CN103076438A - 一种研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法。由于我国土壤种类繁多，不同土壤介质间的条件差异较大，要取到各种理化性质的土样在实验室进行研究有一定的难度。本发明采用以下步骤：基底土样预处理；模拟土壤理化性质：pH值模拟、总含盐量及各离子含量模拟、含水率模拟、孔隙率模拟、温度的模拟；埋片法测定腐蚀速率。本发明通过选取合适的基底土样，在实验室配土控制试验参数及过程，可以模拟多种材料在酸性土壤、滨海盐土、重工业污染区土壤等各类土壤腐蚀环境区域的腐蚀过程。模拟土壤在腐蚀因素范围选择上具有较大自由度，因此可以充分模拟各种极端环境下的腐蚀情况，所得数据快速、真实、有效。

Description

一种研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法

技术领域

本发明涉及土壤腐蚀的研究方法，具体地说是一种在实验室模拟野外实地土壤环境并研究其腐蚀特性的方法。

背景技术

土壤腐蚀的试验方法主要包括室外现场埋片试验和室内模拟试验两类。室外现场埋片试验是最可靠的方法，数据客观、真实，但缺点是周期长，得到数据有限、数据分散；室内模拟试验数据重现性较好，但由于我国土壤种类繁多，不同土壤介质间的条件差异较大，要取到各种理化性质的土样在实验室进行研究有一定的难度。目前也有人采用土壤浸出液或者模拟溶液进行土壤腐蚀特性的研究，其特点是试验周期短，重现性好，但不能完全反应土壤真实情况。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其能够真实地模拟材料在实际土壤环境中遭受腐蚀的情况，用于研究各种土壤环境的腐蚀机理，以及为耐土壤腐蚀材料的评价提供快速、简便的试验手段。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其包括以下步骤：

1)基底土样预处理：将基底土样按水土体积比3~8:1的比例用除盐水浸泡，静置24小时后将上清液倒掉，重复4~6次，以除去基底土样中原有的盐分，然后放在烘箱内在105~110℃的恒温下烘36h~48h直至恒量；

2)模拟土壤理化性质：

a)pH值模拟：首先，进行小试试验，取30~50g经步骤1)预处理后的基底土样，按水土体积比2:1的比例加入除盐水，用移液管吸取1mol/L的NaOH或者H₂SO₄溶液加入基底土样中，用玻棒搅拌均匀后，采用HANNA原位土壤pH计检测pH值，如果数值偏离较大，重新调整酸或碱加入量，继续检测，当pH值在目标土壤pH值附近时，用移液管吸取磷酸盐缓冲溶液KH₂PO₃+K₂HPO₃继续调节；最后，根据小试试验结果，确定将经步骤1)预处理后的基底土样调整至目标土壤pH值所需的缓冲溶液和NaOH或H₂SO₄的量，然后，用移液管量取，溶于该试验所需要的除盐水中，搅拌后加入步骤1)预处理后的基底土样中，并用土铲混合均匀，稳定后测定pH值；

b)总含盐量及各离子含量模拟：根据试验需用基底土样的质量计算相应含水率条件下所需除盐水的质量，考虑到在水土混合过程中有水分散失，同时需额外加入蒸发损失量，配制相应含水率条件下的除盐水，往该除盐水中加入NaCl、Na₂SO₄和NaNO₃，使除盐水中的总含盐量及各离子含量符合目标土壤的相应指标；

土壤中常见的阳离子主要就是K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等离子，阴离子主要是Cl^-、SO₄ ^2-、NO₃ ^-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-等离子。因为阴离子在土壤腐蚀起主要作用，所以离子含量模拟以模拟阴离子为主，考虑到HCO₃ ^-、CO₃ ^2-受空气影响比较大，其本身对pH值有较大影响，所以离子含量模拟以Cl^-、SO₄ ^2-、NO₃ ^-为主；

c)含水率模拟：将加入各种离子的除盐水均匀喷在试验用基底土样上，并混合均匀，得到相应的含水率的模拟土壤；

d)孔隙率模拟：首先，根据目标土壤的孔隙率以及模拟土壤的真密度，计算得出相应孔隙率下模拟土壤的体积；然后，将配制完成的模拟土壤放入带有刻度的试验装置中，采用橡皮锤捶打，压缩至相应刻度； 

e)温度的模拟：将试验装置放入恒温箱中，调节试验温度；

3)埋片法测定腐蚀速率：在配制完成的模拟土壤中埋试片一段时间后取出观察腐蚀形貌，测定平均腐蚀速率。

本发明提出采用实验室配土进行腐蚀的研究，即选取合适的基底土壤，按真实土壤的理化性质进行模拟，用于腐蚀试验。实验室配土在腐蚀因素范围选择上具有较大自由度，可以充分模拟各种极端环境下的腐蚀情况。

