Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, tonen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript.
Met de helling van de Sui-Chongqing-spoorlijn als onderzoeksobject werden de bodemweerstand, bodemelektrochemie (corrosiepotentiaal, redoxpotentiaal, potentiaalgradiënt en pH), bodemanionen (totaal oplosbare zouten, Cl-, SO42- en) en bodemvoedingsstoffen (vochtgehalte, organische stof, totaal stikstof, alkalisch gehydrolyseerde stikstof, beschikbaar fosfor, beschikbaar kalium) onderzocht. De corrosiegraad werd beoordeeld aan de hand van individuele en gecombineerde indicatoren van kunstmatige bodemmonsters op verschillende hellingen. Vergeleken met andere factoren bleek water de grootste invloed te hebben op de corrosie van het taludbeschermingsnet, gevolgd door het anionengehalte. Het totaal oplosbare zoutgehalte had een matig effect op de corrosie van het taludbeschermingsnet, evenals zwerfstroom. De corrosiegraad van de bodemmonsters werd uitgebreid geëvalueerd. De corrosie op de bovenste helling was matig, terwijl de corrosie op de middelste en onderste hellingen sterk was. Het organische stofgehalte in de bodem correleerde significant met de potentiaalgradiënt. Beschikbaar stikstof, beschikbaar kalium en beschikbaar fosfor correleerden significant met de anionen. De hoeveelheid voedingsstoffen in de bodem is indirect gerelateerd aan het type helling.
Bij de aanleg van spoorwegen, snelwegen en waterbeheersinstallaties zijn openingen in berggebieden vaak onvermijdelijk. Door de bergen in het zuidwesten van China is voor de aanleg van spoorwegen veel graafwerk nodig. Dit vernietigt de oorspronkelijke bodem en vegetatie, waardoor rotsachtige hellingen bloot komen te liggen. Deze situatie leidt tot aardverschuivingen en bodemerosie, wat de veiligheid van het spoorvervoer bedreigt. Aardverschuivingen zijn een groot probleem voor het wegverkeer, vooral na de aardbeving in Wenchuan op 12 mei 2008. Aardverschuivingen zijn een wijdverspreide en ernstige ramp geworden na aardbevingen. Bij de evaluatie in 2008 van 4.243 kilometer aan belangrijke hoofdwegen in de provincie Sichuan werden 1.736 ernstige aardbevingsrampen in de wegbedding en taludwanden geconstateerd, wat neerkomt op 39,76% van de totale lengte van de evaluatie. De directe economische verliezen als gevolg van schade aan de wegen bedroegen meer dan 58 miljard yuan.^2,3 Wereldwijde voorbeelden tonen aan dat de gevolgen van aardbevingen minstens 10 jaar (aardbeving in Taiwan) en zelfs 40-50 jaar (aardbeving in Kanto, Japan) kunnen aanhouden.^4,5 De hellingshoek is de belangrijkste factor die van invloed is op het aardbevingsrisico.^6,7 Daarom is het noodzakelijk om de helling van de weg te onderhouden en de stabiliteit ervan te versterken. Planten spelen een onvervangbare rol bij de bescherming van hellingen en het herstel van het ecologische landschap.⁸ In vergelijking met gewone grondhellingen hebben rotshellingen geen accumulatie van voedingsstoffen zoals organische stof, stikstof, fosfor en kalium, en niet de bodemomgeving die nodig is voor vegetatiegroei. Door factoren zoals een grote hellingshoek en regenerosie, kan de helling Bodemverlies is gemakkelijk. De hellingomgeving is ruw, mist de noodzakelijke omstandigheden voor plantengroei en de hellingbodem mist draagkracht. Het besproeien van hellingen met basismateriaal om de bodem te bedekken en de helling te beschermen, is een veelgebruikte ecologische hersteltechnologie voor hellingen in mijn land. De kunstmatige grond die voor het sproeien wordt gebruikt, bestaat uit gebroken steen, landbouwgrond, stro, samengestelde meststof, een waterbindend middel en een bindmiddel (veelgebruikte bindmiddelen zijn onder andere Portlandcement, organische lijm en asfaltemulgator) in een bepaalde verhouding. Het technische proces is als volgt: eerst wordt prikkeldraad op de rots gelegd, vervolgens wordt het prikkeldraad vastgezet met klinknagels en ankerbouten, en tot slot wordt de kunstmatige grond met zaden op de helling gespoten met een speciale sproeier. Meestal wordt ruitvormig metalen gaas van 14# gebruikt, volledig gegalvaniseerd, met een maaswijdte van 5 cm × 5 cm en een diameter van 2 mm. Het metalen gaas zorgt ervoor dat de bodemmatrix een duurzame, monolithische laag op het rotsoppervlak vormt. Het metalen gaas zal corroderen in de grond, omdat de grond zelf een elektrolyt is, en de mate van corrosie hangt af van de eigenschappen van het gaas. van de bodem. De evaluatie van bodemcorrosiefactoren is van groot belang voor het beoordelen van door de bodem veroorzaakte erosie van metalen netten en het elimineren van aardverschuivingsrisico's.
