld dat de corrosiesnelheid evenredig is met de zuurtegraad van de grond55. Chloride en sulfaat zijn de belangrijkste componenten van oplosbare zouten, die de cavitatie van metalen direct kunnen versnellen. Studies hebben aangetoond dat het gewichtsverlies door corrosie van koolstofstaal in alkalische bodems bijna evenredig is met de toevoeging van chloride- en sulfaationen56,57. Lee et al. ontdekten dat SO42- corrosie kan verhinderen, maar de ontwikkeling van reeds gevormde corrosieputten kan bevorderen58.
Volgens de norm voor de evaluatie van bodemcorrosiviteit en de testresultaten was het chloride-ionengehalte in elk hellingbodemmonster hoger dan 100 mg/kg, wat duidt op sterke bodemcorrosiviteit. Het sulfaat-ionengehalte van zowel de bergopwaartse als de bergafwaartse hellingen was hoger dan 200 mg/kg en lager dan 500 mg/kg, en de bodem was matig gecorrodeerd. Het sulfaat-ionengehalte in de middelste helling is lager dan 200 mg/kg, en de bodemcorrosie is zwak. Wanneer het bodemmedium een ​​hoge concentratie bevat, zal het deelnemen aan de reactie en corrosieschaal produceren op het oppervlak van de metalen elektrode, waardoor de corrosiereactie wordt vertraagd. Naarmate de concentratie toeneemt, kan de schaal plotseling breken, waardoor de corrosiesnelheid aanzienlijk wordt versneld; naarmate de concentratie blijft toenemen, bedekt de corrosieschaal het oppervlak van de metalen elektrode, en vertoont de corrosiesnelheid weer een vertragende trend59. Het onderzoek wees uit dat de hoeveelheid in de bodem lager was en daarom weinig effect had op corrosie.
Uit tabel 4 blijkt dat de correlatie tussen helling en bodem-anionen een significante positieve correlatie vertoonde tussen helling en chloride-ionen (R2=0,836), en een significante positieve correlatie tussen helling en totale oplosbare zouten (R2=0,742).
Dit suggereert dat oppervlaktewaterafvoer en bodemerosie verantwoordelijk kunnen zijn voor de veranderingen in de totale hoeveelheid oplosbare zouten in de bodem. Er bleek een significante positieve correlatie te zijn tussen de totale hoeveelheid oplosbare zouten en chloride-ionen. Dit komt mogelijk doordat de totale hoeveelheid oplosbare zouten de hoeveelheid chloride-ionen in bodemoplossingen vormt en het gehalte aan totale hoeveelheid oplosbare zouten het gehalte aan chloride-ionen in bodemoplossingen bepaalt. Daarom weten we dat het verschil in helling ernstige corrosie van het metalen gaasdeel kan veroorzaken.
Organische stof, totale stikstof, beschikbare stikstof, beschikbare fosfor en beschikbare kalium zijn de basisvoedingsstoffen van de bodem. Deze beïnvloeden de bodemkwaliteit en de opname van voedingsstoffen door het wortelstelsel. Bodemvoedingsstoffen spelen een belangrijke rol bij de micro-organismen in de bodem. Daarom is het de moeite waard om te onderzoeken of er een verband bestaat tussen bodemvoedingsstoffen en metaalcorrosie. De Suiyu-spoorlijn werd in 2003 voltooid, wat betekent dat er in de kunstmatige bodem slechts 9 jaar aan organische stof is opgebouwd. Vanwege de specifieke kenmerken van kunstmatige bodem is een goed begrip van de voedingsstoffen in kunstmatige bodem noodzakelijk.
Uit het onderzoek blijkt dat het organische stofgehalte het hoogst is in bodems op natuurlijke hellingen na het hele bodemvormingsproces. Het organische stofgehalte in bodems op lage hellingen was het laagst. Door de invloed van verwering en oppervlakkige afstroming hopen voedingsstoffen in de bodem zich op in het midden van de helling en op de hellingen, waardoor een dikke laag humus ontstaat. Vanwege de kleine deeltjes en de slechte stabiliteit van bodems op lage hellingen wordt organische stof echter gemakkelijk afgebroken door micro-organismen. Uit het onderzoek bleek dat de vegetatiebedekking en -diversiteit op het midden van de helling en op de hellingen hoog waren, maar dat de homogeniteit laag was, wat kan leiden tot een ongelijkmatige verdeling van voedingsstoffen aan het oppervlak. Een dikke laag humus houdt water vast en er zijn actieve bodemorganismen. Dit alles versnelt de afbraak van organische stof in de bodem.
