Gràcies per visitar Nature.com. La versió del navegador que esteu utilitzant té compatibilitat limitada amb CSS. Per a una millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o que desactiveu el mode de compatibilitat a l'Internet Explorer). Mentrestant, per garantir una assistència continuada, mostrarem el lloc web sense estils ni JavaScript.
Prenent el pendent del ferrocarril Sui-Chongqing com a objecte de recerca, la resistivitat del sòl, l'electroquímica del sòl (potencial de corrosió, potencial redox, gradient de potencial i pH), els anions del sòl (sals solubles totals, Cl-, SO42- i) i la nutrició del sòl (contingut d'humitat, matèria orgànica, nitrogen total, nitrogen hidrolitzat alcalí, fòsfor disponible, potassi disponible). Sota diferents pendents, el grau de corrosió s'avalua segons els indicadors individuals i els indicadors complets del sòl artificial. En comparació amb altres factors, l'aigua té la major influència en la corrosió de la xarxa de protecció de pendents, seguida del contingut d'anions. La sal soluble total té un efecte moderat sobre la corrosió de la xarxa de protecció de pendents, i el corrent de dispersió té un efecte moderat sobre la corrosió de la xarxa de protecció de pendents. El grau de corrosió de les mostres de sòl es va avaluar exhaustivament, i la corrosió al pendent superior va ser moderada, i la corrosió als pendents mitjà i inferior va ser forta. La matèria orgànica del sòl es va correlacionar significativament amb el gradient de potencial. El nitrogen disponible, el potassi disponible i el fòsfor disponible es van correlacionar significativament amb els anions. La distribució dels nutrients del sòl està relacionada indirectament amb el tipus de pendent.
Quan es construeixen ferrocarrils, autopistes i instal·lacions de conservació d'aigua, les obertures a les muntanyes sovint són inevitables. A causa de les muntanyes del sud-oest, la construcció de ferrocarrils a la Xina requereix molta excavació de la muntanya. Destrueix el sòl i la vegetació originals, creant vessants rocosos exposats. Aquesta situació provoca esllavissades i erosió del sòl, amenaçant així la seguretat del transport ferroviari. Les esllavissades són perjudicials per al trànsit rodat, especialment després del terratrèmol de Wenchuan del 12 de maig de 2008. Les esllavissades s'han convertit en un desastre sísmic greu i àmpliament distribuït. En l'avaluació del 2008 de 4.243 quilòmetres de carreteres troncals clau a la província de Sichuan, hi va haver 1.736 desastres sísmics greus en llits de carreteres i murs de contenció de pendents, cosa que representa el 39,76% de la longitud total de l'avaluació. Les pèrdues econòmiques directes per danys a les carreteres van superar els 58.000 milions de iuans 2,3. Exemples globals mostren que els riscos geològics posteriors a terratrèmols poden durar almenys 10 anys (terratrèmol de Taiwan) i fins i tot 40-50 anys (terratrèmol de Kanto al Japó) 4,5. El gradient és el principal factor que afecta el risc sísmic 6,7. Per tant, cal mantenir el pendent de la carretera i enfortir la seva estabilitat. Les plantes tenen un paper irreemplaçable en la protecció dels pendents i la restauració ecològica del paisatge 8. En comparació amb els pendents de sòl ordinaris, els pendents rocosos no tenen l'acumulació de factors nutritius com ara matèria orgànica, nitrogen, fòsfor i potassi, i no tenen l'entorn edàfic necessari per al creixement de la vegetació. A causa de factors com ara els grans pendents i l'erosió de la pluja, el sòl dels pendents es perd fàcilment. L'entorn dels pendents és dur, no té la condicions necessàries per al creixement de les plantes, i el sòl del pendent no té estabilitat de suport9. La polvorització de pendents amb material base per cobrir el sòl per protegir el pendent és una tecnologia de restauració ecològica de pendents que s'utilitza habitualment al meu país. El sòl artificial utilitzat per a la polvorització està compost de pedra triturada, sòl de terres de conreu, palla, fertilitzant compost, agent de retenció d'aigua i adhesiu (els adhesius que s'utilitzen habitualment inclouen ciment Portland, cola orgànica i emulsionant d'asfalt) ​​en una determinada proporció. El procés tècnic és: primer col·locar filferro espinós sobre la roca, després fixar el filferro espinós amb reblons i cargols d'ancoratge i finalment polvoritzar sòl artificial que conté llavors al pendent amb un polvoritzador especial. La malla metàl·lica en forma de diamant de 14# totalment galvanitzada s'utilitza principalment, amb un estàndard de malla de 5cm × 5cm i un diàmetre de 2mm. La malla metàl·lica permet que la matriu del sòl formi una llosa monolítica duradora a la superfície de la roca. La malla metàl·lica es corroirà al sòl, perquè el sòl en si és un electròlit i el grau de corrosió depèn de les característiques del sòl. L'avaluació dels factors de corrosió del sòl és de gran importància per avaluar l'erosió de la malla metàl·lica induïda pel sòl i eliminar les esllavissades. perills.
