Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильдерсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Зерттеу нысаны ретінде Суй-Чунцин теміржол беткейін қарастыра отырып, топырақтың кедергісі, топырақ электрохимиясы (коррозия потенциалы, тотығу-тотықсыздану потенциалы, потенциал градиенті және рН), топырақ аниондары (жалпы еритін тұздар, Cl-, SO42- және) және топырақтың қоректенуі. (Ылғал мөлшері, органикалық заттар, жалпы азот, сілті-гидролизденген азот, қолжетімді фосфор, қолжетімді калий) Әртүрлі беткейлерде коррозия дәрежесі жасанды топырақтың жеке көрсеткіштері мен кешенді көрсеткіштеріне сәйкес бағаланады. Басқа факторлармен салыстырғанда, беткейден қорғайтын тордың коррозиясына су ең үлкен әсер етеді, содан кейін анион мөлшері келеді. Жалпы еритін тұз беткейден қорғайтын тордың коррозиясына орташа әсер етеді, ал адасқан ток беткейден қорғайтын тордың коррозиясына орташа әсер етеді. Топырақ үлгілерінің коррозия дәрежесі жан-жақты бағаланды, жоғарғы беткейдегі коррозия орташа, ал орта және төменгі беткейлердегі коррозия күшті болды. Топырақтағы органикалық заттар потенциал градиентімен айтарлықтай корреляцияланды. Қолжетімді азот, қолжетімді калий және қолжетімді фосфор аниондармен айтарлықтай корреляцияланды. Топырақ қоректік заттарының таралуы беткеймен жанама түрде байланысты. түрі.
Теміржолдарды, тас жолдарды және суды қорғау нысандарын салу кезінде тау шұңқырларын ашу жиі сөзсіз болады. Оңтүстік-батыстағы тауларға байланысты Қытайдың теміржол құрылысы тауды көп қазуды қажет етеді. Ол бастапқы топырақ пен өсімдіктерді бұзып, ашық тасты беткейлерді жасайды. Бұл жағдай көшкіндер мен топырақ эрозиясына әкеледі, осылайша теміржол көлігінің қауіпсіздігіне қауіп төндіреді. Көшкіндер, әсіресе 2008 жылғы 12 мамырдағы Вэньчуань жер сілкінісінен кейін, жол қозғалысына зиянды. Көшкіндер кең таралған және ауыр жер сілкінісі апатына айналды1. 2008 жылы Сычуань провинциясындағы 4243 шақырым негізгі магистральдық жолдарды бағалау кезінде жол төсемдері мен беткейлердің тіреу қабырғаларында 1736 ауыр жер сілкінісі болды, бұл бағалаудың жалпы ұзындығының 39,76%-ын құрады. Жолдың зақымдануынан тікелей экономикалық шығындар 58 миллиард юаньнан асты 2,3. Әлемдік мысалдар жер сілкінісінен кейінгі геологиялық қауіптер кем дегенде 10 жылға (Тайвань жер сілкінісі) және тіпті 40-50 жылға дейін созылуы мүмкін екенін көрсетеді (Жапониядағы Канто жер сілкінісі) 4,5. Градиент жер сілкінісі қаупіне әсер ететін негізгі фактор болып табылады 6,7. Сондықтан жол беткейін ұстап тұру және оның тұрақтылығын нығайту қажет. Өсімдіктер беткейлерді қорғауда және экологиялық ландшафтты қалпына келтіруде алмастырылмайтын рөл атқарады 8. Кәдімгі топырақ беткейлерімен салыстырғанда, тасты беткейлерде органикалық заттар, азот, фосфор және калий сияқты қоректік факторлардың жиналуы болмайды және өсімдіктердің өсуіне қажетті топырақ ортасы болмайды. Үлкен беткей және жаңбыр эрозиясы сияқты факторларға байланысты беткей топырағы оңай жоғалады. Беткей ортасы қатал, қажетті жағдайлар жоқ өсімдіктердің өсуі үшін, ал беткей топырағы тірек тұрақтылығының жетіспеушілігі9. Беткейлерді қорғау үшін топырақты жабу үшін негізгі материалмен беткейлерді бүрку - менің елімде кең таралған беткей экологиялық қалпына келтіру технологиясы. Бүрку үшін қолданылатын жасанды топырақ белгілі бір пропорцияда ұсақталған тас, ауылшаруашылық топырағы, сабан, құрама тыңайтқыш, су ұстағыш агент және желімнен (жиі қолданылатын желімдерге портландцемент, органикалық желім және асфальт эмульгаторы жатады) тұрады. Техникалық процесс: алдымен тасқа тікенекті сымды төсеу, содан кейін тікенекті сымды шегелермен және якорь болттарымен бекіту, соңында арнайы бүріккішпен беткейге тұқымдары бар жасанды топырақты бүрку. Толығымен мырышталған 14 # ромб тәрізді металл тор негізінен қолданылады, тор стандарты 5 см × 5 см және диаметрі 2 мм. Металл тор топырақ матрицасының тас бетінде берік монолитті плита қалыптастыруға мүмкіндік береді. Металл тор топырақта коррозияға ұшырайды, себебі топырақтың өзі электролит болып табылады және коррозия дәрежесі топырақтың сипаттамаларына байланысты. Топырақтың коррозия факторларын бағалау топырақ тудыратын металл тор эрозиясын бағалау және көшкін қаупін жою үшін өте маңызды.
