Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, vietne tiks attēlota bez stiliem un JavaScript.
Ņemot par pētījuma objektu Sui-Čuncjinas dzelzceļa nogāzi, tika pētīta augsnes pretestība, augsnes elektroķīmija (korozijas potenciāls, redokspotenciāls, potenciāla gradients un pH), augsnes anjoni (kopējie šķīstošie sāļi, Cl-, SO42- un) un augsnes barības vielas (mitruma saturs, organiskās vielas, kopējais slāpeklis, sārmu hidrolizētais slāpeklis, pieejamais fosfors, pieejamais kālijs). Dažādās nogāzēs korozijas pakāpe tiek novērtēta atbilstoši mākslīgās augsnes individuālajiem rādītājiem un visaptverošajiem rādītājiem. Salīdzinot ar citiem faktoriem, ūdenim ir vislielākā ietekme uz nogāzes aizsargtīkla koroziju, kam seko anjonu saturs. Kopējam šķīstošajam sālim ir mērena ietekme uz nogāzes aizsargtīkla koroziju, un maldinošajai strāvai ir mērena ietekme uz nogāzes aizsargtīkla koroziju. Augsnes paraugu korozijas pakāpe tika visaptveroši novērtēta, un korozija augšējā nogāzē bija mērena, bet vidējā un apakšējā nogāzē - spēcīga. Organiskās vielas augsnē bija būtiski korelētas ar potenciāla gradientu. Pieejamais slāpeklis, pieejamais kālijs un pieejamais fosfors bija būtiski korelēti ar anjoniem. Augsnes barības vielu sadalījums ir netieši saistīts ar nogāzes tipu.
Būvējot dzelzceļus, automaģistrāles un ūdens taupīšanas iekārtas, kalnu atveres bieži vien ir neizbēgamas. Dienvidrietumu kalnu dēļ Ķīnas dzelzceļa būvniecība prasa lielu kalnu izrakumu darbu. Tas iznīcina sākotnējo augsni un veģetāciju, radot atsegtas akmeņainas nogāzes. Šī situācija noved pie zemes nogruvumiem un augsnes erozijas, tādējādi apdraudot dzelzceļa transporta drošību. Zemes nogruvumi ir kaitīgi ceļu satiksmei, īpaši pēc 2008. gada 12. maija Veņčuaņas zemestrīces. Zemes nogruvumi ir kļuvuši par plaši izplatītu un nopietnu zemestrīču katastrofu1. 2008. gadā veiktajā 4243 kilometru galveno autoceļu novērtējumā Sičuaņas provincē tika konstatētas 1736 smagas zemestrīces ceļu gultnēs un nogāžu atbalsta sienās, kas veidoja 39,76 % no kopējā novērtējuma garuma. Tiešie ekonomiskie zaudējumi no ceļu bojājumiem pārsniedza 58 miljardus juaņu [2,3]. Pasaules piemēri liecina, ka zemestrīces radītie ģeoloģiskie apdraudējumi var ilgt vismaz 10 gadus (Taivānas zemestrīce) un pat 40–50 gadus (Kanto zemestrīce Japānā) [4,5]. Slīpums ir galvenais faktors, kas ietekmē zemestrīču bīstamību [6,7]. Tāpēc ir nepieciešams uzturēt ceļa slīpumu un stiprināt tā stabilitāti. Augiem ir neaizstājama loma nogāžu aizsardzībā un ekoloģiskās ainavas atjaunošanā [8]. Salīdzinot ar parastajām augsnes nogāzēm, klinšu nogāzēs nav uzkrāti tādi barības vielu faktori kā organiskās vielas, slāpeklis, fosfors un kālijs, un tām nav augsnes vides, kas nepieciešama veģetācijas augšanai. Tādu faktoru kā liela slīpuma un lietus erozijas dēļ nogāžu augsne viegli zūd. Nogāžu vide ir skarba, trūkst [3,5] nepieciešamie apstākļi augu augšanai, un nogāzes augsnei trūkst atbalsta stabilitātes9. Nogāzes apsmidzināšana ar pamatmateriālu, lai pārklātu augsni nogāzes aizsardzībai, ir plaši izmantota nogāzes ekoloģiskās atjaunošanas tehnoloģija manā valstī. Mākslīgā augsne, ko izmanto apsmidzināšanai, sastāv no šķembām, lauksaimniecības zemes augsnes, salmiem, kompleksā mēslojuma, ūdeni aizturoša līdzekļa un līmes (parasti izmantotās līmes ietver portlandcementu, organisko līmi un asfalta emulgatoru) ​​noteiktā proporcijā. Tehniskais process ir šāds: vispirms uz klints uzklāj dzeloņstiepli, pēc tam dzeloņstiepli nostiprina ar kniedēm un enkurskrūvēm un visbeidzot ar speciālu smidzinātāju uz nogāzes izsmidzina mākslīgo augsni, kas satur sēklas. Visbiežāk tiek izmantots pilnībā cinkots 14# rombveida metāla siets ar 5 cm × 5 cm acu standartu un 2 mm diametru. Metāla siets ļauj augsnes matricai veidot izturīgu monolītu plātni uz klints virsmas. Metāla siets korodēs augsnē, jo pati augsne ir elektrolīts, un korozijas pakāpe ir atkarīga no augsnes īpašībām. Augsnes korozijas faktoru novērtēšanai ir liela nozīme augsnes izraisītas metāla sieta erozijas novērtēšanā un zemes nogruvumu draudu novēršanā.
