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Am Beispiel der Böschung der Bahnstrecke Sui-Chongqing wurden Bodenwiderstand, Bodenelektrochemie (Korrosionspotenzial, Redoxpotenzial, Potenzialgradient und pH-Wert), Bodenanionen (Gesamtsalzgehalt, Cl⁻, SO₄²⁻) und Bodennährstoffe (Feuchtigkeitsgehalt, organische Substanz, Gesamtstickstoff, alkalisch hydrolysierter Stickstoff, verfügbarer Phosphor, verfügbares Kalium) untersucht. Unter verschiedenen Böschungsneigungen wurde der Korrosionsgrad anhand der Einzel- und Gesamtindikatoren des künstlichen Bodens bewertet. Im Vergleich zu anderen Faktoren hatte Wasser den größten Einfluss auf die Korrosion des Böschungsschutznetzes, gefolgt vom Anionengehalt. Der Gesamtsalzgehalt und der Streustrom hatten einen mäßigen Einfluss. Der Korrosionsgrad der Bodenproben wurde umfassend bewertet. Die Korrosion am oberen Hang war mäßig, am mittleren und unteren Hang hingegen stark. Der Gehalt an organischer Substanz im Boden korrelierte signifikant mit dem Potenzialgradienten. Verfügbarer Stickstoff, verfügbares Kalium und verfügbarer Phosphor korrelierten signifikant mit den Anionen. Der Nährstoffgehalt des Bodens steht in indirektem Zusammenhang mit der Hangneigung.
Beim Bau von Eisenbahnstrecken, Autobahnen und Wasserbauanlagen sind Gebirgsöffnungen oft unvermeidbar. Aufgrund der Gebirgszüge im Südwesten Chinas erfordert der Eisenbahnbau umfangreiche Ausgrabungen. Dabei werden der ursprüngliche Boden und die Vegetation zerstört, wodurch freiliegende Felshänge entstehen. Dies führt zu Erdrutschen und Bodenerosion und gefährdet somit die Sicherheit des Bahnverkehrs. Erdrutsche beeinträchtigen auch den Straßenverkehr, insbesondere nach dem Erdbeben von Wenchuan am 12. Mai 2008. Erdrutsche haben sich zu einer weit verbreiteten und schwerwiegenden Folge von Erdbeben entwickelt. Bei der 2008 durchgeführten Bewertung von 4.243 Kilometern wichtiger Fernstraßen in der Provinz Sichuan wurden 1.736 schwere Erdbebenschäden an Fahrbahnen und Hangsicherungsmauern festgestellt. Dies entsprach 39,76 % der Gesamtlänge des untersuchten Straßenabschnitts. Die direkten wirtschaftlichen Verluste durch die Straßenschäden beliefen sich auf über 58 Milliarden Yuan^2,3. Internationale Beispiele zeigen, dass die geologischen Gefahren nach Erdbeben mindestens 10 Jahre (Erdbeben in Taiwan) und sogar 40–50 Jahre (Erdbeben in Kanto, Japan) anhalten können^4,5. Das Gefälle ist der Hauptfaktor, der die Erdbebengefährdung beeinflusst^6,7. Daher ist es notwendig, die Straßenböschungen zu erhalten und ihre Stabilität zu erhöhen. Pflanzen spielen eine unersetzliche Rolle beim Hangschutz und der Wiederherstellung der ökologischen Landschaft⁸. Im Vergleich zu normalen Erdhängen weisen Felshänge keine Anreicherung von Nährstoffen wie organischer Substanz, Stickstoff, Phosphor und Kalium auf und bieten nicht die für das Pflanzenwachstum notwendigen Bodenbedingungen. Faktoren wie steile Hangneigung und Regen können die Entstehung von Erdbeben begünstigen. Durch Erosion geht Hangboden leicht verloren. Die Hangumgebung ist rau und bietet nicht die notwendigen Bedingungen für Pflanzenwachstum; der Hangboden ist instabil. Das Besprühen von Hängen mit einem Trägermaterial zum Schutz des Bodens ist eine gängige Methode zur ökologischen Hangsanierung in meinem Land. Der künstliche Boden besteht aus Schotter, Ackerboden, Stroh, Mehrnährstoffdünger, Wasserspeichermittel und Bindemittel (üblicherweise Portlandzement, organischer Klebstoff und Asphaltemulgator) in einem bestimmten Verhältnis. Das Verfahren ist wie folgt: Zuerst wird Stacheldraht auf dem Gestein verlegt, dann mit Nieten und Ankerbolzen befestigt und schließlich der mit Saatgut versetzte künstliche Boden mit einem Spezialsprühgerät auf den Hang gesprüht. Meist wird ein rautenförmiges, vollverzinktes Metallgewebe der Größe 14# mit einer Maschenweite von 5 cm × 5 cm und einem Durchmesser von 2 mm verwendet. Das Metallgewebe ermöglicht es der Bodenmatrix, eine dauerhafte, monolithische Platte auf der Gesteinsoberfläche zu bilden. Da der Boden selbst ein Elektrolyt ist, korrodiert das Metallgewebe im Boden. Der Grad der Korrosion hängt von den Eigenschaften des Bodens ab. Die Bewertung der Bodenkorrosionsfaktoren ist von großer Bedeutung für die Beurteilung der durch den Boden verursachten Erosion von Metallgewebe und die Beseitigung von Erdrutschgefahren.
