Vielen Dank für Ihren Besuch auf Nature.com. Die von Ihnen verwendete Browserversion unterstützt CSS nur eingeschränkt. Für ein optimales Erlebnis empfehlen wir Ihnen, einen aktualisierten Browser zu verwenden (oder den Kompatibilitätsmodus in Internet Explorer zu deaktivieren). Um eine kontinuierliche Unterstützung zu gewährleisten, zeigen wir die Site in der Zwischenzeit ohne Stile und JavaScript an.
Am Hang der Sui-Chongqing-Eisenbahn wurden der spezifische Bodenwiderstand, die elektrochemischen Eigenschaften des Bodens (Korrosionspotenzial, Redoxpotenzial, Potenzialgradient und pH-Wert), die Bodenanionen (Gesamtgehalt löslicher Salze, Cl-, SO42- und) und der Nährstoffgehalt des Bodens (Feuchtigkeitsgehalt, organische Substanz, Gesamtstickstoff, alkalisch hydrolysierter Stickstoff, verfügbarer Phosphor, verfügbares Kalium) untersucht. Der Korrosionsgrad verschiedener Hanglagen wurde anhand der Einzelindikatoren und der Gesamtindikatoren des künstlichen Bodens bewertet. Im Vergleich zu anderen Faktoren hat Wasser den größten Einfluss auf die Korrosion des Hangschutznetzes, gefolgt vom Anionengehalt. Der Gesamtgehalt löslicher Salze hat einen moderaten Einfluss auf die Korrosion des Hangschutznetzes, und Streuströme haben einen moderaten Einfluss auf die Korrosion des Hangschutznetzes. Der Korrosionsgrad der Bodenproben wurde umfassend bewertet. Die Korrosion am oberen Hang war moderat, die Korrosion am mittleren und unteren Hang stark. Die organische Substanz im Boden korrelierte signifikant mit dem Potenzialgradienten. Verfügbarer Stickstoff, verfügbares Kalium und verfügbarer Phosphor korrelierten signifikant mit Anionen. Die Verteilung der Bodennährstoffe hängt indirekt mit der Hangart zusammen.
Beim Bau von Eisenbahnstrecken, Autobahnen und Wasserbauwerken sind Gebirgsöffnungen oft unvermeidlich. Wegen der Berge im Südwesten Chinas erfordert der Eisenbahnbau umfangreiche Aushubarbeiten. Dadurch werden der ursprüngliche Boden und die Vegetation zerstört, und es entstehen freiliegende Felshänge. Dies führt zu Erdrutschen und Bodenerosion und gefährdet somit die Sicherheit des Schienenverkehrs. Erdrutsche beeinträchtigen den Straßenverkehr, insbesondere nach dem Erdbeben von Wenchuan am 12. Mai 2008. Erdrutsche sind zu einer weit verbreiteten und schwerwiegenden Erdbebenkatastrophe geworden1. Bei der Bewertung von 4.243 Kilometern wichtiger Fernstraßen in der Provinz Sichuan im Jahr 2008 gab es 1.736 schwere Erdbebenkatastrophen in Straßenbetten und Hangstützmauern, was 39,76 % der Gesamtlänge der Bewertung ausmacht. Die direkten wirtschaftlichen Verluste durch Straßenschäden überstiegen 58 Milliarden Yuan2,3. Globale Beispiele zeigen, dass Geogefahren nach Erdbeben mindestens 10 Jahre (Erdbeben in Taiwan) und sogar 40-50 Jahre (Erdbeben in Kanto in Japan) andauern können4,5. Die Neigung ist der Hauptfaktor, der die Erdbebengefahr beeinflusst6,7. Daher ist es notwendig, die Straßenneigung zu erhalten und ihre Stabilität zu erhöhen. Pflanzen spielen eine unersetzliche Rolle beim Hangschutz und der ökologischen Landschaftsrestaurierung8. Im Vergleich zu gewöhnlichen Erdhängen weisen Felshänge keine Ansammlung von Nährstoffen wie organischen Stoffen, Stickstoff, Phosphor und Kalium auf und verfügen nicht über die für das Pflanzenwachstum notwendige Bodenumgebung. Aufgrund von Faktoren wie großer Neigung und Regen Durch Erosion geht Hangboden leicht verloren. Die Hangumgebung ist rau, bietet nicht die notwendigen Bedingungen für Pflanzenwachstum und der Hangboden hat keine stützende Stabilität. Das Besprühen von Hängen mit Grundmaterial zum Schutz des Bodens ist in meinem Land eine häufig verwendete Technologie zur ökologischen Hangsanierung. Der zum Besprühen verwendete Kunstboden besteht aus Schotter, Ackerboden, Stroh, Mehrnährstoffdünger, Wasserrückhaltemittel und Klebstoff (üblicherweise verwendete Klebstoffe sind Portlandzement, organischer Klebstoff und Asphaltemulgator) in einem bestimmten Verhältnis. Der technische Prozess ist: Zuerst Stacheldraht auf den Felsen legen, dann den Stacheldraht mit Nieten und Ankerbolzen befestigen und schließlich mit einem speziellen Sprühgerät Kunstboden mit Samen auf den Hang sprühen. Meistens wird das vollständig verzinkte rautenförmige Metallgitter Nr. 14 mit einem Maschenstandard von 5 cm × 5 cm und einem Durchmesser von 2 mm verwendet. Das Metallgitter ermöglicht es der Bodenmatrix, eine dauerhafte monolithische Platte auf der Felsoberfläche zu bilden. Das Metallgitter korrodiert im Boden, da der Boden selbst ein Elektrolyt ist. und der Grad der Korrosion hängt von den Eigenschaften des Bodens ab. Die Bewertung der Bodenkorrosionsfaktoren ist von großer Bedeutung für die Beurteilung der durch Boden verursachten Metallgittererosion und die Beseitigung von Erdrutschgefahren.