Tiek uzskatīts, ka augu saknēm ir izšķiroša loma nogāžu stabilizēšanā un erozijas kontrolē10,11,12,13,14. Lai stabilizētu nogāžu pret sekliem zemes nogruvumiem, var izmantot veģetāciju, jo augu saknes var nostiprināt augsni, lai novērstu zemes nogruvumus15,16,17. Kokaina veģetācija, īpaši koki, palīdz novērst seklus zemes nogruvumus18. Izturīga aizsargstruktūra, ko veido augu vertikālās un sānu sakņu sistēmas, kas darbojas kā pastiprinoši pāļi augsnē. Sakņu arhitektūras modeļu attīstību nosaka gēni, un augsnes videi ir izšķiroša loma šajos procesos. Metālu korozija mainās atkarībā no augsnes vides20. Metālu korozijas pakāpe augsnē var svārstīties no diezgan ātras izšķīšanas līdz niecīgai ietekmei21. Mākslīgā augsne ļoti atšķiras no īstas "augsnes". Dabisko augsņu veidošanās ir ārējās vides un dažādu organismu mijiedarbības rezultāts desmitiem miljonu gadu laikā22,23,24. Pirms koksnainā veģetācija veido stabilu sakņu sistēmu un ekosistēmu, tas, vai metāla siets apvienojumā ar klinšu nogāzi un mākslīgo augsni var droši darboties, ir tieši saistīts ar dabiskās ekonomikas attīstību, dzīvības drošību un ekoloģiskās vides uzlabošana.
Tomēr metālu korozija var radīt milzīgus zaudējumus. Saskaņā ar Ķīnā 20. gs. astoņdesmito gadu sākumā veiktu pētījumu par ķīmiskajām iekārtām un citām nozarēm, metālu korozijas radītie zaudējumi veidoja 4 % no kopējās produkcijas vērtības. Tāpēc ir ļoti svarīgi izpētīt korozijas mehānismu un veikt aizsardzības pasākumus ekonomiskajā būvniecībā. Augsne ir sarežģīta gāzu, šķidrumu, cietvielu un mikroorganismu sistēma. Mikrobu metabolīti var korozēt materiālus, un arī klejojošas strāvas var izraisīt koroziju. Tāpēc ir svarīgi novērst augsnē aprakto metālu koroziju. Pašlaik pētījumi par aprakto metālu koroziju galvenokārt koncentrējas uz (1) faktoriem, kas ietekmē aprakto metālu koroziju25; (2) metālu aizsardzības metodēm26,27; (3) metālu korozijas pakāpes noteikšanas metodēm28; koroziju dažādās vidēs. Tomēr visas pētījumā iesaistītās augsnes bija dabiskas un tajās bija notikuši pietiekami augsnes veidošanās procesi. Tomēr nav ziņojumu par mākslīgu dzelzceļa klinšu nogāžu eroziju.
Salīdzinot ar citām korozīvām vidēm, mākslīgajai augsnei piemīt nelikviditāte, heterogenitāte, sezonalitāte un reģionalitāte. Metālu koroziju mākslīgajās augsnēs izraisa elektroķīmiskā mijiedarbība starp metāliem un mākslīgajām augsnēm. Papildus iedzimtajiem faktoriem metālu korozijas ātrums ir atkarīgs arī no apkārtējās vides. Metālu koroziju ietekmē dažādi faktori atsevišķi vai kombinācijā, piemēram, mitruma saturs, skābekļa saturs, kopējais šķīstošo sāļu saturs, anjonu un metālu jonu saturs, pH, augsnes mikrobi30,31,32.
30 gadu praksē ir bijis aktuāls jautājums par to, kā pastāvīgi saglabāt mākslīgās augsnes akmeņainās nogāzēs33. Dažās nogāzēs krūmi vai koki nevar augt pēc 10 gadu ilgas manuālas kopšanas augsnes erozijas dēļ. Dažviet netīrumi uz metāla sieta virsmas tika noskaloti. Korozijas dēļ daži metāla sieti saplaisāja un zaudēja visu augsni virs un zem tiem (1. attēls). Pašlaik dzelzceļa nogāžu korozijas pētījumi galvenokārt koncentrējas uz dzelzceļa apakšstacijas zemējuma tīkla koroziju, vieglā dzelzceļa radīto klaiņojošo strāvu koroziju un dzelzceļa tiltu34,35, sliežu ceļu un cita transportlīdzekļu aprīkojuma36 koroziju. Nav ziņojumu par dzelzceļa nogāžu aizsardzības metāla sieta koroziju. Šajā rakstā tiek pētītas mākslīgo augsņu fizikālās, ķīmiskās un elektroķīmiskās īpašības Suiju dzelzceļa dienvidrietumu klinšu nogāzē, lai prognozētu metāla koroziju, novērtējot augsnes īpašības, un sniegtu teorētisku un praktisku pamatu augsnes ekosistēmas atjaunošanai un mākslīgai atjaunošanai. Mākslīgā nogāze.
