Kiitos käynnistäsi Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä jatkuvan tuen varmistamiseksi.
Tutkimuskohteena oli Sui-Chongqing-rautatien rinne, maaperän resistiivisyys, maaperän sähkökemia (korroosiopotentiaali, redox-potentiaali, potentiaaligradientti ja pH), maaperän anionit (liukoisten suolojen kokonaismäärä, Cl-, SO42- ja) sekä maaperän ravinnepitoisuus (kosteuspitoisuus, orgaaninen aines, kokonaistyppi, alkalihydrolysoitu typpi, käytettävissä oleva fosfori, käytettävissä oleva kalium). Eri rinteillä korroosioluokkaa arvioitiin yksittäisten indikaattoreiden ja keinotekoisen maaperän kattavien indikaattoreiden perusteella. Verrattuna muihin tekijöihin vedellä on suurin vaikutus rinnesuojaverkon korroosioon, jota seuraa anionipitoisuus. Liukoisen suolan kokonaismäärällä on kohtalainen vaikutus rinnesuojaverkon korroosioon, ja hajavirralla on kohtalainen vaikutus rinnesuojaverkon korroosioon. Maaperänäytteiden korroosioaste arvioitiin kattavasti, ja korroosio ylärinteellä oli kohtalainen ja keski- ja alarinteellä voimakas. Maaperän orgaaninen aines korreloi merkittävästi potentiaaligradienttiin. Käytettävissä oleva typpi, käytettävissä oleva kalium ja käytettävissä oleva fosfori korreloivat merkittävästi anionien kanssa. Maaperän ravinteiden jakautuminen liittyy epäsuorasti rinnetyyppiin.
Rautateitä, moottoriteitä ja vesiensuojelulaitoksia rakennettaessa vuoristoon syntyvät aukot ovat usein väistämättömiä. Lounais-Kiinan vuoristojen vuoksi rautatierakentaminen vaatii paljon vuorten kaivamista. Se tuhoaa alkuperäisen maaperän ja kasvillisuuden ja luo paljaita kallioisia rinteitä. Tämä johtaa maanvyörymiin ja maaperän eroosioon, mikä uhkaa rautatieliikenteen turvallisuutta. Maanvyörymät ovat haitallisia tieliikenteelle, erityisesti 12. toukokuuta 2008 tapahtuneen Wenchuanin maanjäristyksen jälkeen. Maanvyörymistä on tullut laajalle levinnyt ja vakava maanjäristyskatastrofi. Vuonna 2008 tehdyssä Sichuanin maakunnan 4 243 kilometrin pituisen tärkeiden valtateiden arvioinnissa havaittiin 1 736 vakavaa maanjäristystä tienpenkeissä ja rinnetukimuureissa, mikä vastaa 39,76 % arvioinnin kokonaispituudesta. Tienvaurioiden aiheuttamat suorat taloudelliset tappiot ylittivät 58 miljardia yuania2,3. Maailmanlaajuiset esimerkit osoittavat, että maanjäristyksen jälkeiset geohazardit voivat kestää vähintään 10 vuotta (Taiwanin maanjäristys) ja jopa 40–50 vuotta (Kantōn maanjäristys Japanissa)4,5. Kaltevuus on tärkein maanjäristysvaaraan vaikuttava tekijä6,7. Siksi on tarpeen ylläpitää tien kaltevuutta ja vahvistaa sen vakautta. Kasveilla on korvaamaton rooli rinteiden suojelussa ja ekologisen maiseman ennallistamisessa8. Verrattuna tavallisiin maaperärinteisiin, kalliorinteillä ei ole ravinnetekijöiden, kuten orgaanisen aineksen, typen, fosforin ja kaliumin, kertymistä, eikä niillä ole kasvillisuuden kasvulle tarvittavaa maaperää. Suuren kaltevuuden ja sadeveden aiheuttaman eroosion kaltaisten tekijöiden vuoksi rinteiden maaperää menetetään helposti. Rinteiden ympäristö on ankara, eikä siinä ole Kasvien kasvulle välttämättömät olosuhteet, ja rinteessä oleva maaperä ei ole tukeva.9. Rinteen ruiskuttaminen pohjamateriaalilla maaperän peittämiseksi rinteen suojaamiseksi on yleisesti käytetty rinteiden ekologinen ennallistamistekniikka maassani. Ruiskutuksessa käytetty keinotekoinen maaperä koostuu murskatusta kivestä, viljelysmaasta, oljesta, seoslannoitteesta, vettä pidättävästä aineesta ja liimasta (yleisesti käytettyjä liimoja ovat portlandsementti, orgaaninen liima ja asfalttiemulgointiaine) ​​tietyssä suhteessa. Tekninen prosessi on seuraava: ensin asetetaan piikkilanka kalliolle, sitten kiinnitetään piikkilanka niiteillä ja ankkuripulteilla ja lopuksi ruiskutetaan siemeniä sisältävää keinotekoista maaperää rinteelle erityisellä ruiskulla. Useimmiten käytetään täysin galvanoitua 14 # timantinmuotoista metalliverkkoa, jonka silmäkoko on 5 cm × 5 cm ja halkaisija 2 mm. Metalliverkko mahdollistaa maaperän matriisin muodostamisen kestävän monoliittisen laatan kallion pinnalle. Metalliverkko korrodoituu maaperässä, koska maaperä itsessään on elektrolyytti, ja korroosion aste riippuu maaperän ominaisuuksista. Maaperän korroosiotekijöiden arviointi on erittäin tärkeää maaperän aiheuttaman metalliverkon eroosion arvioinnissa ja maanvyörymävaarojen poistamisessa.