Pflanzenwurzeln spielen vermutlich eine entscheidende Rolle bei der Hangstabilisierung und Erosionskontrolle10,11,12,13,14. Um Hänge gegen flache Erdrutsche zu stabilisieren, kann Vegetation eingesetzt werden, da Pflanzenwurzeln den Boden fixieren und so Erdrutsche verhindern können15,16,17. Gehölze, insbesondere Bäume, tragen zur Vorbeugung flacher Erdrutsche bei18. Eine robuste Schutzstruktur wird durch die vertikalen und seitlichen Wurzelsysteme von Pflanzen gebildet, die als Verstärkungspfeiler im Boden fungieren. Die Entwicklung von Wurzelarchitekturmustern wird durch Gene gesteuert, und die Bodenumgebung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Die Korrosion von Metallen variiert je nach Bodenumgebung20. Der Korrosionsgrad von Metallen im Boden kann von relativ schneller Auflösung bis zu vernachlässigbaren Auswirkungen reichen21. Künstlicher Boden unterscheidet sich stark von echtem „Boden“. Die Bildung natürlicher Böden ist das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen der äußeren Umgebung und verschiedenen Organismen über Millionen von Jahren22,23,24. Bevor die Gehölzvegetation ein stabiles Wurzelsystem und Ökosystem bildet, Die sichere Funktionsfähigkeit von Felshängen und künstlichen Böden steht in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung der natürlichen Ökonomie, der Sicherheit des Lebens und der Verbesserung der ökologischen Umwelt.
Metallkorrosion kann jedoch zu enormen Verlusten führen. Laut einer Anfang der 1980er Jahre in China durchgeführten Studie über Chemiemaschinen und andere Industriezweige machten Verluste durch Metallkorrosion 4 % der gesamten Produktionsmenge aus. Daher ist es für wirtschaftliches Bauen von großer Bedeutung, den Korrosionsmechanismus zu untersuchen und Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Der Boden ist ein komplexes System aus Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und Mikroorganismen. Mikrobielle Stoffwechselprodukte können Materialien korrodieren, und auch Streuströme können Korrosion verursachen. Daher ist es wichtig, die Korrosion von im Boden vergrabenen Metallen zu verhindern. Derzeit konzentriert sich die Forschung zur Korrosion vergrabener Metalle hauptsächlich auf (1) Faktoren, die die Korrosion vergrabener Metalle beeinflussen25; (2) Methoden zum Schutz von Metallen26,27; (3) Methoden zur Beurteilung des Grads der Metallkorrosion28; Korrosion in verschiedenen Medien. Alle untersuchten Böden waren jedoch natürlich und hatten ausreichende Bodenbildungsprozesse durchlaufen. Es gibt jedoch keine Berichte über künstliche Bodenerosion an Bahnhängen.
Im Vergleich zu anderen korrosiven Medien weist künstlicher Boden die Eigenschaften von Illiquidität, Heterogenität, Saisonalität und Regionalität auf. Metallkorrosion in künstlichen Böden wird durch elektrochemische Wechselwirkungen zwischen Metallen und künstlichen Böden verursacht. Neben angeborenen Faktoren hängt die Geschwindigkeit der Metallkorrosion auch von der Umgebung ab. Eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst die Metallkorrosion einzeln oder in Kombination, wie Feuchtigkeitsgehalt, Sauerstoffgehalt, Gesamtgehalt an löslichen Salzen, Anionen- und Metallionengehalt, pH-Wert und Bodenmikroben30,31,32.
In 30 Jahren Praxis hat sich die Frage, wie künstliche Böden an felsigen Hängen dauerhaft erhalten werden können, als problematisch erwiesen33. An manchen Hängen können nach 10 Jahren manueller Pflege aufgrund von Bodenerosion keine Sträucher oder Bäume wachsen. Der Schmutz auf der Oberfläche des Metallgitters wurde an einigen Stellen weggespült. Durch Korrosion rissen einige Metallgitter und der gesamte Boden darüber und darunter ging verloren (Abbildung 1). Derzeit konzentriert sich die Forschung zur Korrosion an Bahnhängen hauptsächlich auf die Korrosion des Erdungsnetzes von Umspannwerken, die von Stadtbahnen verursachte Streustromkorrosion sowie die Korrosion von Eisenbahnbrücken34,35, Gleisen und anderer Fahrzeugausrüstung36. Es liegen keine Berichte über Korrosion des Metallgitters zum Schutz von Bahnhängen vor. In dieser Arbeit werden die physikalischen, chemischen und elektrochemischen Eigenschaften künstlicher Böden am südwestlichen Felshang der Suiyu-Eisenbahn untersucht. Ziel ist es, durch Bewertung der Bodeneigenschaften Metallkorrosion vorherzusagen und eine theoretische und praktische Grundlage für die Wiederherstellung von Bodenökosystemen und die künstliche Wiederherstellung zu schaffen.