Er wordt aangenomen dat plantenwortels een cruciale rol spelen bij hellingstabilisatie en erosiebestrijding10,11,12,13,14. Om hellingen te stabiliseren tegen oppervlakkige aardverschuivingen kan vegetatie worden gebruikt, omdat plantenwortels de grond kunnen fixeren en zo aardverschuivingen kunnen voorkomen15,16,17. Houtachtige vegetatie, met name bomen, helpt oppervlakkige aardverschuivingen te voorkomen18. Een stevige beschermende structuur wordt gevormd door de verticale en laterale wortelsystemen van planten die als verstevigende palen in de grond fungeren. De ontwikkeling van wortelarchitectuurpatronen wordt gestuurd door genen, en de bodemomgeving speelt een doorslaggevende rol in deze processen. Corrosie van metalen varieert met de bodemomgeving20. De mate van corrosie van metalen in de bodem kan variëren van vrij snelle oplossing tot een verwaarloosbaar effect21. Kunstmatige grond is heel anders dan echte "grond". De vorming van natuurlijke bodems is het resultaat van interacties tussen de externe omgeving en verschillende organismen gedurende tientallen miljoenen jaren22,23,24. Voordat de houtachtige vegetatie een stabiel wortelsysteem en ecosysteem vormt, of het metalen gaas nu gecombineerd wordt met de Het veilig functioneren van rotshellingen en kunstmatige bodem is direct gerelateerd aan de ontwikkeling van de natuurlijke economie, de veiligheid van de bevolking en de verbetering van het ecologische milieu.
Corrosie van metalen kan echter leiden tot enorme verliezen. Volgens een onderzoek dat begin jaren tachtig in China werd uitgevoerd naar chemische machines en andere industrieën, bedroegen de verliezen als gevolg van metaalcorrosie 4% van de totale productiewaarde. Daarom is het van groot belang om het corrosiemechanisme te bestuderen en beschermende maatregelen te nemen voor economische ontwikkeling. Bodem is een complex systeem van gassen, vloeistoffen, vaste stoffen en micro-organismen. Microbiële metabolieten kunnen materialen corroderen, en zwerfstromen kunnen ook corrosie veroorzaken. Daarom is het belangrijk om corrosie van in de bodem begraven metalen te voorkomen. Momenteel richt het onderzoek naar corrosie van begraven metalen zich voornamelijk op (1) factoren die corrosie van begraven metalen beïnvloeden25; (2) methoden voor metaalbescherming26,27; (3) beoordelingsmethoden voor de mate van metaalcorrosie28; Corrosie in verschillende media. Alle onderzochte bodems waren echter natuurlijk en hadden voldoende bodemvormingsprocessen ondergaan. Er zijn echter geen rapporten over kunstmatige bodemerosie van rotshellingen langs spoorwegen.
Vergeleken met andere corrosieve media heeft kunstmatige bodem de kenmerken van illiquiditeit, heterogeniteit, seizoensgebondenheid en regionaliteit. Metaalcorrosie in kunstmatige bodems wordt veroorzaakt door elektrochemische interacties tussen metalen en kunstmatige bodems. Naast intrinsieke factoren is de snelheid van metaalcorrosie ook afhankelijk van de omgevingsfactoren. Verschillende factoren beïnvloeden metaalcorrosie afzonderlijk of in combinatie, zoals vochtgehalte, zuurstofgehalte, totaal gehalte aan oplosbare zouten, anion- en metaaliongehalte, pH en bodemmicroben30,31,32.
In 30 jaar praktijk is de vraag hoe kunstmatige bodems op rotsachtige hellingen permanent te behouden een probleem gebleken33. Op sommige hellingen kunnen na 10 jaar handmatige verzorging geen struiken of bomen meer groeien als gevolg van bodemerosie. Op sommige plaatsen is het vuil op het oppervlak van het metalen gaas weggespoeld. Door corrosie zijn sommige metalen gaasnetten gebarsten en is alle grond erboven en eronder verdwenen (Figuur 1). Momenteel richt het onderzoek naar corrosie van spoorweghellingen zich voornamelijk op de corrosie van aardingsnetten van spoorwegonderstations, corrosie door zwerfstromen veroorzaakt door lightrails en corrosie van spoorbruggen34,35, sporen en andere voertuigapparatuur36. Er zijn geen meldingen van corrosie van het metalen gaas ter bescherming van spoorweghellingen. Dit artikel onderzoekt de fysische, chemische en elektrochemische eigenschappen van kunstmatige bodems op de zuidwestelijke rotshelling van de Suiyu-spoorlijn, met als doel metaalcorrosie te voorspellen door de bodemeigenschappen te beoordelen en een theoretische en praktische basis te bieden voor herstel van het bodemecosysteem en kunstmatige herstelwerkzaamheden aan de helling.