Kasvien juurien uskotaan olevan ratkaisevassa roolissa rinteiden vakauttamisessa ja eroosion torjunnassa10,11,12,13,14. Kasvillisuutta voidaan käyttää rinteiden vakauttamiseen matalia maanvyörymiä vastaan, koska kasvien juuret voivat kiinnittää maaperää ja estää maanvyörymiä15,16,17. Puumainen kasvillisuus, erityisesti puut, auttaa estämään matalia maanvyörymiä18. Kasvien pystysuorat ja sivuttaiset juuristot muodostavat tukevan suojarakenteen, joka toimii vahvistuspaaluina maaperässä. Juurirakenteen kehittymistä ohjaavat geenit, ja maaperän ympäristöllä on ratkaiseva rooli näissä prosesseissa. Metallien korroosio vaihtelee maaperän mukaan20. Metallien korroosioaste maaperässä voi vaihdella melko nopeasta liukenemisesta merkityksettömään vaikutukseen21. Keinotekoinen maaperä on hyvin erilainen kuin todellinen "maaperä". Luonnollisten maaperien muodostuminen on seurausta ulkoisen ympäristön ja eri organismien välisestä vuorovaikutuksesta kymmenien miljoonien vuosien aikana22,23,24. Ennen kuin puumainen kasvillisuus muodostaa vakaan juuriston ja ekosysteemin, se, voiko metalliverkko yhdessä kalliorinteen ja keinotekoisen maaperän kanssa toimia turvallisesti, liittyy suoraan luonnontalouden kehitykseen, elämän turvallisuuteen ja ekologisen ympäristön parantaminen.
Metallien korroosio voi kuitenkin johtaa valtaviin tappioihin. Kiinassa 1980-luvun alussa kemianteollisuuden koneissa ja muissa teollisuudenaloissa tehdyn tutkimuksen mukaan metallien korroosion aiheuttamat tappiot muodostivat 4 % kokonaistuotannon arvosta. Siksi on erittäin tärkeää tutkia korroosiomekanismia ja ryhtyä suojatoimenpiteisiin taloudellisessa rakentamisessa. Maaperä on monimutkainen kaasujen, nesteiden, kiinteiden aineiden ja mikro-organismien järjestelmä. Mikrobien metaboliitit voivat syövyttää materiaaleja, ja myös harhavirrat voivat aiheuttaa korroosiota. Siksi on tärkeää estää maaperään haudattujen metallien korroosio. Tällä hetkellä maaperään haudattujen metallien korroosiota koskeva tutkimus keskittyy pääasiassa (1) maaperään vaikuttaviin tekijöihin25; (2) metallien suojausmenetelmiin26,27; (3) metallien korroosioasteen arviointimenetelmiin28; Korroosioon eri väliaineissa. Kaikki tutkimuksessa olleet maaperät olivat kuitenkin luonnollisia ja niissä oli tapahtunut riittävästi maaperän muodostumisprosesseja. Rautateiden kallioiden keinotekoisesta eroosiosta ei kuitenkaan ole raportteja.
Verrattuna muihin korroosiota aiheuttaviin väliaineisiin, keinotekoisella maaperällä on epälikvidiys, heterogeenisuus, kausiluonteisuus ja alueellisuus. Metallien korroosio keinotekoisissa maaperässä johtuu metallien ja keinotekoisten maaperän välisistä sähkökemiallisista vuorovaikutuksista. Synnynnäisten tekijöiden lisäksi metallien korroosion nopeus riippuu myös ympäröivästä ympäristöstä. Metallien korroosioon vaikuttavat useat tekijät erikseen tai yhdessä, kuten kosteuspitoisuus, happipitoisuus, liukoisten suolojen kokonaismäärä, anioni- ja metalli-ionipitoisuus, pH ja maaperän mikrobit30,31,32.
30 vuoden käytännön aikana kysymys keinotekoisten maaperien pysyvästä säilyttämisestä kallioisilla rinteillä on ollut ongelmallinen33. Pensaat tai puut eivät voi kasvaa joillakin rinteillä 10 vuoden manuaalisen hoidon jälkeen maaperän eroosion vuoksi. Metalliverkon pinnalla oleva lika huuhtoutui pois joissakin paikoissa. Korroosion vuoksi jotkut metalliverkot halkeilivat ja menettivät kaiken maaperän niiden ylä- ja alapuolella (kuva 1). Tällä hetkellä rautatien rinnekorroosiota koskeva tutkimus keskittyy pääasiassa rautatien asemien maadoitusverkon korroosioon, kevytraideliikenteen aiheuttamaan hajavirtakorroosioon sekä rautatiesiltojen34,35, raiteiden ja muiden ajoneuvolaitteiden36 korroosioon. Rautatien rinnesuojausmetalliverkon korroosiosta ei ole raportoitu. Tässä artikkelissa tutkitaan Suiyu-rautatien lounaisen kalliorinteen keinotekoisten maaperien fysikaalisia, kemiallisia ja sähkökemiallisia ominaisuuksia. Tavoitteena on ennustaa metallikorroosiota arvioimalla maaperän ominaisuuksia ja tarjota teoreettinen ja käytännöllinen perusta maaperän ekosysteemin ennallistamiselle ja keinotekoiselle ennallistamiselle. Keinotekoinen rinne.