Het gehalte aan alkali-gehydrolyseerde stikstof van de spoorwegen op de helling omhoog, op de helling omlaag en op de helling omlaag was hoger dan dat van de natuurlijke helling, wat aangeeft dat de mineralisatiesnelheid van organische stikstof van de spoorweghelling aanzienlijk hoger was dan die van de natuurlijke helling. Hoe kleiner de deeltjes, hoe instabieler de bodemstructuur, hoe gemakkelijker het is voor micro-organismen om het organische materiaal in de aggregaten af ​​te breken en hoe groter de pool van gemineraliseerde organische stikstof60,61. In overeenstemming met de resultaten van de 62 studie was het gehalte aan kleine deeltjesaggregaten in de bodem van spoorweghellingen aanzienlijk hoger dan dat van natuurlijke hellingen. Daarom moeten passende maatregelen worden genomen om het gehalte aan meststoffen, organische stof en stikstof in de bodem van de spoorweghelling te verhogen en het duurzame gebruik van de bodem te verbeteren. De verspilling van beschikbare fosfor en beschikbare kalium veroorzaakt door oppervlakteafvoer was goed voor 77,27% tot 99,79% van het totale verlies van de spoorweghelling. Oppervlakteafvoer kan de belangrijkste oorzaak zijn van het verlies aan beschikbare voedingsstoffen op de helling bodems63,64,65.
Zoals weergegeven in Tabel 4 was er een significante positieve correlatie tussen hellingligging en beschikbaar fosfor (R2=0,948). De correlatie tussen hellingligging en beschikbaar kalium was hetzelfde (R2=0,898). Hieruit blijkt dat de hellingligging van invloed is op het gehalte aan beschikbaar fosfor en beschikbaar kalium in de bodem.
De helling is een belangrijke factor die het gehalte aan organische stof in de bodem en de stikstofverrijking beïnvloedt66, en hoe kleiner de helling, hoe groter de verrijkingsgraad. Bij de verrijking van bodemvoedingsstoffen werd het verlies aan voedingsstoffen afgezwakt en was het effect van de hellingligging op het gehalte aan organische stof in de bodem en de totale stikstofverrijking niet duidelijk. Verschillende soorten en aantallen planten op verschillende hellingen hebben verschillende organische zuren die door de plantenwortels worden afgescheiden. Organische zuren zijn gunstig voor de vastlegging van beschikbare fosfor en beschikbare kalium in de bodem. Daarom was er een significante correlatie tussen hellingligging en beschikbare fosfor, en hellingligging en beschikbare kalium.
Om de relatie tussen bodemvoedingsstoffen en bodemcorrosie te verduidelijken, is het noodzakelijk om de correlatie te analyseren. Zoals weergegeven in Tabel 5, was het redoxpotentiaal significant negatief gecorreleerd met beschikbare stikstof (R2 = -0,845) en significant positief gecorreleerd met beschikbare fosfor (R2 = 0,842) en beschikbare kalium (R2 = 0,980). Het redoxpotentiaal weerspiegelt de kwaliteit van de redox, die gewoonlijk wordt beïnvloed door enkele fysische en chemische eigenschappen van de bodem, en beïnvloedt vervolgens een reeks eigenschappen van de bodem. Daarom is het een belangrijke factor bij het bepalen van de richting van de transformatie van bodemvoedingsstoffen67. Verschillende redoxkwaliteiten kunnen resulteren in verschillende toestanden en beschikbaarheid van voedingsfactoren. Daarom heeft het redoxpotentiaal een significante correlatie met beschikbare stikstof, beschikbare fosfor en beschikbare kalium.
Naast metaaleigenschappen hangt corrosiepotentieel ook samen met bodemeigenschappen. Corrosiepotentieel bleek significant negatief gecorreleerd met organische stof, wat aangeeft dat organische stof een significante invloed heeft op corrosiepotentieel. Daarnaast bleek organische stof ook significant negatief gecorreleerd te zijn met de potentiaalgradiënt (SN) (R2 = -0,713) en sulfaationen (R2 = -0,671), wat aangeeft dat het gehalte aan organische stof ook van invloed is op de potentiaalgradiënt (SN) en sulfaationen. Er was een significante negatieve correlatie tussen de pH van de bodem en de beschikbare kalium (R2 = -0,728).
De beschikbare stikstof vertoonde een significante negatieve correlatie met de totale oplosbare zouten en chloride-ionen. De beschikbare fosfor en het beschikbare kalium vertoonden een significante positieve correlatie met de totale oplosbare zouten en chloride-ionen. Dit gaf aan dat het gehalte aan beschikbare voedingsstoffen een significante invloed had op de hoeveelheid totale oplosbare zouten en chloride-ionen in de bodem en dat anionen in de bodem niet bevorderlijk waren voor de accumulatie en aanvoer van beschikbare voedingsstoffen. De totale stikstof vertoonde een significante negatieve correlatie met sulfaationen en een significante positieve correlatie met bicarbonaat, wat aangeeft dat de totale stikstof effect had op het sulfaat- en bicarbonaatgehalte. Planten hebben weinig behoefte aan sulfaationen en bicarbonaationen, dus de meeste hiervan bevinden zich vrij in de bodem of worden opgenomen door bodemcolloïden. Bicarbonaationen bevorderen de accumulatie van stikstof in de bodem en sulfaationen verminderen de beschikbaarheid van stikstof in de bodem. Daarom is het op passende wijze verhogen van het gehalte aan beschikbare stikstof en humus in de bodem gunstig voor het verminderen van bodemcorrosiviteit.