Das Testgelände befindet sich im hügeligen Gebiet von Sichuan (30°32′N, 105°32′E) in der Nähe des Bahnhofs Suining. Das Gebiet liegt mitten im Sichuan-Becken und ist geprägt von niedrigen Bergen und Hügeln, einer einfachen geologischen Struktur und flachem Gelände. Erosion, Abtragung und Wasseransammlung führen zu erodierten Hügellandschaften. Das Grundgestein besteht hauptsächlich aus Kalkstein, die Deckschicht hauptsächlich aus violettem Sand und Tonstein. Die Integrität ist schlecht, und das Gestein weist eine blockartige Struktur auf. Das Untersuchungsgebiet weist ein subtropisches, feuchtes Monsunklima mit den jahreszeitlichen Merkmalen Frühfrühling, heißer Sommer, kurzer Herbstzeit und Spätwinter auf. Es gibt reichlich Niederschlag, reichlich Licht und Wärme, die frostfreie Zeit ist lang (durchschnittlich 285 Tage), das Klima ist mild, die Jahresdurchschnittstemperatur beträgt 17,4 °C, die Durchschnittstemperatur des heißesten Monats (August) 27,2 °C und die Höchsttemperatur 39,3 °C. Der kälteste Monat ist der Januar. (Durchschnittstemperatur 6,5 °C), die extreme Tiefsttemperatur liegt bei -3,8 °C und der jährliche Durchschnittsniederschlag beträgt 920 mm, hauptsächlich im Juli und August. Die Niederschlagsmenge im Frühling, Sommer, Herbst und Winter variiert stark. Der Niederschlagsanteil in jeder Jahreszeit beträgt 19–21 %, 51–54 %, 22–24 % bzw. 4–5 %.
Das Forschungsgelände befindet sich an einem Hang mit einer Neigung von etwa 45° am Hang der 2003 erbauten Yu-Sui-Eisenbahn. Im April 2012 war es nach Süden ausgerichtet, 1 km vom Bahnhof Suining entfernt. Der natürliche Hang wurde als Kontrolle verwendet. Bei der ökologischen Sanierung des Hangs wurde die ausländische Topdressing-Bodensprühtechnologie zur ökologischen Sanierung eingesetzt. Je nach Höhe des bahnseitigen Hangs kann der Hang in Aufwärts-, Mittelhang- und Abwärtshang unterteilt werden (Abb. 2). Da die Dicke des künstlichen Bodens am abgetragenen Hang etwa 10 cm beträgt, verwenden wir zur Vermeidung der Verschmutzung des Metallgewebes des Bodens durch Korrosionsprodukte nur eine Edelstahlschaufel, um die Bodenoberfläche 0-8 cm zu entnehmen. Für jede Hangposition wurden vier Replikate mit 15-20 zufällig ausgewählten Probenahmepunkten pro Replikat festgelegt. Jedes Replikat ist eine Mischung aus 15-20 zufällig ausgewählten Probenahmepunkten in S-förmiger Linie. Das Frischgewicht beträgt etwa 500 Gramm. Bringen Sie die Proben zur Verarbeitung in Polyethylen-Ziplock-Beuteln ins Labor zurück. Der Boden wird natürlich luftgetrocknet, Kies sowie tierische und pflanzliche Rückstände werden herausgesucht, mit einem Achatstab zerkleinert und mit einem 20-Maschen-Sieb gesiebt. 100-Maschen-Nylonsieb, außer für die groben Partikel.
Der Bodenwiderstand wurde mit dem Erdungswiderstandstester VICTOR4106 der Shengli Instrument Company gemessen; der Bodenwiderstand wurde vor Ort gemessen; die Bodenfeuchtigkeit wurde mit der Trocknungsmethode gemessen. Das tragbare digitale MV/pH-Gerät DMP-2 verfügt über eine hohe Eingangsimpedanz zur Messung des Bodenkorrosionspotenzials. Potenzialgradient und Redoxpotenzial wurden mit dem tragbaren digitalen MV/pH-Gerät DMP-2 bestimmt, der gesamte lösliche Salzgehalt im Boden wurde mit der Rückstandstrocknungsmethode bestimmt, der Chloridionengehalt im Boden wurde mit der AgNO3-Titrationsmethode (Mohr-Methode) bestimmt, der Bodensulfatgehalt wurde mit der indirekten EDTA-Titrationsmethode bestimmt, die Doppelindikatortitrationsmethode zur Bestimmung von Bodenkarbonat und -bikarbonat, die Kaliumdichromat-Oxidationserhitzungsmethode zur Bestimmung von organischem Bodenmaterial, die alkalische Lösungsdiffusionsmethode zur Bestimmung von Stickstoff aus alkalischer Hydrolyse im Boden, die kolorimetrische Mo-Sb-Methode mit H2SO4-HClO4-Aufschluss. Der Gesamtphosphor im Boden und der verfügbare Phosphorgehalt im Boden wurden mit der Olsen-Methode (0,05 mol/l NaHCO3-Lösung als Extraktionsmittel) und der Gesamtkaliumgehalt im Boden wurde mit der Natriumhydroxid-Fusionsflammenphotometrie bestimmt.
Die experimentellen Daten wurden zunächst systematisiert. Mit SPSS Statistics 20 wurden Mittelwert-, Standardabweichungs-, einfaktorielle ANOVA- und Humankorrelationsanalysen durchgeführt.