Es creu que les arrels de les plantes tenen un paper crucial en l'estabilització dels pendents i el control de l'erosió10,11,12,13,14. Per estabilitzar els pendents contra esllavissades superficials, es pot utilitzar vegetació perquè les arrels de les plantes poden fixar el sòl per evitar esllavissades15,16,17. La vegetació llenyosa, especialment els arbres, ajuda a prevenir esllavissades superficials18. Una estructura protectora robusta formada pels sistemes d'arrels verticals i laterals de les plantes que actuen com a piles de reforç al sòl. El desenvolupament dels patrons d'arquitectura de les arrels està impulsat pels gens, i l'entorn del sòl juga un paper decisiu en aquests processos. La corrosió dels metalls varia segons l'entorn del sòl20. El grau de corrosió dels metalls al sòl pot anar des d'una dissolució força ràpida fins a un impacte insignificant21. El sòl artificial és molt diferent del "sòl" real. La formació de sòls naturals és el resultat d'interaccions entre l'entorn extern i diversos organismes durant desenes de milions d'anys22,23,24. Abans que la vegetació llenyosa formi un sistema d'arrels i un ecosistema estables, el fet que la malla metàl·lica combinada amb el pendent de roca i el sòl artificial pugui funcionar amb seguretat està directament relacionat amb el desenvolupament de l'economia natural, la seguretat de la vida i la millora del medi ambient ecològic.
Tanmateix, la corrosió dels metalls pot provocar grans pèrdues. Segons una enquesta realitzada a la Xina a principis dels anys vuitanta sobre maquinària química i altres indústries, les pèrdues causades per la corrosió dels metalls representaven el 4% del valor total de la producció. Per tant, és de gran importància estudiar el mecanisme de corrosió i prendre mesures de protecció per a la construcció econòmica. El sòl és un sistema complex de gasos, líquids, sòlids i microorganismes. Els metabòlits microbians poden corroir els materials i els corrents vagabunds també poden causar corrosió. Per tant, és important prevenir la corrosió dels metalls enterrats al sòl. Actualment, la investigació sobre la corrosió dels metalls enterrats se centra principalment en (1) factors que afecten la corrosió dels metalls enterrats25; (2) mètodes de protecció dels metalls26,27; (3) mètodes de judici per al grau de corrosió dels metalls28; Corrosió en diferents medis. Tanmateix, tots els sòls de l'estudi eren naturals i havien experimentat processos de formació del sòl suficients. Tanmateix, no hi ha cap informe sobre l'erosió artificial del sòl dels vessants rocosos del ferrocarril.
En comparació amb altres medis corrosius, el sòl artificial té les característiques d'il·liquiditat, heterogeneïtat, estacionalitat i regionalitat. La corrosió metàl·lica en sòls artificials és causada per interaccions electroquímiques entre metalls i sòls artificials. A més dels factors innats, la velocitat de corrosió metàl·lica també depèn de l'entorn circumdant. Diversos factors afecten la corrosió metàl·lica individualment o en combinació, com ara el contingut d'humitat, el contingut d'oxigen, el contingut total de sals solubles, el contingut d'anions i ions metàl·lics, el pH i els microbis del sòl30,31,32.
En 30 anys de pràctica, la qüestió de com preservar permanentment els sòls artificials en vessants rocosos ha estat un problema33. Els arbustos o arbres no poden créixer en alguns vessants després de 10 anys de cura manual a causa de l'erosió del sòl. La brutícia de la superfície de la malla metàl·lica es va esbandir en alguns llocs. A causa de la corrosió, algunes malles metàl·liques es van esquerdar i van perdre tota la terra per sobre i per sota (Figura 1). Actualment, la investigació sobre la corrosió dels vessants ferroviaris se centra principalment en la corrosió de la xarxa de terra de la subestació ferroviària, la corrosió per corrents de dispersió generada pel tren lleuger i la corrosió dels ponts ferroviaris34,35, vies i altres equips de vehicles36. No hi ha hagut informes de corrosió de la malla metàl·lica de protecció del vessant ferroviari. Aquest article estudia les propietats físiques, químiques i electroquímiques dels sòls artificials al vessant rocós sud-oest del ferrocarril de Suiyu, amb l'objectiu de predir la corrosió metàl·lica mitjançant l'avaluació de les propietats del sòl i proporcionar una base teòrica i pràctica per a la restauració de l'ecosistema del sòl i la restauració artificial. Vessant artificial.