Pflanzenwurzeln spielen vermutlich eine entscheidende Rolle bei der Hangstabilisierung und Erosionskontrolle^{10,11,12,13,14}. Zur Stabilisierung von Hängen gegen flache Erdrutsche kann Vegetation eingesetzt werden, da Pflanzenwurzeln den Boden fixieren und so Erdrutsche verhindern^15,16,17. Gehölze, insbesondere Bäume, tragen zur Verhinderung flacher Erdrutsche bei¹⁸. Sie bilden eine robuste Schutzstruktur, die durch die vertikalen und lateralen Wurzelsysteme im Boden als Verstärkungspfähle wirkt. Die Entwicklung der Wurzelarchitektur wird genetisch gesteuert, wobei die Bodenbeschaffenheit eine entscheidende Rolle spielt. Die Korrosion von Metallen variiert je nach Bodenbeschaffenheit²⁰. Der Grad der Metallkorrosion im Boden kann von einer relativ schnellen Auflösung bis hin zu vernachlässigbaren Auswirkungen reichen²¹. Künstlicher Boden unterscheidet sich stark von natürlichem Boden. Die Entstehung natürlicher Böden ist das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen der äußeren Umwelt und verschiedenen Organismen über Jahrmillionen^22,23,24. Bevor die Gehölze ein stabiles Wurzelsystem und Ökosystem bilden, ist es entscheidend, ob das Metallgewebe in Kombination mit Die sichere Funktionsfähigkeit von Felshängen und künstlichen Böden steht in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung der natürlichen Wirtschaft, der Sicherheit des Lebens und der Verbesserung der ökologischen Umwelt.
Die Korrosion von Metallen kann jedoch zu enormen Verlusten führen. Laut einer Anfang der 1980er Jahre in China durchgeführten Studie in der chemischen Industrie und anderen Branchen beliefen sich die durch Metallkorrosion verursachten Verluste auf 4 % des gesamten Produktionswertes. Daher ist es für den wirtschaftlichen Erfolg 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. Die Forschung zur Korrosion vergrabener Metalle konzentriert sich derzeit hauptsächlich auf (1) Einflussfaktoren auf die Korrosion vergrabener Metalle²⁵; (2) Methoden zum Schutz von Metallen^26,27; (3) Methoden zur Beurteilung des Korrosionsgrades von Metallen²⁸; Korrosion in verschiedenen Medien. Alle in der Studie untersuchten Böden waren jedoch natürlichen Ursprungs und hatten ausreichende Bodenbildungsprozesse durchlaufen. Es gibt jedoch keine Berichte über künstliche Bodenerosion an Felsböschungen entlang von Eisenbahnstrecken.
Im Vergleich zu anderen korrosiven Medien weist künstlicher Boden die Merkmale der Illiquidität, Heterogenität, Saisonalität und Regionalität auf. Metallkorrosion in künstlichen Böden wird durch elektrochemische Wechselwirkungen zwischen Metallen und dem künstlichen Boden verursacht. Neben inhärenten Faktoren hängt die Korrosionsrate auch von der Umgebung ab. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Metallkorrosion einzeln oder in Kombination, wie beispielsweise Feuchtigkeitsgehalt, Sauerstoffgehalt, Gesamtgehalt an löslichen Salzen, Anionen- und Metallionengehalt, pH-Wert und Bodenmikroben^30,31,32.
In 30 Jahren Praxis stellte sich die Frage nach der dauerhaften Erhaltung künstlicher Böden an Felshängen als problematisch³³. Aufgrund von Bodenerosion können an manchen Hängen nach zehn Jahren manueller Pflege keine Sträucher oder Bäume mehr wachsen. Der Schmutz auf der Oberfläche des Metallgewebes wurde stellenweise weggespült. Durch Korrosion rissen einige Metallgewebe und verloren den gesamten darüber und darunter liegenden Boden (Abbildung 1). Aktuell konzentriert sich die Forschung zur Korrosion von Bahnhängen hauptsächlich auf die Korrosion von Erdungsnetzen in Bahnunterwerken, Streustromkorrosion durch Stadtbahnen sowie Korrosion von Eisenbahnbrücken^34,35, Gleisen und anderen Fahrzeugausrüstungen³⁶. Bisher liegen keine Berichte über die Korrosion der Metallgewebe zum Schutz von Bahnhängen vor. Diese Arbeit untersucht die physikalischen, chemischen und elektrochemischen Eigenschaften künstlicher Böden am südwestlichen Felshang der Suiyu-Eisenbahnlinie. Ziel ist es, durch die Bewertung der Bodeneigenschaften Metallkorrosion vorherzusagen und eine theoretische und praktische Grundlage für die Wiederherstellung von Bodenökosystemen und künstlichen Hangbefestigungen zu schaffen.
