Dlaczego podczas upału asfalt mięknie, a tory kolejowe się wyginają? Rozszerzalność cieplna w praktyce

Dlaczego podczas upału asfalt mięknie, a tory kolejowe się wyginają? Przyczyną nie jest jedno zjawisko, lecz dwa odmienne mechanizmy uruchamiane przez wysoką temperaturę. Nawierzchnia asfaltowa traci sztywność, ponieważ lepiszcze bitumiczne staje się bardziej podatne na odkształcenia, natomiast stalowe szyny wydłużają się wskutek rozszerzalności cieplnej, informuje TopFlop. Gdy ich ruch zostaje ograniczony przez mocowania, podkłady i podsypkę, w torze rosną naprężenia ściskające.

Temperatura asfaltu i szyn może być znacznie wyższa niż wskazanie termometru ustawionego w cieniu. W pełnym słońcu powierzchnia ciemnej drogi może osiągać około 60–65°C, a temperatura szyny może przewyższać temperaturę powietrza nawet o 20°C. Oznacza to, że podczas upału wynoszącego 32°C infrastruktura pracuje już w warunkach odpowiadających temperaturze materiału przekraczającej 50°C.

Dlaczego asfalt mięknie podczas upału, choć droga się nie topi

Asfalt na drodze nie jest jednolitą warstwą smoły, lecz mieszanką kruszywa, piasku, wypełniacza mineralnego i lepiszcza bitumicznego. Kruszywo tworzy szkielet przenoszący obciążenia, natomiast bitum łączy poszczególne ziarna i nadaje nawierzchni elastyczność. Pod wpływem wzrostu temperatury lepiszcze staje się mniej sztywne i bardziej lepkie, dlatego cała mieszanka łatwiej poddaje się naciskowi kół. Nie dochodzi przy tym do gwałtownego przejścia ze stanu stałego w ciekły, jak podczas topnienia lodu. Bitum jest materiałem lepkosprężystym, którego właściwości zmieniają się stopniowo wraz z temperaturą i czasem działania obciążenia.

Precyzyjniej należy więc mówić o utracie sztywności, pełzaniu i deformacji nawierzchni, a nie o dosłownym roztapianiu się asfaltu.

Czarna powierzchnia pochłania znaczną część promieniowania słonecznego. Ciepło gromadzi się przede wszystkim w górnych centymetrach warstwy ścieralnej, a słaby wiatr i brak zacienienia ograniczają jego odprowadzanie. Badania nawierzchni wskazują, że temperatura powierzchni może być o 15–25°C wyższa od temperatury otaczającego powietrza. Przy 35°C w cieniu asfalt wystawiony na bezpośrednie działanie słońca może więc rozgrzać się do około 50–60°C, lokalnie jeszcze bardziej.

Osoby porównujące warunki termiczne w różnych regionach mogą sprawdzić, w których miastach Polski latem najczęściej pojawiają się temperatury przekraczające 30°C. Liczy się jednak nie tylko temperatura powietrza. Na nagrzanie drogi wpływają również zachmurzenie, długość nasłonecznienia, kolor nawierzchni, wilgotność, prędkość wiatru i obecność zabudowy odbijającej promieniowanie.

Co dzieje się wewnątrz rozgrzanej nawierzchni

W chłodniejszym dniu lepiszcze bitumiczne jest dostatecznie sztywne, aby utrzymywać ziarna kruszywa w stabilnym układzie. Gdy temperatura rośnie, spada lepkość bitumu, a materiał szybciej reaguje na długotrwały nacisk. Ciężarówka stojąca w korku albo wielokrotnie przejeżdżająca tym samym pasem może wtedy wywołać większe odkształcenie niż przy temperaturze kilkunastu stopni.

Najczęstsze skutki wysokiej temperatury to:

• koleiny powstające w śladach kół;
• wypychanie mieszanki asfaltowej na boki;
• odciski podpór motocykli, przyczep i ciężkich maszyn;
• falowanie nawierzchni w miejscach hamowania autobusów;
• wybrzuszenia przed skrzyżowaniami i przejściami dla pieszych;
• wypływanie nadmiaru lepiszcza na powierzchnię;
• pogorszenie przyczepności na bardzo gładkich, „spoconych” fragmentach drogi.