Het testgebied bevindt zich in het heuvelachtige gebied van Sichuan (30°32′N, 105°32′O) nabij het treinstation van Suining. Het gebied ligt midden in het Sichuan-bekken, met lage bergen en heuvels, een eenvoudige geologische structuur en een vlak terrein. Erosie, afsnijding en waterophoping hebben geërodeerde heuvellandschappen gecreëerd. De ondergrond bestaat voornamelijk uit kalksteen en de deklaag bestaat voornamelijk uit paars zand en moddersteen. De gesteentestructuur is slecht en blokvormig. Het onderzoeksgebied heeft een subtropisch vochtig moessonklimaat met seizoenskenmerken van een vroege lente, een hete zomer, een korte herfst en een late winter. De regenval is overvloedig, er zijn veel licht- en warmtebronnen, de vorstvrije periode is lang (gemiddeld 285 dagen), het klimaat is mild, de gemiddelde jaartemperatuur is 17,4 °C, de gemiddelde temperatuur van de warmste maand (augustus) is 27,2 °C en de maximale temperatuur is 39,3 °C. Januari is de koudste maand. De gemiddelde temperatuur is 6,5 °C, de laagste temperatuur is -3,8 °C en de gemiddelde jaarlijkse neerslag bedraagt ​​920 mm, voornamelijk geconcentreerd in juli en augustus. De neerslag in de lente, zomer, herfst en winter varieert sterk. Het aandeel van de neerslag in elk seizoen van het jaar is respectievelijk 19-21%, 51-54%, 22-24% en 4-5%.
De onderzoekslocatie is een helling van ongeveer 45° op het tracé van de Yu-Sui-spoorlijn, die in 2003 werd aangelegd. In april 2012 lag de locatie op het zuiden, binnen 1 km van het treinstation Suining. De natuurlijke helling werd als controle gebruikt. De ecologische restauratie van de helling maakt gebruik van een buitenlandse topdressing-technologie voor bodemverrijking. Afhankelijk van de hoogte van de helling langs het spoor kan de helling worden onderverdeeld in een opgaande, een middenhelling en een neergaande helling (Fig. 2). Omdat de dikte van de aangelegde kunstmatige grond op de helling ongeveer 10 cm is, gebruiken we, om vervuiling door corrosieproducten van het grondnet te voorkomen, alleen een roestvrijstalen schep om de bovenste 0-8 cm van de grond te nemen. Vier herhalingen werden uitgevoerd voor elke hellingspositie, met 15-20 willekeurige bemonsteringspunten per herhaling. Elke herhaling bestaat uit een mengsel van 15-20 willekeurig bepaalde bemonsteringspunten in een S-vormige lijn. Het verse gewicht bedraagt ​​ongeveer 500 gram. De monsters worden in polyethyleen ziplock-zakken naar het laboratorium gebracht voor verwerking. De grond wordt aan de lucht gedroogd, waarna grind en dierlijke en plantaardige resten worden verwijderd, fijngemaakt met een agaatstaaf en gezeefd met een zeef met een maaswijdte van 20 mesh. Een nylon zeef met maaswijdte 100, behalve voor de grove deeltjes.
De bodemweerstand werd gemeten met de VICTOR4106 aardingsweerstandmeter van Shengli Instrument Company; de bodemweerstand werd in het veld gemeten. Het bodemvochtgehalte werd gemeten met de droogmethode. Het draagbare digitale mv/pH-instrument DMP-2 heeft een hoge ingangsimpedantie voor het meten van het bodemcorrosiepotentieel. Potentiaalgradiënt en redoxpotentieel werden bepaald met de DMP-2, het totale gehalte aan oplosbare zouten in de bodem werd bepaald met de residudroogmethode, het chloride-ionengehalte in de bodem werd bepaald met de AgNO3-titratiemethode (Mohr-methode), het sulfaatgehalte in de bodem werd bepaald met de indirecte EDTA-titratiemethode, de dubbele indicator-titratiemethode voor het bepalen van carbonaat en bicarbonaat in de bodem, de kaliumdichromaatoxidatie-verwarmingsmethode voor het bepalen van organische stof in de bodem, de alkalische oplossingdiffusiemethode voor het bepalen van alkalische hydrolysestikstof in de bodem, de H2SO4-HClO4-digestiemethode en de Mo-Sb-colorimetrische methode. Het totale fosforgehalte in de bodem en het beschikbare fosforgehalte in de bodem werden bepaald met de Olsen-methode (0,05 mol/L NaHCO3-oplossing als extractiemiddel), en het totale kaliumgehalte in de bodem werd bepaald met natriumhydroxide-fusievlamfotometrie.
De experimentele gegevens werden eerst systematisch geordend. SPSS Statistics 20 werd gebruikt om het gemiddelde, de standaarddeviatie, eenweg-ANOVA en correlatieanalyse uit te voeren.
Tabel 1 presenteert de elektromechanische eigenschappen, anionen en voedingsstoffen van bodems met verschillende hellingshoeken. Het corrosiepotentieel, de bodemweerstand en de oost-west potentiaalgradiënt van de verschillende hellingen waren significant (P < 0,05). De redoxpotentialen van de helling naar beneden, de helling op middelhoogte en de natuurlijke helling waren significant (P < 0,05). De potentiaalgradiënt loodrecht op het spoor, oftewel de noord-zuid potentiaalgradiënt, was in de volgorde: helling naar boven > helling naar beneden > helling op middelhoogte. De pH-waarde van de bodem was in de volgorde: helling naar beneden > helling naar boven > helling op middelhoogte > natuurlijke helling. Het totale gehalte aan oplosbare zouten was significant hoger op de natuurlijke helling dan op de helling langs het spoor (P < 0,05). Het totale gehalte aan oplosbare zouten in de bodem van de derde hellingshoek langs het spoor is hoger dan 500 mg/kg, en het totale gehalte aan oplosbare zouten heeft een matig effect op metaalcorrosie. Het gehalte aan organische stof in de bodem was het hoogst op de natuurlijke helling en het laagst op de helling naar beneden (P < 0,05). Het totale stikstofgehalte was het hoogst op de helling op middelhoogte en het laagst op de helling naar boven. Het beschikbare stikstofgehalte was het hoogst op de helling naar beneden en in het midden van de helling, en het laagst op de natuurlijke helling; het totale stikstofgehalte op de helling naar boven en naar beneden langs het spoor was lager, maar het beschikbare stikstofgehalte was hoger. Dit wijst erop dat de mineralisatiesnelheid van organische stikstof op de hellingen naar boven en naar beneden snel is. Het beschikbare kaliumgehalte is gelijk aan het beschikbare fosforgehalte.