Testialue sijaitsee Sichuanin mäkisellä alueella (30°32′N, 105°32′E) Suiningin rautatieaseman lähellä. Alue sijaitsee Sichuanin altaan keskellä, ja siellä on matalia vuoria ja kukkuloita, yksinkertainen geologinen rakenne ja tasainen maasto. Eroosio, lohkeaminen ja veden kertyminen luovat erodoitunutta mäkistä maisemaa. Kallioperä on pääasiassa kalkkikiveä, ja peitemaa on pääasiassa violettia hiekkaa ja savikiveä. Eheys on huono, ja kallio on lohkomaista rakennetta. Tutkimusalueella vallitsee subtrooppinen kostea monsuuni-ilmasto, jolle ovat ominaisia ​​aikainen kevät, kuuma kesä, lyhyt syksy ja myöhäinen talvi. Sademäärä on runsas, valo- ja lämpöresurssit ovat runsaat, pakkaseton jakso on pitkä (keskimäärin 285 päivää), ilmasto on leuto, vuotuinen keskilämpötila on 17,4 °C, kuumimman kuukauden (elokuu) keskilämpötila on 27,2 °C ja äärimmäinen ylin lämpötila on 39,3 °C. Kylmin kuukausi on tammikuu (keskilämpötila on 6,5 °C), äärimmäinen alin lämpötila on -3,8 °C, ja keskimääräinen vuotuinen sademäärä on 920 mm, pääasiassa heinä- ja elokuussa. Kevään, kesän, syksyn ja talven sademäärät vaihtelevat suuresti. Sademäärän osuus on kunkin vuodenajan osalta vastaavasti 19–21 %, 51–54 %, 22–24 % ja 4–5 %.
Tutkimuspaikka on noin 45 asteen kaltevuusalueella Yu-Sui-rautatien vuonna 2003 rakennetulla rinteellä. Huhtikuussa 2012 se oli etelään päin, kilometrin päässä Suiningin rautatieasemalta. Luonnollista rinnettä käytettiin kontrollina. Rinteen ekologisessa ennallistamisessa käytetään ulkomaista pintamaalaustekniikkaa ekologiseen ennallistamiseen. Rautatien puoleisen rinnealueen korkeuden mukaan rinne voidaan jakaa ylä-, keski- ja alamäkeen (kuva 2). Koska leikatun rinnemaan keinotekoisen maan paksuus on noin 10 cm, käytimme vain ruostumattomasta teräksestä valmistettua lapiota maan pinnan ottamiseen 0–8 cm syvyydeltä maaperän metalliverkon korroosiotuotteiden aiheuttaman saastumisen välttämiseksi. Jokaista rinnekohtaa kohden asetettiin neljä toistoa, joissa oli 15–20 satunnaista näytteenottopistettä toistoa kohden. Jokainen toisto on sekoitus 15–20 satunnaisesti S-muotoisista viivanäytteistä valittua näytteenottopistettä. Sen tuorepaino on noin 500 grammaa. Tuo näytteet laboratorioon polyeteenipusseissa käsittelyä varten. Maaperä kuivataan luonnollisesti ilmassa, ja sora sekä eläin- ja kasvijätteet poimitaan, murskataan akaattitikulla ja seulotaan 20- ja 100-silmäisellä nailonseulalla karkeita hiukkasia lukuun ottamatta.
Maaperän resistiivisyys mitattiin Shengli Instrument Companyn valmistamalla VICTOR4106-maadoitusresistanssimittarilla; maaperän resistiivisyys mitattiin kentällä; maaperän kosteus mitattiin kuivausmenetelmällä. Kannettavassa digitaalisessa DMP-2 mv/pH-laitteessa on korkea tuloimpedanssi maaperän korroosiopotentiaalin mittaamiseen. Potentiaaligradientti ja redox-potentiaali määritettiin kannettavalla DMP-2 digitaalisella mv/pH-laitteella, maaperän liukoisten suolojen kokonaismäärä määritettiin jäännöskuivausmenetelmällä, maaperän kloridipitoisuus määritettiin AgNO3-titrausmenetelmällä (Mohr-menetelmä), maaperän sulfaattipitoisuus määritettiin epäsuoralla EDTA-titrausmenetelmällä, kaksoisindikaattorititrausmenetelmällä maaperän karbonaatin ja bikarbonaatin määrittämiseksi, kaliumdikromaattihapetuskuumennusmenetelmällä maaperän orgaanisen aineksen määrittämiseksi, emäksisen liuoksen diffuusiomenetelmällä maaperän emäksisen hydrolyysitypen määrittämiseksi, H2SO4-HClO4-digestiolla ja Mo-Sb-kolorimetrisellä menetelmällä. Maaperän kokonaisfosfori ja käytettävissä oleva fosforipitoisuus määritettiin Olsen-menetelmällä (0,05 mol/l NaHCO3-liuosta uuttoaineena), ja maaperän kokonaiskaliumpitoisuus määritettiin natriumhydroksidifuusio-liekkifotometrialla.
Kokeelliset tiedot systematisoitiin aluksi. Keskiarvon, keskihajonnan, yksisuuntaisen ANOVA:n ja ihmisen korrelaatioanalyysin suorittamiseen käytettiin SPSS Statistics 20 -ohjelmistoa.