El lloc de prova es troba a la zona muntanyosa de Sichuan (30°32′N, 105°32′E) prop de l'estació de tren de Suining. La zona es troba al mig de la conca de Sichuan, amb muntanyes i turons baixos, amb una estructura geològica simple i un terreny pla. L'erosió, el tall i l'acumulació d'aigua creen paisatges muntanyosos erosionats. La roca mare és principalment calcària, i l'encavalcament és principalment sorra porpra i fang. La integritat és deficient i la roca és una estructura en blocs. La zona d'estudi té un clima monsònic humit subtropical amb característiques estacionals de principis de primavera, estiu calorós, tardor curta i finals d'hivern. Les pluges són abundants, els recursos de llum i calor són abundants, el període sense gelades és llarg (285 dies de mitjana), el clima és suau, la temperatura mitjana anual és de 17,4 °C, la temperatura mitjana del mes més calorós (agost) és de 27,2 °C i la temperatura màxima extrema és de 39,3 °C. El mes més fred és gener (la temperatura mitjana és de 6,5 °C), l'extrem La temperatura mínima és de -3,8 °C, i la precipitació mitjana anual és de 920 mm, concentrada principalment al juliol i a l'agost. Les precipitacions a la primavera, l'estiu, la tardor i l'hivern varien molt. La proporció de precipitacions a cada estació de l'any és del 19-21%, del 51-54%, del 22-24% i del 4-5%, respectivament.
El lloc de recerca és un pendent d'uns 45° al pendent del ferrocarril Yu-Sui construït el 2003. L'abril de 2012, estava orientat cap al sud a menys d'1 km de l'estació de ferrocarril de Suining. El pendent natural es va utilitzar com a control. La restauració ecològica del pendent adopta la tecnologia de polvorització de sòl amb recobriment exterior per a la restauració ecològica. Segons l'alçada del pendent lateral del ferrocarril, el pendent es pot dividir en pendent ascendent, pendent mitjà i pendent descendent (Fig. 2). Com que el gruix del sòl artificial del pendent tallat és d'uns 10 cm, per evitar la contaminació dels productes de corrosió de la malla metàl·lica del sòl, només utilitzem una pala d'acer inoxidable per prendre la superfície del sòl de 0 a 8 cm. Es van establir quatre rèpliques per a cada posició del pendent, amb 15-20 punts de mostreig aleatoris per rèplica. Cada rèplica és una barreja de 15-20 determinats aleatòriament a partir de punts de mostreig de línia en forma de S. El seu pes fresc és d'uns 500 grams. Torneu a portar les mostres al laboratori en bosses de polietilè amb cremallera per al seu processament. El sòl s'asseca a l'aire de manera natural i la grava i els residus animals i vegetals es recullen, es trituren amb un pal d'àgata i es tamisen amb un sedàs de niló de malla 20 i 100, excepte les partícules gruixudes.
La resistivitat del sòl es va mesurar amb el provador de resistència de connexió a terra VICTOR4106 produït per Shengli Instrument Company; la resistivitat del sòl es va mesurar in situ; La humitat del sòl es va mesurar mitjançant el mètode d'assecat. L'instrument digital portàtil DMP-2 mv/pH presenta una alta impedància d'entrada per mesurar el potencial de corrosió del sòl. El gradient de potencial i el potencial redox es van determinar mitjançant el DMP-2 digital portàtil mv/pH, la sal total soluble al sòl es va determinar mitjançant el mètode d'assecat de residus, el contingut d'ions clorur al sòl es va determinar mitjançant el mètode de titració d'AgNO3 (mètode de Mohr), el contingut de sulfat del sòl es va determinar mitjançant el mètode de titració d'EDTA indirecte, el mètode de titració de doble indicador per determinar el carbonat i bicarbonat del sòl, el mètode d'escalfament per oxidació amb dicromat de potassi per determinar la matèria orgànica del sòl, el mètode de difusió en solució alcalina per determinar el nitrogen per hidròlisi alcalina del sòl, i el mètode colorimètric Mo-Sb per digestió amb H2SO4-HClO4. El fòsfor total al sòl i el contingut de fòsfor disponible al sòl es van determinar mitjançant el mètode d'Olsen (solució de NaHCO3 de 0,05 mol/L com a extractant), i el contingut total de potassi al sòl es va determinar mitjançant fotometria de flama de fusió amb hidròxid de sodi.
Inicialment, les dades experimentals es van sistematitzar. Es va utilitzar SPSS Statistics 20 per realitzar anàlisis de mitjana, desviació estàndard, ANOVA unidireccional i correlació humana.