Na powstawanie kolein szczególnie narażone są skrzyżowania, zatoki autobusowe, podjazdy, pasy dla ciężarówek i miejsca, w których pojazdy często hamują lub ruszają. Siły poziome działające podczas hamowania przesuwają rozgrzaną mieszankę, a długie obciążenie osi sprzyja jej pełzaniu.

Jednorazowy przejazd samochodu osobowego zwykle nie pozostawia widocznego śladu. Problem narasta przy tysiącach powtarzających się obciążeń.

Czynnik	Wpływ na asfalt podczas upału	Możliwy skutek
Wysoka temperatura powierzchni	Zmniejsza sztywność lepiszcza	Większa podatność na koleinowanie
Ciężki ruch	Zwiększa nacisk na rozgrzaną mieszankę	Trwałe zagłębienia w śladach kół
Hamowanie i ruszanie	Wywołuje siły ścinające	Fale i wypchnięcia nawierzchni
Nadmiar lepiszcza	Tworzy gładką warstwę na powierzchni	Spadek przyczepności
Słabe zagęszczenie	Ułatwia przemieszczanie ziaren	Szybsza deformacja
Długotrwały upał	Nagrzewa również głębsze warstwy	Utrwalenie kolein i nierówności

Nie każda nawierzchnia reaguje tak samo. Mieszanki projektuje się dla określonego klimatu, obciążenia ruchem i funkcji drogi. Inny skład stosuje się na lokalnej ulicy osiedlowej, inny na autostradzie, a jeszcze inny na zatoce autobusowej. Polimery dodawane do lepiszcza mogą poprawić odporność na deformacje w wysokiej temperaturze; w wybranych rozwiązaniach podnoszą temperaturę mięknienia materiału do około 70–80°C.

Dlaczego tory kolejowe wyginają się w upale

Tory kolejowe wyginają się podczas upału, ponieważ stal zwiększa długość wraz ze wzrostem temperatury. Dla stali szynowej przyjmuje się współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej wynoszący około 11,5 × 10⁻⁶ na każdy stopień Celsjusza. Wartość wydaje się niewielka, lecz zaczyna mieć znaczenie przy szynach ciągnących się przez setki metrów lub kilka kilometrów. Im dłuższy odcinek i większa różnica temperatur, tym większa byłaby jego swobodna zmiana długości.

Zmianę długości można obliczyć za pomocą wzoru:

ΔL = α × L × ΔT

gdzie:

• ΔL oznacza zmianę długości;
• α jest współczynnikiem rozszerzalności materiału;
• L oznacza początkową długość elementu;
• ΔT jest zmianą temperatury.

Dla kilometra swobodnie ułożonej stalowej szyny i wzrostu temperatury o 40°C obliczenie wygląda następująco:

ΔL = 0,0000115 × 1000 m × 40°C = 0,46 m

Odcinek o długości jednego kilometra chciałby więc wydłużyć się o około 46 centymetrów. W rzeczywistym torze bezstykowym szyna nie może jednak przesunąć się swobodnie. Jest przytwierdzona do podkładów, utrzymywana przez system mocowań oraz otoczona podsypką tłuczniową, która przeciwstawia się ruchowi poprzecznemu i podłużnemu.

Brytyjski Permanent Way Institution podaje ten sam współczynnik 0,0000115 na stopień Celsjusza i wskazuje, że szyna długości 18,3 metra ogrzana od 0 do 30°C wydłużyłaby się swobodnie o około 6,3 milimetra. Przy temperaturze 45°C zmiana wyniosłaby około 9 milimetrów.

„Szyny wystawione na bezpośrednie słońce mogą być nawet o 20°C cieplejsze od powietrza” — informuje Network Rail w wyjaśnieniu dotyczącym wyboczeń toru podczas letnich upałów.