Өсімдік тамырлары беткейлерді тұрақтандыруда және эрозияны бақылауда шешуші рөл атқарады деп есептеледі10,11,12,13,14. Таяз көшкіндерге қарсы беткейлерді тұрақтандыру үшін өсімдіктерді пайдалануға болады, себебі өсімдік тамырлары топырақты бекітіп, көшкіндердің алдын алады15,16,17. Ағаш өсімдіктері, әсіресе ағаштар, таяз көшкіндердің алдын алуға көмектеседі18. Топырақта нығайтқыш қадалар ретінде әрекет ететін өсімдіктердің тік және бүйірлік тамыр жүйелерінен пайда болған берік қорғаныс құрылымы. Тамыр архитектурасының үлгілерінің дамуы гендермен басқарылады, ал топырақ ортасы бұл процестерде шешуші рөл атқарады. Металдардың коррозиясы топырақ ортасына байланысты өзгереді20. Топырақтағы металдардың коррозия дәрежесі өте тез еруден елеусіз әсерге дейін өзгеруі мүмкін21. Жасанды топырақ нақты «топырақтан» өте ерекшеленеді. Табиғи топырақтың пайда болуы сыртқы орта мен әртүрлі организмдер арасындағы ондаған миллион жылдар бойы өзара әрекеттесудің нәтижесі болып табылады22,23,24. Ағаш өсімдіктері тұрақты тамыр жүйесі мен экожүйені құрмас бұрын, металл тордың тас беткейімен және жасанды топырақпен бірге қауіпсіз жұмыс істей алуы табиғи экономиканың дамуымен, тіршілік қауіпсіздігімен тікелей байланысты. және экологиялық ортаны жақсарту.
Дегенмен, металдардың коррозиясы үлкен шығындарға әкелуі мүмкін. 1980 жылдардың басында Қытайда химиялық машиналар мен басқа да салалар бойынша жүргізілген сауалнамаға сәйкес, металдардың коррозиясынан болған шығындар жалпы өнім құнының 4%-ын құрады. Сондықтан коррозия механизмін зерттеу және экономикалық құрылыс үшін қорғаныс шараларын қабылдау өте маңызды. Топырақ - газдардың, сұйықтықтардың, қатты заттардың және микроорганизмдердің күрделі жүйесі. Микробтық метаболиттер материалдарды коррозияға ұшыратуы мүмкін, ал адасқан токтар да коррозияны тудыруы мүмкін. Сондықтан топыраққа көмілген металдардың коррозиясының алдын алу маңызды. Қазіргі уақытта көмілген металдардың коррозиясын зерттеу негізінен (1) көмілген металдардың коррозиясына әсер ететін факторларға25; (2) металды қорғау әдістеріне26,27; (3) металдардың коррозия дәрежесін бағалау әдістеріне28; әртүрлі ортадағы коррозияға бағытталған. Дегенмен, зерттеудегі барлық топырақтар табиғи болды және жеткілікті топырақ түзілу процестерінен өтті. Дегенмен, теміржол жыныстарының беткейлерінің жасанды топырақ эрозиясы туралы ешқандай есеп жоқ.
Басқа коррозиялық орталармен салыстырғанда, жасанды топырақ сұйық еместік, гетерогенділік, маусымдық және аймақтықтық сипаттамаларына ие. Жасанды топырақтардағы металл коррозиясы металдар мен жасанды топырақтар арасындағы электрохимиялық өзара әрекеттесуден туындайды. Туа біткен факторлардан басқа, металл коррозиясының жылдамдығы қоршаған ортаға да байланысты. Металл коррозиясына жеке немесе бірге әсер ететін әртүрлі факторлар бар, мысалы, ылғал мөлшері, оттегі мөлшері, жалпы еритін тұз мөлшері, анион және металл иондарының мөлшері, рН, топырақ микробтары30,31,32.
30 жылдық тәжірибеде тасты беткейлерде жасанды топырақты қалай тұрақты сақтау керек деген мәселе туындады33. Топырақ эрозиясына байланысты 10 жыл бойы қолмен күтіп-баптағаннан кейін кейбір беткейлерде бұталар немесе ағаштар өсе алмайды. Металл тордың бетіндегі кір кейбір жерлерде жуылып кеткен. Коррозияға байланысты кейбір металл торлар жарылып, үстіндегі және астындағы барлық топырақты жоғалтқан (1-сурет). Қазіргі уақытта теміржол беткейлерінің коррозиясын зерттеу негізінен теміржол қосалқы станциясының жерге қосу торының коррозиясына, жеңіл рельсті көліктер тудыратын адасқан ток коррозиясына және теміржол көпірлерінің, жолдардың және басқа да көлік құралдарының коррозиясына бағытталған34,3536. Теміржол беткейлерін қорғау металл торының коррозиясы туралы хабарламалар болған жоқ. Бұл мақалада Суйюй темір жолының оңтүстік-батыс тау жыныстарындағы жасанды топырақтың физикалық, химиялық және электрохимиялық қасиеттері зерттеледі, топырақ қасиеттерін бағалау арқылы металл коррозиясын болжауға және топырақ экожүйесін қалпына келтіру мен жасанды қалпына келтірудің теориялық және практикалық негізін қамтамасыз етуге бағытталған. Жасанды беткей.
Сынақ алаңы Сычуаньның төбелі аймағында (30°32′N, 105°32′E) Суйнинг теміржол станциясының маңында орналасқан. Аудан Сычуань ойпатының ортасында, аласа таулар мен төбелермен, қарапайым геологиялық құрылыммен және жазық жер бедерімен орналасқан. Судың эрозиясы, кесілуі және жиналуы эрозиялық төбелі ландшафттарды тудырады. Негізгі жыныстар негізінен әктастан, ал үстіңгі қабаты негізінен күлгін құм мен балшықтан тұрады. Тұтастығы нашар, ал жыныс блокты құрылым болып табылады. Зерттеу аймағында ерте көктем, ыстық жаз, қысқа күз және кеш қыс маусымдық сипаттамалары бар субтропикалық ылғалды муссон климаты бар. Жауын-шашын мол, жарық пен жылу ресурстары мол, аязсыз кезең ұзақ (орташа есеппен 285 күн), климат жұмсақ, жылдық орташа температура 17,4°C, ең ыстық айдың (тамыз) орташа температурасы 27,2°C, ал ең жоғары температура 39,3°C. Ең суық ай - қаңтар (орташа температура 6,5°C), ең төменгі температура температура -3,8°C, ал жылдық орташа жауын-шашын мөлшері 920 мм, негізінен шілде және тамыз айларында шоғырланған. Көктем, жаз, күз және қыс мезгілдеріндегі жауын-шашын мөлшері айтарлықтай өзгереді. Жылдың әр мезгіліндегі жауын-шашынның үлесі сәйкесінше 19-21%, 51-54%, 22-24% және 4-5% құрайды.