Tabelle 1 zeigt die elektromechanischen Eigenschaften, Anionen und Nährstoffe von Böden mit unterschiedlichen Neigungen. Das Korrosionspotenzial, der spezifische Bodenwiderstand und der Ost-West-Potenzialgradient der verschiedenen Neigungen waren alle signifikant (P < 0,05). Die Redoxpotenziale von Gefälle, mittlerer Neigung und natürlicher Neigung waren signifikant (P < 0,05). Der Potenzialgradient senkrecht zur Schiene, d. h. der Nord-Süd-Potenzialgradient, ist Hangaufwärts > Gefälle > mittlere Neigung. Der pH-Wert des Bodens verlief in der Reihenfolge Gefälle > Gefälle > mittlere Neigung > natürliche Neigung. Der Gesamtgehalt an löslichem Salz war in natürlicher Neigung signifikant höher als in Bahnhängen (P < 0,05). Der Gesamtgehalt an löslichem Salz im Boden der dritten Klasse an Bahnhängen liegt über 500 mg/kg, und der Gesamtgehalt an löslichem Salz hat einen mäßigen Einfluss auf die Metallkorrosion. Der Gehalt an organischer Bodensubstanz war in natürlicher Neigung am höchsten und in Gefällelage am niedrigsten (P < 0,05). der verfügbare Stickstoffgehalt war am Gefälle und im Mittelhang am höchsten und am natürlichen Hang am niedrigsten; der Gesamtstickstoffgehalt des Eisenbahn-Auf- und Abhangs war niedriger, aber der verfügbare Stickstoffgehalt war höher. Dies weist darauf hin, dass die Mineralisierungsrate des organischen Stickstoffs bergauf und bergab schnell ist. Der verfügbare Kaliumgehalt ist gleich dem verfügbaren Phosphorgehalt.
Der spezifische Bodenwiderstand ist ein Index zur Angabe der elektrischen Leitfähigkeit und ein grundlegender Parameter zur Beurteilung der Bodenkorrosion. Zu den Faktoren, die den spezifischen Bodenwiderstand beeinflussen, zählen Feuchtigkeitsgehalt, Gesamtsalzgehalt, pH-Wert, Bodentextur, Temperatur, Gehalt an organischen Stoffen, Bodentemperatur und Dichtheit. Im Allgemeinen sind Böden mit geringem spezifischen Widerstand korrosiver und umgekehrt. Die Beurteilung der Bodenkorrosivität anhand des spezifischen Widerstands ist eine in vielen Ländern gebräuchliche Methode. Tabelle 1 zeigt die Bewertungskriterien für den Korrosivitätsgrad für jeden einzelnen Index37,38.
Gemäß den Testergebnissen und Standards in meinem Land (Tabelle 1) ist der Boden am Berghang stark korrosiv, wenn die Bodenkorrosivität nur anhand des Bodenwiderstands bewertet wird. Der Boden am Berghang ist mäßig korrosiv. Die Bodenkorrosivität am mittleren Hang und am natürlichen Hang ist relativ gering.
Der Bodenwiderstand am Berghang ist deutlich geringer als an anderen Stellen des Hangs, was auf Regenerosion zurückzuführen sein kann. Der Mutterboden am Berghang fließt mit dem Wasser zum Mittelhang, sodass das metallene Hangschutznetz am Berghang nahe am Mutterboden anliegt. Einige der Metallgitter waren freigelegt und schwebten sogar in der Luft (Abbildung 1). Der Bodenwiderstand wurde vor Ort gemessen; der Pfahlabstand betrug 3 m; die Rammtiefe lag unter 15 cm. Blanke Metallgitter und abblätternder Rost können die Messergebnisse verfälschen. Daher ist es unzuverlässig, die Bodenkorrosivität nur anhand des Bodenwiderstandsindex zu bewerten. Bei der umfassenden Korrosionsbewertung wird der Bodenwiderstand am Berghang nicht berücksichtigt.
Aufgrund der hohen relativen Luftfeuchtigkeit führt die ganzjährig feuchte Luft in Sichuan dazu, dass der Luft ausgesetzte Metallgitter stärker korrodieren als im Boden vergrabene.39. Luftkontakt mit Drahtgittern kann die Lebensdauer verkürzen und so die Stabilität von Böden in Hanglagen beeinträchtigen. Bodenverlust kann das Wachstum von Pflanzen, insbesondere Gehölzen, beeinträchtigen. Aufgrund des Mangels an Gehölzen ist die Bildung eines Wurzelsystems zur Bodenverfestigung in Hanglagen schwierig. Gleichzeitig kann Pflanzenwachstum die Bodenqualität verbessern und den Humusgehalt des Bodens erhöhen. Humus kann nicht nur Wasser speichern, sondern auch ein gutes Umfeld für Wachstum und Vermehrung von Tieren und Pflanzen schaffen und so den Bodenverlust verringern. Daher sollte in der frühen Bauphase mehr Gehölzsamen im Hangbereich ausgesät, kontinuierlich Wasserrückhaltemittel hinzugefügt und zum Schutz mit Folie abgedeckt werden, um die Erosion des Hangbodens durch Regenwasser zu verringern.
Das Korrosionspotenzial ist ein wichtiger Faktor für die Korrosion des Hangschutznetzes an dreistufigen Hängen und hat den größten Einfluss auf die Steigung (Tabelle 2). Unter normalen Bedingungen ändert sich das Korrosionspotenzial in einer bestimmten Umgebung nicht wesentlich. Eine spürbare Veränderung kann durch Streuströme verursacht werden. Streuströme beziehen sich auf die Ströme 40, 41 und 42, die bei der Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel in den Straßenbelag und den Boden gelangen. Mit der Entwicklung des Verkehrssystems wurde das Eisenbahnsystem Chinas weitgehend elektrifiziert, und die Korrosion vergrabener Metalle durch Gleichstromlecks von elektrifizierten Eisenbahnen kann nicht ignoriert werden. Derzeit kann der Bodenpotenzialgradient verwendet werden, um festzustellen, ob der Boden Streustromstörungen enthält. Wenn der Potenzialgradient des Oberflächenbodens weniger als 0,5 mV/m beträgt, ist der Streustrom gering; wenn der Potenzialgradient im Bereich von 0,5 mV/m bis 5,0 mV/m liegt, ist der Streustrom moderat; Wenn der Potenzialgradient mehr als 5,0 mV/m beträgt, ist der Streustrompegel hoch. Der Schwebebereich des Potenzialgradienten (EW) in der Hangmitte, am Hangaufwärts- und am Hangabwärtsgebiet ist in Abbildung 3 dargestellt. In Bezug auf den Schwebebereich treten in der Hangmitte moderate Streuströme in Ost-West- und Nord-Süd-Richtung auf. Daher ist der Streustrom ein wichtiger Faktor, der die Korrosion von Metallgittern in der Hangmitte und am Hangabwärtsgebiet, insbesondere in der Hangmitte, beeinflusst.