Testa vieta atrodas Sičuaņas kalnainajā apvidū (30°32′N, 105°32′E) netālu no Suiningas dzelzceļa stacijas. Apgabals atrodas Sičuaņas baseina vidū ar zemiem kalniem un pakalniem, vienkāršu ģeoloģisko struktūru un līdzenu reljefu. Erozija, plaisas un ūdens uzkrāšanās rada erodētas kalnainas ainavas. Pamatieži galvenokārt ir kaļķakmens, bet virskārta galvenokārt ir purpursarkanas smiltis un dūņakmens. Integritāte ir slikta, un ieži ir blokveidīga struktūra. Pētījuma apgabalā valda subtropu mitrs musonu klimats ar sezonālām iezīmēm: agrs pavasaris, karsta vasara, īss rudens un vēla ziema. Nokrišņi ir bagātīgi, gaismas un siltuma resursi ir bagātīgi, bezsalnu periods ir ilgs (vidēji 285 dienas), klimats ir maigs, gada vidējā temperatūra ir 17,4°C, karstākā mēneša (augusta) vidējā temperatūra ir 27,2°C, un maksimālā temperatūra ir 39,3°C. Aukstākais mēnesis ir janvāris (vidējā temperatūra ir 6,5°C), minimālā temperatūra ir -3,8 °C, un gada vidējais nokrišņu daudzums ir 920 mm, galvenokārt jūlijā un augustā. Nokrišņu daudzums pavasarī, vasarā, rudenī un ziemā ir ļoti atšķirīgs. Nokrišņu īpatsvars katrā gadalaikā ir attiecīgi 19–21 %, 51–54 %, 22–24 % un 4–5 %.
Pētījuma vieta atrodas aptuveni 45° slīpumā uz 2003. gadā uzbūvētā Ju-Sui dzelzceļa nogāzes. 2012. gada aprīlī tā atradās uz dienvidiem 1 km attālumā no Suiningas dzelzceļa stacijas. Kā kontrole tika izmantots dabiskais slīpums. Slīpuma ekoloģiskajā atjaunošanā tiek izmantota ārvalstu virskārtas augsnes izsmidzināšanas tehnoloģija ekoloģiskai atjaunošanai. Atkarībā no dzelzceļa puses slīpuma augstuma slīpumu var iedalīt augšupvērstā, vidējā slīpumā un lejupvērstā slīpumā (2. att.). Tā kā izcirstās nogāzes mākslīgās augsnes biezums ir aptuveni 10 cm, lai izvairītos no augsnes metāla sieta korozijas produktu piesārņojuma, augsnes virsmas ņemšanai 0–8 cm dziļumā izmantojām tikai nerūsējošā tērauda lāpstu. Katrai slīpuma pozīcijai tika izveidoti četri atkārtojumi, katrā atkārtojumā 15–20 nejauši izvēlēti paraugu ņemšanas punkti. Katrs atkārtojums ir 15–20 paraugu maisījums, kas nejauši noteikti no S veida līnijas paraugu ņemšanas punktiem. Tā svaigsvars ir aptuveni 500 grami. Paraugi tiek nogādāti laboratorijā polietilēna rāvējslēdzēja maisiņos apstrādei. Augsne tiek dabiski žāvēta gaisā, un grants, dzīvnieku un augu atliekas tiek atdalītas, sasmalcinātas ar ahāta nūjiņu un izsijātas ar 20, 100 acu neilona sietu, izņemot rupjās daļiņas.
Augsnes pretestība tika mērīta ar Shengli Instrument Company ražoto VICTOR4106 zemējuma pretestības testeri; augsnes pretestība tika mērīta laukā; augsnes mitrums tika mērīts ar žāvēšanas metodi. DMP-2 pārnēsājamajam digitālajam mv/pH instrumentam ir augsta ieejas pretestība augsnes korozijas potenciāla mērīšanai. Potenciālā gradienta un redokspotenciāla noteikšanā tika izmantots DMP-2 pārnēsājamais digitālais mv/pH, kopējais šķīstošais sāls augsnē tika noteikts ar atlikumu žāvēšanas metodi, hlorīda jonu saturs augsnē tika noteikts ar AgNO3 titrēšanas metodi (Mora metode), augsnes sulfāta saturs tika noteikts ar netiešo EDTA titrēšanas metodi, dubultindikatora titrēšanas metodi augsnes karbonātu un bikarbonātu noteikšanai, kālija dihromāta oksidācijas karsēšanas metodi augsnes organisko vielu noteikšanai, sārmainā šķīduma difūzijas metodi augsnes sārmainās hidrolīzes slāpekļa noteikšanai, H2SO4-HClO4 sagremošanas Mo-Sb kolorimetriskā metode. Kopējais fosfors augsnē un pieejamais fosfora saturs augsnē tika noteikts ar Olsena metodi (0,05 mol/L NaHCO3 šķīdums kā ekstraktants), un kopējais kālija saturs augsnē tika noteikts ar nātrija hidroksīda saplūšanas-liesmas fotometriju.
Sākotnēji eksperimentālie dati tika sistematizēti. SPSS Statistics 20 tika izmantota, lai veiktu vidējo vērtību, standartnovirzes, vienvirziena ANOVA un cilvēka korelācijas analīzi.