La Taula 1 presenta les propietats electromecàniques, els anions i els nutrients dels sòls amb diferents pendents. El potencial de corrosió, la resistivitat del sòl i el gradient de potencial est-oest de diferents pendents van ser significatius (P < 0,05). Els potencials redox del pendent baixant, del pendent mitjà i del pendent natural van ser significatius (P < 0,05). El gradient de potencial perpendicular a la via, és a dir, el gradient de potencial nord-sud, és pendent ascendent> pendent descendent> pendent mitjà. El valor del pH del sòl era de l'ordre de pendent descendent> pendent ascendent> pendent mitjà> pendent natural. La sal soluble total, el pendent natural va ser significativament més alt que el pendent ferroviari (P < 0,05). El contingut total de sal soluble del sòl del pendent ferroviari de tercer grau és superior a 500 mg/kg, i la sal soluble total té un efecte moderat sobre la corrosió dels metalls. El contingut de matèria orgànica del sòl va ser el més alt al pendent natural i el més baix al pendent baixant (P < 0,05). El contingut total de nitrogen va ser el més alt al pendent mitjà i el més baix al pendent ascendent; El contingut de nitrogen disponible va ser el més alt al vessant descendent i mitjà, i el més baix al vessant natural; el contingut total de nitrogen del vessant ascendent i descendent de la via fèrria era més baix, però el contingut de nitrogen disponible era més alt. Això indica que la taxa de mineralització de nitrogen orgànic ascendent i descendent és ràpida. El contingut de potassi disponible és el mateix que el fòsfor disponible.
La resistivitat del sòl és un índex que indica la conductivitat elèctrica i un paràmetre bàsic per jutjar la corrosió del sòl. Els factors que afecten la resistivitat del sòl inclouen el contingut d'humitat, el contingut total de sals solubles, el pH, la textura del sòl, la temperatura, el contingut de matèria orgànica, la temperatura del sòl i l'estanquitat. En general, els sòls amb baixa resistivitat són més corrosius i viceversa. L'ús de la resistivitat per jutjar la corrosivitat del sòl és un mètode que s'utilitza habitualment en diversos països. La taula 1 mostra els criteris d'avaluació del grau de corrosivitat per a cada índex individual37,38.
Segons els resultats de les proves i els estàndards del meu país (Taula 1), si la corrosivitat del sòl només s'avalua per la resistivitat del sòl, el sòl del pendent ascendent és altament corrosiu; el sòl del pendent descendent és moderadament corrosiu; la corrosivitat del sòl al pendent mitjà i al pendent natural és relativament baixa.
La resistivitat del sòl del pendent ascendent és significativament inferior a la d'altres parts del pendent, cosa que pot ser causada per l'erosió de la pluja. La capa superior del sòl del pendent ascendent flueix cap al pendent mitjà amb l'aigua, de manera que la xarxa metàl·lica de protecció del pendent ascendent està a prop de la capa superior del sòl. Algunes de les malles metàl·liques van quedar exposades i fins i tot suspeses a l'aire (Figura 1). La resistivitat del sòl es va mesurar in situ; l'espaiat entre pilons era de 3 m; la profunditat de clavada dels pilons era inferior a 15 cm. La malla metàl·lica nua i l'òxid descamat poden interferir amb els resultats de la mesura. Per tant, no és fiable avaluar la corrosivitat del sòl només mitjançant l'índex de resistivitat del sòl. En l'avaluació exhaustiva de la corrosió, no es té en compte la resistivitat del sòl del pendent ascendent.
A causa de l'alta humitat relativa, l'aire humit perenne de la zona de Sichuan fa que la malla metàl·lica exposada a l'aire es corroeixi més greument que la malla metàl·lica enterrada al sòl39. L'exposició de la malla metàl·lica a l'aire pot provocar una disminució de la vida útil, cosa que pot desestabilitzar els sòls en pendent ascendent. La pèrdua de sòl pot dificultar el creixement de les plantes, especialment les plantes llenyoses. A causa de la manca de plantes llenyoses, és difícil formar un sistema d'arrels en pendent ascendent per solidificar el sòl. Al mateix temps, el creixement de les plantes també pot millorar la qualitat del sòl i augmentar el contingut d'humus al sòl, que no només pot retenir aigua, sinó que també proporciona un bon entorn per al creixement i la reproducció d'animals i plantes, reduint així la pèrdua de sòl. Per tant, en la fase inicial de la construcció, s'han de sembrar més llavors llenyoses al pendent ascendent i s'ha d'afegir contínuament un agent de retenció d'aigua i cobrir-lo amb una pel·lícula per protegir-lo, per tal de reduir l'erosió del sòl en pendent ascendent per l'aigua de pluja.
El potencial de corrosió és un factor important que afecta la corrosió de la xarxa de protecció de pendents en el pendent de tres nivells, i té el major impacte en el pendent ascendent (Taula 2). En condicions normals, el potencial de corrosió no canvia gaire en un entorn determinat. Un canvi notable pot ser causat per corrents vagabunds. Els corrents vagabunds es refereixen als corrents 40, 41, 42 que es filtren a la capa de la carretera i al sòl quan els vehicles utilitzen el sistema de transport públic. Amb el desenvolupament del sistema de transport, el sistema de transport ferroviari del meu país ha aconseguit una electrificació a gran escala, i la corrosió dels metalls enterrats causada per fuites de corrent continu de ferrocarrils electrificats no es pot ignorar. Actualment, el gradient de potencial del sòl es pot utilitzar per determinar si el sòl conté pertorbacions de corrent vagabund. Quan el gradient de potencial del sòl superficial és inferior a 0,5 mv/m, el corrent vagabund és baix; quan el gradient de potencial es troba en el rang de 0,5 mv/m a 5,0 mv/m, el corrent vagabund és moderat; Quan el gradient de potencial és superior a 5,0 mv/m, el nivell de corrent de dispersió és alt. El rang flotant del gradient de potencial (EW) del pendent mitjà, pendent ascendent i pendent descendent es mostra a la Figura 3. Pel que fa al rang flotant, hi ha corrents de dispersió moderats en les direccions est-oest i nord-sud del pendent mitjà. Per tant, el corrent de dispersió és un factor important que afecta la corrosió de les malles metàl·liques al pendent mitjà i descendent, especialment al pendent mitjà.
