Täname teid Nature.com-i külastamise eest. Teie kasutataval brauseriversioonil on CSS-i jaoks piiratud tugi. Parima kogemuse saamiseks soovitame teil kasutada värskendatud brauserit (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja). Seni kuvame saiti jätkuva toe tagamiseks ilma stiilide ja JavaScriptita.
Uurimisobjektiks Sui-Chongqingi raudtee nõlva pinnase eritakistus, pinnase elektrokeemia (korrosioonipotentsiaal, redokspotentsiaal, potentsiaaligradient ja pH), pinnase anioonid (lahustuvate soolade koguhulk, Cl-, SO42- ja) ning pinnase toitainesisaldus (niiskusesisaldus, orgaaniline aine, lämmastiku koguhulk, leelisega hüdrolüüsitud lämmastik, kättesaadav fosfor, kättesaadav kaalium). Erinevate nõlvade korral hinnatakse korrosiooniastet tehispinnase individuaalsete ja terviklike näitajate alusel. Võrreldes teiste teguritega on veel suurim mõju nõlva kaitsevõrgu korrosioonile, millele järgneb anioonide sisaldus. Lahustuva soola koguhulgal on nõlva kaitsevõrgu korrosioonile mõõdukas mõju ja hulkvoolul on nõlva kaitsevõrgu korrosioonile mõõdukas mõju. Pinnaseproovide korrosiooniastet hinnati põhjalikult ning ülemise nõlva korrosioon oli mõõdukas ning keskmise ja alumise nõlva korrosioon oli tugev. Pinnases olev orgaaniline aine korreleerus oluliselt potentsiaaligradientiga. Saadav lämmastik, kättesaadav kaalium ja kättesaadav fosfor korreleerusid oluliselt anioonidega. Pinnase toitainete jaotus on kaudselt seotud nõlva tüübiga.
Raudteede, maanteede ja veekaitserajatiste ehitamisel on mägede avad sageli vältimatud. Edelaosas asuvate mägede tõttu nõuab Hiina raudtee-ehitus mägedes palju kaevamist. See hävitab algse pinnase ja taimestiku, tekitades paljastunud kaljuseid nõlvu. See olukord põhjustab maalihkeid ja pinnaseerosiooni, ohustades seega raudteetranspordi ohutust. Maalihked on teeliiklusele halvad, eriti pärast 12. mai 2008. aasta Wenchuani maavärinat. Maalihketest on saanud laialt levinud ja tõsine maavärinakatastroof. 2008. aastal Sichuani provintsi 4243 kilomeetri pikkuste peamiste maanteede hindamisel registreeriti 1736 tõsist maavärinat teepervedel ja nõlvade tugimüürides, mis moodustas 39,76% hindamise kogupikkusest. Teekahjustustest tulenevad otsesed majanduslikud kahjud ületasid 58 miljardit jüaani2,3. Ülemaailmsed näited näitavad, et maavärinajärgsed geoloogilised ohud võivad kesta vähemalt 10 aastat (Taiwani maavärin) ja isegi 40–50 aastat (Kanto maavärin Jaapanis)4,5. Maavärinaohtu mõjutav peamine tegur on kalle6,7. Seetõttu on vaja säilitada tee kallet ja tugevdada selle stabiilsust. Taimedel on asendamatu roll nõlvade kaitsmisel ja ökoloogilise maastiku taastamisel8. Võrreldes tavaliste pinnase nõlvadega ei ole kivistel nõlvadel toitainete, näiteks orgaanilise aine, lämmastiku, fosfori ja kaaliumi akumulatsiooni ning neil puudub taimestiku kasvuks vajalik mullakeskkond. Selliste tegurite nagu suur kalle ja vihmaerosioon tõttu kaob nõlva pinnas kergesti. Nõlva keskkond on karm, puudub Taimede kasvuks vajalikud tingimused ja nõlva pinnasel puudub tugistabiilsus9. Nõlva pritsimine alusmaterjaliga pinnase katmiseks nõlva kaitsmiseks on minu riigis levinud nõlva ökoloogilise taastamise tehnoloogia. Pritsimiseks kasutatav tehismuld koosneb killustikust, põllumaa pinnast, õlgedest, liitväetisest, niiskust säilitavast ainest ja liimist (tavaliselt kasutatavate liimide hulka kuuluvad portlandtsement, orgaaniline liim ja asfaldiemulgaator) ​​teatud vahekorras. Tehniline protsess on järgmine: kõigepealt asetatakse kivile okastraat, seejärel kinnitatakse okastraat neetide ja ankrupoltidega ning lõpuks pritsitakse spetsiaalse pihustiga nõlvale seemneid sisaldav tehismuld. Enamasti kasutatakse täielikult tsingitud 14# rombikujulist metallvõrku, mille võrgusilma standard on 5cm × 5cm ja läbimõõt 2mm. Metallvõrk võimaldab mulla maatriksi moodustada kivi pinnale vastupidava monoliitse plaadi. Metallvõrk korrodeerub pinnases, kuna pinnas ise on elektrolüüt ja korrosiooni aste sõltub pinnase omadustest. Pinnase korrosioonitegurite hindamine on väga oluline pinnase põhjustatud metallvõrgu erosiooni hindamiseks ja maalihkeohtude kõrvaldamiseks.