Tor bezstykowy nie ma miejsca na swobodne wydłużenie

Starszy tor klasyczny składał się z krótszych odcinków szyn połączonych z zachowaniem szczelin. Luzy między elementami umożliwiały częściowe kompensowanie zmian długości. Ich wielkość zależała od długości szyny oraz temperatury panującej podczas montażu. Polski Urząd Transportu Kolejowego publikuje w materiałach technicznych tabele wymaganych luzów dla szyn o różnych długościach i zakresach temperatur.

Współczesna kolej wykorzystuje głównie tor bezstykowy, w którym długie odcinki szyn są spawane lub zgrzewane. Rozwiązanie zapewnia spokojniejszą jazdę, ogranicza uderzenia kół na stykach i zmniejsza zużycie elementów. Brak szczelin oznacza jednak, że wzrost temperatury nie może zostać skompensowany zwykłym przesunięciem końców szyny.

W nagrzanym torze powstają naprężenia ściskające. Dopóki mocowania, podkłady i podsypka zapewniają wystarczający opór, tor zachowuje prawidłową geometrię. Jeżeli naprężenia przekroczą odporność całego układu, może dojść do gwałtownego przesunięcia toru na bok. Powstaje wtedy charakterystyczne wyboczenie przypominające literę S lub C.

Ryzyko zwiększają:

1. bardzo wysoka temperatura szyn;
2. niewłaściwa temperatura neutralna toru;
3. osłabione albo brakujące mocowania;
4. niedostateczna ilość tłucznia przy podkładach;
5. świeżo wykonane prace torowe;
6. niestabilne podtorze;
7. ostre łuki;
8. wcześniejsze przemieszczenie szyny;
9. intensywne hamowanie i przyspieszanie pociągów;
10. drgania wywoływane przejazdem ciężkiego składu.

Sam wzrost temperatury nie musi spowodować wyboczenia. Do niebezpiecznej deformacji dochodzi zwykle wtedy, gdy duże naprężenie cieplne łączy się z osłabieniem stabilności toru.

Element infrastruktury	Reakcja na wysoką temperaturę	Zagrożenie
Szyny	Rozszerzają się i generują naprężenia	Wyboczenie toru
Podkłady	Przenoszą siły z szyn na podsypkę	Przemieszczenie przy słabym podparciu
Podsypka	Stabilizuje tor poprzecznie i podłużnie	Utrata oporu po pracach lub wypłukaniu
Rozjazdy	Mają skomplikowaną geometrię i ruchome części	Zaburzenie ustawienia elementów
Sieć trakcyjna	Przewody wydłużają się i mogą obniżać	Problemy ze współpracą z pantografem
Podtorze	Wysycha i miejscowo osiada	Pogorszenie geometrii toru

Jak zarządcy dróg i kolei chronią infrastrukturę przed upałem

Zabezpieczenie drogi rozpoczyna się na etapie projektowania mieszanki mineralno-asfaltowej. Inżynierowie dobierają rodzaj lepiszcza, uziarnienie kruszywa, grubość warstw i poziom zagęszczenia do przewidywanych temperatur oraz natężenia ruchu. Na odcinkach silnie obciążonych wykorzystuje się lepiszcza o większej odporności na wysoką temperaturę, w tym asfalty modyfikowane polimerami. Kontroluje się także odporność mieszanki na koleinowanie w badaniach laboratoryjnych prowadzonych w podwyższonej temperaturze.

Gotowej warstwy nie należy udostępniać kierowcom, dopóki nie schłodzi się do temperatury zapewniającej odporność na trwałe deformacje. Takie wymaganie znajduje się w polskich wytycznych dotyczących nawierzchni asfaltowych na drogach krajowych.