Im Allgemeinen zeigt ein Redoxpotential (Eh) des Bodens über 400 mV eine Oxidationsfähigkeit an, über 0–200 mV eine mittlere Reduktionsfähigkeit und unter 0 mV eine starke Reduktionsfähigkeit. Je niedriger das Redoxpotential des Bodens, desto stärker ist die Korrosionsfähigkeit von Bodenmikroorganismen gegenüber Metallen44. Anhand des Redoxpotentials lässt sich die Tendenz der mikrobiellen Bodenkorrosion vorhersagen. Die Studie ergab, dass das Redoxpotential des Bodens an drei Hängen über 500 mV lag und der Korrosionsgrad sehr gering war. Dies zeigt, dass die Bodenbelüftungsbedingungen des Hanglandes gut sind, was der Korrosion durch anaerobe Mikroorganismen im Boden nicht förderlich ist.
Frühere Studien haben gezeigt, dass der Einfluss des pH-Werts des Bodens auf die Bodenerosion offensichtlich ist. Durch die Schwankung des pH-Werts wird die Korrosionsrate von Metallmaterialien erheblich beeinflusst. Der pH-Wert des Bodens hängt eng mit der Region und den Mikroorganismen im Boden zusammen45,46,47. Im Allgemeinen ist der Einfluss des pH-Werts des Bodens auf die Korrosion von Metallmaterialien in leicht alkalischen Böden nicht offensichtlich. Die Böden der drei Bahnhänge sind alle alkalisch, daher ist der Einfluss des pH-Werts auf die Korrosion des Metallgewebes gering.
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, zeigt die Korrelationsanalyse, dass das Redoxpotential und die Hanglage signifikant positiv korreliert sind (R2 = 0,858), das Korrosionspotential und der Potentialgradient (SN) signifikant positiv korreliert sind (R2 = 0,755) und das Redoxpotential und der Potentialgradient (SN) signifikant positiv korreliert sind (R2 = 0,755). Es gab eine signifikante negative Korrelation zwischen Potenzial und pH-Wert (R2 = -0,724). Die Hanglage korrelierte signifikant positiv mit dem Redoxpotenzial. Dies zeigt, dass es Unterschiede im Mikroumfeld verschiedener Hanglagen gibt und Bodenmikroorganismen eng mit dem Redoxpotenzial verbunden sind48, 49, 50. Das Redoxpotenzial korrelierte signifikant negativ mit dem pH-Wert51,52. Diese Beziehung zeigte, dass sich pH- und Eh-Werte während des Bodenredoxprozesses nicht immer synchron änderten, sondern eine negative lineare Beziehung aufwiesen. Das Metallkorrosionspotenzial kann die relative Fähigkeit darstellen, Elektronen aufzunehmen und abzugeben. Obwohl das Korrosionspotenzial signifikant positiv mit dem Potenzialgradienten (SN) korrelierte, kann der Potenzialgradient durch den leichten Elektronenverlust des Metalls verursacht werden.
Der Gesamtgehalt an löslichen Salzen im Boden hängt eng mit der Korrosivität des Bodens zusammen. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Salzgehalt des Bodens, desto geringer ist der spezifische Bodenwiderstand und desto höher ist somit die Bodenbeständigkeit. In Bodenelektrolyten sind es nicht nur die Anionen und ihre unterschiedlichen Bereiche, sondern auch die korrosionsauslösenden Stoffe, hauptsächlich Carbonate, Chloride und Sulfate. Darüber hinaus beeinflusst der Gesamtgehalt an löslichen Salzen im Boden die Korrosion indirekt durch den Einfluss anderer Faktoren, wie beispielsweise der Wirkung des Elektrodenpotentials bei Metallen und der Sauerstofflöslichkeit im Boden53.
Die meisten löslichen Salzionen im Boden nehmen nicht direkt an elektrochemischen Reaktionen teil, beeinflussen jedoch die Metallkorrosion über den spezifischen Bodenwiderstand. Je höher der Salzgehalt des Bodens, desto stärker ist die Bodenleitfähigkeit und desto stärker ist die Bodenerosion. Der Salzgehalt des Bodens an natürlichen Hängen ist deutlich höher als an Bahnhängen, was möglicherweise daran liegt, dass natürliche Hänge reich an Vegetation sind, was sich positiv auf Boden- und Wassererhaltung auswirkt. Ein weiterer Grund kann sein, dass der natürliche Hang eine reife Bodenbildung erfahren hat (Bodenausgangsmaterial, das durch Gesteinsverwitterung gebildet wurde), der Boden des Bahnhangs jedoch aus Schotterfragmenten als Matrix für „künstlichen Boden“ besteht und keinen ausreichenden Bodenbildungsprozess durchlaufen hat. Mineralien werden nicht freigesetzt. Darüber hinaus steigen die Salzionen im tiefen Boden natürlicher Hänge durch Kapillarwirkung während der Oberflächenverdunstung auf und sammeln sich im Oberflächenboden an, was zu einem Anstieg des Salzionengehalts im Oberflächenboden führt. Die Bodendicke des Bahnhangs beträgt weniger als 20 cm, was dazu führt, dass der Oberboden das Salz aus dem tiefen Boden nicht ergänzen kann.