作为上述技术方案的进一步补充：

步骤1)所述的基底土样为自然界常见土壤或采用工业深加工土样，如高岭土。

步骤2)所述的总含盐量需要将调节pH值所用的硫酸或氢氧化钠和缓冲溶液相应的贡献量计算在内。

步骤2)所述的含水量需考虑到水分蒸发损失量，计算式为：含水量=基底土样质量×含水率×蒸发系数，蒸发系数为1~1.25。

步骤2)所述埋片法所用的埋片试验装置为烧杯。

步骤3)所述的试片需要预处理，试验前用200#~800#水磨砂纸逐级打磨，然后用丙酮除油，酒精冲洗，干燥备用。

步骤3)所述的埋片法为：首先在烧杯底部填埋2~4cm厚度的模拟土壤，夯实之后，将2~4片碳钢腐蚀试片并行或对称排列，放置在同一高度位置上，并垂直插入模拟土壤之中；试片与试片之间的距离以及试片与坑边的距离范围为1~2cm；然后再添加3~5cm厚度的模拟土壤，再夯实，继续按规定埋下一组试片；待埋片数量达到要求之后，在其上覆土，高度在3~7cm之间；最后用封口膜将烧杯封好，防止水分散失，并留出少量小孔，用于通气。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明原理简单，操作方便，可以在实验室条件下模拟材料在酸性土壤、滨海盐土、重工业污染区土壤等各类土壤腐蚀环境区域的腐蚀过程，所得数据快速、真实、有效。

（2）实验室配土在腐蚀因素范围选择上具有较大自由度，可以充分模拟各种极端环境下的腐蚀情况。

（3）通过试验参数和过程控制，可以在实验室开展各种材料在土壤中腐蚀模拟加速试验，可以在较短的时间取得大量科学合理的试验数据，为研究材料的土壤腐蚀提供了便捷的试验方法。

附图说明

图1为舟山滨海盐土对试片的腐蚀形貌图。

图2为舟山滨海盐土的模拟土壤对试片的腐蚀形貌图。

图3为富阳徐家变红壤对试片的腐蚀形貌图。

图4为富阳徐家变红壤的模拟土壤对试片的腐蚀形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：实验室模拟舟山滨海盐土(即舟山滨海盐土为目标土壤)

1. 配土预处理

将高岭土按水土体积比5:1的比例用除盐水浸泡，静置24小时后将上清液倒掉，重复5次，然后放在烘箱内在温度105~110℃的恒温下烘约40h至恒量。

2. 模拟理化性质

2.1 pH值模拟

根据小试试验，配制pH7.84，需加1mol/L NaOH 112ml+磷酸盐缓冲溶液（KH₂PO₃+K₂HPO₃）（pH7.8）40ml，用移液管量取，溶于该试验需要的相应除盐水中，然后用喷壶均匀喷在高岭土上，并用土铲混合均匀，稳定24h，测得pH值为7.76。

2.2 总含盐量及各离子含量模拟

目标土壤舟山滨海盐土指标见表1，试验需用高岭土的质量6000g，考虑到NaOH与磷酸盐缓冲溶液（KH₂PO₃+K₂HPO₃）含盐量为2.58g，通过计算，需另加NaCl 10.2g。

2.3 含水率模拟

根据试验需用高岭土的质量6000g，含水率20%计算相应水平下所需除盐水的质量为6000×20%×1.1=1320g，减去112mlNaOH与40ml磷酸盐缓冲溶液，实际需加除盐水1168ml。将加入各种离子的除盐水用喷壶均匀喷在高岭土上，并用土铲混合均匀，就可以得到相应的含水率。  

2.4 孔隙率模拟

目标土壤舟山滨海盐土的孔隙率为20.39%，模拟土壤的真密度为1.75×10³kg/m³。计算得出，相应孔隙率下模拟土壤的体积为4.32L。试验装置底面积为：0.0254m²，需要将土样压缩至0.170m的高度，采用橡皮锤捶打，最终压缩至0.180m。 2.5 温度的模拟：将试验装置放入恒温箱中，调节试验温度为18℃。