Taulukossa 1 esitetään eri kaltevuuksilla varustettujen maaperien sähkömekaaniset ominaisuudet, anionit ja ravinteet. Eri rinteiden korroosiopotentiaali, maaperän resistiivisyys ja itä-länsi-suuntainen potentiaaligradientti olivat kaikki merkitseviä (P < 0,05). Alamäen, keskirinteen ja luonnollisen kaltevuuden redox-potentiaalit olivat merkitseviä (P < 0,05). Kiskoon nähden kohtisuora potentiaaligradientti eli pohjois-etelä-suuntainen potentiaaligradientti on ylärinne>alarinne>keskirinne. Maaperän pH-arvo oli luokkaa alamäki>ylämäki>keskirinne>luonnollinen rinne. Liukoisen suolan kokonaispitoisuus luonnollisessa rinnettä kohden oli merkittävästi korkeampi kuin rautatien rinnettä kohden (P < 0,05). Kolmannen luokan rautatien rinnemaan liukoisen suolan kokonaispitoisuus on yli 500 mg/kg, ja liukoisen suolan kokonaismäärällä on kohtalainen vaikutus metallin korroosioon. Maaperän orgaanisen aineksen pitoisuus oli korkein luonnollisessa rinteessä ja alhaisin alamäkirinteessä (P < 0,05). Kokonaistyppipitoisuus oli korkein keskirinteessä ja alhaisin ylämäkeen suuntautuvassa rinteessä. Käytettävissä olevan typen pitoisuus oli korkein alamäessä ja keskirinteessä ja alhaisin luonnollisessa rinteessä; rautatien ylä- ja alamäen kokonaistyppipitoisuus oli alhaisempi, mutta käytettävissä olevan typen pitoisuus oli korkeampi. Tämä osoittaa, että orgaanisen typen mineralisaatio on nopeaa ylä- ja alamäessä. Käytettävissä olevan kaliumin pitoisuus on sama kuin käytettävissä olevan fosforin pitoisuus.
Maaperän resistiivisyys on sähkönjohtavuutta kuvaava indeksi ja perusparametri maaperän korroosion arvioinnissa. Maaperän resistiivisyyteen vaikuttavia tekijöitä ovat kosteuspitoisuus, liukoisten suolojen kokonaispitoisuus, pH, maaperän rakenne, lämpötila, orgaanisen aineksen pitoisuus, maaperän lämpötila ja tiiviys. Yleisesti ottaen maaperät, joilla on alhainen resistiivisyys, ovat korrosiiviampia ja päinvastoin. Resistiivisyyden käyttäminen maaperän syövyttävyyden arvioimiseen on yleisesti käytetty menetelmä eri maissa. Taulukossa 1 esitetään kunkin yksittäisen indeksin syövyttävyysasteen arviointikriteerit37,38.
Maassani käytettyjen testitulosten ja standardien (taulukko 1) mukaan, jos maaperän syövyttävyyttä arvioidaan vain maaperän resistiivisyyden perusteella, ylämäkeen päin oleva maaperä on erittäin syövyttävää; alamäkeen päin oleva maaperä on kohtalaisen syövyttävää; keskirinteellä ja luonnonrinteessä maaperän syövyttävyys on suhteellisen alhainen/heikko.
Ylärinteen maaperän resistiivisyys on huomattavasti alhaisempi kuin rinteen muilla osilla, mikä voi johtua sateen aiheuttamasta eroosiosta. Ylärinteen pintamaa virtaa veden mukana keskirinteelle, joten ylärinteen metallisuojaverkko on lähellä pintamaata. Osa metalliverkoista oli paljaana ja jopa leijui ilmassa (kuva 1). Maaperän resistiivisyys mitattiin paikan päällä; paalujen väli oli 3 m ja paalutuksen syvyys oli alle 15 cm. Paljas metalliverkko ja hilseilevä ruoste voivat häiritä mittaustuloksia. Siksi maaperän korroosionkestävyyden arviointi pelkästään maaperän resistiivisyysindeksin perusteella on epäluotettavaa. Korroosion kattavassa arvioinnissa ylärinteen maaperän resistiivisyyttä ei oteta huomioon.
Korkean suhteellisen kosteuden vuoksi Sichuanin alueen jatkuvasti kostea ilma aiheuttaa ilmalle altistuvan metalliverkon korroosiota vakavammin kuin maaperään haudatun metalliverkon39. Metalliverkon altistuminen ilmalle voi johtaa käyttöiän lyhenemiseen, mikä voi horjuttaa ylämäkeen päin olevaa maaperää. Maaperän menetys voi vaikeuttaa kasvien, erityisesti puuvartisten kasvien, kasvua. Puuvartisten kasvien puutteen vuoksi ylämäkeen on vaikea muodostaa juuristoa, joka jähmettäisi maaperää. Samalla kasvien kasvu voi myös parantaa maaperän laatua ja lisätä maaperän humuspitoisuutta, mikä ei ainoastaan ​​pidätä vettä, vaan myös tarjoaa hyvän ympäristön eläinten ja kasvien kasvulle ja lisääntymiselle, mikä vähentää maaperän menetystä. Siksi rakentamisen alkuvaiheessa ylärinteelle tulisi kylvää enemmän puumaisia ​​siemeniä ja lisätä jatkuvasti vettä pidättävää ainetta ja peittää se suojakalvolla sadeveden aiheuttaman ylämäkeen maaperän eroosion vähentämiseksi.
Korroosiopotentiaali on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa kolmikerroksisen rinteen suojaverkon korroosioon, ja sillä on suurin vaikutus ylämäkeen (taulukko 2). Normaaliolosuhteissa korroosiopotentiaali ei juurikaan muutu tietyssä ympäristössä. Havaittavan muutoksen voivat aiheuttaa harhavirrat. Harhavirrat viittaavat virtoihin 40, 41, 42, jotka vuotavat tienpohjaan ja maaperään, kun ajoneuvot käyttävät julkista liikennejärjestelmää. Liikennejärjestelmän kehittyessä maan rautatieliikennejärjestelmä on saavuttanut laajamittaisen sähköistämisen, eikä sähköistettyjen rautateiden tasavirtavuotojen aiheuttamaa haudattujen metallien korroosiota voida jättää huomiotta. Tällä hetkellä maaperän potentiaaligradienttia voidaan käyttää määrittämään, sisältääkö maaperä harhavirtahäiriöitä. Kun pintamaan potentiaaligradientti on alle 0,5 mv/m, harhavirta on pieni; kun potentiaaligradientti on välillä 0,5 mv/m - 5,0 mv/m, harhavirta on kohtalainen; Kun potentiaaligradientti on yli 5,0 mv/m, hajavirran taso on korkea. Potentiaaligradienttien (EW) kelluva alue keskirinteellä, ylä- ja alamäessä on esitetty kuvassa 3. Kelluvan alueen osalta hajavirtoja esiintyy kohtalaisia ​​itä-länsi- ja pohjois-eteläsuunnissa keskirinteellä. Siksi hajavirta on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa metalliverkkojen korroosioon keskirinteellä ja alamäessä, erityisesti keskirinteellä.