Das Testgelände befindet sich in der Hügellandschaft Sichuans (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 mit einfacher geologischer Struktur und flachem Gelände. Erosion, Abtragung und Wasseransammlungen haben die hügelige Landschaft geformt. Der Grundstein besteht hauptsächlich aus Kalkstein, die Deckschichten hauptsächlich aus violettem Sand und Tonstein. Das Gestein ist wenig fest und blockartig. Das Untersuchungsgebiet hat ein subtropisches, feuchtes Monsunklima mit einem frühen Frühling, einem heißen Sommer, einem kurzen Herbst und einem späten Winter. Es regnet reichlich, Licht und Wärme sind reichlich vorhanden, die frostfreie Periode ist lang (durchschnittlich 285 Tage), das Klima ist mild, die Jahresdurchschnittstemperatur beträgt 17,4 °C, die Durchschnittstemperatur des wärmsten Monats (August) 27,2 °C und die maximale Temperatur 39,3 °C. Der kälteste Monat ist der Januar. Die Durchschnittstemperatur beträgt 6,5 °C, die niedrigste Tiefsttemperatur -3,8 °C und der durchschnittliche Jahresniederschlag 920 mm, wobei der Großteil im Juli und August fällt. Die Niederschlagsmenge variiert stark zwischen Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Der Anteil des Niederschlags an der Gesamtniederschlagsmenge beträgt in den einzelnen Jahreszeiten 19–21 %, 51–54 %, 22–24 % bzw. 4–5 %.
Das Untersuchungsgebiet liegt an einem Hang mit einer Neigung von etwa 45° entlang der 2003 erbauten Yu-Sui-Eisenbahnlinie. Im April 2012 befand es sich in südlicher Richtung, innerhalb eines Kilometers vom Bahnhof Suining entfernt. Der natürliche Hang diente als Kontrollfläche. Die ökologische Sanierung des Hangs erfolgte mittels ausländischer Topdressing-Technologie (Bodenbesprühung). Entsprechend der Höhe des Bahndamms wurde dieser in Auf-, Mittel- und Abhang unterteilt (Abb. 2). Da die Dicke des aufgeschütteten Bodens etwa 10 cm beträgt, wurde zur Vermeidung von Verunreinigungen durch Korrosionsprodukte des Bodenmessnetzes lediglich die oberste Bodenschicht von 0–8 cm mit einem Edelstahlspaten abgetragen. Für jede Hangposition wurden vier Wiederholungen mit jeweils 15–20 zufällig ausgewählten Probenahmepunkten angelegt. Jede Wiederholung bestand aus einer Mischung von 15–20 zufällig entlang einer S-förmigen Linie ausgewählten Probenahmepunkten. Das Frischgewicht betrug etwa 500 Gramm. Die Proben wurden zur Weiterverarbeitung in Polyethylen-Ziplock-Beuteln ins Labor gebracht. Dort wurde der Boden an der Luft getrocknet, Kies sowie tierische und pflanzliche Reste wurden aussortiert, mit einem Achatstab zerkleinert und durch ein 20-Mesh-Sieb gesiebt. 100-Mesh-Nylonsieb, außer für die groben Partikel.
Der spezifische Bodenwiderstand wurde mit dem Erdungswiderstandsmessgerät VICTOR4106 der Firma Shengli Instrument Company gemessen; die Messung des spezifischen Bodenwiderstands erfolgte im Feld. Die Bodenfeuchte wurde mittels Trocknungsmethode bestimmt. Das tragbare digitale mV/pH-Messgerät DMP-2 zeichnet sich durch eine hohe Eingangsimpedanz zur Messung des Bodenkorrosionspotenzials aus. Potenzialgradient und Redoxpotenzial wurden mit dem tragbaren digitalen mV/pH-Messgerät DMP-2 ermittelt. Der Gesamtgehalt an löslichen Salzen im Boden wurde durch Trocknung des Bodenrückstands bestimmt. Der Chloridionengehalt im Boden wurde mittels AgNO₃-Titration (Mohr-Methode) bestimmt. Der Sulfatgehalt im Boden wurde mittels indirekter EDTA-Titration, Carbonat und Bicarbonat mittels Doppelindikator-Titration, die organische Substanz im Boden mittels Kaliumdichromat-Oxidationserhitzung, der alkalische Hydrolysestickstoff im Boden mittels Diffusion in alkalischer Lösung, Mo-Sb mittels kolorimetrischer H₂SO₄-HClO₄-Aufschlussmethode bestimmt. Der Gesamtphosphorgehalt und der verfügbare Phosphorgehalt im Boden wurden nach der Olsen-Methode (0,05 mol/L NaHCO₃-Lösung als Extraktionsmittel) bestimmt. Der Gesamtkaliumgehalt im Boden wurde mittels Natriumhydroxid-Flammenschmelzphotometrie bestimmt.
Die experimentellen Daten wurden zunächst systematisiert. SPSS Statistics 20 wurde verwendet, um Mittelwert, Standardabweichung, eine einfaktorielle Varianzanalyse und eine Korrelationsanalyse durchzuführen.