Generalment, el potencial redox del sòl (Eh) per sobre de 400 mV indica la capacitat oxidant, per sobre de 0-200 mV és una capacitat reductora mitjana i per sota de 0 mV és una capacitat reductora gran. Com més baix sigui el potencial redox del sòl, més gran serà la capacitat de corrosió dels microorganismes del sòl als metalls44. És possible predir la tendència de la corrosió microbiana del sòl a partir del potencial redox. L'estudi va trobar que el potencial redox del sòl dels tres vessants era superior a 500 mV i que el nivell de corrosió era molt petit. Això demostra que la condició de ventilació del sòl dels terrenys en pendent és bona, cosa que no és propícia per a la corrosió dels microorganismes anaeròbics del sòl.
Estudis previs han descobert que l'impacte del pH del sòl sobre l'erosió del sòl és evident. Amb la fluctuació del valor del pH, la velocitat de corrosió dels materials metàl·lics es veu afectada significativament. El pH del sòl està estretament relacionat amb la zona i els microorganismes del sòl45,46,47. En general, l'efecte del pH del sòl sobre la corrosió de materials metàl·lics en sòls lleugerament alcalins no és evident. Els sòls dels tres vessants ferroviaris són tots alcalins, de manera que l'efecte del pH sobre la corrosió de la malla metàl·lica és feble.
Com es pot veure a la Taula 3, l'anàlisi de correlació mostra que el potencial redox i la posició del pendent estan significativament correlacionats positivament (R2 = 0,858), el potencial de corrosió i el gradient de potencial (SN) estan significativament correlacionats positivament (R2 = 0,755), i el potencial redox i el gradient de potencial (SN) estan significativament correlacionats positivament (R2 = 0,755). Hi va haver una correlació negativa significativa entre el potencial i el pH (R2 = -0,724). La posició del pendent es va correlacionar positivament de manera significativa amb el potencial redox. Això demostra que hi ha diferències en el microambient de les diferents posicions del pendent, i els microorganismes del sòl estan estretament relacionats amb el potencial redox48, 49, 50. El potencial redox es va correlacionar negativament de manera significativa amb el pH51,52. Aquesta relació va indicar que els valors de pH i Eh no sempre canviaven de manera sincronitzada durant el procés redox del sòl, sinó que tenien una relació lineal negativa. El potencial de corrosió del metall pot representar la capacitat relativa de guanyar i perdre electrons. Tot i que el potencial de corrosió es va correlacionar positivament de manera significativa amb el gradient de potencial (SN), el gradient de potencial pot ser causat per la fàcil pèrdua d'electrons pel metall.
El contingut total de sals solubles del sòl està estretament relacionat amb la corrosivitat del sòl. En general, com més alta sigui la salinitat del sòl, menor serà la resistivitat del sòl, cosa que augmenta la resistència del sòl. En els electròlits del sòl, no només els anions i els rangs variables, sinó també les influències de la corrosió són principalment carbonats, clorurs i sulfats. A més, el contingut total de sals solubles al sòl afecta indirectament la corrosió a través de la influència d'altres factors, com ara l'efecte del potencial d'elèctrode en els metalls i la solubilitat de l'oxigen del sòl53.
La majoria dels ions dissociats en sal solubles al sòl no participen directament en les reaccions electroquímiques, sinó que afecten la corrosió dels metalls a través de la resistivitat del sòl. Com més alta és la salinitat del sòl, més forta és la conductivitat del sòl i més forta és l'erosió del sòl. El contingut de salinitat del sòl dels vessants naturals és significativament més alt que el dels vessants ferroviaris, cosa que pot ser deguda al fet que els vessants naturals són rics en vegetació, cosa que afavoreix la conservació del sòl i de l'aigua. Una altra raó pot ser que el vessant natural ha experimentat la formació de sòl madur (material parental del sòl format per la meteorització de la roca), però el sòl del vessant ferroviari està compost per fragments de pedra triturada com a matriu del "sòl artificial" i no ha experimentat un procés de formació del sòl suficient. Minerals no alliberats. A més, els ions de sal del sòl profund dels vessants naturals van pujar per acció capil·lar durant l'evaporació superficial i es van acumular al sòl superficial, cosa que va provocar un augment del contingut d'ions de sal al sòl superficial. El gruix del sòl del vessant ferroviari és inferior a 20 cm, cosa que provoca la incapacitat de la capa superior del sòl per complementar la sal del sòl profund.