Зерттеу орны 2003 жылы салынған Юй-Суй темір жолының беткейінде шамамен 45° көлбеу орналасқан. 2012 жылдың сәуірінде ол Суйнинг теміржол станциясынан 1 км қашықтықта оңтүстікке қараған. Табиғи беткей бақылау ретінде пайдаланылды. Беткейдің экологиялық қалпына келтіруі экологиялық қалпына келтіру үшін топырақты шашыратудың шетелдік технологиясын қолданады. Теміржол бүйір беткейінің биіктігіне сәйкес беткей жоғары, орта және төмен беткей болып бөлінуі мүмкін (2-сурет). Кесілген беткейдің жасанды топырақтың қалыңдығы шамамен 10 см болғандықтан, топырақ металл торының коррозия өнімдерінің ластануын болдырмау үшін біз топырақ бетін 0-8 см алу үшін тек тот баспайтын болаттан жасалған күрек қолданамыз. Әрбір беткей позициясы үшін төрт қайталау орнатылды, әр қайталауға 15-20 кездейсоқ сынама алу нүктелері бар. Әрбір қайталау S-тәрізді сызықтық сынама алу нүктелерінен кездейсоқ анықталған 15-20 қоспасы болып табылады. Оның жаңа салмағы шамамен 500 грамм. Үлгілерді өңдеу үшін полиэтилен зиплок пакеттерінде зертханаға қайтарыңыз. Топырақ табиғи түрде ауада кептіріледі, ал қиыршық тас, жануарлар мен өсімдік қалдықтары таңдалады, агат таяқшасымен ұсақталады және ірі бөлшектерден басқа 20 торлы, 100 торлы нейлон елегімен електен өткізіледі.
Топырақтың кедергісі Shengli Instrument Company шығарған VICTOR4106 жерге тұйықтау кедергісін өлшегішпен өлшенді; топырақтың кедергісі далалық жағдайда өлшенді; Топырақтың ылғалдылығы кептіру әдісімен өлшенді. DMP-2 портативті сандық мкв/рН құралы топырақтың коррозия әлеуетін өлшеу үшін жоғары кіріс кедергісіне ие. Потенциал градиенті және тотығу-тотықсыздану әлеуеті DMP-2 портативті сандық мкв/рН арқылы анықталды, топырақтағы жалпы еритін тұз қалдық кептіру әдісімен анықталды, топырақтағы хлорид иондарының мөлшері AgNO3 титрлеу әдісімен (Мор әдісі) анықталды, топырақ сульфатының мөлшері жанама ЭДТА титрлеу әдісімен, топырақ карбонаты мен бикарбонатын анықтау үшін қос индикаторлы титрлеу әдісімен, топырақтың органикалық заттарын анықтау үшін калий дихроматының тотығу-қыздыру әдісімен, топырақтың сілтілі гидролиз азотын анықтау үшін сілтілі ерітінді диффузиясы әдісімен, H2SO4-HClO4 қорыту Mo-Sb колориметриялық әдісімен анықталды. Топырақтағы жалпы фосфор және топырақтағы қолжетімді фосфор мөлшері Ольсен әдісімен (экстрагент ретінде 0,05 моль/л NaHCO3 ерітіндісі) анықталды, ал топырақтағы жалпы калий мөлшері натрий гидроксиді балқу-жалынды фотометрия арқылы анықталды.
Бастапқыда эксперименттік деректер жүйеленді. Орташа мәнді, стандартты ауытқуды, бір жақты ANOVA және адам корреляциясын талдау үшін SPSS Statistics 20 пайдаланылды.
1-кестеде әртүрлі беткейлі топырақтардың электромеханикалық қасиеттері, аниондары және қоректік заттары көрсетілген. Әртүрлі беткейлердің коррозия потенциалы, топырақ кедергісі және шығыс-батыс потенциал градиенті маңызды болды (P < 0,05). Төмен түсу, орта беткей және табиғи беткейдің тотығу-тотықсыздану потенциалдары маңызды болды (P < 0,05). Рельске перпендикуляр потенциал градиенті, яғни солтүстік-оңтүстік потенциал градиенті жоғары беткей>төмен түсу>орта беткей>табиғи беткей ретімен болды. Топырақтың рН мәні төмен түсу>төбе түсу>орта беткей>табиғи беткей ретімен болды. Жалпы еритін тұз, табиғи беткей теміржол беткейінен айтарлықтай жоғары болды (P < 0,05). Үшінші дәрежелі теміржол беткейі топырағының жалпы еритін тұз мөлшері 500 мг/кг-нан жоғары, ал жалпы еритін тұз металл коррозиясына орташа әсер етеді. Топырақтың органикалық заттарының мөлшері табиғи беткейде ең жоғары және төмен түсу беткейінде ең төмен болды (P < 0,05). Жалпы азот мөлшері орта беткейде ең жоғары және жоғары беткейде ең төмен болды; Қолжетімді азот мөлшері төменгі және орта беткейлерде ең жоғары, ал табиғи беткейлерде ең төмен болды; теміржолдың жоғарғы және төменгі беткейлеріндегі жалпы азот мөлшері төмен болды, бірақ қолжетімді азот мөлшері жоғары болды. Бұл органикалық азоттың минералдану жылдамдығының жоғары және төмен қарай жоғары екенін көрсетеді. Қолжетімді калий мөлшері қолжетімді фосформен бірдей.