Arvatakse, et taimede juured mängivad nõlvade stabiliseerimisel ja erosiooni kontrollimisel olulist rolli10,11,12,13,14. Nõlvade stabiliseerimiseks madalate maalihkete vastu saab kasutada taimestikku, kuna taimejuured saavad pinnast siduda, et vältida maalihkeid15,16,17. Puitunud taimestik, eriti puud, aitab vältida madalaid maalihkeid18. Taimede vertikaalsetest ja külgmistest juurestikest moodustunud tugev kaitsestruktuur toimib pinnases tugevdusvaiadena. Juurte arhitektuurimustrite arengut juhivad geenid ja mullakeskkond mängib nendes protsessides otsustavat rolli. Metallide korrosioon varieerub olenevalt mullakeskkonnast20. Metallide korrosiooni aste pinnases võib ulatuda üsna kiirest lahustumisest kuni tühise mõjuni21. Kunstlik pinnas on väga erinev tegelikust "pinnasest". Looduslike muldade teke on väliskeskkonna ja erinevate organismide vastastikmõju tulemus kümnete miljonite aastate jooksul22,23,24. Enne kui puitunud taimestik moodustab stabiilse juurestiku ja ökosüsteemi, on see, kas metallvõrk koos kivinõlva ja tehispinnasega saab ohutult toimida, otseselt seotud loodusliku majanduse arengu, eluohutuse ja... ökoloogilise keskkonna parandamine.
Metallide korrosioon võib aga kaasa tuua suuri kahjusid. 1980. aastate alguses Hiinas keemiamasinate ja teiste tööstusharude kohta läbi viidud uuringu kohaselt moodustasid metallide korrosioonist tingitud kaod 4% kogu toodangu väärtusest. Seetõttu on korrosioonimehhanismi uurimine ja majandusliku ehituse kaitsemeetmete võtmine väga oluline. Muld on keeruline gaaside, vedelike, tahkete ainete ja mikroorganismide süsteem. Mikroobsed metaboliidid võivad materjale söövitada ja hulkuvad voolud võivad samuti korrosiooni põhjustada. Seetõttu on oluline vältida pinnasesse maetud metallide korrosiooni. Praegu keskendub maetud metallide korrosiooni uurimine peamiselt (1) maetud metallide korrosiooni mõjutavatele teguritele25; (2) metallide kaitsemeetoditele26,27; (3) metallide korrosiooni astme hindamismeetoditele28; korrosioonile erinevates keskkondades. Kõik uuringus osalenud mullad olid aga looduslikud ja olid läbinud piisava mullatekkeprotsessi. Raudteekaljude nõlvade kunstliku mullaerosiooni kohta aga aruandeid pole.
Võrreldes teiste korrosiivsete keskkondadega on tehismullal mittelikviidsus, heterogeensus, hooajalisus ja regionaalsus. Metallide korrosiooni tehismuldades põhjustavad metallide ja tehismuldade vahelised elektrokeemilised vastastikmõjud. Lisaks kaasasündinud teguritele sõltub metallide korrosiooni kiirus ka ümbritsevast keskkonnast. Metallide korrosiooni mõjutavad mitmesugused tegurid nii individuaalselt kui ka kombinatsioonis, näiteks niiskusesisaldus, hapnikusisaldus, lahustuvate soolade kogusisaldus, anioonide ja metalliioonide sisaldus, pH, mulla mikroobid30,31,32.
30-aastase praktika jooksul on olnud probleemiks küsimus, kuidas kivistel nõlvadel tehismulda püsivalt säilitada33. Mõnel nõlval ei saa põõsad ega puud pärast 10-aastast käsitsi hooldamist mullaerosiooni tõttu kasvada. Metallvõrgu pinnal olev mustus uhuti mõnes kohas minema. Korrosiooni tõttu mõned metallvõrgud pragunesid ja kaotasid kogu pinnase enda peal ja all (joonis 1). Praegu keskendutakse raudteenõlvade korrosiooni uuringutes peamiselt raudteealajaamade maandusvõrgu korrosioonile, kergraudtee tekitatud hulkvoolude korrosioonile ning raudteesildade34,35, rööbaste ja muude sõidukite seadmete36 korrosioonile. Raudtee nõlva kaitsemetallist võrgu korrosioonist pole teateid olnud. Käesolev artikkel uurib Suiyu raudtee edelapoolsel kivinõlval olevate tehismuldade füüsikalisi, keemilisi ja elektrokeemilisi omadusi, eesmärgiga ennustada metalli korrosiooni mulla omaduste hindamise abil ning pakkuda teoreetilist ja praktilist alust mulla ökosüsteemi taastamiseks ja tehislikuks taastamiseks. Tehisnõlv.