Positive Ionen (wie K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ usw.) haben wenig Einfluss auf die Bodenkorrosion, während Anionen eine wichtige Rolle im elektrochemischen Korrosionsprozess spielen und die Metallkorrosion erheblich beeinflussen. Cl− kann die Korrosion der Anode beschleunigen und ist das korrosivste Anion; je höher der Cl−-Gehalt, desto stärker die Bodenkorrosion. SO42− fördert nicht nur die Korrosion von Stahl, sondern verursacht auch Korrosion in einigen Betonmaterialien54. Korrodiert auch Eisen. In einer Reihe von Experimenten mit sauren Böden wurde festgestellt, dass die Korrosionsrate proportional zum Säuregehalt des Bodens ist55. Chlorid und Sulfat sind die Hauptbestandteile löslicher Salze, die die Kavitation von Metallen direkt beschleunigen können. Studien haben gezeigt, dass der korrosionsbedingte Gewichtsverlust von Kohlenstoffstahl in alkalischen Böden nahezu proportional zur Zugabe von Chlorid- und Sulfationen ist56,57. Lee et al. fanden heraus, dass SO42- die Korrosion zwar behindern, aber die Entwicklung bereits gebildeter Korrosionslöcher fördern kann58.
Gemäß dem Bewertungsstandard für Bodenkorrosivität und den Testergebnissen lag der Chloridionengehalt in jeder Hangbodenprobe über 100 mg/kg, was auf eine starke Bodenkorrosivität hindeutet. Der Sulfationengehalt sowohl an den Bergauf- als auch an den Bergabhängen lag über 200 mg/kg bzw. unter 500 mg/kg, und der Boden war mäßig korrodiert. Der Sulfationengehalt am mittleren Hang liegt unter 200 mg/kg, und die Bodenkorrosion ist schwach. Wenn das Bodenmedium eine hohe Konzentration enthält, nimmt es an der Reaktion teil und bildet Korrosionsschicht auf der Oberfläche der Metallelektrode, wodurch die Korrosionsreaktion verlangsamt wird. Mit steigender Konzentration kann die Schicht plötzlich brechen, wodurch die Korrosionsrate stark beschleunigt wird. Mit weiter steigender Konzentration bedeckt die Korrosionsschicht die Oberfläche der Metallelektrode, und die Korrosionsrate zeigt wieder einen verlangsamten Trend59. Die Studie ergab, dass die Menge im Boden geringer war und daher wenig Einfluss auf die Korrosion hatte.
Gemäß Tabelle 4 zeigte die Korrelation zwischen Hangneigung und Bodenanionen, dass eine signifikante positive Korrelation zwischen Hangneigung und Chloridionen (R2 = 0,836) und eine signifikante positive Korrelation zwischen Hangneigung und der Gesamtmenge löslicher Salze (R2 = 0,742) bestand.
Dies lässt darauf schließen, dass Oberflächenabfluss und Bodenerosion für die Veränderungen der gesamten löslichen Salze im Boden verantwortlich sein könnten. Es gab eine signifikante positive Korrelation zwischen den gesamten löslichen Salzen und Chloridionen, was daran liegen könnte, dass die gesamten löslichen Salze den Pool an Chloridionen darstellen und der Gehalt an gesamten löslichen Salzen den Gehalt an Chloridionen in Bodenlösungen bestimmt. Daher können wir davon ausgehen, dass der Unterschied in der Neigung zu schwerer Korrosion des Metallgitterteils führen kann.
Organische Stoffe, Gesamtstickstoff, verfügbarer Stickstoff, verfügbarer Phosphor und verfügbares Kalium sind die Grundnährstoffe des Bodens, die die Bodenqualität und die Nährstoffaufnahme durch das Wurzelsystem beeinflussen. Bodennährstoffe sind ein wichtiger Faktor, der die Mikroorganismen im Boden beeinflusst. Daher lohnt es sich zu untersuchen, ob ein Zusammenhang zwischen Bodennährstoffen und Metallkorrosion besteht. Die Suiyu-Eisenbahn wurde 2003 fertiggestellt, was bedeutet, dass sich im künstlichen Boden erst seit 9 Jahren organische Stoffe angesammelt haben. Aufgrund der Besonderheiten künstlichen Bodens ist es notwendig, die Nährstoffe in künstlichem Boden gut zu verstehen.
Die Forschung zeigt, dass der Gehalt an organischer Substanz im natürlichen Hangboden nach dem gesamten Bodenbildungsprozess am höchsten ist. Der Gehalt an organischer Substanz im Boden an flachen Hängen war am niedrigsten. Aufgrund der Einflüsse von Witterung und Oberflächenabfluss sammeln sich Bodennährstoffe in der Hangmitte und am Hangabhang an und bilden eine dicke Humusschicht. Aufgrund der kleinen Partikel und der geringen Stabilität von Böden an flachen Hängen wird organische Substanz jedoch leicht von Mikroorganismen zersetzt. Die Untersuchung ergab, dass die Vegetationsbedeckung und -vielfalt in der Hangmitte und am Hangabhang hoch, die Homogenität jedoch gering war, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Oberflächennährstoffe führen kann. Eine dicke Humusschicht speichert Wasser und Bodenorganismen sind aktiv. All dies beschleunigt die Zersetzung organischer Substanz im Boden.