Els ions positius (com ara K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, etc.) tenen poc efecte sobre la corrosió del sòl, mentre que els anions tenen un paper significatiu en el procés electroquímic de corrosió i tenen un impacte significatiu en la corrosió dels metalls. El Cl− pot accelerar la corrosió de l'ànode i és l'anió més corrosiu; com més alt sigui el contingut de Cl−, més forta serà la corrosió del sòl. El SO42− no només promou la corrosió de l'acer, sinó que també causa corrosió en alguns materials de formigó54. També corrodeix el ferro. En una sèrie d'experiments amb sòls àcids, es va trobar que la velocitat de corrosió era proporcional a l'acidesa del sòl55. El clorur i el sulfat són els principals components de les sals solubles, que poden accelerar directament la cavitació dels metalls. Els estudis han demostrat que la pèrdua de pes per corrosió de l'acer al carboni en sòls alcalins és gairebé proporcional a l'addició d'ions clorur i sulfat56,57. Lee et al. van trobar que el SO42- pot dificultar la corrosió, però promoure el desenvolupament de clots de corrosió que ja s'han format58.
Segons l'estàndard d'avaluació de la corrosivitat del sòl i els resultats de les proves, el contingut d'ions de clorur a cada mostra de sòl de pendent era superior a 100 mg/kg, cosa que indica una forta corrosivitat del sòl. El contingut d'ions sulfat tant en el pendent ascendent com en el descendent era superior a 200 mg/kg i inferior a 500 mg/kg, i el sòl estava moderadament corroït. El contingut d'ions sulfat al pendent mitjà és inferior a 200 mg/kg i la corrosió del sòl és feble. Quan el medi del sòl conté una alta concentració, participarà en la reacció i produirà incrustacions de corrosió a la superfície de l'elèctrode metàl·lic, alentint així la reacció de corrosió. A mesura que augmenta la concentració, l'incrustació es pot trencar sobtadament, accelerant així considerablement la velocitat de corrosió; a mesura que la concentració continua augmentant, l'incrustació de corrosió cobreix la superfície de l'elèctrode metàl·lic i la velocitat de corrosió mostra una tendència a la desacceleració de nou59. L'estudi va trobar que la quantitat al sòl era menor i, per tant, tenia poc efecte sobre la corrosió.
Segons la Taula 4, la correlació entre el pendent i els anions del sòl va mostrar que hi havia una correlació positiva significativa entre el pendent i els ions clorur (R2 = 0,836), i una correlació positiva significativa entre el pendent i les sals solubles totals (R2 = 0,742).
Això suggereix que l'escolament superficial i l'erosió del sòl poden ser responsables dels canvis en les sals solubles totals al sòl. Hi va haver una correlació positiva significativa entre les sals solubles totals i els ions clorur, cosa que pot ser deguda al fet que les sals solubles totals són el conjunt d'ions clorur, i el contingut de sals solubles totals determina el contingut d'ions clorur en les solucions del sòl. Per tant, podem saber que la diferència de pendent pot causar una corrosió severa de la part de la malla metàl·lica.
La matèria orgànica, el nitrogen total, el nitrogen disponible, el fòsfor disponible i el potassi disponible són els nutrients bàsics del sòl, que afecten la qualitat del sòl i l'absorció de nutrients pel sistema radicular. Els nutrients del sòl són un factor important que afecta els microorganismes del sòl, per la qual cosa val la pena estudiar si hi ha una correlació entre els nutrients del sòl i la corrosió dels metalls. El ferrocarril de Suiyu es va completar el 2003, cosa que significa que el sòl artificial només ha experimentat 9 anys d'acumulació de matèria orgànica. A causa de la particularitat del sòl artificial, cal tenir una bona comprensió dels nutrients del sòl artificial.
La investigació mostra que el contingut de matèria orgànica és el més alt en el sòl de pendent natural després de tot el procés de formació del sòl. El contingut de matèria orgànica del sòl de baix pendent va ser el més baix. A causa de la influència de la meteorització i l'escolament superficial, els nutrients del sòl s'acumulen al vessant mitjà i avall, formant una gruixuda capa d'humus. Tanmateix, a causa de les petites partícules i la poca estabilitat del sòl de baix pendent, la matèria orgànica es descompon fàcilment pels microorganismes. L'estudi va trobar que la cobertura i la diversitat de la vegetació a mig i avall del vessant eren elevades, però l'homogeneïtat era baixa, cosa que pot conduir a una distribució desigual dels nutrients superficials. Una gruixuda capa d'humus reté l'aigua i els organismes del sòl són actius. Tot això accelera la descomposició de la matèria orgànica al sòl.