Katsekoht asub Sichuani mägises piirkonnas (30°32′N, 105°32′E) Suiningi raudteejaama lähedal. Piirkond asub Sichuani basseini keskel, madalate mägede ja küngastega, lihtsa geoloogilise struktuuri ja tasase maastikuga. Erosioon, lõhenemine ja vee kogunemine loovad erodeerunud mägise maastiku. Aluspõhjaks on peamiselt lubjakivi ning katendiks peamiselt lilla liiv ja mudakivi. Terviklikkus on halb ja kivim on plokkstruktuuriga. Uuringupiirkonnas on subtroopiline niiske mussoonkliima, millel on varakevad, kuum suvi, lühike sügis ja hiline talv. Sademeid on palju, valguse- ja soojusvarud on rikkalikud, külmavaba periood on pikk (keskmiselt 285 päeva), kliima on mahe, aasta keskmine temperatuur on 17,4 °C, kuumima kuu (august) keskmine temperatuur on 27,2 °C ja äärmuslik maksimumtemperatuur on 39,3 °C. Kõige külmem kuu on jaanuar (keskmine temperatuur on 6,5 °C), äärmuslik miinimumtemperatuur on -3,8 °C ja aasta keskmine sademete hulk on 920 mm, mis koondub peamiselt juulisse ja augustisse. Kevadel, suvel, sügisel ja talvel on sademete hulk väga erinev. Sademete osakaal aasta igal aastaajal on vastavalt 19–21%, 51–54%, 22–24% ja 4–5%.
Uurimispaik asub umbes 45° kaldega nõlval 2003. aastal ehitatud Yu-Sui raudteel. 2012. aasta aprillis oli see Suiningi raudteejaamast 1 km kaugusel lõunasse. Kontrollina kasutati looduslikku kallet. Nõlva ökoloogilisel taastamisel kasutatakse välismaist pinnase pritsimise tehnoloogiat ökoloogiliseks taastamiseks. Raudteepoolse nõlva kõrguse järgi saab nõlva jagada üles-, kesk- ja allanõlvaks (joonis 2). Kuna lõigatud nõlva tehismulla paksus on umbes 10 cm, siis pinnase metallvõrgu korrosioonisaaduste saastumise vältimiseks kasutasime pinnase 0–8 cm sügavuselt võtmiseks ainult roostevabast terasest labidat. Iga nõlva positsiooni jaoks määrati neli kordust, iga kord 15–20 juhuslikku proovivõtupunkti. Iga kordus on segu 15–20 juhuslikult S-kujulistest joontest määratud proovivõtupunktidest. Selle värske kaal on umbes 500 grammi. Proovid viiakse laborisse polüetüleenist kilekottides töötlemiseks. Muld kuivatatakse loomulikult õhu käes ning kruus ning loomsed ja taimsed jäägid eraldatakse, purustatakse ahhaatpulgaga ja sõelutakse 20- ja 100-meššise nailonsõelaga, välja arvatud jämedad osakesed.
Pinnase takistust mõõdeti Shengli Instrument Company toodetud VICTOR4106 maandustakistuse testeriga; pinnase takistust mõõdeti välitingimustes; pinnase niiskust mõõdeti kuivatamismeetodil. DMP-2 kaasaskantav digitaalne mv/pH instrument on varustatud kõrge sisendtakistusega pinnase korrosioonipotentsiaali mõõtmiseks. Potentsiaalgradient ja redokspotentsiaal määrati kaasaskantava digitaalse mv/pH mõõtjaga DMP-2, lahustuva soola koguhulk pinnases määrati jääkide kuivatamise meetodil, kloriidioonide sisaldus pinnases määrati AgNO3 tiitrimismeetodil (Mohri meetod), pinnase sulfaatide sisaldus määrati kaudse EDTA tiitrimismeetodil, topeltindikaatortiitrimismeetodil pinnase karbonaadi ja vesinikkarbonaadi määramiseks, kaaliumdikromaadi oksüdatsiooni-kuumutusmeetodil pinnase orgaanilise aine määramiseks, leeliselise lahuse difusioonimeetodil pinnase leeliselise hüdrolüüsi lämmastiku määramiseks, H2SO4-HClO4 lagundamise Mo-Sb kolorimeetrilise meetodi abil. Pinnase kogufosfor ja pinnases leiduva fosfori sisaldus määrati Olseni meetodil (0,05 mol/l NaHCO3 lahus ekstraktorina) ja pinnase kogukaaliumi sisaldus määrati naatriumhüdroksiidi sulandus-leegifotomeetria abil.
Eksperimentaalsed andmed süstematiseeriti esialgu. Keskmise, standardhälbe, ühesuunalise ANOVA ja inimese korrelatsioonianalüüsi tegemiseks kasutati SPSS Statistics 20 programmi.
Tabel 1 esitab erineva kallakusega muldade elektromehaanilised omadused, anioonid ja toitained. Erinevate nõlvade korrosioonipotentsiaal, mulla takistus ja ida-lääne suunaline potentsiaalgradient olid kõik olulised (P < 0,05). Allamäge, kesknõlva ja loodusliku nõlva redokspotentsiaalid olid olulised (P < 0,05). Rööpaga risti olev potentsiaalgradient, st põhja-lõuna suunaline potentsiaalgradient, on ülesmäge>allamäge>kesknõlv. Mulla pH väärtus oli suurusjärgus allamäge>ülesmäge>kesknõlv>looduslik kalle. Loodusliku nõlva lahustuva soola kogusisaldus oli oluliselt suurem kui raudtee nõlval (P < 0,05). Kolmanda astme raudteenõlva mulla lahustuva soola kogusisaldus on üle 500 mg/kg ja lahustuval soolal on metalli korrosioonile mõõdukas mõju. Mulla orgaanilise aine sisaldus oli kõrgeim looduslikul nõlval ja madalaim allamäge nõlval (P < 0,05). Lämmastiku kogusisaldus oli kõrgeim keskmisel nõlval ja madalaim ülesmäge nõlval; Omastatava lämmastiku sisaldus oli kõrgeim langus- ja kesknõlval ning madalaim looduslikul nõlval; raudtee üles- ja langusnõlva kogulämmastiku sisaldus oli madalam, kuid omastatava lämmastiku sisaldus oli kõrgem. See näitab, et orgaanilise lämmastiku mineralisatsioonikiirus on üles- ja allamägedes kiire. Omastatava kaaliumi sisaldus on sama kui omastatava fosfori sisaldus.