1. tabulā ir parādītas dažādu slīpumu augšņu elektromehāniskās īpašības, anjoni un barības vielas. Dažādu slīpumu korozijas potenciāls, augsnes pretestība un austrumu-rietumu potenciāla gradients bija nozīmīgi (P < 0,05). Nogāzes, vidējā nogāzes un dabiskā nogāzes redoksa potenciāli bija nozīmīgi (P < 0,05). Potenciālais gradients perpendikulāri sliedei, t. i., ziemeļu-dienvidu potenciāla gradients, ir augšupvērsts>lejupvērsts>vidējais nogāze. Augsnes pH vērtība bija šādā secībā: lejupvērsts>augšupvērsts>vidējais nogāze>dabiskais nogāze. Kopējais šķīstošo sāļu saturs dabiskajā nogāzē bija ievērojami augstāks nekā dzelzceļa slīpumā (P < 0,05). Trešās šķiras dzelzceļa nogāzes augsnes kopējais šķīstošo sāļu saturs pārsniedz 500 mg/kg, un kopējam šķīstošajam sālim ir mērena ietekme uz metālu koroziju. Augsnes organisko vielu saturs bija visaugstākais dabiskajā nogāzē un viszemākais lejupvērstajā nogāzē (P < 0,05). Kopējais slāpekļa saturs bija visaugstākais vidējā nogāzē un viszemākais augšupvērstajā nogāzē; Pieejamā slāpekļa saturs bija visaugstākais nogāzes lejupejošā un vidējā nogāzē, bet viszemākais dabiskajā nogāzē; dzelzceļa augšupceļa un lejupceļa kopējais slāpekļa saturs bija zemāks, bet pieejamā slāpekļa saturs bija augstāks. Tas norāda, ka organiskā slāpekļa mineralizācijas ātrums augšupceļā un lejupceļā ir straujš. Pieejamā kālija saturs ir tāds pats kā pieejamā fosfora saturs.
Augsnes pretestība ir indekss, kas norāda elektrovadītspēju, un pamatparametrs augsnes korozijas novērtēšanai. Faktori, kas ietekmē augsnes pretestību, ir mitruma saturs, kopējais šķīstošo sāļu saturs, pH, augsnes tekstūra, temperatūra, organisko vielu saturs, augsnes temperatūra un hermētiskums. Vispārīgi runājot, augsnes ar zemu pretestību ir korozīvākas un otrādi. Pretestības izmantošana augsnes korozivitātes novērtēšanai ir metode, ko plaši izmanto dažādās valstīs. 1. tabulā parādīti katra atsevišķa indeksa korozivitātes pakāpes novērtēšanas kritēriji37,38.
Saskaņā ar testēšanas rezultātiem un standartiem manā valstī (1. tabula), ja augsnes korozivitāti novērtē tikai pēc augsnes pretestības, augsne augšupvērstā nogāzē ir ļoti korozīva; augsne lejupvērstā nogāzē ir vidēji korozīva; augsnes korozivitāte vidējā nogāzē un dabiskajā nogāzē ir relatīvi zema/vāja.
Augsnes pretestība augšupvērstā nogāzē ir ievērojami zemāka nekā citās nogāzes daļās, ko var izraisīt lietus erozija. Augsnes virskārta augšupvērstā nogāzē kopā ar ūdeni plūst uz vidējo nogāzi, tāpēc augšupvērstā metāla nogāzes aizsargtīkls atrodas tuvu augsnes virskārtai. Daži no metāla sietiem bija atsegti un pat karājās gaisā (1. attēls). Augsnes pretestība tika mērīta uz vietas; pāļu atstatums bija 3 m; pāļu dzīšanas dziļums bija mazāks par 15 cm. Kails metāla siets un lobītā rūsa var ietekmēt mērījumu rezultātus. Tāpēc nav uzticams novērtēt augsnes korozivitāti tikai pēc augsnes pretestības indeksa. Visaptverošā korozijas novērtējumā augšupvērstā nogāzes augsnes pretestība netiek ņemta vērā.
Augstā relatīvā mitruma dēļ Sičuaņas apgabalā pastāvīgi mitrais gaiss izraisa metāla sieta, kas pakļauts gaisam, koroziju nopietnāk nekā augsnē ieraktā metāla sieta39. Stiepļu sieta iedarbība ar gaisu var samazināt tā kalpošanas laiku, kas var destabilizēt augšupējas augsnes. Augsnes zudums var apgrūtināt augu, īpaši kokaugu, augšanu. Kokaugu trūkuma dēļ augšup ir grūti izveidot sakņu sistēmu, kas sacietētu augsni. Vienlaikus augu augšana var arī uzlabot augsnes kvalitāti un palielināt humusa saturu augsnē, kas ne tikai var saglabāt ūdeni, bet arī nodrošināt labu vidi dzīvnieku un augu augšanai un vairošanai, tādējādi samazinot augsnes zudumu. Tāpēc būvniecības sākumposmā augšupējā nogāzē jāsēj vairāk kokaugu sēklu, un nepārtraukti jāpievieno ūdeni aizturošs līdzeklis un jāpārklāj ar plēvi aizsardzībai, lai samazinātu lietus ūdens radīto augšupējās augsnes eroziju.
Korozijas potenciāls ir svarīgs faktors, kas ietekmē nogāzes aizsargtīkla koroziju trīs līmeņu nogāzē, un tam ir vislielākā ietekme uz augšupvērstu nogāzi (2. tabula). Normālos apstākļos korozijas potenciāls noteiktā vidē daudz nemainās. Ievērojamas izmaiņas var izraisīt klejojošas strāvas. Klojošas strāvas attiecas uz 40, 41, 42 strāvām, kas noplūst ceļa klātnē un augsnes vidē, kad transportlīdzekļi izmanto sabiedriskā transporta sistēmu. Attīstoties transporta sistēmai, manas valsts dzelzceļa transporta sistēma ir sasniegusi liela mēroga elektrifikāciju, un aprakto metālu koroziju, ko izraisa līdzstrāvas noplūde no elektrificētiem dzelzceļiem, nevar ignorēt. Pašlaik augsnes potenciāla gradientu var izmantot, lai noteiktu, vai augsnē ir klejojošas strāvas traucējumi. Ja virszemes augsnes potenciāla gradients ir mazāks par 0,5 mv/m, klejojoša strāva ir zema; ja potenciāla gradients ir diapazonā no 0,5 mv/m līdz 5,0 mv/m, klejojoša strāva ir mērena; Ja potenciāla gradients ir lielāks par 5,0 mv/m, klaiņojošās strāvas līmenis ir augsts. Potenciālā gradienta (EW) peldošais diapazons vidējā slīpumā, augšupvērstā slīpumā un lejupvērstā slīpumā ir parādīts 3. attēlā. Runājot par peldošo diapazonu, vidējā slīpuma austrumu-rietumu un ziemeļu-dienvidu virzienos ir mērenas klaiņojošās strāvas. Tāpēc klaiņojošā strāva ir svarīgs faktors, kas ietekmē metāla sietu koroziju vidējā slīpumā un lejupvērstā slīpumā, īpaši vidējā slīpumā.