De bodemweerstand is een index die de elektrische geleidbaarheid aangeeft en een basisparameter voor het beoordelen van bodemcorrosie. Factoren die de bodemweerstand beïnvloeden zijn onder andere het vochtgehalte, het totale gehalte aan oplosbare zouten, de pH-waarde, de bodemtextuur, de temperatuur, het gehalte aan organische stof en de bodemdichtheid. Over het algemeen geldt dat bodems met een lage weerstand corrosiever zijn, en omgekeerd. Het gebruik van de bodemweerstand om de corrosiviteit van de bodem te beoordelen is een methode die in verschillende landen veelvuldig wordt toegepast. Tabel 1 toont de criteria voor de beoordeling van de corrosiviteitsgraad voor elke afzonderlijke index37,38.
Volgens de testresultaten en normen in mijn land (Tabel 1) is, als de corrosiviteit van de bodem alleen wordt beoordeeld op basis van de bodemweerstand, de bodem op de oplopende helling zeer corrosief; de bodem op de aflopende helling is matig corrosief; de corrosiviteit van de bodem op de middelste helling en de natuurlijke helling is relatief laag.
De bodemweerstand van de helling aan de bovenzijde is aanzienlijk lager dan die van andere delen van de helling, wat mogelijk wordt veroorzaakt door erosie door regen. De bovengrond op de bovenzijde stroomt met het water naar het midden van de helling, waardoor het metalen beschermingsnet op de bovenzijde dicht bij de bovengrond komt te liggen. Sommige metalen netten waren zichtbaar en hingen zelfs in de lucht (Figuur 1). De bodemweerstand werd ter plaatse gemeten; de paalafstand was 3 m; de paaldiepte was minder dan 15 cm. Blootliggend metalen net en afbladderende roest kunnen de meetresultaten beïnvloeden. Daarom is het onbetrouwbaar om de bodemcorrosiviteit alleen te beoordelen op basis van de bodemweerstandsindex. Bij de algehele beoordeling van corrosie wordt de bodemweerstand van de bovenzijde van de helling niet meegenomen.
Door de hoge relatieve luchtvochtigheid in de regio Sichuan corrodeert het metalen gaas dat aan de lucht is blootgesteld ernstiger dan het gaas dat in de grond is begraven.³⁹ Blootstelling van gaas aan de lucht kan leiden tot een kortere levensduur en de bodem op hellingen destabiliseren. Bodemerosie kan de groei van planten, met name houtachtige planten, bemoeilijken. Door het gebrek aan houtachtige planten is het lastig om een ​​wortelstelsel op hellingen te vormen en de bodem te verstevigen. Tegelijkertijd kan plantengroei de bodemkwaliteit verbeteren en het humusgehalte verhogen, wat niet alleen water vasthoudt, maar ook een goede omgeving biedt voor de groei en voortplanting van dieren en planten, waardoor bodemerosie wordt verminderd. Daarom moet in de beginfase van de aanleg meer houtachtige zaden op de helling worden gezaaid en moet er continu een waterbindend middel worden toegevoegd en afgedekt met folie ter bescherming, om erosie van de hellingbodem door regenwater te verminderen.
Het corrosiepotentieel is een belangrijke factor die de corrosie van het taludbeschermingsnet op de drieledige helling beïnvloedt en heeft de grootste impact op de opgaande helling (Tabel 2). Onder normale omstandigheden verandert het corrosiepotentieel in een bepaalde omgeving niet veel. Een merkbare verandering kan worden veroorzaakt door zwerfstromen. Zwerfstromen verwijzen naar stromen 40, 41, 42 die in de wegbedding en de bodem lekken wanneer voertuigen gebruikmaken van het openbaar vervoer. Met de ontwikkeling van het transportsysteem heeft het spoorwegnet in mijn land een grootschalige elektrificatie bereikt, en de corrosie van begraven metalen veroorzaakt door gelijkstroomlekkage van geëlektrificeerde spoorwegen kan niet worden genegeerd. Momenteel kan de potentiaalgradiënt van de bodem worden gebruikt om te bepalen of de bodem verstoringen door zwerfstromen bevat. Wanneer de potentiaalgradiënt van de bovengrond lager is dan 0,5 mV/m, is de zwerfstroom laag; wanneer de potentiaalgradiënt tussen 0,5 mV/m en 5,0 mV/m ligt, is de zwerfstroom matig; Wanneer de potentiaalgradiënt groter is dan 5,0 mV/m, is het niveau van de zwerfstroom hoog. Het zweefbereik van de potentiaalgradiënt (EW) van de middenhelling, de bovenhelling en de benedenhelling wordt weergegeven in figuur 3. Wat betreft het zweefbereik zijn er matige zwerfstromen in de oost-west- en noord-zuidrichting van de middenhelling. Daarom is zwerfstroom een ​​belangrijke factor die de corrosie van metalen gaas op de midden- en benedenhelling beïnvloedt, met name op de middenhelling.