配土后实际测定理化性质见表1，与目标土壤比较接近。

表1：舟山滨海盐土与高岭土配土(即模拟土壤)理化性质

3. 埋片、腐蚀测定

埋片：首先在烧杯底部填埋约3cm厚度的模拟土壤，夯实之后，将3片腐蚀试片并行排列放置在同一高度位置上，并垂直插入土壤之中，试片与试片之间的距离以及试片与坑边的距离为1.5cm。然后再添加3cm厚度的模拟土壤，再夯实，继续按规定埋第二组试片。埋好之后，在其上覆土，高度为5cm；最后用封口膜将容器封好，防止水分散失，并留出少量小孔，用于通气。

        

取片检测：将腐蚀试片取出后，取出代表性试片进行腐蚀形貌对比，如图1-2所示，试片腐蚀形貌非常接近，表面均被红棕色的腐蚀产物所覆盖，腐蚀区域较大，靠近基体部分呈黑色，处理后的腐蚀试片较轻，腐蚀以全面腐蚀为主。然后进行除锈处理，测定平均腐蚀速率：埋片15天、30天的腐蚀速率分别为14.7 g/dm²a、19.3g/dm²a，与目标土壤埋片15天、30天的腐蚀速率16.1 g/dm²a、19.8 g/dm²a相比，误差为8.7 %、2.5%，所以以高岭土为基底土样的模拟土壤可以较好的模拟舟山滨海盐土进行腐蚀研究。

 

实施例2：实验室模拟富阳徐家变红壤(即富阳徐家变红壤为目标土壤)

1. 配土预处理

    将高岭土按水土体积比5:1的比例用除盐水浸泡，静置24小时后将上清液倒掉，重复5次，然后放在烘箱内在温度105~110℃的恒温下烘约40h至恒量。 

2. 模拟理化性质

2.1 pH值模拟

根据小试试验，配制pH6.02，需加1mol/L NaOH 24ml+磷酸盐缓冲溶液（KH₂PO₃+K₂HPO₃）（pH5.8）200ml，用移液管量取，溶于该试验需要的相应除盐水中，然后用喷壶均匀喷在高岭土上，并用土铲拌均匀，稳定24h，测得pH值为6.24。

2.2 总含盐量及各离子含量模拟

目标土壤富阳徐家变红壤指标见表2，试验需用高岭土的质量6000g，考虑到NaOH与磷酸盐缓冲溶液（KH₂PO₃+K₂HPO₃）含盐量为3.30g，通过计算，需另加NaCl 1.18g。

2.3 含水率模拟

根据试验需用高岭土的质量6000g，含水率21.2%计算相应水平下所需除盐水的质量为6000×21.2%×1.1=1400g，减去24mlNaOH溶液与200ml磷酸盐缓冲溶液（KH₂PO₃+K₂HPO₃），实际需加除盐水1176ml。将加入各种离子的除盐水用喷壶均匀喷在高岭土上，并用土铲混合均匀，就可以得到相应的含水率。

2.4 孔隙率模拟

目标土壤富阳徐家变红壤的孔隙率为26.53%，模拟土壤的真密度为1.75×10³kg/m³。计算得出，相应孔隙率下模拟土壤的体积为4.68L。试验装置底面积为：0.0254m²，需要将土样压缩至0.182m的高度，采用橡皮锤捶打，最终压缩至0.191m。

2.5 温度的模拟：将试验装置放入恒温箱中，调节试验温度为24℃。

配土后实际测定理化性质见表2，与目标土壤比较接近。  

表2：富阳徐家变红壤与高岭土配土(即模拟土壤)理化性质

3. 埋片、腐蚀测定

埋片：首先在烧杯底部填埋约3cm厚度的模拟土壤，夯实之后，将3片腐蚀试片并行排列放置在同一高度位置上，并垂直插入土壤之中，试片与试片之间的距离以及试片与坑边的距离为1.5cm。然后再添加4cm厚度的模拟土壤，再夯实，继续按规定埋第二组试片。埋好之后，在其上覆土，高度为5cm；最后用封口膜将容器封好，防止水分散失，并留出少量小孔，用于通气。