Parasti augsnes redokspotenciāls (Eh) virs 400 mV norāda oksidēšanas spēju, virs 0–200 mV – vidēju reducēšanas spēju, bet zem 0 mV – lielu reducēšanas spēju. Jo zemāks ir augsnes redokspotenciāls, jo lielāka ir augsnes mikroorganismu korozijas spēja pret metāliem44. No redokspotenciāla ir iespējams prognozēt augsnes mikrobiālās korozijas tendenci. Pētījumā tika atklāts, ka trīs nogāžu augsnes redokspotenciāls bija lielāks par 500 mV, un korozijas līmenis bija ļoti zems. Tas parāda, ka nogāžu zemes ventilācijas apstākļi ir labi, kas neveicina anaerobo mikroorganismu koroziju augsnē.
Iepriekšējie pētījumi ir atklājuši, ka augsnes pH ietekme uz augsnes eroziju ir acīmredzama. pH vērtības svārstības būtiski ietekmē metāla materiālu korozijas ātrumu. Augsnes pH ir cieši saistīts ar platību un augsnē esošajiem mikroorganismiem45,46,47. Vispārīgi runājot, augsnes pH ietekme uz metāla materiālu koroziju viegli sārmainā augsnē nav acīmredzama. Trīs dzelzceļa nogāžu augsnes ir sārmainas, tāpēc pH ietekme uz metāla sieta koroziju ir vāja.
Kā redzams 3. tabulā, korelācijas analīze rāda, ka redokspotenciāls un slīpuma pozīcija ir būtiski pozitīvi korelēti (R2 = 0,858), korozijas potenciāls un potenciāla gradients (SN) ir būtiski pozitīvi korelēti (R2 = 0,755), un redokspotenciāls un potenciāla gradients (SN) ir būtiski pozitīvi korelēti (R2 = 0,755). Starp potenciālu un pH līmeni bija novērojama būtiska negatīva korelācija (R2 = -0,724). Slīpuma pozīcija bija būtiski pozitīvi korelēta ar redokspotenciālu. Tas parāda, ka dažādu slīpuma pozīciju mikrovidē pastāv atšķirības, un augsnes mikroorganismi ir cieši saistīti ar redokspotenciālu48, 49, 50. Redokspotenciāls bija būtiski negatīvi korelēts ar pH51,52. Šī saistība norādīja, ka pH un Eh vērtības augsnes redoksprocesa laikā ne vienmēr mainījās sinhroni, bet gan tām bija negatīva lineāra saistība. Metāla korozijas potenciāls var atspoguļot relatīvo spēju iegūt un zaudēt elektronus. Lai gan korozijas potenciāls bija būtiski pozitīvi korelēts ar potenciāla gradientu (SN), potenciāla gradientu var izraisīt metāla vieglā elektronu zaudēšana.
Kopējais šķīstošo sāļu saturs augsnē ir cieši saistīts ar augsnes korozivitāti. Vispārīgi runājot, jo augstāks ir augsnes sāļums, jo zemāka ir augsnes pretestība, tādējādi palielinot augsnes pretestību. Augsnes elektrolītos ne tikai anjoni un to mainīgie diapazoni, bet arī koroziju galvenokārt ietekmē karbonāti, hlorīdi un sulfāti. Turklāt kopējais šķīstošo sāļu saturs augsnē netieši ietekmē koroziju, pateicoties citiem faktoriem, piemēram, elektrodu potenciāla ietekmei metālos un augsnes skābekļa šķīdībai53.
Lielākā daļa augsnē esošo šķīstošo sāls disociēto jonu tieši nepiedalās elektroķīmiskajās reakcijās, bet ietekmē metālu koroziju caur augsnes pretestību. Jo augstāks ir augsnes sāļums, jo spēcīgāka ir augsnes vadītspēja un jo spēcīgāka ir augsnes erozija. Dabisko nogāžu augsnes sāļuma saturs ir ievērojami augstāks nekā dzelzceļa nogāžu augsnes, kas var būt saistīts ar to, ka dabiskās nogāzes ir bagātas ar veģetāciju, kas veicina augsnes un ūdens saglabāšanu. Vēl viens iemesls var būt tas, ka dabiskajā nogāzē ir izveidojusies nobriedusi augsne (augsnes pamatmateriāls, kas veidojies iežu dēdēšanas rezultātā), bet dzelzceļa nogāžu augsne sastāv no šķembu fragmentiem kā "mākslīgās augsnes" matricas un nav piedzīvojusi pietiekamu augsnes veidošanās procesu. Minerāli netiek atbrīvoti. Turklāt dabisko nogāžu dziļajā augsnē esošie sāls joni virsmas iztvaikošanas laikā pacēlās kapilārās darbības rezultātā un uzkrājās virszemē, kā rezultātā palielinājās sāls jonu saturs virszemē. Dzelzceļa nogāžu augsnes biezums ir mazāks par 20 cm, kā rezultātā augsnes virskārta nespēj papildināt sāli no dziļās augsnes.