Tabelle 1 zeigt die elektromechanischen Eigenschaften, Anionen und Nährstoffe von Böden mit unterschiedlichen Hangneigungen. Das Korrosionspotenzial, der spezifische Bodenwiderstand und der Ost-West-Potenzialgradient waren an den verschiedenen Hangneigungen signifikant (P < 0,05). Die Redoxpotenziale von Hangabwärts-, Mittelhang- und Naturhang waren ebenfalls signifikant (P < 0,05). Der Potenzialgradient senkrecht zur Bahntrasse, d. h. der Nord-Süd-Potenzialgradient, war hangaufwärts > hangabwärts > Mittelhang. Der pH-Wert des Bodens lag in der Reihenfolge hangabwärts > hangaufwärts > Mittelhang > Naturhang. Der Gesamtgehalt an löslichen Salzen war am Naturhang signifikant höher als am Bahnhang (P < 0,05). Der Gesamtgehalt an löslichen Salzen im Boden des Bahnhangs dritter Güteklasse lag über 500 mg/kg und hatte einen mäßigen Einfluss auf die Metallkorrosion. Der Gehalt an organischer Substanz war am Naturhang am höchsten und am Hangabwärts am niedrigsten (P < 0,05). Der Gesamtstickstoffgehalt war am Mittelhang am höchsten und am Hangaufwärts am niedrigsten. Der verfügbare Stickstoffgehalt war im Tal- und Mittelhang am höchsten und im natürlichen Hang am niedrigsten; der Gesamtstickstoffgehalt war im Ober- und Talhang der Bahntrasse geringer, der verfügbare Stickstoffgehalt jedoch höher. Dies deutet auf eine hohe Mineralisierungsrate des organischen Stickstoffs im Tal- und Talhang hin. Der verfügbare Kaliumgehalt entspricht dem verfügbaren Phosphorgehalt.
Der spezifische Bodenwiderstand ist ein Indikator für die elektrische Leitfähigkeit und ein grundlegender Parameter zur Beurteilung der Bodenkorrosion. Faktoren, die den spezifischen Bodenwiderstand beeinflussen, sind unter anderem der Feuchtigkeitsgehalt, der Gesamtgehalt an löslichen Salzen, der pH-Wert, die Bodenart, die Temperatur, der Gehalt an organischer Substanz und die Bodenverdichtung. Generell gilt: Böden mit niedrigem spezifischem Widerstand sind korrosiver und umgekehrt. Die Bestimmung des spezifischen Widerstands zur Beurteilung der Bodenkorrosivität ist eine in vielen Ländern gängige Methode. Tabelle 1 zeigt die Kriterien zur Bewertung der Korrosivitätsgrade für die einzelnen Indikatoren.^37,38
Gemäß den Testergebnissen und Normen in meinem Land (Tabelle 1) ist, wenn die Bodenkorrosivität nur anhand des spezifischen Widerstands des Bodens beurteilt wird, der Boden am Hangaufwärts stark korrosiv; der Boden am Hangabwärts ist mäßig korrosiv; die Bodenkorrosivität am mittleren Hang und am natürlichen Hang ist relativ gering.
Der spezifische Bodenwiderstand des Hangaufwärtshangs ist deutlich geringer als der der übrigen Hangabschnitte, was auf Regenerosion zurückzuführen sein könnte. Die oberste Bodenschicht des Hangaufwärtshangs wird durch das Wasser zum mittleren Hangabschnitt abgetragen, sodass das metallene Hangsicherungsnetz am Hangaufwärtshang nahe an der obersten Bodenschicht anliegt. Einige Metallgitter waren freigelegt und hingen sogar frei in der Luft (Abbildung 1). Der spezifische Bodenwiderstand wurde vor Ort gemessen; der Pfahlabstand betrug 3 m, die Rammtiefe weniger als 15 cm. Freiliegende Metallgitter und abblätternder Rost können die Messergebnisse verfälschen. Daher ist es unzuverlässig, die Bodenkorrosivität allein anhand des spezifischen Bodenwiderstands zu bewerten. Bei der Gesamtbewertung der Korrosion wird der spezifische Bodenwiderstand des Hangaufwärtshangs nicht berücksichtigt.
Aufgrund der hohen relativen Luftfeuchtigkeit in Sichuan korrodiert das der Luft ausgesetzte Metallgewebe stärker als das im Boden vergrabene.³⁹ Die Luftexposition verkürzt die Lebensdauer des Drahtgewebes und kann die Hanglage destabilisieren. Bodenerosion erschwert das Pflanzenwachstum, insbesondere von Gehölzen. Durch das Fehlen von Gehölzen kann sich hangaufwärts kein Wurzelsystem bilden, das den Boden festigt. Gleichzeitig verbessert Pflanzenwachstum die Bodenqualität und erhöht den Humusgehalt. Humus speichert Wasser und bietet Tieren und Pflanzen optimale Wachstumsbedingungen, wodurch die Bodenerosion reduziert wird. Daher sollten in der Bauphase vermehrt Gehölzsamen hangaufwärts ausgesät, kontinuierlich wasserspeichernde Mittel hinzugefügt und die Fläche mit einer Folie abgedeckt werden, um die Erosion des Hangbodens durch Regenwasser zu minimieren.