Podczas ekstremalnego upału zarządca drogi może:

• kontrolować miejsca wcześniej naprawiane;
• obserwować koleiny na pasach ciężkiego ruchu;
• ograniczać wjazd pojazdów o dużym nacisku osi;
• wykonywać doraźne zabezpieczenie „pocącej się” nawierzchni;
• frezować zdeformowane fragmenty;
• wymieniać warstwę ścieralną;
• wzmacniać zatoki autobusowe materiałem odporniejszym na pełzanie;
• stosować jaśniejsze lub bardziej refleksyjne nawierzchnie w przestrzeni miejskiej.

Woda może czasowo obniżyć temperaturę powierzchni, lecz nie stanowi uniwersalnego sposobu naprawy asfaltu. Badania nad chłodzeniem nawierzchni wykazały spadek temperatury nasłonecznionej powierzchni nawet o kilkanaście stopni, ale efekt zależy od częstotliwości polewania, parowania, wilgotności i dostępności wody. Rozwiązanie analizuje się przede wszystkim jako metodę ograniczania miejskiej wyspy ciepła, a nie standardową ochronę wszystkich dróg.

Mechanizm nagrzewania przestrzeni publicznej szerzej pokazuje także materiał opisujący falę upałów i utrzymywanie się gorącego powietrza nad Europą. Kilka kolejnych gorących dni jest groźniejszych dla infrastruktury niż pojedynczy wysoki odczyt, ponieważ nocne ochłodzenie nie zawsze wystarcza do odprowadzenia ciepła zgromadzonego w drogach, budynkach i podłożu.

Naprężanie szyn, pomiary i ograniczenia prędkości

W torze bezstykowym kluczowa jest temperatura neutralna, nazywana też temperaturą beznaprężeniową. Jest to temperatura szyny, przy której nie występują w niej podłużne naprężenia cieplne. Podczas budowy lub naprawy szyny odpowiednio się wydłuża, napręża i mocuje, aby bezpieczny zakres pracy odpowiadał miejscowemu klimatowi.

Nie można ustawić bardzo wysokiej temperatury neutralnej wyłącznie z myślą o lecie. Zimą szyny kurczą się, co powoduje naprężenia rozciągające i zwiększa ryzyko pęknięcia. Projektant musi więc znaleźć równowagę między odpornością na letnie wyboczenie a odpornością na zimowe rozerwanie toru.

W czasie upału służby kolejowe wykorzystują między innymi:

• czujniki temperatury szyn;
• piesze i mobilne patrole torowe;
• pomiary geometrii toru;
• kontrolę mocowań i podkładów;
• sprawdzanie profilu oraz zagęszczenia podsypki;
• obserwację odcinków po niedawnych pracach;
• ograniczenia prędkości;
• czasowe zamknięcie toru;
• naprawę lokalnych deformacji;
• ponowne naprężenie szyn.

Network Rail wskazuje, że większość zarządzanej przez tę instytucję sieci może pracować przy temperaturze toru do około 46°C, odpowiadającej w przybliżeniu temperaturze powietrza rzędu 30°C. Odnotowywano jednak temperatury szyn sięgające 51°C.

Nie jest to uniwersalny limit dla wszystkich kolei, lecz przykład pokazujący skalę różnicy między temperaturą powietrza a temperaturą stalowego elementu nagrzanego słońcem.

Ograniczenie prędkości nie chłodzi szyn i nie usuwa naprężeń. Zmniejsza jednak siły dynamiczne działające na tor podczas przejazdu pociągu. Skład jadący wolniej wywołuje mniejsze drgania i łagodniej oddziałuje na miejsce, w którym stabilność toru została osłabiona. W skrajnych warunkach ruch może zostać wstrzymany do czasu kontroli lub obniżenia temperatury.

Asfalt i szyna reagują na upał inaczej

Porównywanie rozgrzanej drogi z wygiętym torem bywa mylące, ponieważ w obu przypadkach widoczna deformacja ma inne źródło. W asfalcie dominuje zmiana właściwości lepiszcza i trwałe odkształcenie pod obciążeniem. W szynie podstawowym problemem jest rozszerzalność cieplna stali oraz wzrost naprężeń w elemencie, którego swobodny ruch został zablokowany.