Over het algemeen duidt een redoxpotentiaal (Eh) van de bodem boven 400 mV op een oxiderend vermogen, boven 0-200 mV op een gemiddeld reducerend vermogen en onder 0 mV op een sterk reducerend vermogen. Hoe lager de redoxpotentiaal van de bodem, hoe groter het corrosievermogen van bodemmicro-organismen ten opzichte van metalen.44 Het is mogelijk om de trend van bodemmicrobiële corrosie te voorspellen aan de hand van de redoxpotentiaal. Uit het onderzoek bleek dat de redoxpotentiaal van de bodem op de drie hellingen hoger was dan 500 mV en dat het corrosieniveau zeer laag was. Dit wijst erop dat de bodemventilatie op de helling goed is, wat niet bevorderlijk is voor de corrosie door anaerobe micro-organismen in de bodem.
Uit eerdere onderzoeken is gebleken dat de invloed van de pH-waarde van de bodem op bodemerosie duidelijk is. De corrosiesnelheid van metalen materialen wordt aanzienlijk beïnvloed door schommelingen in de pH-waarde. De pH-waarde van de bodem is nauw verbonden met het gebied en de micro-organismen in de bodem45,46,47. Over het algemeen is het effect van de pH-waarde op de corrosie van metalen materialen in licht alkalische bodems niet显著. De bodems van de drie spoorhellingen zijn allemaal alkalisch, waardoor het effect van de pH-waarde op de corrosie van het metalen gaas zwak is.
Zoals blijkt uit tabel 3, toont de correlatieanalyse aan dat de redoxpotentiaal en de hellingspositie significant positief gecorreleerd zijn (R2 = 0,858), dat de corrosiepotentiaal en de potentiaalgradiënt (SN) significant positief gecorreleerd zijn (R2 = 0,755), en dat de redoxpotentiaal en de potentiaalgradiënt (SN) significant positief gecorreleerd zijn (R2 = 0,755). Er was een significant negatieve correlatie tussen potentiaal en pH (R2 = -0,724). De hellingspositie was significant positief gecorreleerd met de redoxpotentiaal. Dit toont aan dat er verschillen zijn in het micro-milieu van verschillende hellingsposities, en dat bodemmicroorganismen nauw verband houden met de redoxpotentiaal48, 49, 50. De redoxpotentiaal was significant negatief gecorreleerd met pH51,52. Deze relatie gaf aan dat pH- en Eh-waarden niet altijd synchroon veranderden tijdens het redoxproces in de bodem, maar een negatieve lineaire relatie vertoonden. De corrosiepotentiaal van metaal kan het relatieve vermogen om elektronen op te nemen en af ​​te staan ​​weergeven. Hoewel de corrosiepotentiaal significant positief gecorreleerd was met de potentiaalgradiënt (SN), kan de potentiaalgradiënt worden veroorzaakt door het gemakkelijke verlies van elektronen door het metaal.
Het totale gehalte aan oplosbare zouten in de bodem is nauw verbonden met de corrosiviteit van de bodem. Over het algemeen geldt dat hoe hoger het zoutgehalte van de bodem, hoe lager de bodemweerstand, waardoor de bodemweerstand toeneemt. In bodemelektrolyten zijn niet alleen de anionen en de variërende concentraties van deze stoffen van belang, maar ook de carbonaten, chloriden en sulfaten zijn de belangrijkste factoren die corrosie beïnvloeden. Daarnaast beïnvloedt het totale gehalte aan oplosbare zouten in de bodem de corrosie indirect via andere factoren, zoals het effect van de elektrodepotentiaal op metalen en de oplosbaarheid van zuurstof in de bodem.
De meeste oplosbare, gedissocieerde zoutionen in de bodem nemen niet rechtstreeks deel aan elektrochemische reacties, maar beïnvloeden metaalcorrosie via de bodemweerstand. Hoe hoger het zoutgehalte van de bodem, hoe sterker de bodemgeleidbaarheid en hoe sterker de bodemerosie. Het zoutgehalte van natuurlijke hellingen is aanzienlijk hoger dan dat van spoorhellingen. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat natuurlijke hellingen rijk zijn aan vegetatie, wat gunstig is voor bodem- en waterbehoud. Een andere reden kan zijn dat de natuurlijke helling een volwassen bodemvorming heeft ondergaan (bodemmoedermateriaal gevormd door verwering van gesteente), terwijl de bodem van spoorhellingen bestaat uit gebroken steenfragmenten als matrix van "kunstmatige bodem" en geen voldoende bodemvormingsproces heeft ondergaan. Mineralen zijn niet vrijgekomen. Bovendien stijgen de zoutionen in de diepere bodemlagen van natuurlijke hellingen door capillaire werking tijdens oppervlakteverdamping en hopen zich op in de bovengrond, wat resulteert in een verhoogd zoutionengehalte in de bovengrond. De bodemdikte van de spoorhelling is minder dan 20 cm, waardoor de bovengrond niet in staat is om het zout uit de diepere bodemlagen aan te vullen.
