Nhiệt độ tăng làm thanh ray dài ra. Nếu không chừa khe hở, lực nén sẽ khiến đường ray bị cong vênh, dẫn đến trật bánh. Giải pháp kỹ thuật bao gồm việc tạo khe giãn nở và dùng đá dăm để ổn định nền đường.

Giãn nở vì nhiệt là gì?

Khi nhiệt độ thay đổi, vật thể sẽ biến đổi kích thước, một hiện tượng gọi là giãn nở vì nhiệt. Sự gia tăng nhiệt độ khiến các phân tử trong vật dao động mạnh hơn và đẩy nhau ra xa, làm tăng thể tích hoặc chiều dài. Dù xảy ra ở cả chất rắn, lỏng và khí, hiện tượng này rõ nét nhất ở kim loại.

Trong thực tế kỹ thuật, các thanh ray thép dưới tác động của mặt trời chịu ảnh hưởng trực tiếp; cụ thể, hệ số giãn nở dài của thép cacbon là 10,8 tại 20°C. Độ dài tăng thêm được tính qua công thức Δ L = α × L₀ × Δ T, với L₀ là chiều dài ban đầu và Δ T là độ tăng nhiệt độ.

Dựa vào đây, kỹ sư xác định chính xác khe hở cần thiết cho mùa nắng nóng. Tương tự, nắp nồi hay chai thủy tinh cũng giãn nở theo quy luật này, giúp việc tháo lắp trở nên dễ dàng khi được hơ nóng.

Tại sao thanh ray cần khe hở?

Khoảng trống nhỏ giữa các đầu thanh ray không phải là sơ suất mà là biện pháp kỹ thuật bắt buộc để ứng phó với hiện tượng giãn nở nhiệt. Khi thời tiết nắng nóng, vật liệu kim loại của đường ray sẽ tăng kích thước; nếu không chừa khe hở, các đoạn ray sẽ va chạm và dồn ép lên nhau, tạo ra lực nén cực lớn. Hậu quả trực tiếp là đường ray bị biến dạng, cong vênh hoặc thậm chí bật tung khỏi đế.

Khe hở này hoạt động như một bộ phận an toàn, giúp đường ray co giãn linh hoạt theo sự thay đổi nhiệt độ theo mùa mà không bị gãy vỡ, đảm bảo bề mặt đường luôn phẳng và ổn định khi tàu chạy qua. Nguyên lý vật lý tương tự cũng được áp dụng cho hệ thống dây điện treo: chúng sẽ chùng xuống khi trời nóng và căng thẳng hơn khi trời lạnh.

Tác hại của sự giãn nở nhiệt

Khi nhiệt độ tăng cao, hiện tượng giãn nở nhiệt có thể gây ra những thiệt hại kỹ thuật nghiêm trọng. Ray đường sắt dưới ánh nắng trực tiếp có thể nóng lên nhiều, vượt xa nhiệt độ môi trường xung quanh.

Cơ quan quản lý đường sắt San Francisco (BART) ghi nhận nhiệt độ ray lên tới 60°C, cao hơn mức an toàn gần 14 độ. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ray và không khí nếu vượt quá 11°C sẽ tạo ra lực ép lớn, khiến đường ray bị vênh.

Điều này dẫn đến nguy cơ tàu trật bánh, hỏng hóc hệ thống dẫn điện và làm phồng mặt đường nhựa. Biến đổi khí hậu khiến các đợt nắng nóng kỷ lục xuất hiện thường xuyên hơn, làm tăng rủi ro này.

Một vụ trật bánh gần mức 40°C đã khiến khoảng 50 người phải sơ tán, trong đó một số bị thương nhẹ. Việc sửa chữa yêu cầu ngừng hoạt động tuyến đường, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến lịch trình vận tải.

Vai trò của đá dăm trên đường ray

Lớp đá dăm có chức năng quan trọng trong việc cố định vị trí tà vẹt, hoạt động như tấm chắn nhiệt và hệ thống thoát nước hiệu quả. Nguyên liệu này yêu cầu kích thước dưới 40mm với bề mặt nhiều cạnh sắc nhọn, thay vì hình tròn láng.

Cấu trúc góc cạnh giúp gia tăng lực ma sát nội tại giữa các viên đá, qua đó ổn định nền đường vững chắc hơn. Bên cạnh việc hấp thụ và giảm tải nhiệt cho ray để ngăn chặn hiện tượng cỏ dại mọc từ dưới đất lên, các khe hở tự nhiên giữa chúng còn cho phép nước mưa thấm thoát nhanh chóng, hạn chế tối đa nguy cơ ngập úng làm suy yếu kết cấu.

Mặc dù đường ray không dùng đá dăm (ballastless track) tồn tại nhưng chỉ phù hợp với các tuyến cao tốc do chi phí đầu tư ban đầu lớn, nên lớp đá dăm vẫn là lựa chọn kinh tế nhất cho phần lớn các tuyến đường nhằm đối phó với sự co giãn nhiệt và công tác bảo trì. Để duy trì hiệu quả thoát nước, việc vệ sinh đá dăm định kỳ là yêu cầu bắt buộc.

Hệ số giãn nở của vật liệu

Mức độ giãn nở khác nhau tùy thuộc vào thành phần vật liệu. Bảng tra cứu hệ số giãn nở dài ở 20°C cho thấy thép cacbon có giá trị 10,8, bê tông là 12, còn nhôm lên tới 23,1. Nhôm Nitrit chỉ khoảng 5,3, trong khi xăng đạt 317.

Sự chênh lệch này giải thích tại sao đường ray thường dùng thép thay vì nhôm. Vật liệu có hệ số cao sẽ thay đổi kích thước nhanh hơn khi nhiệt độ tăng, đòi hỏi khe hở rộng hơn hoặc cơ chế bù trừ phức tạp.

Trong thiết kế cầu cống và đường sắt, việc chọn vật liệu có hệ số giãn nở phù hợp giúp giảm thiểu biến dạng không mong muốn. Nắp chai kim loại khó mở cũng là minh chứng thực tế: nhúng vào nước nóng, nắp giãn nở nhanh hơn cổ chai, giúp tháo rời dễ dàng.