Yleisesti ottaen maaperän redox-potentiaali (Eh) yli 400 mV osoittaa hapetuskykyä, yli 0–200 mV keskitasoa pelkistyskykyä ja alle 0 mV suurta pelkistyskykyä. Mitä pienempi maaperän redox-potentiaali on, sitä suurempi maaperän mikro-organismien kyky korroosiota metalleihin44. Maaperän mikrobikorroosion suuntaus on mahdollista ennustaa redox-potentiaalista. Tutkimuksessa havaittiin, että kolmen rinteen maaperän redox-potentiaali oli yli 500 mV ja korroosiotaso oli hyvin pieni. Tämä osoittaa, että rinnemaan ilmanvaihto on hyvä, mikä ei edistä maaperän anaerobisten mikro-organismien korroosiota.
Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että maaperän pH:n vaikutus maaperän eroosioon on ilmeinen. PH-arvon vaihtelu vaikuttaa merkittävästi metallimateriaalien korroosionopeuteen. Maaperän pH on läheisesti yhteydessä alueeseen ja maaperässä oleviin mikro-organismeihin45,46,47. Yleisesti ottaen maaperän pH:n vaikutus metallimateriaalien korroosioon hieman emäksisessä maaperässä ei ole ilmeinen. Kolmen rautatien rinteen maaperät ovat kaikki emäksisiä, joten pH:n vaikutus metalliverkon korroosioon on heikko.
Kuten taulukosta 3 voidaan nähdä, korrelaatioanalyysi osoittaa, että redox-potentiaali ja kaltevuuden sijainti korreloivat merkittävästi positiivisesti (R2 = 0,858), korroosiopotentiaali ja potentiaaligradientti (SN) korreloivat merkittävästi positiivisesti (R2 = 0,755) ja redox-potentiaali ja potentiaaligradientti (SN) korreloivat merkittävästi positiivisesti (R2 = 0,755). Potentiaalin ja pH:n välillä oli merkitsevä negatiivinen korrelaatio (R2 = -0,724). Rinteen sijainti korreloi merkitsevästi positiivisesti redox-potentiaalin kanssa. Tämä osoittaa, että eri rinteiden mikroympäristössä on eroja ja että maaperän mikro-organismit ovat läheisessä yhteydessä redox-potentiaaliin48, 49, 50. Redox-potentiaali korreloi merkitsevästi negatiivisesti pH:n kanssa51,52. Tämä suhde osoitti, että pH- ja Eh-arvot eivät aina muuttuneet synkronisesti maaperän redox-prosessin aikana, vaan niillä oli negatiivinen lineaarinen suhde. Metallin korroosiopotentiaali voi edustaa suhteellista kykyä vastaanottaa ja luovuttaa elektroneja. Vaikka korroosiopotentiaali korreloi merkitsevästi positiivisesti potentiaaligradientin (SN) kanssa, potentiaaligradientti voi johtua metallin helposta elektronien luovutuksesta.
Maaperän liukoisten suolojen kokonaispitoisuus liittyy läheisesti maaperän syövyttävyyteen. Yleisesti ottaen mitä korkeampi maaperän suolapitoisuus on, sitä pienempi on maaperän resistiivisyys, mikä lisää maaperän vastusta. Maaperän elektrolyyteissä korroosiota aiheuttavat paitsi anionit ja niiden vaihtelevat pitoisuudet, myös pääasiassa karbonaatit, kloridit ja sulfaatit. Lisäksi maaperän liukoisten suolojen kokonaispitoisuus vaikuttaa korroosioon epäsuorasti muiden tekijöiden, kuten metallien elektrodipotentiaalin ja maaperän happiliukoisuuden, kautta53.
Suurin osa maaperän liukoisista suolasta irronneista ioneista ei osallistu suoraan sähkökemiallisiin reaktioihin, vaan ne vaikuttavat metallien korroosioon maaperän resistiivisyyden kautta. Mitä korkeampi maaperän suolapitoisuus on, sitä suurempi on maaperän johtavuus ja sitä voimakkaampi on maaperän eroosio. Luonnonrinteiden maaperän suolapitoisuus on huomattavasti korkeampi kuin rautatierinteiden, mikä voi johtua siitä, että luonnonrinteillä on runsaasti kasvillisuutta, mikä edistää maaperän ja veden suojelua. Toinen syy voi olla, että luonnonrinteessä on kypsä maaperä (kallioiden rapautumisen muodostama maaperän perusmateriaali), mutta rautatierinteen maaperä koostuu murskatusta kivimurskasta "keinotekoisen maan" matriisina, eikä se ole käynyt läpi riittävää maaperän muodostumisprosessia. Mineraaleja ei vapaudu. Lisäksi luonnonrinteiden syvän maaperän suolaionit nousivat kapillaari-ilmiön seurauksena pintahaihtumisen aikana ja kertyivät pintamaahan, mikä johti suolaionien pitoisuuden kasvuun pintamaassa. Rautatienrinteen maaperän paksuus on alle 20 cm, minkä seurauksena pintamaa ei pysty täydentämään syvän maaperän suolaa.