Bodem is een systeem met een complexe samenstelling en eigenschappen. Bodemcorrosiviteit is het resultaat van de synergetische werking van vele factoren. Daarom wordt over het algemeen een uitgebreide evaluatiemethode gebruikt om bodemcorrosiviteit te evalueren. Met verwijzing naar de "Code for Geotechnical Engineering Investigation" (GB50021-94) en de testmethoden van China Soil Corrosion Test Network, kan de bodemcorrosiegraad uitgebreid worden geëvalueerd volgens de volgende normen: (1) De evaluatie is zwakke corrosie, indien er alleen zwakke corrosie is, is er geen matige corrosie of sterke corrosie; (2) indien er geen sterke corrosie is, wordt het geëvalueerd als matige corrosie; (3) indien er één of twee plaatsen van sterke corrosie zijn, wordt het geëvalueerd als sterke corrosie; (4) indien er 3 of meer plaatsen van sterke corrosie zijn, wordt het geëvalueerd als sterke corrosie voor ernstige corrosie.
De corrosiegraden van bodemmonsters op verschillende hellingen werden uitgebreid geëvalueerd op basis van bodemweerstand, redoxpotentiaal, watergehalte, zoutgehalte, pH-waarde en Cl- en SO42-gehalte. De onderzoeksresultaten laten zien dat de bodems op alle hellingen zeer corrosief zijn.
Corrosiepotentieel is een belangrijke factor die de corrosie van hellingbeschermingsnetten beïnvloedt. De corrosiepotentialen van de drie hellingen zijn allemaal lager dan -200 mV, wat de grootste impact heeft op de corrosie van het bergopwaarts gelegen metalen gaas. Potentiaalgradiënt kan worden gebruikt om de omvang van zwerfstroom in de bodem te beoordelen. Zwerfstroom is een belangrijke factor die de corrosie van metalen gaas op middelhoge en bergopwaartse hellingen beïnvloedt, met name op middelhoge hellingen. Het totale oplosbare zoutgehalte in de bodems van de bovenste, middelste en onderste hellingen was allemaal hoger dan 500 mg/kg en het corrosie-effect op het hellingbeschermingsnet was matig. Het bodemvochtgehalte is een belangrijke factor die de corrosie van metalen gaas op middelhoge en bergafwaartse hellingen beïnvloedt en heeft een grotere impact op de corrosie van hellingbeschermingsnetten. Voedingsstoffen zijn het meest overvloedig aanwezig in bodem op middelhoge hellingen, wat aangeeft dat er frequente microbiële activiteit en snelle plantengroei is.
Uit het onderzoek blijkt dat corrosiepotentieel, potentiaalgradiënt, totaal oplosbaar zoutgehalte en watergehalte de belangrijkste factoren zijn die bodemcorrosie op de drie hellingen beïnvloeden. De bodemcorrosiviteit wordt als sterk beoordeeld. De corrosie van het hellingbeschermingsnetwerk is het ernstigst op de middelste helling, wat een referentiepunt biedt voor het corrosiewerende ontwerp van het hellingbeschermingsnetwerk voor spoorwegen. Een adequate toevoeging van beschikbare stikstof en organische meststoffen is gunstig voor het verminderen van bodemcorrosie, het bevorderen van plantengroei en uiteindelijk het stabiliseren van de helling.
Hoe dit artikel te citeren: Chen, J. et al. Effecten van bodemsamenstelling en elektrochemie op de corrosie van een hellingnetwerk van gesteenten langs een Chinese spoorlijn. science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Dynamische eigenschappen van hellingen van spoorwegondergronden bij aardbevingen. Natuurramp.69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Analyse van typische aardbevingsschade aan snelwegen in het door de aardbeving getroffen gebied Wenchuan in de provincie Sichuan [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. Seismische schade-analyse en tegenmaatregelen van snelwegbruggen tijdens de aardbeving in Wenchuan. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC Het effect van de aardbeving in Chichi op aardverschuivingen veroorzaakt door daaropvolgende regenval in centraal Taiwan.Engineering Geology.86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Langetermijneffecten van aardbevingsgeïnduceerde aardverschuivingen op de sedimentproductie in een bergstroomgebied: regio Tanzawa, Japan.geomorphology.101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. & Dedong, L. Een overzicht van onderzoek naar seismische stabiliteitsanalyse van geotechnische hellingen. Earthquake Engineering and Engineering Vibration.25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Onderzoek naar geologische gevaren veroorzaakt door de aardbeving van Wenchuan in Sichuan. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Hellingbescherming met vegetatie: wortelmechanica van enkele tropische planten. International Journal of Physical Sciences.5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. Topografische effecten op tropische lage bergbossen onder verschillende geologische omstandigheden in Mount Kinabalu, Borneo. Plant Ecology.159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al. Ideale worteleigenschappen van planten voor het beschermen van natuurlijke en aangelegde hellingen tegen aardverschuivingen. Plants and Soils, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Effecten van graswortels op de erodeerbaarheid van de bovengrond tijdens geconcentreerde stroming. Geomorphology 76, 54–67 (2006).