Pinnase eritakistus on elektrijuhtivust näitav indeks ja põhiparameeter pinnase korrosiooni hindamiseks. Pinnase eritakistust mõjutavad tegurid on niiskusesisaldus, lahustuvate soolade kogusisaldus, pH, pinnase tekstuur, temperatuur, orgaanilise aine sisaldus, pinnase temperatuur ja tihedus. Üldiselt on madala eritakistusega pinnas korrosiivsem ja vastupidi. Pinnase korrosiivsuse hindamiseks eri riikides kasutatakse tavaliselt eritakistuse meetodit. Tabel 1 näitab iga üksiku indeksi korrodeerivuse astme hindamiskriteeriume37,38.
Minu riigi katsetulemuste ja standardite (tabel 1) kohaselt, kui pinnase söövitavust hinnatakse ainult pinnase eritakistuse abil, on ülesmäge nõlval olev pinnas väga söövitav; allamäge nõlval olev pinnas on mõõdukalt söövitav; keskmisel nõlval ja looduslikul nõlval on pinnase söövitavus suhteliselt madal kuni nõrk.
Ülesmäge kalduva pinnase takistus on oluliselt madalam kui nõlva teistes osades, mis võib olla põhjustatud vihmaerosioonist. Ülesmäge kalduva pinnase pealmine kiht voolab veega keskmisele nõlvale, nii et ülesmäge kalduva metallnõlva kaitsevõrk on pealmise mulla lähedal. Mõned metallvõrgud olid paljastunud ja isegi õhus rippusid (joonis 1). Pinnase takistust mõõdeti kohapeal; vaiade vahe oli 3 m; vaia süvistamise sügavus oli alla 15 cm. Paljas metallvõrk ja kooruv rooste võivad mõõtmistulemusi häirida. Seetõttu on pinnase korrodeerivuse hindamine ainult pinnase takistusindeksi abil ebausaldusväärne. Korrosiooni terviklikul hindamisel ei arvestata ülesmäge kalduva pinnase takistust.
Kõrge suhtelise õhuniiskuse tõttu põhjustab Sichuani piirkonna pidev niiske õhk õhuga kokkupuutuva metallvõrgu tugevamat korrodeerumist kui pinnasesse maetud metallvõrgu oma.39 Traatvõrgu kokkupuude õhuga võib lühendada selle kasutusiga, mis võib mäestiku pinnast destabiliseerida. Pinnase kadu võib raskendada taimede, eriti puittaimede, kasvu. Puittaimede puudumise tõttu on mäestiku kohal raske moodustada juurestikku, mis mulda tahkestaks. Samal ajal võib taimede kasv parandada ka mulla kvaliteeti ja suurendada mulla huumusesisaldust, mis mitte ainult ei säilita vett, vaid pakub ka head keskkonda loomade ja taimede kasvuks ja paljunemiseks, vähendades seeläbi mulla kadu. Seetõttu tuleks ehituse algstaadiumis külvata nõlvale rohkem puitunud seemneid ning pidevalt lisada vett säilitavat ainet ja katta kaitsekilega, et vähendada vihmavee põhjustatud nõlva pinnase erosiooni.
Korrosioonipotentsiaal on oluline tegur, mis mõjutab kolmetasandilise nõlva nõlva kaitsevõrgu korrosiooni ja avaldab suurimat mõju ülesmäge suunatud nõlvale (tabel 2). Tavalistes tingimustes korrosioonipotentsiaal antud keskkonnas palju ei muutu. Märgatava muutuse võivad põhjustada hulkuvad voolud. Hukkuvad voolud viitavad vooludele 40, 41, 42, mis lekivad teekattesse ja pinnasesse, kui sõidukid kasutavad ühistranspordisüsteemi. Transpordisüsteemi arenguga on meie riigi raudteetranspordisüsteem saavutanud ulatusliku elektrifitseerimise ning elektrifitseeritud raudteedelt alalisvoolu lekke põhjustatud maetud metallide korrosiooni ei saa ignoreerida. Praegu saab pinnase potentsiaaligradienti kasutada selle kindlakstegemiseks, kas pinnas sisaldab hulkuvate voolude häiringuid. Kui pinnase potentsiaaligradient on alla 0,5 mv/m, on hulkuv vool madal; kui potentsiaaligradient on vahemikus 0,5 mv/m kuni 5,0 mv/m, on hulkuv vool mõõdukas; Kui potentsiaaligradient on suurem kui 5,0 mv/m, on hulkuvvoolu tase kõrge. Keskmise nõlva, üles- ja allanõlva potentsiaaligradiendi (EW) ujuvvahemik on näidatud joonisel 3. Ujuvvahemiku osas esinevad keskmise nõlva ida-lääne ja põhja-lõuna suunal mõõdukad hulkuvad voolud. Seetõttu on hulkuvvool oluline tegur, mis mõjutab metallvõrkude korrosiooni kesk- ja allanõlval, eriti kesknõlval.