Топырақтың кедергісі - электр өткізгіштігін көрсететін индекс және топырақтың коррозиясын бағалаудың негізгі параметрі. Топырақтың кедергісіне әсер ететін факторларға ылғал мөлшері, жалпы еритін тұз мөлшері, рН, топырақ құрылымы, температура, органикалық заттардың мөлшері, топырақ температурасы және тығыздығы жатады. Жалпы алғанда, кедергісі төмен топырақтар коррозиялық болып келеді және керісінше. Топырақтың коррозиялықтығын бағалау үшін кедергіні пайдалану әртүрлі елдерде кеңінен қолданылатын әдіс болып табылады. 1-кестеде әрбір жеке индекс үшін коррозиялық дәрежені бағалау критерийлері көрсетілген37,38.
Менің елімдегі сынақ нәтижелері мен стандарттарына сәйкес (1-кесте), егер топырақтың коррозиялық қасиеті тек топырақтың кедергісімен бағаланса, жоғары беткейдегі топырақ өте коррозиялық; төмен беткейдегі топырақ орташа коррозиялық; ортаңғы беткейдегі және табиғи беткейдегі топырақтың коррозиялық қасиеті салыстырмалы түрде төмен және әлсіз.
Төбешік беткейінің топырақ кедергісі беткейдің басқа бөліктеріне қарағанда айтарлықтай төмен, бұл жаңбыр эрозиясы салдарынан болуы мүмкін. Төбешік беткейіндегі топырақ сумен бірге ортаңғы беткейге ағады, сондықтан беткейдің металл беткейін қорғау торы беткейге жақын орналасқан. Кейбір металл торлар ашық қалды, тіпті ауада ілініп тұрды (1-сурет). Топырақтың кедергісі сол жерде өлшенді; қадалар арасындағы қашықтық 3 м болды; қадаларды қағу тереңдігі 15 см-ден төмен болды. Жалаңаш металл тор және қабыршақтанған тот өлшеу нәтижелеріне кедергі келтіруі мүмкін. Сондықтан топырақтың коррозиясын тек топырақтың кедергісі индексі бойынша бағалау сенімсіз. Коррозияны кешенді бағалауда беткейдің топырақ кедергісі ескерілмейді.
Жоғары салыстырмалы ылғалдылыққа байланысты Сычуань аймағындағы көпжылдық ылғалды ауа ауаға ұшыраған металл тордың топыраққа көмілген металл торға қарағанда қатты коррозияға ұшырауына әкеледі39. Сым тордың ауаға әсер етуі қызмет ету мерзімінің қысқаруына әкелуі мүмкін, бұл таулы топырақтың тұрақсыздығын тудыруы мүмкін. Топырақтың жоғалуы өсімдіктердің, әсіресе ағашты өсімдіктердің өсуін қиындатуы мүмкін. Ағашты өсімдіктердің жетіспеушілігінен топырақты қатайту үшін таулы жерде тамыр жүйесін қалыптастыру қиын. Сонымен қатар, өсімдіктердің өсуі топырақтың сапасын жақсартып, топырақтағы гумустың мөлшерін арттыра алады, бұл тек суды сақтап қана қоймай, сонымен қатар жануарлар мен өсімдіктердің өсуі мен көбеюі үшін жақсы орта жасайды, осылайша топырақтың жоғалуын азайтады. Сондықтан құрылыстың алғашқы кезеңінде таулы беткейге көбірек ағашты тұқым себу керек, ал суды ұстайтын агентті үздіксіз қосып, қорғау үшін пленкамен жабу керек, осылайша таулы беткей топырағының жаңбыр суымен эрозиясын азайту керек.
Коррозия потенциалы үш деңгейлі беткейдегі беткейден қорғайтын тордың коррозиясына әсер ететін маңызды фактор болып табылады және ең жоғары беткейге ең үлкен әсер етеді (2-кесте). Қалыпты жағдайда коррозия потенциалы белгілі бір ортада көп өзгермейді. Айтарлықтай өзгеріс адасқан токтардан туындауы мүмкін. Адасқан токтар көліктер қоғамдық көлік жүйесін пайдаланған кезде жол төсеміне және топырақ ортасына ағып кететін 40, 41, 42 токтарды білдіреді. Көлік жүйесінің дамуымен менің елімнің теміржол көлігі жүйесі кең көлемді электрлендіруге қол жеткізді, ал электрлендірілген теміржолдардан тікелей токтың ағып кетуінен туындаған көмілген металдардың коррозиясын елемеуге болмайды. Қазіргі уақытта топырақ потенциалының градиентін топырақта адасқан ток бұзылыстары бар-жоғын анықтау үшін пайдалануға болады. Беткі топырақтың потенциал градиенті 0,5 мв/м-ден төмен болғанда, адасқан ток төмен болады; потенциал градиенті 0,5 мв/м-ден 5,0 мв/м-ге дейінгі диапазонда болғанда, адасқан ток орташа болады; Потенциалдық градиент 5,0 мв/м-ден жоғары болғанда, адасқан ток деңгейі жоғары болады. Орта беткейдің, жоғары беткейдің және төмен беткейдің потенциалдық градиентінің (EW) өзгермелі диапазоны 3-суретте көрсетілген. Қалқымалы диапазон тұрғысынан ортаңғы беткейдің шығыс-батыс және солтүстік-оңтүстік бағыттарында орташа адасқан токтар бар. Сондықтан, адасқан ток ортаңғы беткейде және төмен беткейде, әсіресе ортаңғы беткейде металл торларының коррозиясына әсер ететін маңызды фактор болып табылады.