Positieve ionen (zoals K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, enz.) hebben weinig invloed op bodemcorrosie, terwijl anionen een belangrijke rol spelen in het elektrochemische corrosieproces en een significante impact hebben op metaalcorrosie. Cl− kan de corrosie van de anode versnellen en is het meest corrosieve anion; hoe hoger het Cl−-gehalte, hoe sterker de bodemcorrosie. SO42− bevordert niet alleen de corrosie van staal, maar veroorzaakt ook corrosie in sommige betonmaterialen54. Het corrodeert ook ijzer. In een reeks experimenten met zure bodems bleek de corrosiesnelheid evenredig te zijn met de zuurgraad van de bodem55. Chloride en sulfaat zijn de belangrijkste componenten van oplosbare zouten, die de cavitatie van metalen direct kunnen versnellen. Studies hebben aangetoond dat het corrosiegewichtsverlies van koolstofstaal in alkalische bodems vrijwel evenredig is met de toevoeging van chloride- en sulfaationen56,57. Lee et al. Uit onderzoek is gebleken dat SO42- corrosie kan remmen, maar de ontwikkeling van reeds gevormde corrosieputjes kan bevorderen58.
Volgens de norm voor de beoordeling van bodemcorrosiviteit en de testresultaten was het chloride-ionengehalte in elk bodemmonster van de helling hoger dan 100 mg/kg, wat wijst op een sterke bodemcorrosiviteit. Het sulfaat-ionengehalte van zowel de op- als de aflopende helling was hoger dan 200 mg/kg en lager dan 500 mg/kg, wat duidt op matige bodemcorrosie. Het sulfaat-ionengehalte in het midden van de helling was lager dan 200 mg/kg, wat wijst op zwakke bodemcorrosie. Wanneer het bodemmedium een ​​hoge concentratie bevat, neemt het deel aan de reactie en vormt het een corrosielaag op het oppervlak van de metalen elektrode, waardoor de corrosiereactie wordt vertraagd. Naarmate de concentratie toeneemt, kan de corrosielaag plotseling breken, waardoor de corrosiesnelheid sterk toeneemt; bij een verdere toename van de concentratie bedekt de corrosielaag het oppervlak van de metalen elektrode en vertoont de corrosiesnelheid weer een vertragende trend.59 Uit het onderzoek bleek dat de hoeveelheid in de bodem lager was en daarom weinig effect had op de corrosie.
Volgens tabel 4 toonde de correlatie tussen helling en bodemanionen aan dat er een significant positieve correlatie bestond tussen helling en chloride-ionen (R2=0,836), en een significant positieve correlatie tussen helling en totale oplosbare zouten (R2=0,742).
Dit suggereert dat oppervlaktewaterafvoer en bodemerosie verantwoordelijk kunnen zijn voor de veranderingen in de totale hoeveelheid oplosbare zouten in de bodem. Er was een significant positieve correlatie tussen de totale hoeveelheid oplosbare zouten en chloride-ionen, wat mogelijk komt doordat de totale hoeveelheid oplosbare zouten de chloride-ionen vertegenwoordigt en het gehalte aan totale oplosbare zouten het gehalte aan chloride-ionen in de bodemoplossing bepaalt. Hieruit kunnen we concluderen dat het verschil in helling ernstige corrosie van het metalen gaas kan veroorzaken.
Organische stof, totaal stikstof, beschikbare stikstof, beschikbare fosfor en beschikbaar kalium zijn de basisvoedingsstoffen van de bodem, die de bodemkwaliteit en de opname van voedingsstoffen door het wortelstelsel beïnvloeden. Bodemvoedingsstoffen zijn een belangrijke factor die de micro-organismen in de bodem beïnvloedt, daarom is het de moeite waard om te onderzoeken of er een verband bestaat tussen bodemvoedingsstoffen en metaalcorrosie. De Suiyu-spoorlijn werd voltooid in 2003, wat betekent dat de kunstmatige bodem pas 9 jaar organische stof heeft kunnen accumuleren. Vanwege de specifieke eigenschappen van kunstmatige bodem is het noodzakelijk om een ​​goed begrip te hebben van de voedingsstoffen daarin.
Het onderzoek toont aan dat het gehalte aan organische stof het hoogst is in de natuurlijke hellingsgrond na het volledige bodemvormingsproces. Het gehalte aan organische stof was het laagst in de bodem van de minder steile helling. Door de invloed van verwering en oppervlaktewaterafvoer hopen voedingsstoffen zich op in het midden- en onderste deel van de helling, waardoor een dikke humuslaag ontstaat. Door de kleine deeltjes en de geringe stabiliteit van de bodem in de minder steile helling wordt organische stof echter gemakkelijk afgebroken door micro-organismen. Uit het onderzoek bleek dat de vegetatiebedekking en -diversiteit in het midden- en onderste deel van de helling hoog waren, maar de homogeniteit laag, wat kan leiden tot een ongelijke verdeling van voedingsstoffen aan de oppervlakte. Een dikke humuslaag houdt water vast en bevordert de activiteit van bodemorganismen. Dit alles versnelt de afbraak van organische stof in de bodem.