Pozitīvajiem joniem (piemēram, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ utt.) ir maza ietekme uz augsnes koroziju, savukārt anjoniem ir nozīmīga loma korozijas elektroķīmiskajā procesā un tie būtiski ietekmē metālu koroziju. Cl− var paātrināt anoda koroziju un ir viskorozīvākais anjons; jo augstāks ir Cl− saturs, jo spēcīgāka ir augsnes korozija. SO42− ne tikai veicina tērauda koroziju, bet arī izraisa koroziju dažos betona materiālos54. Tas arī korodē dzelzi. Virknē skābas augsnes eksperimentu tika konstatēts, ka korozijas ātrums ir proporcionāls augsnes skābumam55. Hlorīds un sulfāts ir galvenās šķīstošo sāļu sastāvdaļas, kas var tieši paātrināt metālu kavitāciju. Pētījumi liecina, ka oglekļa tērauda korozijas svara zudums sārmainās augsnēs ir gandrīz proporcionāls hlorīda un sulfāta jonu pievienošanai56,57. Lī un līdzautori atklāja, ka SO42− var kavēt koroziju, bet veicināt jau izveidojušos korozijas bedru attīstību58.
Saskaņā ar augsnes kodīguma novērtēšanas standartu un testa rezultātiem hlorīda jonu saturs katrā nogāzes augsnes paraugā bija virs 100 mg/kg, kas norāda uz spēcīgu augsnes kodīgumu. Gan augšup, gan lejup vērstās nogāzes sulfāta jonu saturs bija virs 200 mg/kg un zem 500 mg/kg, un augsne bija mēreni korodēta. Vidējā nogāzē sulfāta jonu saturs ir zemāks par 200 mg/kg, un augsnes korozija ir vāja. Kad augsnes vidē ir augsta sulfāta jonu koncentrācija, tie piedalīsies reakcijā un veidos korozijas plēvi uz metāla elektroda virsmas, tādējādi palēninot korozijas reakciju. Palielinoties koncentrācijai, plēve var pēkšņi pārplīst, tādējādi ievērojami paātrinot korozijas ātrumu; koncentrācijai turpinot palielināties, korozijas plēve pārklāj metāla elektroda virsmu, un korozijas ātrums atkal uzrāda palēnināšanās tendenci59. Pētījumā tika atklāts, ka daudzums augsnē bija mazāks, un tāpēc tam bija maza ietekme uz koroziju.
Saskaņā ar 4. tabulu, korelācija starp slīpumu un augsnes anjoniem parādīja, ka pastāv būtiska pozitīva korelācija starp slīpumu un hlorīda joniem (R2 = 0,836), kā arī nozīmīga pozitīva korelācija starp slīpumu un kopējo šķīstošo sāļu daudzumu (R2 = 0,742).
Tas liek domāt, ka virszemes notece un augsnes erozija var būt atbildīgas par kopējā šķīstošo sāļu izmaiņām augsnē. Pastāvēja būtiska pozitīva korelācija starp kopējo šķīstošo sāļu daudzumu un hlorīda joniem, kas varētu būt tāpēc, ka kopējie šķīstošie sāļi ir hlorīda jonu kopums, un kopējo šķīstošo sāļu saturs nosaka hlorīda jonu saturu augsnes šķīdumos. Tādēļ var zināt, ka slīpuma atšķirība var izraisīt spēcīgu metāla sieta daļas koroziju.
Organiskās vielas, kopējais slāpeklis, pieejamais slāpeklis, pieejamais fosfors un pieejamais kālijs ir augsnes pamatbarības vielas, kas ietekmē augsnes kvalitāti un barības vielu uzsūkšanos sakņu sistēmā. Augsnes barības vielas ir svarīgs faktors, kas ietekmē mikroorganismus augsnē, tāpēc ir vērts izpētīt, vai pastāv korelācija starp augsnes barības vielām un metālu koroziju. Suiyu dzelzceļš tika pabeigts 2003. gadā, kas nozīmē, ka mākslīgā augsne ir piedzīvojusi tikai 9 gadu organisko vielu uzkrāšanos. Mākslīgās augsnes īpatnību dēļ ir nepieciešams labi izprast barības vielas mākslīgajā augsnē.
Pētījums rāda, ka organisko vielu saturs ir visaugstākais dabiskās nogāzes augsnē pēc visa augsnes veidošanās procesa. Zemas nogāzes augsnē organisko vielu saturs bija viszemākais. Atmosfēras iedarbības un virszemes noteces ietekmē augsnes barības vielas uzkrājas nogāzes vidusdaļā un lejupējā daļā, veidojot biezu humusa slāni. Tomēr zemas nogāzes augsnes mazo daļiņu un sliktās stabilitātes dēļ mikroorganismi viegli sadala organiskās vielas. Pētījumā tika konstatēts, ka nogāzes vidusdaļas un lejupējās daļas veģetācijas segums un daudzveidība ir augsta, bet homogenitāte ir zema, kas var izraisīt nevienmērīgu virszemes barības vielu sadalījumu. Biezs humusa slānis aiztur ūdeni un augsnes organismi ir aktīvi. Tas viss paātrina organisko vielu sadalīšanos augsnē.