Der Gehalt an alkalisch hydrolysiertem Stickstoff der Bahnsteige am Berghang, im Mittelhang und im Gefälle war höher als der des natürlichen Hangs, was darauf hindeutet, dass die Mineralisierungsrate des organischen Stickstoffs am Bahnsteig deutlich höher war als am natürlichen Hang. Je kleiner die Partikel, desto instabiler die Bodenstruktur, desto leichter können Mikroorganismen die organische Substanz in den Aggregaten zersetzen und desto größer ist der Vorrat an mineralisiertem organischem Stickstoff60,61. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Studie 62 war der Gehalt an kleinteiligen Aggregaten im Boden von Bahnsteigen deutlich höher als der von natürlichen Hängen. Daher müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um den Gehalt an Düngemitteln, organischer Substanz und Stickstoff im Boden von Bahnsteigen zu erhöhen und die nachhaltige Nutzung des Bodens zu verbessern. Die durch Oberflächenabfluss verursachte Verschwendung von verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium machte 77,27 % bis 99,79 % des Gesamtverlusts an Bahnsteigen aus. Oberflächenabfluss könnte der Hauptgrund für den Verlust verfügbarer Nährstoffe am Hang sein Böden63,64,65.
Wie in Tabelle 4 gezeigt, gab es eine signifikante positive Korrelation zwischen Hanglage und verfügbarem Phosphor (R2 = 0,948), und die Korrelation zwischen Hanglage und verfügbarem Kalium war dieselbe (R2 = 0,898). Dies zeigt, dass die Hanglage den Gehalt an verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium im Boden beeinflusst.
Die Neigung ist ein wichtiger Faktor, der den Gehalt an organischer Substanz im Boden und die Stickstoffanreicherung beeinflusst66. Je geringer die Neigung, desto höher die Anreicherungsrate. Bei der Nährstoffanreicherung des Bodens war der Nährstoffverlust abgeschwächt und der Einfluss der Hanglage auf den Gehalt an organischer Substanz im Boden und die Gesamtstickstoffanreicherung war nicht offensichtlich. Unterschiedliche Arten und Anzahlen von Pflanzen an unterschiedlichen Hängen weisen unterschiedliche organische Säuren auf, die von den Pflanzenwurzeln abgesondert werden. Organische Säuren sind für die Fixierung von verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium im Boden von Vorteil. Daher bestand eine signifikante Korrelation zwischen der Hanglage und dem verfügbaren Phosphor sowie zwischen der Hanglage und dem verfügbaren Kalium.
Um die Beziehung zwischen Bodennährstoffen und Bodenkorrosion zu klären, ist es notwendig, die Korrelation zu analysieren. Wie in Tabelle 5 gezeigt, korrelierte das Redoxpotenzial signifikant negativ mit verfügbarem Stickstoff (R2 = -0,845) und signifikant positiv mit verfügbarem Phosphor (R2 = 0,842) und verfügbarem Kalium (R2 = 0,980). Das Redoxpotenzial spiegelt die Qualität der Redoxreaktion wider, die normalerweise von einigen physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens beeinflusst wird und sich dann auf eine Reihe von Bodeneigenschaften auswirkt. Daher ist es ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Richtung der Nährstoffumwandlung im Boden67. Unterschiedliche Redoxqualitäten können zu unterschiedlichen Zuständen und Verfügbarkeiten von Nährstoffen führen. Daher weist das Redoxpotenzial eine signifikante Korrelation mit verfügbarem Stickstoff, verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium auf.
Neben den Metalleigenschaften hängt das Korrosionspotenzial auch mit den Bodeneigenschaften zusammen. Das Korrosionspotenzial korrelierte signifikant negativ mit organischer Substanz, was darauf hindeutet, dass organische Substanz einen signifikanten Einfluss auf das Korrosionspotenzial hat. Darüber hinaus korrelierte organische Substanz auch signifikant negativ mit dem Potenzialgradienten (SN) (R2 = -0,713) und Sulfationen (R2 = -0,671), was darauf hindeutet, dass der Gehalt an organischer Substanz auch den Potenzialgradienten (SN) und Sulfationen beeinflusst. Es gab eine signifikante negative Korrelation zwischen dem pH-Wert des Bodens und dem verfügbaren Kalium (R2 = -0,728).
Verfügbarer Stickstoff korrelierte signifikant negativ mit der Menge an löslichen Salzen und Chloridionen, während verfügbarer Phosphor und verfügbares Kalium signifikant positiv mit der Menge an löslichen Salzen und Chloridionen korrelierten. Dies deutet darauf hin, dass der Gehalt an verfügbaren Nährstoffen die Menge an löslichen Salzen und Chloridionen im Boden signifikant beeinflusst und Anionen im Boden die Ansammlung und Bereitstellung verfügbarer Nährstoffe nicht fördern. Der Gesamtstickstoff korrelierte signifikant negativ mit Sulfationen und signifikant positiv mit Bikarbonat, was darauf hindeutet, dass der Gesamtstickstoff den Sulfat- und Bikarbonatgehalt beeinflusst. Pflanzen benötigen wenig Sulfationen und Bikarbonat-Ionen, sodass die meisten davon frei im Boden vorkommen oder von Bodenkolloiden absorbiert werden. Bikarbonat-Ionen fördern die Ansammlung von Stickstoff im Boden, und Sulfationen verringern die Verfügbarkeit von Stickstoff im Boden. Daher ist eine angemessene Erhöhung des Gehalts an verfügbarem Stickstoff und Humus im Boden vorteilhaft, um die Bodenkorrosivität zu verringern.