Üldiselt näitab mulla redokspotentsiaal (Eh) üle 400 mV oksüdeerimisvõimet, üle 0–200 mV keskmise redutseerimisvõime ja alla 0 mV suure redutseerimisvõime. Mida madalam on mulla redokspotentsiaal, seda suurem on mulla mikroorganismide võime metallide suhtes korrodeerida44. Redokspotentsiaali põhjal on võimalik ennustada mulla mikroobse korrosiooni suundumust. Uuring näitas, et kolme nõlva mulla redokspotentsiaal oli üle 500 mV ja korrosioonitase oli väga madal. See näitab, et nõlva pinnase ventilatsioonitingimused on head, mis ei soodusta mulla anaeroobsete mikroorganismide korrosiooni.
Varasemad uuringud on näidanud, et mulla pH mõju mullaerosioonile on ilmne. pH väärtuse kõikumine mõjutab oluliselt metallmaterjalide korrosioonikiirust. Mulla pH on tihedalt seotud piirkonna ja mullas olevate mikroorganismidega45,46,47. Üldiselt ei ole mulla pH mõju metallmaterjalide korrosioonile kergelt aluselises pinnases ilmne. Kolme raudtee nõlva pinnas on kõik aluseline, seega on pH mõju metallvõrgu korrosioonile nõrk.
Nagu tabelist 3 näha, näitab korrelatsioonianalüüs, et redokspotentsiaal ja kallaku asukoht on oluliselt positiivselt korreleeritud (R2 = 0,858), korrosioonipotentsiaal ja potentsiaaligradient (SN) on oluliselt positiivselt korreleeritud (R2 = 0,755) ning redokspotentsiaal ja potentsiaaligradient (SN) on oluliselt positiivselt korreleeritud (R2 = 0,755). Potentsiaali ja pH vahel oli oluline negatiivne korrelatsioon (R2 = -0,724). Kalde asend oli redokspotentsiaaliga oluliselt positiivses korrelatsioonis. See näitab, et erinevate kaldeasendite mikrokeskkonnas on erinevusi ning mulla mikroorganismid on redokspotentsiaaliga tihedalt seotud48, 49, 50. Redokspotentsiaal oli pH-ga oluliselt negatiivses korrelatsioonis51,52. See seos näitas, et pH ja Eh väärtused ei muutunud mulla redoksprotsessi käigus alati sünkroonselt, vaid neil oli negatiivne lineaarne seos. Metalli korrosioonipotentsiaal võib esindada elektronide hõlpsat omastamist ja kaotamist. Kuigi korrosioonipotentsiaal oli potentsiaaligradiendiga (SN) oluliselt positiivses korrelatsioonis, võib potentsiaaligradienti põhjustada metalli kerge elektronide kaotus.
Mulla lahustuvate soolade kogusisaldus on tihedalt seotud mulla söövitavusega. Üldiselt, mida suurem on mulla soolsus, seda madalam on mulla takistus, mis suurendab mulla takistust. Mulla elektrolüütides ei ole korrosiooni tekitajateks mitte ainult anioonid ja nende varieeruv kontsentratsioon, vaid ka peamiselt karbonaadid, kloriidid ja sulfaadid. Lisaks mõjutab mulla lahustuvate soolade kogusisaldus korrosiooni kaudselt ka muude tegurite kaudu, näiteks metallide elektroodipotentsiaali ja mulla hapniku lahustuvuse kaudu53.
Enamik pinnases lahustuvatest soola dissotsieerunud ioonidest ei osale otseselt elektrokeemilistes reaktsioonides, vaid mõjutavad metalli korrosiooni pinnase eritakistuse kaudu. Mida suurem on pinnase soolsus, seda tugevam on pinnase juhtivus ja seda tugevam on pinnase erosioon. Looduslike nõlvade pinnase soolsus on oluliselt kõrgem kui raudteenõlvadel, mis võib olla tingitud asjaolust, et looduslikud nõlvad on taimestikurikkad, mis soodustab pinnase ja vee kaitset. Teine põhjus võib olla see, et looduslikul nõlval on toimunud küps pinnamoodustamine (kivimi murenemise teel moodustunud pinnase algmaterjal), kuid raudteenõlva pinnas koosneb killustikutükkidest kui "kunstliku pinnase" maatriksist ja pole läbinud piisavat pinnamoodumisprotsessi. Mineraalid ei eraldu. Lisaks tõusid looduslike nõlvade sügava pinnase soolaioonid pinna aurustumise ajal kapillaaride toimel ja akumuleerusid pinnamulda, mille tulemuseks on soolaioonide sisalduse suurenemine pinnamuldas. Raudteenõlva pinnase paksus on alla 20 cm, mistõttu pealmine pinnas ei suuda sügavast pinnasest soola täiendada.