Әдетте, 400 мВ-тан жоғары топырақтың тотығу-тотықсыздану потенциалы (Eh) тотығу қабілетін, 0-200 мВ-тан жоғары орташа тотықсыздану қабілетін, ал 0 мВ-тан төмен үлкен тотықсыздану қабілетін көрсетеді. Топырақтың тотығу-тотықсыздану потенциалы неғұрлым төмен болса, топырақ микроорганизмдерінің металдарға коррозияға төзімділігі соғұрлым жоғары болады44. Тотығу-тотықсыздану потенциалынан топырақ микробтарының коррозиясының үрдісін болжауға болады. Зерттеу үш беткейдің топырақтың тотығу-тотықсыздану потенциалы 500 мВ-тан жоғары және коррозия деңгейі өте төмен екенін анықтады. Бұл беткей жерінің топырақ желдету жағдайының жақсы екенін, бұл топырақтағы анаэробты микроорганизмдердің коррозиясына ықпал етпейтінін көрсетеді.
Алдыңғы зерттеулер топырақтың рН-ның топырақ эрозиясына әсері айқын екенін анықтады. рН мәнінің ауытқуымен металл материалдарының коррозия жылдамдығы айтарлықтай өзгереді. Топырақтың рН-ы аймақпен және топырақтағы микроорганизмдермен тығыз байланысты45,46,47. Жалпы алғанда, топырақтың рН-ның аздап сілтілі топырақтағы металл материалдарының коррозиясына әсері айқын емес. Үш теміржол беткейінің топырақтары сілтілі, сондықтан рН-ның металл тордың коррозиясына әсері әлсіз.
3-кестеден көрініп тұрғандай, корреляциялық талдау тотығу-тотықсыздану потенциалы мен көлбеулік позицияның айтарлықтай оң корреляцияланғанын (R2 = 0,858), коррозия потенциалы мен потенциал градиенті (SN) айтарлықтай оң корреляцияланғанын (R2 = 0,755), ал тотығу-тотықсыздану потенциалы мен потенциал градиенті (SN) айтарлықтай оң корреляцияланғанын (R2 = 0,755) көрсетеді. Потенциал мен рН арасында айтарлықтай теріс корреляция болды (R2 = -0,724). Көлбеулік позиция тотығу-тотықсыздану потенциалымен айтарлықтай оң корреляцияланған. Бұл әртүрлі көлбеулік позициялардың микроортасында айырмашылықтар бар екенін және топырақ микроорганизмдерінің тотығу-тотықсыздану потенциалымен тығыз байланысты екенін көрсетеді48, 49, 50. Тотығу-тотықсыздану потенциалы рН51,52-мен айтарлықтай теріс корреляцияланған. Бұл қатынас рН және Eh мәндерінің топырақтың тотығу-тотықсыздану процесі кезінде әрқашан синхронды түрде өзгермейтінін, бірақ теріс сызықтық қатынасқа ие екенін көрсетті. Металлдың коррозия потенциалы электрондарды алу және жоғалту салыстырмалы қабілетін білдіре алады. Коррозия потенциалы потенциал градиентімен (SN) айтарлықтай оң корреляцияланғанымен, потенциал градиенті металдың электрондарды оңай жоғалтуынан туындауы мүмкін.
Топырақтағы жалпы еритін тұз мөлшері топырақтың коррозияға төзімділігімен тығыз байланысты. Жалпы алғанда, топырақтың тұздылығы неғұрлым жоғары болса, топырақтың кедергісі соғұрлым төмен болады, осылайша топырақтың төзімділігі артады. Топырақ электролиттерінде тек аниондар мен әртүрлі диапазондар ғана емес, сонымен қатар коррозияның әсері негізінен карбонаттар, хлоридтер және сульфаттар болып табылады. Сонымен қатар, топырақтағы жалпы еритін тұз мөлшері металдардағы электрод потенциалының әсері және топырақ оттегісінің ерігіштігі сияқты басқа факторлардың әсері арқылы жанама түрде коррозияға әсер етеді53.
Топырақтағы еритін тұзбен диссоциацияланған иондардың көпшілігі электрохимиялық реакцияларға тікелей қатыспайды, бірақ топырақтың кедергісі арқылы металл коррозиясына әсер етеді. Топырақтың тұздылығы неғұрлым жоғары болса, топырақтың өткізгіштігі соғұрлым күшті және топырақ эрозиясы соғұрлым күшті болады. Табиғи беткейлердің топырақ тұздылығы теміржол беткейлеріне қарағанда айтарлықтай жоғары, бұл табиғи беткейлердің өсімдіктерге бай болуымен байланысты болуы мүмкін, бұл топырақ пен суды сақтауға ықпал етеді. Тағы бір себеп табиғи беткейде жетілген топырақ түзілуі (тау жыныстарының үгілуінен пайда болған топырақтың бастапқы материалы) болуы мүмкін, бірақ теміржол беткейлерінің топырағы «жасанды топырақ» матрицасы ретінде ұсақталған тас сынықтарынан тұрады және жеткілікті топырақ түзілу процесінен өтпеген. Минералдар бөлінбеген. Сонымен қатар, табиғи беткейлердің терең топырағындағы тұз иондары беткі булану кезінде капиллярлық әсер арқылы көтеріліп, беткі топырақта жиналып, беткі топырақтағы тұз иондарының мөлшерінің артуына әкеледі. Теміржол беткейінің топырақ қалыңдығы 20 см-ден аз, бұл топырақтың жоғарғы қабатының терең топырақтан тұзды толықтыра алмауына әкеледі.
Оң иондар (мысалы, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, т.б.) топырақ коррозиясына аз әсер етеді, ал аниондар коррозияның электрохимиялық процесінде маңызды рөл атқарады және металл коррозиясына айтарлықтай әсер етеді. Cl− анодтың коррозиясын жеделдетуі мүмкін және ең коррозиялық анион болып табылады; Cl− мөлшері неғұрлым жоғары болса, топырақ коррозиясы соғұрлым күшті болады. SO42− болаттың коррозиясын күшейтіп қана қоймай, сонымен қатар кейбір бетон материалдарында коррозияны тудырады54. Сондай-ақ темірді коррозияға ұшыратады. Қышқыл топырақтағы бірқатар тәжірибелерде коррозия жылдамдығы топырақ қышқылдығына пропорционалды екені анықталды55. Хлорид пен сульфат - еритін тұздардың негізгі компоненттері, олар металдардың кавитациясын тікелей жеделдетуі мүмкін. Зерттеулер сілтілі топырақтағы көміртекті болаттың коррозиялық салмақ жоғалтуы хлорид пен сульфат иондарының қосылуына пропорционалды екенін көрсетті56,57. Ли және т.б. SO42- коррозияны тежеуі мүмкін екенін, бірақ қазірдің өзінде пайда болған коррозиялық шұңқырлардың дамуына ықпал ететінін анықтады58.