Positiivisilla ioneilla (kuten K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ jne.) on vain vähän vaikutusta maaperän korroosioon, kun taas anioneilla on merkittävä rooli korroosion sähkökemiallisessa prosessissa ja niillä on merkittävä vaikutus metallien korroosioon. Cl− voi kiihdyttää anodin korroosiota ja on korrosoivin anioni; mitä korkeampi Cl−-pitoisuus on, sitä voimakkaampi maaperän korroosio. SO42− ei ainoastaan ​​edistä teräksen korroosiota, vaan aiheuttaa myös korroosiota joissakin betonimateriaaleissa54. Se syövyttää myös rautaa. Happamien maaperien kokeissa korroosionopeuden havaittiin olevan verrannollinen maaperän happamuuteen55. Kloridi ja sulfaatti ovat liukoisten suolojen pääkomponentteja, jotka voivat suoraan kiihdyttää metallien kavitaatiota. Tutkimukset ovat osoittaneet, että hiiliteräksen korroosiopainon menetys emäksisissä maaperissä on lähes verrannollinen kloridi- ja sulfaatti-ionien lisäykseen56,57. Lee ym. havaitsivat, että SO42− voi estää korroosiota, mutta edistää jo muodostuneiden korroosiokuoppien kehittymistä58.
Maaperän syövyttävyyden arviointistandardin ja testitulosten mukaan kloridi-ionipitoisuus kussakin rinnemaanäytteessä oli yli 100 mg/kg, mikä osoittaa voimakasta maaperän syövyttävyyttä. Sekä ylä- että alamäkirinteiden sulfaatti-ionipitoisuus oli yli 200 mg/kg ja alle 500 mg/kg, ja maaperä oli kohtalaisesti syöpynyt. Keskirinteessä sulfaatti-ionipitoisuus on alle 200 mg/kg, ja maaperän korroosio on heikkoa. Kun maaperän väliaine sisältää korkean pitoisuuden sulfaatti-ioneja, ne osallistuvat reaktioon ja tuottavat korroosiohilsettä metallielektrodin pinnalle, mikä hidastaa korroosioreaktiota. Pitoisuuden kasvaessa hilse voi rikkoutua äkillisesti, mikä kiihdyttää korroosionopeutta huomattavasti; pitoisuuden jatkaessa kasvuaan korroosiohilse peittää metallielektrodin pinnan ja korroosionopeus osoittaa jälleen hidastuvaa trendiä59. Tutkimuksessa havaittiin, että sulfaattipitoisuus maaperässä oli pienempi, eikä sillä siksi ollut juurikaan vaikutusta korroosioon.
Taulukon 4 mukaan kulmakertoimen ja maaperän anionien välinen korrelaatio osoitti, että kulmakertoimen ja kloridi-ionien välillä oli merkittävä positiivinen korrelaatio (R2 = 0,836) ja kulmakertoimen ja liukoisten suolojen kokonaismäärän välillä oli merkittävä positiivinen korrelaatio (R2 = 0,742).
Tämä viittaa siihen, että pintavalunta ja maaperän eroosio saattavat olla vastuussa maaperän liukoisten suolojen kokonaismäärän muutoksista. Liukoisten suolojen kokonaismäärän ja kloridi-ionien välillä oli merkittävä positiivinen korrelaatio, mikä voi johtua siitä, että liukoisten suolojen kokonaismäärä on kloridi-ionien allas ja liukoisten suolojen kokonaismäärä määrää kloridi-ionien pitoisuuden maaliuoksissa. Siksi voimme tietää, että kaltevuuden ero voi aiheuttaa metalliverkon osan vakavaa korroosiota.
Orgaaninen aines, kokonaistyppi, käytettävissä oleva typpi, käytettävissä oleva fosfori ja käytettävissä oleva kalium ovat maaperän perusravinteita, jotka vaikuttavat maaperän laatuun ja ravinteiden imeytymiseen juuristoon. Maaperän ravinteet ovat tärkeä tekijä, joka vaikuttaa maaperän mikro-organismeihin, joten on syytä tutkia, onko maaperän ravinteiden ja metallin korroosion välillä korrelaatiota. Suiyu-rautatie valmistui vuonna 2003, mikä tarkoittaa, että keinotekoiseen maaperään on kertynyt orgaanista ainesta vain 9 vuotta. Keinotekoisen maaperän erityispiirteiden vuoksi on välttämätöntä ymmärtää hyvin keinotekoisen maaperän ravinteita.
Tutkimus osoittaa, että orgaanisen aineksen pitoisuus on korkein luonnollisessa rinnemaaperässä koko maaperän muodostumisprosessin jälkeen. Loivan rinteen maaperän orgaanisen aineksen pitoisuus oli alhaisin. Sään ja pintavalunnan vaikutuksesta maaperän ravinteet kerääntyvät keskirinteelle ja alarinteelle muodostaen paksun humuskerroksen. Loivan rinteen maaperän pienten hiukkasten ja heikon stabiilisuuden vuoksi mikro-organismit kuitenkin hajottavat orgaanista ainesta helposti. Tutkimuksessa havaittiin, että keskirinteen ja alarinteen kasvillisuuden peitto ja monimuotoisuus olivat runsaat, mutta homogeenisuus oli heikkoa, mikä voi johtaa pintaravinteiden epätasaiseen jakautumiseen. Paksu humuskerros pidättää vettä ja maaperän eliöt ovat aktiivisia. Kaikki tämä kiihdyttää orgaanisen aineksen hajoamista maaperässä.