Positiivsetel ioonidel (näiteks K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ jne) on pinnase korrosioonile vähe mõju, samas kui anioonidel on oluline roll korrosiooni elektrokeemilises protsessis ja neil on oluline mõju metalli korrosioonile. Cl− võib kiirendada anoodi korrosiooni ja on kõige korrodeerivam anioon; mida suurem on Cl− sisaldus, seda tugevam on pinnase korrosioon. SO42− mitte ainult ei soodusta terase korrosiooni, vaid põhjustab korrosiooni ka mõnedes betoonmaterjalides54. Korrodeerib ka rauda. Happelise pinnase katsete seerias leiti, et korrosiooni kiirus on proportsionaalne pinnase happesusega55. Kloriid ja sulfaat on lahustuvate soolade peamised komponendid, mis võivad otseselt kiirendada metallide kavitatsiooni. Uuringud on näidanud, et süsinikterase korrosioonikaalu kadu leeliselises pinnases on peaaegu proportsionaalne kloriidi- ja sulfaatiioonide lisamisega56,57. Lee jt leidsid, et SO42− võib küll korrosiooni takistada, kuid soodustab juba tekkinud korrosiooniaukude teket58.
Pinnase söövitavuse hindamise standardi ja katsetulemuste kohaselt oli kloriidioonide sisaldus igas nõlva pinnaseproovis üle 100 mg/kg, mis viitab tugevale pinnase söövitavusele. Nii üles- kui ka allamäge suunatud nõlva sulfaatiooni sisaldus oli üle 200 mg/kg ja alla 500 mg/kg ning pinnas oli mõõdukalt korrodeerunud. Keskmise nõlva sulfaatiooni sisaldus on alla 200 mg/kg ja pinnase korrosioon on nõrk. Kui pinnasekeskkond sisaldab kõrget kontsentratsiooni, osaleb see reaktsioonis ja tekitab metallelektroodi pinnale korrosioonikatla, aeglustades seeläbi korrosioonireaktsiooni. Kontsentratsiooni suurenedes võib katlakivi järsult puruneda, kiirendades seeläbi oluliselt korrosioonikiirust; kontsentratsiooni jätkuva suurenemise korral katab korrosioonikatla metallelektroodi pinda ja korrosioonikiirus näitab taas aeglustumistrendi. Uuring näitas, et pinnases olev kogus oli väiksem ja seetõttu oli sellel korrosioonile vähe mõju.
Tabeli 4 kohaselt näitas kalde ja mullaanioonide vaheline korrelatsioon olulist positiivset korrelatsiooni kalde ja kloriidioonide vahel (R2 = 0,836) ning olulist positiivset korrelatsiooni kalde ja lahustuvate soolade koguhulga vahel (R2 = 0,742).
See viitab sellele, et pinnase äravool ja mullaerosioon võivad olla vastutavad mulla lahustuvate soolade koguhulga muutuste eest. Lahustuvate soolade koguhulga ja kloriidioonide vahel oli oluline positiivne korrelatsioon, mis võib olla tingitud asjaolust, et lahustuvad soolad on kloriidioonide kogum ja lahustuvate soolade koguhulga sisaldus määrab kloriidioonide sisalduse mullalahustes. Seega võime teada, et kalde erinevus võib põhjustada metallvõrgust osa tugevat korrosiooni.
Orgaaniline aine, üldlämmastik, kättesaadav lämmastik, kättesaadav fosfor ja kättesaadav kaalium on mulla põhitoitained, mis mõjutavad mulla kvaliteeti ja toitainete imendumist juurestiku poolt. Mulla toitained on oluline tegur, mis mõjutab mulla mikroorganisme, seega tasub uurida, kas mulla toitainete ja metalli korrosiooni vahel on seos. Suiyu raudtee valmis 2003. aastal, mis tähendab, et tehismuld on orgaanilise aine kogunemist kogenud vaid 9 aastat. Tehismulla eripära tõttu on vaja hästi mõista tehismulla toitaineid.
Uuring näitab, et orgaanilise aine sisaldus on loodusliku nõlva pinnases pärast kogu mullatekkeprotsessi kõrgeim. Madala nõlva pinnase orgaanilise aine sisaldus oli madalaim. Ilmastiku ja pinna äravoolu mõjul kogunevad mulla toitained kesknõlvale ja allanõlvale, moodustades paksu huumusekihi. Madala nõlva pinnase väikeste osakeste ja kehva stabiilsuse tõttu lagundavad mikroorganismid orgaanilist ainet aga kergesti. Uuring näitas, et kesknõlva ja allanõlva taimestiku ulatus ja mitmekesisus oli suur, kuid homogeensus oli madal, mis võib viia pinnatoitainete ebaühtlase jaotumiseni. Paks huumusekiht hoiab vett ja mullaorganismid on aktiivsed. Kõik see kiirendab orgaanilise aine lagunemist pinnases.