Топырақтың коррозиялық қасиеттерін бағалау стандарты мен сынақ нәтижелеріне сәйкес, әрбір беткей топырақ үлгісіндегі хлорид ионының мөлшері 100 мг/кг-нан жоғары болды, бұл топырақтың коррозиялық қасиеттерінің күшті екенін көрсетеді. Төбешік пен төмен түсетін беткейлердің сульфат ионының мөлшері 200 мг/кг-нан жоғары және 500 мг/кг-нан төмен болды, ал топырақ орташа коррозияға ұшыраған. Орта беткейдегі сульфат ионының мөлшері 200 мг/кг-нан төмен, ал топырақ коррозиясы әлсіз. Топырақ ортасында жоғары концентрация болған кезде, ол реакцияға қатысады және металл электродтың бетінде коррозиялық қабыршақ түзеді, осылайша коррозиялық реакцияны баяулатады. Концентрация жоғарылаған сайын қабыршақ кенеттен бұзылуы мүмкін, осылайша коррозия жылдамдығын едәуір арттырады; концентрация жоғарылай берген сайын коррозиялық қабыршақ металл электродтың бетін жабады, ал коррозия жылдамдығы қайтадан баяулау үрдісін көрсетеді59. Зерттеу топырақтағы мөлшері аз екенін және сондықтан коррозияға аз әсер ететінін анықтады59.
4-кестеге сәйкес, көлбеу мен топырақ аниондары арасындағы корреляция көлбеу мен хлорид иондары арасында айтарлықтай оң корреляция (R2=0,836) және көлбеу мен жалпы еритін тұздар арасында айтарлықтай оң корреляция (R2=0,742) бар екенін көрсетті.
Бұл жер үсті ағыны мен топырақ эрозиясы топырақтағы жалпы еритін тұздардың өзгеруіне жауапты болуы мүмкін екенін көрсетеді. Жалпы еритін тұздар мен хлорид иондары арасында айтарлықтай оң корреляция болды, бұл жалпы еритін тұздар хлорид иондарының жиынтығы болғандықтан және жалпы еритін тұздардың мөлшері топырақ ерітінділеріндегі хлорид иондарының мөлшерін анықтайтындықтан болуы мүмкін. Сондықтан, көлбеулік айырмашылығы металл тор бөлігінің қатты коррозиясына әкелуі мүмкін екенін біле аламыз.
Органикалық заттар, жалпы азот, қолжетімді азот, қолжетімді фосфор және қолжетімді калий топырақтың негізгі қоректік заттары болып табылады, олар топырақтың сапасына және тамыр жүйесінің қоректік заттардың сіңуіне әсер етеді. Топырақ қоректік заттары топырақтағы микроорганизмдерге әсер ететін маңызды фактор болып табылады, сондықтан топырақ қоректік заттары мен металл коррозиясы арасында корреляция бар-жоғын зерттеу керек. Суйю темір жолы 2003 жылы аяқталды, бұл жасанды топырақта органикалық заттардың жиналуына тек 9 жыл ғана болғанын білдіреді. Жасанды топырақтың ерекшелігіне байланысты жасанды топырақтағы қоректік заттарды жақсы түсіну қажет.
Зерттеулер көрсеткендей, топырақ түзілу процесінен кейін табиғи беткей топырағында органикалық заттардың мөлшері ең жоғары. Төмен беткейлі топырақтағы органикалық заттардың мөлшері ең төмен болды. Ауа райының және жер үсті ағынының әсерінен топырақтағы қоректік заттар ортаңғы беткейде және төменгі беткейде жиналып, гумустың қалың қабатын құрайды. Дегенмен, төмен беткейлі топырақтың ұсақ бөлшектері мен нашар тұрақтылығына байланысты органикалық заттар микроорганизмдермен оңай ыдырайды. Зерттеу ортаңғы беткей мен төменгі беткейдегі өсімдіктердің жамылғысы мен әртүрлілігі жоғары, бірақ біртектілігі төмен екенін анықтады, бұл жер үсті қоректік заттарының біркелкі таралмауына әкелуі мүмкін. Гумустың қалың қабаты суды ұстайды және топырақ организмдері белсенді. Мұның бәрі топырақтағы органикалық заттардың ыдырауын жеделдетеді.
Жоғары беткейдегі, орта беткейдегі және төмен беткейдегі теміржолдардың сілтілік-гидролизденген азот мөлшері табиғи беткейдегіге қарағанда жоғары болды, бұл теміржол беткейінің органикалық азот минералдану жылдамдығы табиғи беткейдегіге қарағанда айтарлықтай жоғары екенін көрсетеді. Бөлшектер неғұрлым кішірек болса, топырақ құрылымы соғұрлым тұрақсыз болады, микроорганизмдердің агрегаттардағы органикалық заттарды ыдыратуы соғұрлым оңай болады және минералданған органикалық азот қоры соғұрлым көп болады60,61.62 зерттеуінің нәтижелеріне сәйкес, теміржол беткейлерінің топырағындағы ұсақ бөлшектердің агрегаттарының мөлшері табиғи беткейлерге қарағанда айтарлықтай жоғары болды. Сондықтан теміржол беткейінің топырағындағы тыңайтқыштардың, органикалық заттардың және азоттың мөлшерін арттыру және топырақтың тұрақты пайдаланылуын жақсарту үшін тиісті шаралар қабылдау қажет. Беткі ағыннан туындаған қолжетімді фосфор мен қолжетімді калийдің қалдықтары теміржол беткейінің жалпы жоғалуының 77,27%-дан 99,79%-ға дейінін құрады. Беткі ағын беткей топырақтарындағы қолжетімді қоректік заттардың жоғалуының негізгі қозғаушы күші болуы мүмкін63,64,65.