Das Korrosionspotenzial ist ein wichtiger Faktor, der die Korrosion des Böschungsschutznetzes an der dreistufigen Böschung beeinflusst und den größten Einfluss auf die ansteigende Böschung hat (Tabelle 2). Unter normalen Bedingungen ändert sich das Korrosionspotenzial in einer gegebenen Umgebung nur geringfügig. Eine merkliche Änderung kann jedoch durch Streuströme verursacht werden. Streuströme sind die Ströme 40, 41 und 42, die beim Betrieb des öffentlichen Verkehrssystems in den Straßenunterbau und den Boden gelangen. Mit der Entwicklung des Verkehrssystems hat das Eisenbahnnetz meines Landes eine großflächige Elektrifizierung erreicht, und die Korrosion von im Erdreich verlegten Metallen durch Gleichstromleckströme aus elektrifizierten Bahnstrecken ist nicht zu vernachlässigen. Derzeit kann der Bodenpotenzialgradient verwendet werden, um festzustellen, ob der Boden Streustromstörungen aufweist. Bei einem Potenzialgradienten des Oberbodens von weniger als 0,5 mV/m ist der Streustrom gering; bei einem Potenzialgradienten zwischen 0,5 mV/m und 5,0 mV/m ist der Streustrom mäßig. Bei einem Potenzialgradienten von über 5,0 mV/m ist der Streustrom hoch. Der Variationsbereich des Potenzialgradienten (EW) im mittleren, oberen und unteren Hangbereich ist in Abbildung 3 dargestellt. Im mittleren Hangbereich treten in Ost-West- und Nord-Süd-Richtung moderate Streuströme auf. Daher ist der Streustrom ein wichtiger Faktor, der die Korrosion von Metallgeweben im mittleren und unteren Hangbereich, insbesondere im mittleren Hangbereich, beeinflusst.
Im Allgemeinen deutet ein Redoxpotential (Eh) des Bodens über 400 mV auf Oxidationsvermögen hin, Werte zwischen 0 und 200 mV auf mittleres Reduktionsvermögen und Werte unter 0 mV auf ein hohes Reduktionsvermögen. Je niedriger das Redoxpotential des Bodens, desto größer ist die Korrosionsfähigkeit von Bodenmikroorganismen gegenüber Metallen.⁴⁴ Aus dem Redoxpotential lässt sich der Trend der mikrobiellen Bodenkorrosion vorhersagen. Die Studie ergab, dass das Redoxpotential der Böden an den drei Hängen über 500 mV lag und der Korrosionsgrad sehr gering war. Dies deutet auf eine gute Bodenbelüftung am Hang hin, die die Korrosion durch anaerobe Mikroorganismen im Boden hemmt.
Frühere Studien haben gezeigt, dass der pH-Wert des Bodens einen deutlichen Einfluss auf die Bodenerosion hat. Schwankungen des pH-Werts beeinflussen die Korrosionsrate von Metallen erheblich. Der pH-Wert des Bodens hängt eng mit dem Gebiet und den im Boden vorhandenen Mikroorganismen zusammen.^45,46,47 Im Allgemeinen ist der Einfluss des pH-Werts auf die Korrosion von Metallen in leicht alkalischen Böden gering. Da die Böden der drei Bahnböschungen alkalisch sind, ist der Einfluss des pH-Werts auf die Korrosion des Metallgewebes schwach.
Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, zeigt die Korrelationsanalyse, dass das Redoxpotential und die Steigungsposition 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 bestand eine signifikante negative Korrelation zwischen Potenzial und pH-Wert (R² = -0,724). Die Hanglage korrelierte signifikant positiv mit dem Redoxpotenzial. Dies deutet auf Unterschiede im Mikroklima an verschiedenen Hanglagen hin, und Bodenmikroorganismen stehen in engem Zusammenhang mit dem Redoxpotenzial^{48, ​​49, 50}. Das Redoxpotenzial korrelierte signifikant negativ mit dem pH-Wert^{51, 52}. Diese Beziehung deutet darauf hin, dass sich pH-Wert und Eh-Wert während des Redoxprozesses im Boden nicht immer synchron veränderten, sondern in einem negativen linearen Verhältnis zueinander standen. Das Korrosionspotenzial von Metallen kann die relative Fähigkeit zur Elektronenaufnahme und -abgabe repräsentieren. Obwohl das Korrosionspotenzial signifikant positiv mit dem Potenzialgradienten (SN) korrelierte, könnte dieser durch die leichte Elektronenabgabe des Metalls bedingt sein.