Augšupvērsta, vidēja slīpuma un lejupvērsta dzelzceļa slāpekļa sārmu hidrolizētā slāpekļa saturs bija augstāks nekā dabiskajā slīpumā, kas norāda, ka dzelzceļa slīpuma organiskā slāpekļa mineralizācijas ātrums bija ievērojami augstāks nekā dabiskajā slīpumā. Jo mazākas daļiņas, jo nestabilāka augsnes struktūra, jo vieglāk mikroorganismiem sadalīt agregātos esošās organiskās vielas un jo lielāks ir mineralizētā organiskā slāpekļa daudzums60,61. Saskaņā ar 62. pētījuma rezultātiem, dzelzceļa nogāžu augsnē sīko daļiņu agregātu saturs bija ievērojami augstāks nekā dabisko nogāžu augsnē. Tāpēc jāveic atbilstoši pasākumi, lai palielinātu mēslošanas līdzekļu, organisko vielu un slāpekļa saturu dzelzceļa nogāžu augsnē un uzlabotu augsnes ilgtspējīgu izmantošanu. Pieejamā fosfora un pieejamā kālija izšķērdēšana, ko izraisa virszemes notece, veidoja 77,27% līdz 99,79% no kopējā dzelzceļa nogāžu zuduma. Virszemes notece var būt galvenais pieejamo barības vielu zuduma virzītājspēks nogāžu augsnēs63,64,65.
Kā parādīts 4. tabulā, pastāvēja nozīmīga pozitīva korelācija starp nogāzes pozīciju un pieejamo fosforu (R2 = 0,948), un korelācija starp nogāzes pozīciju un pieejamo kāliju bija tāda pati (R2 = 0,898). Tas parāda, ka nogāzes pozīcija ietekmē pieejamā fosfora un pieejamā kālija saturu augsnē.
Slīpums ir svarīgs faktors, kas ietekmē augsnes organisko vielu saturu un slāpekļa bagātināšanos66, un jo mazāks slīpums, jo lielāks bagātināšanās ātrums. Augsnes barības vielu bagātināšanā barības vielu zudums bija vājāks, un nogāzes novietojuma ietekme uz augsnes organisko vielu saturu un kopējo slāpekļa bagātināšanos nebija acīmredzama. Dažādiem augu veidiem un skaitam dažādās nogāzēs ir atšķirīgs organisko skābju daudzums, ko izdala augu saknes. Organiskās skābes ir labvēlīgas pieejamā fosfora un kālija fiksācijai augsnē. Tādēļ pastāvēja būtiska korelācija starp nogāzes novietojumu un pieejamo fosforu, kā arī nogāzes novietojumu un pieejamo kāliju.
Lai noskaidrotu augsnes barības vielu un augsnes korozijas saistību, ir jāanalizē korelācija. Kā parādīts 5. tabulā, redokspotenciāls bija būtiski negatīvi korelēts ar pieejamo slāpekli (R2 = -0,845) un būtiski pozitīvi korelēts ar pieejamo fosforu (R2 = 0,842) un pieejamo kāliju (R2 = 0,980). Redokspotenciāls atspoguļo redoks kvalitāti, ko parasti ietekmē dažas augsnes fizikālās un ķīmiskās īpašības, un pēc tam tas ietekmē virkni augsnes īpašību. Tāpēc tas ir svarīgs faktors augsnes barības vielu transformācijas virziena noteikšanā67. Dažādas redoksīpašības var izraisīt dažādus barības faktoru stāvokļus un pieejamību. Tāpēc redokspotenciālam ir būtiska korelācija ar pieejamo slāpekli, pieejamo fosforu un pieejamo kāliju.
Papildus metālu īpašībām korozijas potenciāls ir saistīts arī ar augsnes īpašībām. Korozijas potenciāls bija būtiski negatīvi korelēts ar organisko vielu, norādot, ka organiskajai vielai bija būtiska ietekme uz korozijas potenciālu. Turklāt organiskā viela bija arī būtiski negatīvi korelēta ar potenciāla gradientu (SN) (R2 = -0,713) un sulfāta jonu (R2 = -0,671), norādot, ka organiskās vielas saturs ietekmē arī potenciālo gradientu (SN) un sulfāta jonu. Pastāvēja būtiska negatīva korelācija starp augsnes pH un pieejamo kāliju (R2 = -0,728).
Pieejamais slāpeklis bija būtiski negatīvi korelēts ar kopējo šķīstošo sāļu un hlorīda jonu daudzumu, un pieejamais fosfors un pieejamais kālijs bija būtiski pozitīvi korelēti ar kopējo šķīstošo sāļu un hlorīda joniem. Tas norādīja, ka pieejamo barības vielu saturs būtiski ietekmē kopējo šķīstošo sāļu un hlorīda jonu daudzumu augsnē, un anjoni augsnē neveicināja pieejamo barības vielu uzkrāšanos un piegādi. Kopējais slāpeklis bija būtiski negatīvi korelēts ar sulfāta joniem un būtiski pozitīvi korelēts ar bikarbonātu, norādot, ka kopējam slāpeklim bija ietekme uz sulfāta un bikarbonāta saturu. Augiem ir maza nepieciešamība pēc sulfāta joniem un bikarbonāta joniem, tāpēc lielākā daļa no tiem ir brīvi augsnē vai absorbēti augsnes koloīdos. Bikarbonāta joni veicina slāpekļa uzkrāšanos augsnē, un sulfāta joni samazina slāpekļa pieejamību augsnē. Tāpēc atbilstoši palielinot pieejamā slāpekļa un humusa saturu augsnē, ir lietderīgi samazināt augsnes kodīgumu.