Leelisega hüdrolüüsitud lämmastiku sisaldus üles-, kesk- ja allanõlva raudteedel oli kõrgem kui looduslikul nõlval, mis näitab, et orgaanilise lämmastiku mineralisatsioonikiirus raudtee nõlval oli oluliselt kõrgem kui looduslikul nõlval. Mida väiksemad on osakesed, seda ebastabiilsem on mulla struktuur, seda lihtsam on mikroorganismidel agregaatides olevat orgaanilist ainet lagundada ja seda suurem on mineraliseerunud orgaanilise lämmastiku varu60,61. Kooskõlas 62. uuringu tulemustega oli raudtee nõlvade pinnases väikeste osakestega agregaatide sisaldus oluliselt kõrgem kui looduslikel nõlvadel. Seetõttu tuleb võtta asjakohaseid meetmeid, et suurendada väetise, orgaanilise aine ja lämmastiku sisaldust raudtee nõlva pinnases ning parandada mulla säästvat kasutamist. Pinna äravoolu põhjustatud kättesaadava fosfori ja kaaliumi raiskamine moodustas 77,27–99,79% raudtee nõlva kogukadust. Pinna äravool võib olla peamine kättesaadavate toitainete kadu põhjustaja nõlva pinnases63,64,65.
Nagu tabelis 4 näidatud, oli nõlva asendi ja kättesaadava fosfori vahel oluline positiivne korrelatsioon (R2 = 0,948) ning sama korrelatsioon oli nõlva asendi ja kättesaadava kaaliumi vahel (R2 = 0,898). See näitab, et nõlva asend mõjutab kättesaadava fosfori ja kättesaadava kaaliumi sisaldust mullas.
Kalle on oluline tegur, mis mõjutab mulla orgaanilise aine sisaldust ja lämmastiku rikastumist66, ning mida väiksem on kalle, seda suurem on rikastumiskiirus. Mulla toitainete rikastumise puhul oli toitainete kadu nõrgem ning nõlva asukoha mõju mulla orgaanilise aine sisaldusele ja lämmastiku kogurikastumisele ei olnud ilmne. Erinevat tüüpi ja arvu taimedel erinevatel nõlvadel on taimejuurte poolt eritatavad erinevad orgaanilised happed. Orgaanilised happed on kasulikud mullas kättesaadava fosfori ja kaaliumi sidumiseks. Seega oli nõlva asukoha ja kättesaadava fosfori ning nõlva asukoha ja kättesaadava kaaliumi vahel oluline korrelatsioon.
Mulla toitainete ja mulla korrosiooni vahelise seose selgitamiseks on vaja analüüsida korrelatsiooni. Nagu tabelis 5 näidatud, oli redokspotentsiaal oluliselt negatiivses korrelatsioonis kättesaadava lämmastikuga (R2 = -0,845) ning oluliselt positiivses korrelatsioonis kättesaadava fosfori (R2 = 0,842) ja kättesaadava kaaliumiga (R2 = 0,980). Redokspotentsiaal peegeldab redokspotentsiaali, mida tavaliselt mõjutavad mulla mõned füüsikalised ja keemilised omadused ning mis seejärel mõjutab mulla omadusi. Seetõttu on see oluline tegur mulla toitainete muundumise suuna määramisel. Erinevad redoksomadused võivad põhjustada toitainete erinevaid olekuid ja kättesaadavust. Seetõttu on redokspotentsiaal oluliselt korrelatsioonis kättesaadava lämmastiku, kättesaadava fosfori ja kättesaadava kaaliumiga.
Lisaks metalli omadustele on korrosioonipotentsiaal seotud ka mulla omadustega. Korrosioonipotentsiaal oli oluliselt negatiivses korrelatsioonis orgaanilise ainega, mis näitab, et orgaanilisel ainel oli oluline mõju korrosioonipotentsiaalile. Lisaks oli orgaaniline aine oluliselt negatiivses korrelatsioonis ka potentsiaaligradienti (SN) (R2 = -0,713) ja sulfaatiooniga (R2 = -0,671), mis näitab, et orgaanilise aine sisaldus mõjutab samuti potentsiaalset gradienti (SN) ja sulfaatiooni. Mulla pH ja olemasoleva kaaliumi vahel oli oluline negatiivne korrelatsioon (R2 = -0,728).
Saadaval olev lämmastik oli oluliselt negatiivses korrelatsioonis lahustuvate soolade ja kloriidioonide koguhulgaga ning saadav fosfor ja kaalium olid oluliselt positiivses korrelatsioonis lahustuvate soolade ja kloriidioonide koguhulgaga. See näitas, et saadaolevate toitainete sisaldus mõjutas oluliselt lahustuvate soolade ja kloriidioonide koguhulka mullas ning mullas olevad anioonid ei soodustanud kättesaadavate toitainete akumuleerumist ja tarnimist. Kogulämmastik oli oluliselt negatiivses korrelatsioonis sulfaatiooniga ja oluliselt positiivses korrelatsioonis vesinikkarbonaadiga, mis näitab, et kogulämmastik mõjutas sulfaadi ja vesinikkarbonaadi sisaldust. Taimedel on sulfaatioonide ja vesinikkarbonaadiioonide järele vähe nõudlust, seega on enamik neist mullas vabalt või mullakolloidide poolt imendunud. Bikarbonaatioonid soodustavad lämmastiku akumuleerumist mullas ja sulfaatioonid vähendavad lämmastiku kättesaadavust mullas. Seetõttu on mullas saadaoleva lämmastiku ja huumuse sisalduse asjakohane suurendamine kasulik mulla söövitavuse vähendamiseks.