Der Gesamtgehalt an löslichen Salzen im Boden steht in engem Zusammenhang mit dessen Korrosivität. Generell gilt: Je höher der Salzgehalt des Bodens, desto geringer sein spezifischer Widerstand und desto höher die Korrosionsbeständigkeit. Zu den Bodenelektrolyten, die Korrosionseffekte beeinflussen, zählen neben Anionen in unterschiedlichen Konzentrationen vor allem Carbonate, Chloride und Sulfate. Darüber hinaus wirkt sich der Gesamtgehalt an löslichen Salzen im Boden indirekt über andere Faktoren aus, wie beispielsweise das Elektrodenpotenzial von Metallen und die Sauerstofflöslichkeit im Boden.⁵³
Die meisten löslichen, durch Salze dissoziierten Ionen im Boden nehmen nicht direkt an elektrochemischen Reaktionen teil, beeinflussen aber die Metallkorrosion über den spezifischen Widerstand des Bodens. Je höher der Salzgehalt des Bodens ist, desto stärker ist seine Leitfähigkeit und desto stärker die Bodenerosion. Der Salzgehalt natürlicher Hänge ist deutlich höher als der von Bahnhängen. Dies könnte daran liegen, dass natürliche Hänge dicht bewachsen sind, was dem Boden- und Wasserschutz zugutekommt. Ein weiterer Grund könnte sein, dass natürliche Hänge eine vollständige Bodenbildung durchlaufen haben (Ausgangsmaterial durch Gesteinsverwitterung), während der Boden von Bahnhängen aus Schotterfragmenten als Matrix besteht und daher keine ausreichende Bodenbildung erfahren hat. Mineralien werden nicht freigesetzt. Darüber hinaus stiegen die Salzionen aus tieferen Bodenschichten natürlicher Hänge durch Kapillarwirkung während der Oberflächenverdunstung auf und reicherten sich im Oberboden an, was zu einem Anstieg des Salzionengehalts im Oberboden führte. Die Bodenschichtdicke des Bahndamms beträgt weniger als 20 cm, sodass der Oberboden die Salze aus tieferen Bodenschichten nicht nachliefern kann.
Positive Ionen (wie K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ usw.) haben nur geringen Einfluss auf die Bodenkorrosion, während Anionen eine wichtige Rolle im elektrochemischen Korrosionsprozess spielen und die Metallkorrosion maßgeblich 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 Betonwerkstoffen54. Es korrodiert auch Eisen. In einer Reihe von Versuchen mit sauren Böden wurde festgestellt, dass die Korrosionsrate proportional zum Säuregrad des Bodens ist55. Chlorid und Sulfat sind die Hauptbestandteile löslicher Salze, die die Kavitation von Metallen direkt beschleunigen können. Studien haben gezeigt, dass der Korrosionsgewichtsverlust von Kohlenstoffstahl in alkalischen Böden nahezu proportional zur Zugabe von Chlorid- und Sulfationen ist56,57. Lee et al. Es wurde festgestellt, dass SO42- die Korrosion zwar behindern kann, aber die Entwicklung bereits vorhandener Korrosionsgruben fördert58.
Gemäß der Norm zur Bewertung der Bodenkorrosivität und den Testergebnissen lag der Chloridionengehalt in jeder Hangbodenprobe über 100 mg/kg, was auf eine starke Bodenkorrosivität hinweist. Der Sulfationengehalt sowohl am Hangauf- als auch am Hangabhang lag zwischen 200 mg/kg und 500 mg/kg, was auf eine mäßige Bodenkorrosion hindeutet. Am mittleren Hang lag der Sulfationengehalt unter 200 mg/kg, die Bodenkorrosion war gering. Bei hoher Konzentration im Bodenmedium nimmt das Sulfat an der Reaktion teil und bildet Korrosionsschichten auf der Oberfläche der Metallelektrode, wodurch die Korrosionsreaktion verlangsamt wird. Mit steigender Konzentration kann die Korrosionsschicht plötzlich aufbrechen, was die Korrosionsrate stark beschleunigt. Steigt die Konzentration weiter an, bedeckt die Korrosionsschicht die Oberfläche der Metallelektrode vollständig, und die Korrosionsrate verlangsamt sich wieder.⁵⁹ Die Studie ergab, dass die Menge im Boden gering war und daher nur einen geringen Einfluss auf die Korrosion hatte.
Laut Tabelle 4 ergab die Korrelation zwischen Hangneigung und Bodenanionen eine signifikante positive Korrelation zwischen Hangneigung und Chloridionen (R2=0,836) sowie eine signifikante positive Korrelation zwischen Hangneigung und den gesamten löslichen Salzen (R2=0,742).
Dies deutet darauf hin, dass Oberflächenabfluss und Bodenerosion für die Veränderungen der Gesamtmenge an löslichen Salzen im Boden verantwortlich sein könnten. Es bestand eine signifikante positive Korrelation zwischen der Gesamtmenge an löslichen Salzen und Chloridionen, was darauf zurückzuführen sein könnte, dass die Gesamtmenge an löslichen Salzen den Chloridionengehalt widerspiegelt und dieser wiederum den Chloridionengehalt in der Bodenlösung bestimmt. Daher lässt sich schlussfolgern, dass die unterschiedliche Hangneigung zu starker Korrosion des Metallgewebes führen kann.