Ylä-, keski- ja alamäkiratojen alkalihydrolysoituneen typen pitoisuus oli korkeampi kuin luonnollisen rinteen, mikä osoittaa, että rautatien rinnettä ympäröivä orgaanisen typen mineralisaatioaste oli merkittävästi korkeampi kuin luonnollisen rinteen. Mitä pienempiä hiukkasia, sitä epävakaampi maaperän rakenne, sitä helpompi mikro-organismien on hajottaa kiviainesten orgaanista ainesta ja sitä suurempi on mineralisoituneen orgaanisen typen määrä60,61. Tutkimuksen 62 tulosten mukaisesti pienhiukkasten pitoisuus rautatien rinneten maaperässä oli merkittävästi korkeampi kuin luonnollisten rinteiden. Siksi on ryhdyttävä asianmukaisiin toimenpiteisiin lannoitteiden, orgaanisen aineksen ja typen pitoisuuden lisäämiseksi rautatien rinnettä ympäröivässä maaperässä ja maaperän kestävän käytön parantamiseksi. Pintavalunta aiheutti 77,27–99,79 % rautatien rinnettä ympäröivän maaperän kokonaishäviöstä. Pintavalunta voi olla tärkein käytettävissä olevien ravinteiden hävikin ajuri rinnemaissa63,64,65.
Kuten taulukosta 4 käy ilmi, rinteen sijainnin ja käytettävissä olevan fosforin välillä oli merkittävä positiivinen korrelaatio (R2 = 0,948), ja rinteen sijainnin ja käytettävissä olevan kaliumin välinen korrelaatio oli sama (R2 = 0,898). Tämä osoittaa, että rinteen sijainti vaikuttaa käytettävissä olevan fosforin ja kaliumin pitoisuuksiin maaperässä.
Kaltevuus on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa maaperän orgaanisen aineksen pitoisuuteen ja typen rikastumiseen66, ja mitä pienempi kaltevuus on, sitä suurempi on rikastumisnopeus. Maaperän ravinteiden rikastumisessa ravinnehävikki heikkeni, eikä rinteen sijainnin vaikutus maaperän orgaanisen aineksen pitoisuuteen ja typen kokonaisrikastumiseen ollut ilmeinen. Erilaisilla kasveilla ja niiden lukumäärillä eri rinteillä on erilaisia ​​​​kasvien juurien erittämiä orgaanisia happoja. Orgaaniset hapot ovat hyödyllisiä käytettävissä olevan fosforin ja kaliumin sitoutumiselle maaperään. Siksi rinteen sijainnin ja käytettävissä olevan fosforin sekä rinteen sijainnin ja käytettävissä olevan kaliumin välillä oli merkittävä korrelaatio.
Maaperän ravinteiden ja maaperän korroosion välisen suhteen selventämiseksi on tarpeen analysoida korrelaatiota. Kuten taulukosta 5 käy ilmi, redox-potentiaali korreloi merkittävästi negatiivisesti käytettävissä olevan typen kanssa (R2 = -0,845) ja merkittävästi positiivisesti käytettävissä olevan fosforin (R2 = 0,842) ja käytettävissä olevan kaliumin (R2 = 0,980) kanssa. Redox-potentiaali heijastaa redox-laadun, johon yleensä vaikuttavat maaperän jotkin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, ja se vaikuttaa sitten useisiin maaperän ominaisuuksiin. Siksi se on tärkeä tekijä maaperän ravinteiden muutoksen suunnan määrittämisessä67. Eri redox-laadut voivat johtaa erilaisiin tiloihin ja ravinnetekijöiden saatavuuteen. Siksi redox-potentiaali korreloi merkittävästi käytettävissä olevan typen, käytettävissä olevan fosforin ja käytettävissä olevan kaliumin kanssa.
Metallien ominaisuuksien lisäksi korroosiopotentiaali liittyy myös maaperän ominaisuuksiin. Korroosiopotentiaali korreloi merkittävästi negatiivisesti orgaanisen aineksen kanssa, mikä osoittaa, että orgaanisella aineella oli merkittävä vaikutus korroosiopotentiaaliin. Lisäksi orgaaninen aines korreloi merkittävästi negatiivisesti potentiaaligradientin (SN) (R2 = -0,713) ja sulfaatti-ionin (R2 = -0,671) kanssa, mikä osoittaa, että orgaanisen aineksen pitoisuus vaikuttaa myös potentiaaligradienttiin (SN) ja sulfaatti-ioniin. Maaperän pH:n ja käytettävissä olevan kaliumin välillä oli merkittävä negatiivinen korrelaatio (R2 = -0,728).
Käytettävissä oleva typpi korreloi merkittävästi negatiivisesti liukoisten suolojen ja kloridi-ionien kokonaismäärän kanssa, ja käytettävissä oleva fosfori ja käytettävissä oleva kalium korreloivat merkittävästi positiivisesti liukoisten suolojen ja kloridi-ionien kokonaismäärän kanssa. Tämä osoitti, että käytettävissä olevien ravinteiden pitoisuus vaikutti merkittävästi maaperän liukoisten suolojen ja kloridi-ionien kokonaismäärään, eivätkä maaperän anionit edistäneet käytettävissä olevien ravinteiden kertymistä ja saantia. Kokonaistyppi korreloi merkittävästi negatiivisesti sulfaatti-ionien kanssa ja merkittävästi positiivisesti bikarbonaattien kanssa, mikä osoittaa, että kokonaistypellä oli vaikutusta sulfaatin ja bikarbonaatin pitoisuuksiin. Kasveilla on vain vähän sulfaatti- ja bikarbonaatti-ionien tarvetta, joten suurin osa niistä on vapaana maaperässä tai maaperän kolloidien imeyttämiä. Bikarbonaatti-ionit edistävät typen kertymistä maaperään, ja sulfaatti-ionit vähentävät typen saatavuutta maaperässä. Siksi käytettävissä olevan typen ja humuksen pitoisuuden asianmukainen lisääminen maaperässä on hyödyllistä maaperän syövyttävyyden vähentämiseksi.