Muld on keerulise koostise ja omadustega süsteem. Mulla söövitavus on paljude tegurite sünergilise toime tulemus. Seetõttu kasutatakse mulla söövitavuse hindamiseks üldiselt terviklikku hindamismeetodit. Viidates „Geotehniliste inseneriuuringute koodeksile” (GB50021-94) ja Hiina mullakorrosioonikatsete võrgustiku katsemeetoditele, saab mulla korrosiooniastet terviklikult hinnata järgmiste standardite kohaselt: (1) hinnang on nõrk korrosioon, kui on ainult nõrk korrosioon, mõõdukat korrosiooni ei esine ega tugevat korrosiooni; (2) kui tugevat korrosiooni ei esine, hinnatakse seda mõõduka korrosioonina; (3) kui on üks või kaks tugeva korrosiooniga kohta, hinnatakse seda tugeva korrosioonina; (4) kui on 3 või enam tugeva korrosiooniga kohta, hinnatakse seda tugeva korrosioonina.
Mullaproovide korrosiooniastet erinevatel nõlvadel hinnati põhjalikult mulla eritakistuse, redokspotentsiaali, veesisalduse, soolasisalduse, pH väärtuse ning Cl- ja SO42-sisalduse põhjal. Uurimistulemused näitavad, et kõigi nõlvade mullad on väga korrodeerivad.
Korrosioonipotentsiaal on oluline tegur, mis mõjutab nõlvakaitsevõrgu korrosiooni. Kõigi kolme nõlva korrosioonipotentsiaalid on alla -200 mv, millel on suurim mõju ülesmäge suunatud metallvõrgu korrosioonile. Potentsiaalgradiendi abil saab hinnata pinnases esineva hulkvoolu suurust. Hukkuvvool on oluline tegur, mis mõjutab metallvõrgu korrosiooni keskmistel ja ülesmäge suunatud nõlvadel, eriti keskmistel nõlvadel. Lahustuvate soolade kogusisaldus ülemise, keskmise ja alumise nõlva pinnases oli kõik üle 500 mg/kg ja korrosioonimõju nõlvakaitsevõrgule oli mõõdukas. Pinnase veesisaldus on oluline tegur, mis mõjutab metallvõrkude korrosiooni kesk- ja allamäge suunatud nõlval ning millel on suurem mõju nõlvakaitsevõrkude korrosioonile. Toitaineid on kõige rohkem keskmise nõlva pinnases, mis näitab sagedast mikroobset aktiivsust ja kiiret taimede kasvu.
Uuring näitab, et korrosioonipotentsiaal, potentsiaalne gradient, lahustuvate soolade kogusisaldus ja veesisaldus on peamised tegurid, mis mõjutavad pinnase korrosiooni kolmel nõlval, ning pinnase söövitavust hinnatakse tugevaks. Nõlvakaitsevõrgu korrosioon on kõige tõsisem keskmisel nõlval, mis annab alust raudtee nõlvakaitsevõrgu korrosioonivastaseks projekteerimiseks. Olemasoleva lämmastiku ja orgaanilise väetise asjakohane lisamine on kasulik pinnase korrosiooni vähendamiseks, taimede kasvu soodustamiseks ja lõpuks nõlva stabiliseerimiseks.
Kuidas seda artiklit tsiteerida: Chen, J. jt. Pinnase koostise ja elektrokeemia mõju kivimi nõlvavõrgustiku korrosioonile Hiina raudteeliini ääres. Science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Raudtee aluspinnase nõlvade dünaamilised omadused maavärina ergutuse korral. Loodusõnnetus. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. jt. Sichuani provintsi Wenchuani maavärinapiirkonna maanteede tüüpiliste maavärinakahjustuste analüüs [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. ja Jinsong, J. Wenchuani maavärina ajal maanteesildade seismiliste kahjustuste analüüs ja vastumeetmed. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY ja Liu, CC. Chichi maavärina mõju Kesk-Taiwanis sellele järgnenud vihmasadude põhjustatud maalihketele. Engineering Geology. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. jt. Maavärinate põhjustatud maalihkete pikaajaline mõju sette tekkele mägivalgalas: Tanzawa piirkond, Jaapan. geomorfoloogia. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. ja Dedong, L. Geotehniliste nõlvade seismilise stabiilsuse analüüsi uuringute ülevaade. Maavärinatehnika ja insenerivibratsioon. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Sichuani maakonnas Wenchuani maavärina põhjustatud geoloogiliste ohtude uuring. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Nõlvade kaitsmine taimestikuga: mõnede troopiliste taimede juuremehaanika. International Journal of Physical Sciences. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI ja Kitayama, K. Topograafilised mõjud troopilistele madalmäestike metsadele erinevates geoloogilistes tingimustes Kinabalu mäel, Borneol. Plant Ecology. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. jt. Ideaalsed taimejuurte omadused looduslike ja kunstlike nõlvade kaitsmiseks maalihkete eest. Taimed ja mullad, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Rohujuurte mõju pealmise mullakihi erodeerumisele kontsentreeritud voolu ajal. Geomorphology 76, 54–67 (2006).