Augsne ir sistēma ar sarežģītu sastāvu un īpašībām. Augsnes korozivitāte ir daudzu faktoru sinerģiskas darbības rezultāts. Tāpēc augsnes korozivitātes novērtēšanai parasti tiek izmantota visaptveroša novērtēšanas metode. Atsaucoties uz "Ģeotehniskās inženierijas izpētes kodeksu" (GB50021-94) un Ķīnas Augsnes korozijas testēšanas tīkla testēšanas metodēm, augsnes korozijas pakāpi var visaptveroši novērtēt saskaņā ar šādiem standartiem: (1) Vērtējums ir vāja korozija, ja ir tikai vāja korozija, nav mērenas vai spēcīgas korozijas; (2) ja nav spēcīgas korozijas, tā tiek vērtēta kā mērena korozija; (3) ja ir viena vai divas spēcīgas korozijas vietas, tā tiek vērtēta kā spēcīga korozija; (4) ja ir 3 vai vairāk spēcīgas korozijas vietas, tā tiek vērtēta kā spēcīga korozija smagas korozijas gadījumā.
Atkarībā no augsnes pretestības, redokspotenciāla, ūdens satura, sāls satura, pH vērtības un Cl- un SO42- satura, tika vispusīgi novērtēta augsnes paraugu korozijas pakāpe dažādās nogāzēs. Pētījuma rezultāti liecina, ka augsnes visās nogāzēs ir ļoti korozīvas.
Korozijas potenciāls ir svarīgs faktors, kas ietekmē nogāžu aizsardzības tīkla koroziju. Visu trīs nogāžu korozijas potenciāls ir zemāks par -200 mV, kam ir vislielākā ietekme uz augšupvērstā metāla sieta koroziju. Potenciālā gradienta palīdzību var spriest par klaiņojošās strāvas lielumu augsnē. Klaiņojošā strāva ir svarīgs faktors, kas ietekmē metāla sieta koroziju vidējās nogāzēs un augšupvērstās nogāzēs, īpaši vidējās nogāzēs. Kopējais šķīstošo sāļu saturs augšējās, vidējās un apakšējās nogāzes augsnēs bija virs 500 mg/kg, un korozijas ietekme uz nogāžu aizsardzības tīklu bija mērena. Augsnes ūdens saturs ir svarīgs faktors, kas ietekmē metāla sietu koroziju vidējā nogāzē un lejupvērstā nogāzē, un tam ir lielāka ietekme uz nogāžu aizsardzības sietu koroziju. Barības vielas ir visizplatītākās vidējā nogāzes augsnē, kas norāda uz biežu mikrobu aktivitāti un strauju augu augšanu.
Pētījums rāda, ka korozijas potenciāls, potenciālais gradients, kopējais šķīstošo sāļu saturs un ūdens saturs ir galvenie faktori, kas ietekmē augsnes koroziju trijās nogāzēs, un augsnes korozivitāte tiek novērtēta kā spēcīga. Nogāzes aizsardzības tīkla korozija ir visnopietnākā vidējā nogāzē, kas sniedz atsauci dzelzceļa nogāzes aizsardzības tīkla pretkorozijas projektēšanai. Atbilstoša pieejamā slāpekļa un organiskā mēslojuma pievienošana ir labvēlīga, lai samazinātu augsnes koroziju, veicinātu augu augšanu un visbeidzot stabilizētu nogāzi.
Kā citēt šo rakstu: Chen, J. et al. Effects of a augsnes sastāvs and electrochemistry on stone graving network corrosion along a Chinese railway line.Science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Dzelzceļa pamatnes slīpumu dinamiskās īpašības zemestrīces ierosmes ietekmē.dabas katastrofa.69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Tipisku zemestrīces radīto autoceļu bojājumu analīze Veņčuaņas zemestrīces skartajā Sičuaņas provinces apgabalā [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1250–1260 (2009).
Veilins, Z., Dženju, L. un Džinsongs, Dž. Seismisko bojājumu analīze un pretpasākumi autoceļu tiltiem Veņčuaņas zemestrīces laikā. Ķīniešu iežu mehānikas un inženierijas žurnāls. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY un Liu, CC Čiči zemestrīces ietekme uz zemes nogruvumiem, ko izraisīja sekojošas lietusgāzes Taivānas centrālajā daļā. Inženierģeoloģija. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Zemestrīču izraisītu zemes nogruvumu ilgtermiņa ietekme uz nogulumu veidošanos kalnu ūdensšķirtnē: Tanzavas reģions, Japāna. geomorphology.101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. un Dedong, L. Ģeotehnisko nogāžu seismiskās stabilitātes analīzes pētījumu apskats. Zemestrīču inženierija un inženiervibrācija. 25, 164–171 (2005).
Jue Pins, Pētījums par ģeoloģiskajiem apdraudējumiem, ko izraisījusi Veņčuaņas zemestrīce Sičuaņā. Inženierģeoloģijas žurnāls 4, 7.–12. lpp. (2008).
Ali, F. Slīpumu aizsardzība ar veģetāciju: dažu tropu augu sakņu mehānika. Starptautiskais fizisko zinātņu žurnāls. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI un Kitayama, K. Topogrāfiskā ietekme uz tropu zemkalnu mežiem dažādos ģeoloģiskos apstākļos Kinabalu kalnā, Borneo. Augu ekoloģija. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al. Ideālas augu sakņu īpašības dabisko un inženiertehnisko nogāžu aizsardzībai no zemes nogruvumiem. Augi un augsnes, 324, 1.–30. lpp. (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. un Knapen, A. Zāles sakņu ietekme uz augsnes virskārtas erodējamību koncentrētas plūsmas laikā. Geomorphology 76, 54–67 (2006).