Organische Substanz, Gesamtstickstoff, verfügbarer Stickstoff, verfügbarer Phosphor und verfügbares Kalium sind die grundlegenden Nährstoffe des Bodens. Sie beeinflussen die Bodenqualität und die Nährstoffaufnahme durch das Wurzelsystem. Bodennährstoffe sind ein wichtiger Faktor für die Mikroorganismen im Boden. Daher ist es sinnvoll 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 neun Jahren organische Substanz anreichert. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von künstlichem Boden ist ein gutes Verständnis der darin enthaltenen Nährstoffe unerlässlich.
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der Gehalt an organischer Substanz im natürlichen Hangboden nach Abschluss des gesamten Bodenbildungsprozesses am höchsten ist. Der Gehalt an organischer Substanz im Flachhangboden war am niedrigsten. Durch Verwitterung und Oberflächenabfluss reichern sich Bodennährstoffe im mittleren und unteren Hangbereich an und bilden eine dicke Humusschicht. Aufgrund der kleinen Partikel und der geringen Stabilität des Flachhangbodens wird die organische Substanz jedoch leicht von Mikroorganismen abgebaut. Die Untersuchung ergab, dass die Vegetationsbedeckung und -vielfalt im mittleren und unteren Hangbereich hoch, die Homogenität jedoch gering war, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Nährstoffe an der Oberfläche führen kann. Eine dicke Humusschicht speichert Wasser, und Bodenorganismen sind aktiv. All dies beschleunigt den Abbau organischer Substanz im Boden.
Der Gehalt an alkalisch hydrolysiertem Stickstoff an den Hangauf-, Mittel- und Talhängen der Bahntrasse war höher als an natürlichen Hängen. Dies deutet darauf hin, dass die Mineralisierungsrate des organischen Stickstoffs an Bahnhängen deutlich höher war als an natürlichen Hängen. Je kleiner die Partikel, desto instabiler die Bodenstruktur, desto leichter können Mikroorganismen die organische Substanz in den Aggregaten zersetzen und desto größer ist der Pool an mineralisiertem organischem Stickstoff^60,61. Übereinstimmend mit den Ergebnissen der Studie⁶² war der Anteil kleiner Partikelaggregate im Boden von Bahnhängen signifikant höher als an natürlichen Hängen. Daher müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um den Gehalt an Dünger, organischer Substanz und Stickstoff im Boden von Bahnhängen zu erhöhen und die nachhaltige Bodennutzung zu verbessern. Der Verlust an verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium durch Oberflächenabfluss machte 77,27 % bis 99,79 % des Gesamtverlusts an Bahnhängen aus. Oberflächenabfluss ist wahrscheinlich die Hauptursache für den Verlust verfügbarer Nährstoffe an Hängen. soils63,64,65.
Wie Tabelle 4 zeigt, bestand eine signifikante positive Korrelation zwischen Hanglage und verfügbarem Phosphor (R² = 0,948), und die Korrelation zwischen Hanglage und verfügbarem Kalium war gleich (R² = 0,898). Dies zeigt, dass die Hanglage den Gehalt an verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium im Boden beeinflusst.
Das Gefälle ist ein wichtiger Faktor, der den Gehalt an organischer Substanz im Boden und die Stickstoffanreicherung beeinflusst⁶⁶. Je geringer das Gefälle, desto höher die Anreicherungsrate. Der Nährstoffverlust wurde bei der Bodennährstoffanreicherung abgeschwächt, und der Einfluss der Hanglage auf den Gehalt an organischer Substanz und die Gesamtstickstoffanreicherung war nicht eindeutig. Unterschiedliche Pflanzenarten und -anzahlen an verschiedenen Hängen führen zur Ausscheidung unterschiedlicher organischer Säuren durch die Pflanzenwurzeln. Organische Säuren fördern die Fixierung von verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium im Boden. Daher bestand eine signifikante Korrelation zwischen Hanglage und verfügbarem Phosphor sowie zwischen Hanglage und verfügbarem Kalium.
Um den Zusammenhang zwischen Bodennährstoffen und Bodenkorrosion zu klären, ist eine Korrelationsanalyse erforderlich. Wie Tabelle 5 zeigt, korrelierte das Redoxpotenzial signifikant negativ mit dem verfügbaren Stickstoff (R² = -0,845) und signifikant positiv mit dem verfügbaren Phosphor (R² = 0,842) sowie dem verfügbaren Kalium (R² = 0,980). Das Redoxpotenzial spiegelt die Redoxqualität wider, die üblicherweise von physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften beeinflusst wird und somit eine Reihe weiterer Bodeneigenschaften beeinflusst. Daher ist es ein wichtiger Faktor für die Richtung der Nährstoffumwandlung im Boden.⁶⁷ Unterschiedliche Redoxqualitäten können zu unterschiedlichen Zuständen und Verfügbarkeiten von Nährstoffen führen. Folglich besteht eine signifikante Korrelation zwischen dem Redoxpotenzial und dem verfügbaren Stickstoff, Phosphor und Kalium.