Het alkalisch gehydrolyseerde stikstofgehalte van de hellingen boven, midden en beneden de spoorlijn was hoger dan dat van de natuurlijke helling, wat erop wijst dat de mineralisatiesnelheid van organische stikstof op de spoorhelling aanzienlijk hoger was dan die op de natuurlijke helling. Hoe kleiner de deeltjes, hoe instabieler de bodemstructuur, hoe gemakkelijker het voor micro-organismen is om de organische stof in de aggregaten af ​​te breken, en hoe groter de hoeveelheid gemineraliseerde organische stikstof60,61. In overeenstemming met de resultaten van de studie62 was het gehalte aan kleine deeltjesaggregaten in de bodem van spoorhellingen aanzienlijk hoger dan dat van natuurlijke hellingen. Daarom moeten passende maatregelen worden genomen om het gehalte aan meststoffen, organische stof en stikstof in de bodem van de spoorhelling te verhogen en het duurzaam gebruik van de bodem te verbeteren. Het verlies van beschikbaar fosfor en beschikbaar kalium als gevolg van oppervlaktewaterafvoer was verantwoordelijk voor 77,27% tot 99,79% van het totale verlies op de spoorhelling. Oppervlaktewaterafvoer is mogelijk de belangrijkste oorzaak van het verlies van beschikbare voedingsstoffen op de helling. bodems63,64,65.
Zoals weergegeven in tabel 4, was er een significant positieve correlatie tussen de hellingspositie en de beschikbare fosfor (R2=0,948), en de correlatie tussen de hellingspositie en de beschikbare kalium was gelijk (R2=0,898). Dit toont aan dat de hellingspositie van invloed is op het gehalte aan beschikbare fosfor en beschikbare kalium in de bodem.
De hellingshoek is een belangrijke factor die het gehalte aan organische stof in de bodem en de stikstofverrijking beïnvloedt66, en hoe kleiner de hellingshoek, hoe groter de verrijkingsgraad. Voor de verrijking van voedingsstoffen in de bodem werd het nutriëntenverlies verminderd en was het effect van de hellingspositie op het gehalte aan organische stof in de bodem en de totale stikstofverrijking niet duidelijk. Verschillende soorten en aantallen planten op verschillende hellingen hebben verschillende organische zuren die door de plantenwortels worden afgescheiden. Organische zuren zijn gunstig voor de fixatie van beschikbaar fosfor en beschikbaar kalium in de bodem. Daarom was er een significante correlatie tussen de hellingspositie en beschikbaar fosfor, en tussen de hellingspositie en beschikbaar kalium.
Om de relatie tussen bodemvoedingsstoffen en bodemerosie te verduidelijken, is het noodzakelijk de correlatie te analyseren. Zoals weergegeven in Tabel 5, was de redoxpotentiaal significant negatief gecorreleerd met beschikbare stikstof (R2 = -0,845) en significant positief gecorreleerd met beschikbare fosfor (R2 = 0,842) en beschikbare kalium (R2 = 0,980). De redoxpotentiaal weerspiegelt de kwaliteit van de redox, die doorgaans wordt beïnvloed door enkele fysische en chemische eigenschappen van de bodem en vervolgens een reeks bodemeigenschappen beïnvloedt. Daarom is het een belangrijke factor bij het bepalen van de richting van de bodemvoedingsstofomzetting67. Verschillende redoxkwaliteiten kunnen leiden tot verschillende toestanden en beschikbaarheid van voedingsfactoren. De redoxpotentiaal heeft daarom een ​​significante correlatie met beschikbare stikstof, beschikbare fosfor en beschikbare kalium.
Naast metaaleigenschappen is het corrosiepotentieel ook gerelateerd aan bodemeigenschappen. Het corrosiepotentieel vertoonde een significant negatieve correlatie met organische stof, wat aangeeft dat organische stof een significant effect heeft op het corrosiepotentieel. Bovendien was er ook een significant negatieve correlatie tussen organische stof en potentiaalgradiënt (SN) (R2=-0,713) en sulfaat-ionen (R2=-0,671), wat aangeeft dat het gehalte aan organische stof ook van invloed is op de potentiaalgradiënt (SN) en sulfaat-ionen. Er was een significant negatieve correlatie tussen de pH van de bodem en de beschikbare kaliumconcentratie (R2 = -0,728).
De beschikbare stikstof vertoonde een significant negatieve correlatie met de totale hoeveelheid oplosbare zouten en chloride-ionen, terwijl de beschikbare fosfor en het beschikbare kalium een ​​significant positieve correlatie vertoonden met de totale hoeveelheid oplosbare zouten en chloride-ionen. Dit duidde erop dat het gehalte aan beschikbare voedingsstoffen een significante invloed had op de hoeveelheid totale oplosbare zouten en chloride-ionen in de bodem, en dat anionen in de bodem de accumulatie en aanvoer van beschikbare voedingsstoffen niet bevorderden. De totale stikstof vertoonde een significant negatieve correlatie met sulfaat-ionen en een significant positieve correlatie met bicarbonaat, wat aangeeft dat de totale stikstof van invloed was op het gehalte aan sulfaat en bicarbonaat. Planten hebben weinig behoefte aan sulfaat- en bicarbonaat-ionen, waardoor het grootste deel ervan vrij in de bodem aanwezig is of wordt opgenomen door bodemcolloïden. Bicarbonaat-ionen bevorderen de accumulatie van stikstof in de bodem, terwijl sulfaat-ionen de beschikbaarheid van stikstof in de bodem verminderen. Daarom is het op passende wijze verhogen van het gehalte aan beschikbare stikstof en humus in de bodem gunstig om bodemcorrosiviteit te verminderen.