Maaperä on monimutkainen koostumus ja ominaisuudet. Maaperän syövyttävyys on monien tekijöiden synergistisen vaikutuksen tulos. Siksi maaperän syövyttävyyden arvioimiseksi käytetään yleensä kattavaa arviointimenetelmää. Viitaten "Geotechnisen suunnittelun tutkimuskoodiin" (GB50021-94) ja Kiinan maaperän korroosiotestausverkoston testausmenetelmiin, maaperän korroosioluokkaa voidaan arvioida kattavasti seuraavien standardien mukaisesti: (1) Arviointi on heikko korroosio, jos korroosio on vain heikkoa, ei kohtalaista korroosiota tai voimakasta korroosiota; (2) jos voimakasta korroosiota ei ole, se arvioidaan kohtalaiseksi korroosioksi; (3) jos voimakasta korroosiota on yksi tai kaksi, se arvioidaan voimakkaaksi korroosioksi; (4) jos voimakasta korroosiota on 3 tai useampia, se arvioidaan vakavaksi korroosioksi.
Maaperänäytteiden korroosioluokkia eri rinteillä arvioitiin kattavasti maaperän resistiivisyyden, redox-potentiaalin, vesipitoisuuden, suolapitoisuuden, pH-arvon sekä Cl- ja SO42-pitoisuuksien perusteella. Tutkimustulokset osoittavat, että kaikkien rinteiden maaperä on erittäin korroosiota aiheuttavaa.
Korroosiopotentiaali on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa rinnesuojaverkon korroosioon. Kolmen rinteen korroosiopotentiaalit ovat kaikki alle -200 mv, millä on suurin vaikutus ylämäen metalliverkon korroosioon. Potentiaaligradienttia voidaan käyttää arvioimaan maaperän hajavirran suuruutta. Hajavirta on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa metalliverkon korroosioon keskirinteillä ja ylämäkeen, erityisesti keskirinteillä. Ylä-, keski- ja alemman rinteen maaperän liukoisten suolojen kokonaispitoisuus oli kaikki yli 500 mg/kg, ja korroosiovaikutus rinnesuojaverkkoon oli kohtalainen. Maaperän vesipitoisuus on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa metalliverkkojen korroosioon keskirinteillä ja alamäessä, ja sillä on suurempi vaikutus rinnesuojaverkkojen korroosioon. Ravinteita on runsaimmin keskirinteen maaperässä, mikä osoittaa, että mikrobitoimintaa on usein ja kasvien kasvu on nopeaa.
Tutkimus osoittaa, että korroosiopotentiaali, mahdollinen kaltevuus, liukoisten suolojen kokonaispitoisuus ja vesipitoisuus ovat tärkeimmät maaperän korroosioon vaikuttavat tekijät kolmella rinteellä, ja maaperän syövyttävyyden arvioidaan olevan voimakas. Rinteen suojaverkon korroosio on vakavinta keskirinteellä, mikä tarjoaa viitekehyksen rautatien rinnesuojaverkon korroosionestosuunnittelulle. Saatavilla olevan typen ja orgaanisen lannoitteen asianmukainen lisääminen on hyödyllistä maaperän korroosion vähentämiseksi, kasvien kasvun edistämiseksi ja lopulta rinteen vakauttamiseksi.
Artikkelin viittausohjeet: Chen, J. et al. Maaperän koostumuksen ja sähkökemian vaikutukset kallion rinneverkoston korroosioon kiinalaisen rautatien varrella. science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Rautateiden alusmaan luiskien dynaamiset ominaisuudet maanjäristyksen alaisena. natural disaster. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. ym. Tyypillisten maanjäristysvaurioiden analyysi Wenchuanin maanjäristysalueella Sichuanin maakunnassa [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. Wenchuanin maanjäristyksen aiheuttamat maanteiden siltojen seismiset vauriot ja vastatoimenpiteet. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC Chichin maanjäristyksen vaikutus sitä seuranneiden sateiden aiheuttamiin maanvyörymiin Keski-Taiwanissa. Engineering Geology. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. ym. Maanjäristysten aiheuttamien maanvyörymien pitkäaikaiset vaikutukset sedimenttien tuotantoon vuoriston valuma-alueella: Tanzawan alue, Japani. geomorphology. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. & Dedong, L. Katsaus geoteknisten rinteiden seismisen stabiilisuuden analyysiä koskevaan tutkimukseen. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Tutkimus Wenchuanin maanjäristyksen aiheuttamista geologisista vaaroista Sichuanissa. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Rinteiden suojaus kasvillisuudella: joidenkin trooppisten kasvien juuristomekanismi. International Journal of Physical Sciences. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. Topografiset vaikutukset trooppisiin matalien vuoristojen metsiin erilaisissa geologisissa olosuhteissa Kinabalun vuorella, Borneossa. Plant Ecology.159, 35–49 (2002).
Stokes, A. ym. Ihanteelliset kasvien juuriston ominaisuudet luonnollisten ja keinotekoisten rinteiden suojaamiseksi maanvyörymiltä. Kasvit ja maaperä, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Ruohonjuurien vaikutus pintamaan eroosioon keskittyneen virtauksen aikana. Geomorphology 76, 54–67 (2006).