取片检测：将腐蚀试片取出后，取出代表性试片进行腐蚀形貌对比，如图3-4所示，试片表面均粘附少量腐蚀产物，表面为黄褐色，去除表面腐蚀产物，里面为黑色腐蚀坑，试片腐蚀形貌比较相似。然后进行除锈处理，测定平均腐蚀速率：高岭土埋片15天、30天的腐蚀速率分别为6.3g/dm²a、6.2g/dm²a，与目标土壤埋片15天、30天的腐蚀速率5.8g/dm²a、5.7g/dm²a相比，误差为7.9 %、8.1%，所以以高岭土为基底土样的模拟土壤可以较好的模拟富阳徐家变红壤进行腐蚀研究。 

Claims (8)

1.一种研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其包括以下步骤：

1)基底土样预处理：将基底土样按水土体积比3~8:1的比例用除盐水浸泡，静置24小时后将上清液倒掉，重复4~6次，以除去基底土样中原有的盐分，然后放在烘箱内在105~110℃的恒温下烘36~48h直至恒量；

2)模拟土壤理化性质：

a)pH值模拟：首先，进行小试试验，取30~50g经步骤1)预处理后的基底土样，按水土体积比2:1的比例加入除盐水，用移液管吸取1mol/L的NaOH或者H₂SO₄溶液加入基底土样中，用玻棒搅拌均匀后，采用HANNA原位土壤pH计检测pH值，如果数值偏离较大，重新调整酸或碱加入量，继续检测，当pH值在目标土壤pH值附近时，用移液管吸取磷酸盐缓冲溶液KH₂PO₃+K₂HPO₃继续调节；最后，根据小试试验结果进行放大，确定将经步骤1)预处理后的基底土样调整至目标土壤pH值所需的缓冲溶液和NaOH或H₂SO₄的量，然后用移液管量取，溶于该试验所需要的除盐水中，搅拌后加入步骤1)预处理后的基底土样中，并用土铲混合均匀，稳定后测定pH值；

b)总含盐量及各离子含量模拟：根据试验需用基底土样的质量计算相应含水率条件下所需除盐水的质量，考虑到在水土混合过程中有水分散失，同时需额外加入蒸发损失量，配制相应含水率条件下的除盐水，往该除盐水中加入NaCl、Na₂SO₄和NaNO₃，使除盐水中的总含盐量及各离子含量符合目标土壤的相应指标；

c)含水率模拟：将加入各种离子的除盐水均匀喷在试验用基底土样上，并混合均匀，得到相应的含水率的模拟土壤； 

d)孔隙率模拟：首先，根据目标土壤的孔隙率以及模拟土壤的真密度，计算得出相应孔隙率下模拟土壤的体积；然后，将配制完成的模拟土壤放入带有刻度的试验装置中，采用橡皮锤捶打，压缩至相应刻度；

e)温度的模拟：将试验装置放入恒温箱中，调节试验温度；

3)埋片法测定腐蚀速率：在配制完成的模拟土壤中埋试片一段时间后取出观察腐蚀形貌，测定平均腐蚀速率。

2.根据权利要求1所述的研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其特征在于：步骤1)所述的基底土样为自然界常见土壤或采用工业深加工土样。

3.根据权利要求2所述的研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其特征在于：步骤1)所述的基底土样为高岭土。

4.根据权利要求1所述的研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其特征在于：步骤2)所述的总含盐量需要将调节pH值所用的硫酸或氢氧化钠和缓冲溶液相应的贡献量计算在内。

5.根据权利要求1所述的研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其特征在于：步骤2)所述的含水量需考虑到水分蒸发损失量，计算式为：含水量=基底土样质量×含水率×蒸发系数，蒸发系数为1~1.25。

6.根据权利要求1所述的研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其特征在于：步骤2)所述埋片法所用的埋片试验装置为烧杯。

7.根据权利要求6所述的研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其特征在于：步骤3)所述的埋片法为：首先在烧杯底部填埋2~4cm厚度的模拟土壤，夯实之后，将2~4片碳钢腐蚀试片并行或对称排列，放置在同一高度位置上，并垂直插入模拟土壤之中；试片与试片之间的距离以及试片与坑边的距离范围为1~2cm；然后再添加3~5cm厚度的模拟土壤，再夯实，继续按规定埋下一组试片；待埋片数量达到要求之后，在其上覆土，高度在3~7cm之间；最后用封口膜将烧杯封好，防止水分散失，并留出少量小孔，用于通气。

8.根据权利要求1所述的研究土壤腐蚀特性的实验室模拟方法，其特征在于：步骤3)所述的试片需要预处理，试验前用200#~800#水磨砂纸逐级打磨，然后用丙酮除油，酒精冲洗，干燥备用。

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