Bodem is een systeem met een complexe samenstelling en eigenschappen. Bodemcorrosiviteit is het resultaat van de synergetische werking van vele factoren. Daarom wordt over het algemeen een uitgebreide evaluatiemethode gebruikt om bodemcorrosiviteit te beoordelen. Met verwijzing naar de "Code voor geotechnisch onderzoek" (GB50021-94) en de testmethoden van het Chinese netwerk voor bodemcorrosietesten, kan de bodemcorrosiegraad uitgebreid worden beoordeeld volgens de volgende normen: (1) De beoordeling is zwakke corrosie, indien er alleen sprake is van zwakke corrosie, geen matige corrosie of sterke corrosie; (2) indien er geen sterke corrosie is, wordt de beoordeling gegeven als matige corrosie; (3) indien er één of twee plaatsen met sterke corrosie zijn, wordt de beoordeling gegeven als sterke corrosie; (4) indien er drie of meer plaatsen met sterke corrosie zijn, wordt de beoordeling gegeven als ernstige corrosie.
Op basis van bodemweerstand, redoxpotentiaal, watergehalte, zoutgehalte, pH-waarde en het gehalte aan Cl⁻ en SO₄²⁻ is de corrosiegraad van bodemmonsters op verschillende hellingen uitgebreid geëvalueerd. De onderzoeksresultaten tonen aan dat de bodem op alle hellingen zeer corrosief is.
Het corrosiepotentieel is een belangrijke factor die de corrosie van het taludbeschermingsnet beïnvloedt. De corrosiepotentialen van de drie hellingen liggen allemaal lager dan -200 mV, wat de grootste impact heeft op de corrosie van het metalen net op de helling. De potentiaalgradiënt kan worden gebruikt om de omvang van zwerfstromen in de bodem te beoordelen. Zwerfstromen zijn een belangrijke factor die de corrosie van metalen netten op de middelste en bovenste hellingen beïnvloedt, met name op de middelste hellingen. Het totale gehalte aan oplosbare zouten in de bodem van de bovenste, middelste en onderste hellingen was allemaal hoger dan 500 mg/kg, en het corrosie-effect op het taludbeschermingsnet was matig. Het bodemvochtgehalte is een belangrijke factor die de corrosie van metalen netten op de middelste en onderste hellingen beïnvloedt en heeft een grotere impact op de corrosie van het taludbeschermingsnet. Voedingsstoffen zijn het meest overvloedig aanwezig in de bodem van de middelste helling, wat wijst op frequente microbiële activiteit en snelle plantengroei.
Het onderzoek toont aan dat corrosiepotentieel, potentiaalgradiënt, totaal gehalte aan oplosbare zouten en watergehalte de belangrijkste factoren zijn die bodemcorrosie op de drie hellingen beïnvloeden, en de bodemcorrosiviteit wordt als sterk beoordeeld. De corrosie van het taludbeschermingsnet is het ernstigst op de middelste helling, wat een referentiepunt biedt voor het ontwerp van anticorrosievoorzieningen voor taludbescherming langs spoorwegen. Een geschikte toevoeging van beschikbare stikstof en organische meststoffen is gunstig om bodemcorrosie te verminderen, plantengroei te bevorderen en uiteindelijk de helling te stabiliseren.
Hoe dit artikel te citeren: Chen, J. et al. Effecten van bodemsamenstelling en elektrochemie op de corrosie van een rotshellingnetwerk langs een Chinese spoorlijn. Science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Dynamische kenmerken van hellingen in de spoorwegondergrond onder invloed van aardbevingen. Natuurramp. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Analyse van typische aardbevingsschade aan snelwegen in het door de aardbeving in Wenchuan getroffen gebied van de provincie Sichuan [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. Seismische schadeanalyse en tegenmaatregelen voor snelwegbruggen tijdens de aardbeving in Wenchuan. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC Het effect van de Chichi-aardbeving op aardverschuivingen veroorzaakt door daaropvolgende regenval in centraal Taiwan. Engineering Geology. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Langetermijneffecten van aardbevingsgeïnduceerde aardverschuivingen op de sedimentproductie in een bergstroomgebied: Tanzawa-regio, Japan. geomorphology. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. & Dedong, L. Een overzicht van onderzoek naar seismische stabiliteitsanalyse van geotechnische hellingen. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Onderzoek naar geologische gevaren veroorzaakt door de aardbeving in Wenchuan in Sichuan. Tijdschrift voor technische geologie 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Hellingbescherming met vegetatie: wortelmechanica van enkele tropische planten. International Journal of Physical Sciences. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. Topografische effecten op tropische laaggebergtebossen onder verschillende geologische omstandigheden in Mount Kinabalu, Borneo. Plant Ecology. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al. Ideale kenmerken van plantenwortels voor de bescherming van natuurlijke en aangelegde hellingen tegen aardverschuivingen. Plants and Soils, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Effecten van graswortels op de erosiegevoeligheid van de bovengrond tijdens geconcentreerde stroming. Geomorphology 76, 54–67 (2006).