Boden ist ein System mit komplexer Zusammensetzung und komplexen Eigenschaften. Die Bodenkorrosivität ist das Ergebnis des Zusammenwirkens vieler Faktoren. Daher wird im Allgemeinen eine umfassende Bewertungsmethode verwendet, um die Bodenkorrosivität zu bewerten. Unter Bezugnahme auf den „Code for Geotechnical Engineering Investigation“ (GB50021-94) und die Testmethoden des China Soil Corrosion Test Network kann der Bodenkorrosionsgrad umfassend gemäß den folgenden Standards bewertet werden: (1) Die Bewertung lautet schwache Korrosion. Wenn nur schwache Korrosion vorliegt, liegt keine mäßige Korrosion oder starke Korrosion vor. (2) Wenn keine starke Korrosion vorliegt, wird dies als mäßige Korrosion bewertet. (3) Wenn ein oder zwei Stellen starke Korrosion aufweisen, wird dies als starke Korrosion bewertet. (4) Wenn drei oder mehr Stellen starke Korrosion aufweisen, wird dies als starke Korrosion bzw. schwere Korrosion bewertet.
Anhand des Bodenwiderstands, des Redoxpotenzials, des Wassergehalts, des Salzgehalts, des pH-Werts sowie des Cl- und SO42-Gehalts wurden die Korrosionsgrade von Bodenproben an verschiedenen Hängen umfassend bewertet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Böden an allen Hängen stark korrosiv sind.
Das Korrosionspotenzial ist ein wichtiger Faktor für die Korrosion von Hangschutznetzen. Die Korrosionspotenziale der drei Hänge liegen alle unter -200 mV, was den größten Einfluss auf die Korrosion des Metallgitters in Bergaufrichtung hat. Anhand des Potenzialgradienten lässt sich das Ausmaß des Streustroms im Boden beurteilen. Streustrom ist ein wichtiger Faktor für die Korrosion von Metallgittern an mittleren und ansteigenden Hängen, insbesondere an mittleren Hängen. Der Gesamtgehalt an löslichen Salzen in den Böden der oberen, mittleren und unteren Hänge lag jeweils über 500 mg/kg, und die Korrosionswirkung auf das Hangschutznetz war mäßig. Der Bodenwassergehalt ist ein wichtiger Faktor für die Korrosion von Metallgittern in mittleren und absteigenden Hängen und hat einen größeren Einfluss auf die Korrosion von Hangschutznetzen. Nährstoffe sind in Böden in mittlerer Hanglage am reichlichsten vorhanden, was auf häufige mikrobielle Aktivitäten und schnelles Pflanzenwachstum hindeutet.
Die Forschung zeigt, dass Korrosionspotenzial, Potenzialgradient, Gesamtsalzgehalt und Wassergehalt die Hauptfaktoren sind, die die Bodenkorrosion an den drei Hängen beeinflussen, und die Bodenkorrosivität wird als stark eingeschätzt. Die Korrosion des Hangschutznetzes ist am mittleren Hang am stärksten, was als Referenz für die Korrosionsschutzkonstruktion des Bahnhangschutznetzes dient. Die angemessene Zugabe von verfügbarem Stickstoff und organischem Dünger trägt dazu bei, die Bodenkorrosion zu verringern, das Pflanzenwachstum zu fördern und schließlich den Hang zu stabilisieren.
So zitieren Sie diesen Artikel: Chen, J. et al. Auswirkungen der Bodenzusammensetzung und Elektrochemie auf die Korrosion des Felshangnetzes entlang einer chinesischen Eisenbahnlinie. science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Dynamische Eigenschaften von Eisenbahnuntergrundböschungen unter Erdbebenanregung. Naturkatastrophe. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Analyse typischer Erdbebenschäden an Autobahnen im erdbebengeschädigten Gebiet Wenchuan in der Provinz Sichuan [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. Analyse seismischer Schäden und Gegenmaßnahmen an Autobahnbrücken beim Erdbeben von Wenchuan.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC Die Auswirkungen des Chichi-Erdbebens auf durch nachfolgende Niederschläge verursachte Erdrutsche in Zentraltaiwan.Engineering Geology.86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Langfristige Auswirkungen erdbebenbedingter Erdrutsche auf die Sedimentproduktion in einem Gebirgswassereinzugsgebiet: Tanzawa-Region, Japan. Geomorphologie. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. & Dedong, L. Ein Überblick über die Forschung zur seismischen Stabilitätsanalyse geotechnischer Hänge. Erdbebentechnik und technische Vibration. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Forschung zu geologischen Gefahren durch das Erdbeben von Wenchuan in Sichuan. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Hangschutz mit Vegetation: Wurzelmechanik einiger tropischer Pflanzen.International Journal of Physical Sciences.5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. Topografische Auswirkungen auf tropische Tieflandwälder unter verschiedenen geologischen Bedingungen am Mount Kinabalu, Borneo.Plant Ecology.159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al. Ideale Eigenschaften von Pflanzenwurzeln zum Schutz natürlicher und künstlich angelegter Hänge vor Erdrutschen. Plants and Soils, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Auswirkungen von Graswurzeln auf die Erosion des Oberbodens bei konzentrierter Strömung. Geomorphology 76, 54–67 (2006).