4-кестеде көрсетілгендей, көлбеу орналасуы мен қолжетімді фосфор арасында айтарлықтай оң корреляция болды (R2=0,948), ал көлбеу орналасуы мен қолжетімді калий арасындағы корреляция бірдей болды (R2=0,898). Бұл көлбеу орналасуы топырақтағы қолжетімді фосфор мен қолжетімді калийдің мөлшеріне әсер ететінін көрсетеді.
Градиент топырақтағы органикалық заттардың құрамы мен азоттың байытылуына әсер ететін маңызды фактор болып табылады66, ал градиент неғұрлым кіші болса, байыту жылдамдығы соғұрлым жоғары болады. Топырақтағы қоректік заттарды байыту үшін қоректік заттардың жоғалуы әлсіреді, ал көлбеу орналасуының топырақтағы органикалық заттардың құрамы мен азоттың жалпы байытылуына әсері айқын болмады. Әр түрлі беткейлердегі өсімдіктердің әртүрлі түрлері мен саны өсімдік тамырлары бөлетін әртүрлі органикалық қышқылдарға ие. Органикалық қышқылдар топырақтағы қолжетімді фосфор мен қолжетімді калийдің бекітілуіне пайдалы. Сондықтан көлбеу орналасуы мен қолжетімді фосфор, көлбеу орналасуы мен қолжетімді калий арасында айтарлықтай корреляция болды.
Топырақтағы қоректік заттар мен топырақ коррозиясы арасындағы байланысты анықтау үшін корреляцияны талдау қажет. 5-кестеде көрсетілгендей, тотығу-тотықсыздану потенциалы қолжетімді азотпен (R2 = -0,845) айтарлықтай теріс корреляцияланған және қолжетімді фосформен (R2 = 0,842) және қолжетімді калиймен (R2 = 0,980) айтарлықтай оң корреляцияланған. Тотығу-тотықсыздану потенциалы тотығу-тотықсыздану сапасын көрсетеді, оған әдетте топырақтың кейбір физикалық және химиялық қасиеттері әсер етеді, содан кейін топырақтың бірқатар қасиеттеріне әсер етеді. Сондықтан, бұл топырақтағы қоректік заттардың трансформациясының бағытын анықтауда маңызды фактор болып табылады67. Әртүрлі тотығу-тотықсыздану сапалары әртүрлі күйлерге және қоректік факторлардың қолжетімділігіне әкелуі мүмкін. Сондықтан тотығу-тотықсыздану потенциалы қолжетімді азотпен, қолжетімді фосформен және қолжетімді калиймен айтарлықтай корреляцияға ие.
Металл қасиеттерінен басқа, коррозия әлеуеті топырақ қасиеттерімен де байланысты. Коррозия әлеуеті органикалық заттармен айтарлықтай теріс корреляцияланған, бұл органикалық заттардың коррозия әлеуетіне айтарлықтай әсер ететінін көрсетеді. Сонымен қатар, органикалық заттар потенциал градиентімен (SN) (R2=-0,713) және сульфат ионымен (R2=-0,671) де айтарлықтай теріс корреляцияланған, бұл органикалық заттардың құрамының потенциал градиентіне (SN) және сульфат ионына да әсер ететінін көрсетеді..Топырақтың рН мәні мен қолжетімді калий (R2 = -0,728) арасында айтарлықтай теріс корреляция болды.
Қолжетімді азот жалпы еритін тұздармен және хлорид иондарымен айтарлықтай теріс корреляцияға ие болды, ал қолжетімді фосфор мен қолжетімді калий жалпы еритін тұздармен және хлорид иондарымен айтарлықтай оң корреляцияға ие болды. Бұл қолжетімді қоректік заттардың мөлшері топырақтағы жалпы еритін тұздар мен хлорид иондарының мөлшеріне айтарлықтай әсер ететінін және топырақтағы аниондар қолжетімді қоректік заттардың жиналуына және жеткізілуіне ықпал етпейтінін көрсетті. Жалпы азот сульфат ионымен айтарлықтай теріс корреляцияға ие болды және бикарбонатпен айтарлықтай оң корреляцияға ие болды, бұл жалпы азоттың сульфат пен бикарбонат мөлшеріне әсер ететінін көрсетеді. Өсімдіктердің сульфат иондары мен бикарбонат иондарына деген қажеттілігі аз, сондықтан олардың көпшілігі топырақта бос немесе топырақ коллоидтарымен сіңеді. Бикарбонат иондары топырақта азоттың жиналуына ықпал етеді, ал сульфат иондары топырақта азоттың қолжетімділігін төмендетеді. Сондықтан топырақтағы қолжетімді азот пен гумустың мөлшерін тиісті түрде арттыру топырақ коррозиясын азайту үшін пайдалы.
Топырақ – құрамы мен қасиеттері күрделі жүйе. Топырақтың коррозиялық қабілеті көптеген факторлардың синергетикалық әсерінің нәтижесі. Сондықтан топырақтың коррозиялық қабілетін бағалау үшін кешенді бағалау әдісі қолданылады. «Геотехникалық инженерлік зерттеулер кодексіне» (GB50021-94) және Қытай топырақ коррозиясын сынау желісінің сынақ әдістеріне сілтеме жасай отырып, топырақтың коррозия дәрежесін келесі стандарттарға сәйкес кешенді бағалауға болады: (1) Бағалау әлсіз коррозия болып табылады, егер тек әлсіз коррозия болса, орташа коррозия немесе күшті коррозия болмайды; (2) егер күшті коррозия болмаса, ол орташа коррозия ретінде бағаланады; (3) егер бір немесе екі күшті коррозия орны болса, ол күшті коррозия ретінде бағаланады; (4) егер 3 немесе одан да көп күшті коррозия орны болса, ол ауыр коррозия үшін күшті коррозия ретінде бағаланады.