Neben den Metalleigenschaften hängt das Korrosionspotenzial auch von den Bodeneigenschaften ab. Es zeigte sich eine signifikante negative Korrelation zwischen Korrosionspotenzial und organischem Material, was darauf hindeutet, dass organisches Material einen signifikanten Einfluss auf das Korrosionspotenzial hat. Darüber hinaus korrelierte organisches Material signifikant negativ mit dem Potenzialgradienten (SN) (R² = -0,713) und der Sulfationenkonzentration (R² = -0,671), was darauf hindeutet, dass der Gehalt an organischem Material auch den Potenzialgradienten (SN) und die Sulfationenkonzentration beeinflusst. Zwischen dem pH-Wert des Bodens und dem verfügbaren Kalium bestand eine signifikante negative Korrelation (R² = -0,728).
Verfügbarer Stickstoff korrelierte signifikant negativ mit den gesamten löslichen Salzen und Chloridionen, während verfügbarer Phosphor und verfügbares Kalium signifikant positiv mit diesen korrelierten. Dies deutet darauf hin, dass der Gehalt an verfügbaren Nährstoffen die Menge an gesamten löslichen Salzen und Chloridionen im Boden signifikant beeinflusst und dass Anionen im Boden die Anreicherung und Bereitstellung verfügbarer Nährstoffe hemmen. Der Gesamtstickstoff korrelierte signifikant negativ mit Sulfationen und signifikant positiv mit Bicarbonaten, was darauf hindeutet, dass er den Gehalt an Sulfat und Bicarbonat beeinflusst. Pflanzen benötigen nur wenig Sulfat- und Bicarbonat-Ionen, sodass diese größtenteils frei im Boden vorliegen oder von Bodenkolloiden gebunden sind. Bicarbonat-Ionen fördern die Stickstoffanreicherung im Boden, während Sulfat-Ionen die Stickstoffverfügbarkeit verringern. Daher ist eine angemessene Erhöhung des Gehalts an verfügbarem Stickstoff und Humus im Boden vorteilhaft, um die Bodenkorrosivität zu reduzieren.
Der Boden ist ein System mit komplexer Zusammensetzung und komplexen Eigenschaften. Seine Korrosivität resultiert aus dem Zusammenwirken vieler Faktoren. Daher wird zur Beurteilung der Bodenkorrosivität üblicherweise ein umfassendes Bewertungsverfahren angewendet. In Anlehnung an die Norm GB50021-94 („Code for Geotechnical Engineering Investigation“) und die Prüfmethoden des Chinesischen Bodenkorrosionsprüfnetzwerks lässt sich der Korrosionsgrad des Bodens nach folgenden Kriterien umfassend bewerten: (1) Bei ausschließlich schwacher Korrosion ohne Anzeichen von mäßiger oder starker Korrosion; (2) bei fehlender starker Korrosion wird die Korrosion als mäßig eingestuft; (3) bei ein oder zwei Stellen mit starker Korrosion wird die Korrosion als stark eingestuft; (4) bei drei oder mehr Stellen mit starker Korrosion wird die Korrosion als sehr stark eingestuft.
Anhand des spezifischen Bodenwiderstands, des Redoxpotenzials, des Wassergehalts, des Salzgehalts, des pH-Werts sowie des Cl-- und SO42--Gehalts wurden die Korrosionsgrade von Bodenproben an verschiedenen Hangneigungen umfassend bewertet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Böden an allen Hängen stark korrosiv sind.
Das Korrosionspotenzial ist ein wichtiger Faktor, der die Korrosion von Hangsicherungsnetzen beeinflusst. Die Korrosionspotenziale aller drei Hänge liegen unter -200 mV, was den größten Einfluss auf die Korrosion des hangaufwärts gelegenen Metallgewebes hat. Der Potenzialgradient kann zur Beurteilung der Streustromstärke im Boden herangezogen werden. Streustrom ist ein wichtiger Faktor, der die Korrosion von Metallgeweben an mittleren und hangaufwärts gelegenen Hängen, insbesondere an mittleren Hängen, beeinflusst. 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 Hangsicherungsnetz war mäßig. Der Bodenwassergehalt ist ein wichtiger Faktor, der die Korrosion von Metallgeweben an mittleren und hangabwärts gelegenen Hängen beeinflusst und hat einen größeren Einfluss auf die Korrosion von Hangsicherungsnetzen. Nährstoffe sind im Boden des mittleren Hangs am häufigsten vorhanden, was auf häufige mikrobielle Aktivitäten und schnelles Pflanzenwachstum hindeutet.
Die Untersuchung zeigt, dass Korrosionspotenzial, Potenzialgradient, Gesamtgehalt an löslichen Salzen und Wassergehalt die Hauptfaktoren für die Bodenkorrosion an den drei Hängen sind, wobei die Bodenkorrosivität als hoch eingestuft wird. Die Korrosion des Hangsicherungsnetzes ist am mittleren Hang am stärksten ausgeprägt, was als Referenz für die Korrosionsschutzplanung von Bahnhängen dient. Eine angemessene Zugabe von verfügbarem Stickstoff und organischem Dünger trägt dazu bei, die Bodenkorrosion zu reduzieren, das Pflanzenwachstum zu fördern und letztendlich den Hang zu stabilisieren.
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