El contingut de nitrogen hidrolitzat alcalí de les vies fèrries de pendent ascendent, mitjà i descendent era més alt que el del pendent natural, cosa que indica que la taxa de mineralització de nitrogen orgànic del pendent ferroviari era significativament més alta que la del pendent natural. Com més petites eren les partícules, més inestable era l'estructura del sòl, més fàcil era que els microorganismes descomponessin la matèria orgànica dels agregats i més gran era la reserva de nitrogen orgànic mineralitzat60,61. D'acord amb els resultats de l'estudi 62, el contingut d'agregats de partícules petites al sòl dels pendents ferroviaris era significativament més alt que el dels pendents naturals. Per tant, s'han de prendre mesures adequades per augmentar el contingut de fertilitzant, matèria orgànica i nitrogen al sòl del pendent ferroviari i per millorar la utilització sostenible del sòl. El malbaratament de fòsfor disponible i potassi disponible causat per l'escolament superficial va representar entre el 77,27% i el 99,79% de la pèrdua total del pendent ferroviari. L'escolament superficial pot ser el principal factor de la pèrdua de nutrients disponibles en sòls de pendent63,64,65.
Com es mostra a la Taula 4, hi va haver una correlació positiva significativa entre la posició del pendent i el fòsfor disponible (R2 = 0,948), i la correlació entre la posició del pendent i el potassi disponible va ser la mateixa (R2 = 0,898). Això mostra que la posició del pendent afecta el contingut de fòsfor disponible i potassi disponible al sòl.
El gradient és un factor important que afecta el contingut de matèria orgànica del sòl i l'enriquiment en nitrogen66, i com més petit sigui el gradient, més gran serà la taxa d'enriquiment. Pel que fa a l'enriquiment de nutrients del sòl, la pèrdua de nutrients es va debilitar i l'efecte de la posició del pendent sobre el contingut de matèria orgànica del sòl i l'enriquiment total de nitrogen no va ser evident. Diferents tipus i nombre de plantes en diferents pendents tenen diferents àcids orgànics secretats per les arrels de les plantes. Els àcids orgànics són beneficiosos per a la fixació del fòsfor disponible i el potassi disponible al sòl. Per tant, hi va haver una correlació significativa entre la posició del pendent i el fòsfor disponible, i la posició del pendent i el potassi disponible.
Per tal d'aclarir la relació entre els nutrients del sòl i la corrosió del sòl, cal analitzar la correlació. Com es mostra a la Taula 5, el potencial redox es va correlacionar negativament de manera significativa amb el nitrogen disponible (R2 = -0,845) i positivament de manera significativa amb el fòsfor disponible (R2 = 0,842) i el potassi disponible (R2 = 0,980). El potencial redox reflecteix la qualitat del redox, que normalment es veu afectada per algunes propietats físiques i químiques del sòl, i després afecta una sèrie de propietats del sòl. Per tant, és un factor important per determinar la direcció de la transformació dels nutrients del sòl67. Diferents qualitats redox poden donar lloc a diferents estats i disponibilitat de factors nutricionals. Per tant, el potencial redox té una correlació significativa amb el nitrogen disponible, el fòsfor disponible i el potassi disponible.
A més de les propietats dels metalls, el potencial de corrosió també està relacionat amb les propietats del sòl. El potencial de corrosió es va correlacionar negativament de manera significativa amb la matèria orgànica, cosa que indica que la matèria orgànica tenia un efecte significatiu sobre el potencial de corrosió. A més, la matèria orgànica també es va correlacionar negativament de manera significativa amb el gradient de potencial (SN) (R2 = -0,713) i l'ió sulfat (R2 = -0,671), cosa que indica que el contingut de matèria orgànica també afecta el gradient de potencial (SN) i l'ió sulfat. Hi va haver una correlació negativa significativa entre el pH del sòl i el potassi disponible (R2 = -0,728).
El nitrogen disponible es va correlacionar negativament de manera significativa amb les sals solubles totals i els ions clorur, i el fòsfor disponible i el potassi disponible es van correlacionar positivament de manera significativa amb les sals solubles totals i els ions clorur. Això va indicar que el contingut de nutrients disponibles afectava significativament la quantitat de sals solubles totals i ions clorur al sòl, i els anions al sòl no eren propicis per a l'acumulació i el subministrament de nutrients disponibles. El nitrogen total es va correlacionar negativament de manera significativa amb l'ió sulfat i positivament de manera significativa amb el bicarbonat, cosa que indica que el nitrogen total tenia un efecte sobre el contingut de sulfat i bicarbonat. Les plantes tenen poca demanda d'ions sulfat i ions bicarbonat, de manera que la majoria d'ells són lliures al sòl o són absorbits pels col·loides del sòl. Els ions bicarbonat afavoreixen l'acumulació de nitrogen al sòl i els ions sulfat redueixen la disponibilitat de nitrogen al sòl. Per tant, augmentar adequadament el contingut de nitrogen i humus disponibles al sòl és beneficiós per reduir la corrosivitat del sòl.