Топырақтың кедергісіне, тотығу-тотықсыздану потенциалына, су құрамына, тұз құрамына, рН мәніне және Cl- және SO42- құрамына сәйкес әртүрлі беткейлердегі топырақ үлгілерінің коррозия дәрежесі жан-жақты бағаланды. Зерттеу нәтижелері барлық беткейлердегі топырақтардың жоғары коррозиялық екенін көрсетеді.
Коррозия әлеуеті беткейден қорғайтын тордың коррозиясына әсер ететін маңызды фактор болып табылады. Үш беткейдің коррозия әлеуеті -200 мВ-тан төмен, бұл жоғары көтерілетін металл тордың коррозиясына ең үлкен әсер етеді. Әлеуетті градиентті топырақтағы адасқан токтың мөлшерін бағалау үшін пайдалануға болады. Адасқан ток - орта беткейлерде және жоғары көтерілетін беткейлерде, әсіресе орта беткейлерде металл тордың коррозиясына әсер ететін маңызды фактор. Жоғарғы, орта және төменгі беткейлердің топырақтарындағы жалпы еритін тұз мөлшері 500 мг/кг-нан жоғары болды, ал беткейден қорғайтын торға коррозия әсері орташа болды. Топырақ суының мөлшері орта беткейде және төмен беткейде металл торлардың коррозиясына әсер ететін маңызды фактор болып табылады және беткейден қорғайтын торлардың коррозиясына үлкен әсер етеді. Қоректік заттар орта беткей топырағында ең көп кездеседі, бұл микробтық белсенділіктің жиі болатынын және өсімдіктердің тез өсетінін көрсетеді.
Зерттеулер коррозия потенциалы, потенциал градиенті, жалпы еритін тұз мөлшері және су мөлшері үш беткейдегі топырақ коррозиясына әсер ететін негізгі факторлар екенін және топырақтың коррозиялық қасиеті күшті деп бағаланатынын көрсетеді. Беткейлерді қорғау желісінің коррозиясы ортаңғы беткейде ең ауыр болып табылады, бұл теміржол беткейлерін қорғау желісінің коррозияға қарсы дизайны үшін анықтама береді. Қолжетімді азот пен органикалық тыңайтқыштарды тиісті түрде қосу топырақ коррозиясын азайтуға, өсімдіктердің өсуіне ықпал етуге және сайып келгенде беткейлерді тұрақтандыруға пайдалы.
Бұл мақаланы қалай дәйексөз ретінде келтіруге болады: Chen, J. және т.б. Топырақ құрамы мен электрохимияның Қытай теміржол желісі бойындағы тау жыныстарының беткейлер желісінің коррозиясына әсері. science. Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Лин, Ю.Л. және Ян, Г.Л. Жер сілкінісі кезіндегі теміржол төсенішінің беткейлерінің динамикалық сипаттамалары. Табиғи апат. 69, 219–235 (2013).
Суй Ван, Дж. және т.б. Сычуань провинциясының Вэньчуань жер сілкінісінен зардап шеккен аймағындағы тас жолдардың типтік жер сілкінісінен келтірілген залалын талдау [J]. Қытай тау жыныстары механикасы және инженериясы журналы. 28, 1250–1260 (2009).
Вэйлин, З., Чжэнью, Л. және Цзинсон, Дж. Вэньчуань жер сілкінісіндегі тас жол көпірлерінің сейсмикалық зақымдануын талдау және қарсы шаралар. Қытайлық тау жыныстары механикасы және инженериясы журналы. 28, 1377–1387 (2009).
Лин, КВ, Лю, ШХ, Ли, СЙ және Лю, КК Чичи жер сілкінісінің Тайваньның орталық бөлігіндегі кейінгі жаңбырлардан туындаған көшкіндерге әсері. Инженерлік геология.86, 87–101 (2006).
Кой, Т. және т.б. Тау суайрығындағы шөгінділердің түзілуіне жер сілкінісінен туындаған көшкіндердің ұзақ мерзімді әсері: Танзава аймағы, Жапония. геоморфология. 101, 692–702 (2008).
Хуншуай, Л., Цзиншань, Б. және Дедонг, Л. Геотехникалық беткейлердің сейсмикалық тұрақтылығын талдау бойынша зерттеулерге шолу. Жер сілкінісі инженериясы және инженерлік діріл.25, 164–171 (2005).
Юэ Пин, Сычуаньдағы Вэньчуань жер сілкінісінен туындаған геологиялық қауіптерді зерттеу. Инженерлік геология журналы 4, 7–12 (2008).
Али, Ф. Өсімдіктермен беткейлерді қорғау: кейбір тропикалық өсімдіктердің тамыр механикасы. Халықаралық физикалық ғылымдар журналы. 5, 496–506 (2010).
Такю, М., Айба, СИ және Китаяма, К. Борнеодағы Кинабалу тауындағы әртүрлі геологиялық жағдайларда тропикалық аласа таулы ормандарға топографиялық әсерлер. Өсімдік экологиясы.159, 35–49 (2002).
Стокс, А. және т.б. Табиғи және инженерлік беткейлерді көшкіннен қорғау үшін өсімдік тамырларының тамаша сипаттамалары. Өсімдіктер және топырақтар, 324, 1-30 (2009).
Де Баетс, С., Поэсен, Дж., Гиссельс, Г. және Кнапен, А. Шөп тамырларының шоғырланған ағын кезінде топырақтың жоғарғы қабатының эрозиясы мен тозуына әсері. Геоморфология 76, 54–67 (2006).