El sòl és un sistema amb una composició i propietats complexes. La corrosivitat del sòl és el resultat de l'acció sinèrgica de molts factors. Per tant, generalment s'utilitza un mètode d'avaluació integral per avaluar la corrosivitat del sòl. En referència al "Codi per a la Investigació d'Enginyeria Geotècnica" (GB50021-94) i als mètodes de prova de la Xarxa de Proves de Corrosió del Sòl de la Xina, el grau de corrosió del sòl es pot avaluar de manera integral segons els estàndards següents: (1) L'avaluació és de corrosió feble, si només hi ha corrosió feble, no hi ha corrosió moderada ni corrosió forta; (2) si no hi ha corrosió forta, s'avalua com a corrosió moderada; (3) si hi ha un o dos llocs de corrosió forta, s'avalua com a corrosió forta; (4) si hi ha 3 o més llocs de corrosió forta, s'avalua com a corrosió forta per a corrosió severa.
Segons la resistivitat del sòl, el potencial redox, el contingut d'aigua, el contingut de sal, el valor del pH i el contingut de Cl- i SO42-, es van avaluar exhaustivament els graus de corrosió de les mostres de sòl en diversos vessants. Els resultats de la investigació mostren que els sòls en tots els vessants són altament corrosius.
El potencial de corrosió és un factor important que afecta la corrosió de la xarxa de protecció de pendents. Els potencials de corrosió dels tres pendents són tots inferiors a -200 mv, cosa que té el major impacte en la corrosió de la malla metàl·lica en pendents ascendents. El gradient de potencial es pot utilitzar per jutjar la magnitud del corrent de dispersió al sòl. El corrent de dispersió és un factor important que afecta la corrosió de la malla metàl·lica en pendents mitjans i pendents ascendents, especialment en pendents mitjans. El contingut total de sal soluble en els sòls dels pendents superior, mitjà i inferior era superior a 500 mg/kg, i l'efecte de corrosió sobre la xarxa de protecció de pendents era moderat. El contingut d'aigua del sòl és un factor important que afecta la corrosió de les malles metàl·liques a mig pendent i pendent descendent, i té un major impacte en la corrosió de les malles de protecció de pendents. Els nutrients són més abundants al sòl de mig pendent, cosa que indica que hi ha activitats microbianes freqüents i un ràpid creixement de les plantes.
La investigació mostra que el potencial de corrosió, el gradient potencial, el contingut total de sals solubles i el contingut d'aigua són els principals factors que afecten la corrosió del sòl als tres vessants, i la corrosivitat del sòl s'avalua com a forta. La corrosió de la xarxa de protecció de pendents és la més greu al vessant mitjà, cosa que proporciona una referència per al disseny anticorrosió de la xarxa de protecció de pendents ferroviaris. L'addició adequada de nitrogen i fertilitzant orgànic disponible és beneficiosa per reduir la corrosió del sòl, facilitar el creixement de les plantes i, finalment, estabilitzar el pendent.
Com citar aquest article: Chen, J. et al. Efectes de la composició del sòl i l'electroquímica sobre la corrosió de la xarxa de pendents rocosos al llarg d'una línia ferroviària xinesa. Science. Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL i Yang, GL Característiques dinàmiques dels talussos del subsòl ferroviari sota excitació sísmica. Desastre natural. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Anàlisi dels danys típics causats per terratrèmols a les carreteres de la zona afectada pel terratrèmol de Wenchuan, a la província de Sichuan [J]. Revista Xinesa de Mecànica i Enginyeria de Roques. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. i Jinsong, J. Anàlisi de danys sísmics i contramesures de ponts de carretera en el terratrèmol de Wenchuan. Revista xinesa de mecànica i enginyeria de roques. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY i Liu, CC. L'efecte del terratrèmol de Chichi sobre els esllavissaments induïts per les pluges posteriors al centre de Taiwan. Engineering Geology. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Efectes a llarg termini dels esllavissaments induïts per terratrèmols sobre la producció de sediments en una conca hidrogràfica de muntanya: regió de Tanzawa, Japó. Geomorphology. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. i Dedong, L. Una revisió de la recerca sobre l'anàlisi d'estabilitat sísmica de vessants geotècnics. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Recerca sobre els riscos geològics causats pel terratrèmol de Wenchuan a Sichuan. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Protecció de pendents amb vegetació: mecànica d'arrels d'algunes plantes tropicals. Revista Internacional de Ciències Físicas. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI i Kitayama, K. Efectes topogràfics sobre els boscos tropicals de muntanya baixa sota diferents condicions geològiques al Mont Kinabalu, Borneo. Plant Ecology. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al. Característiques ideals de les arrels de les plantes per protegir els vessants naturals i artificials dels esllavissaments. Plants and Soils, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. i Knapen, A. Efectes de les arrels de les gramínies sobre l'erosió de la capa superior del sòl durant el flux concentrat. Geomorphology 76, 54–67 (2006).