Cecha	Nawierzchnia asfaltowa	Szyna kolejowa
Główny materiał	Kruszywo i lepiszcze bitumiczne	Stal
Reakcja na ogrzanie	Spadek sztywności i lepkości	Zwiększenie długości
Główna siła wywołująca deformację	Nacisk i ścinanie od pojazdów	Naprężenie ściskające
Typowa deformacja	Koleina, fala, wypchnięcie	Boczne wyboczenie
Czy materiał się topi	Nie w potocznym znaczeniu	Nie
Główna metoda ochrony	Odpowiednia mieszanka i konstrukcja	Naprężanie, mocowania, podsypka
Działanie doraźne	Naprawa lub ograniczenie ciężkiego ruchu	Kontrola i ograniczenie prędkości

W obu przypadkach znaczenie ma akumulacja ciepła. Jeżeli po gorącym dniu następuje ciepła noc, infrastruktura rozpoczyna kolejny dzień z wyższą temperaturą początkową. Kilkudniowa fala upałów może zatem zwiększać ryzyko uszkodzeń nawet wtedy, gdy kolejne dzienne maksima nie biją rekordów.

Szerszy kontekst wpływu wysokich temperatur, suszy i innych ekstremalnych zjawisk przedstawia analiza dotycząca jednoczesnego występowania kilku zagrożeń klimatycznych. Dla infrastruktury oznacza to konieczność projektowania nie tylko pod historyczne średnie, ale również pod częstsze i dłuższe okresy temperatur skrajnych.

Co powinien zrobić kierowca lub pasażer podczas upału

Kierowca nie ma wpływu na skład mieszanki asfaltowej, ale może ograniczyć ryzyko w miejscach, gdzie nawierzchnia wyraźnie się odkształca. Należy zmniejszyć prędkość przed głębokimi koleinami, zachować większy odstęp i unikać gwałtownego hamowania. Motocykliści powinni uważać na miękkie pobocza oraz miejsca pokryte wypływającym lepiszczem, ponieważ mogą być śliskie.

Nie należy wjeżdżać na świeżo ułożoną nawierzchnię, jeżeli droga pozostaje zamknięta. Nawet gdy asfalt wygląda na suchy, głębsze warstwy mogą nadal być gorące i podatne na trwałe odkształcenie. Szczególnie duże ślady pozostawiają podpory ciężkich pojazdów, przyczep i maszyn budowlanych skupiające obciążenie na niewielkiej powierzchni.

Pasażerowie kolei powinni liczyć się z tym, że ograniczenia prędkości w czasie upału są działaniem prewencyjnym. Opóźnienie nie musi oznaczać, że tor już się wygiął. Może wynikać z podwyższonej temperatury szyn, kontroli szczególnie narażonego odcinka albo konieczności ograniczenia sił działających na tor.

Sygnały wymagające zgłoszenia zarządcy drogi lub służbom to:

• gwałtownie powiększająca się koleina;
• duże wybrzuszenie na jezdni;
• wypływ lepiszcza na znacznej powierzchni;
• przesunięta lub pofałdowana warstwa asfaltu;
• widoczna boczna deformacja toru;
• nietypowe położenie szyny względem podkładów;
• uszkodzone mocowania albo rozsypana podsypka.

Na tory nie wolno wchodzić w celu samodzielnego sprawdzania deformacji. Zauważoną nieprawidłowość należy zgłosić zarządcy infrastruktury, operatorowi numeru alarmowego lub pracownikom kolei, podając możliwie dokładną lokalizację.

Pytania i odpowiedzi

Czy asfalt naprawdę topi się podczas upału?

Nie w takim znaczeniu jak lód lub metal w piecu. Lepiszcze bitumiczne stopniowo traci sztywność i staje się bardziej podatne na pełzanie. Pod naciskiem pojazdów rozgrzana mieszanka może się przemieszczać, tworząc koleiny i wybrzuszenia.

Jak gorący może być asfalt przy temperaturze 30°C?

Powierzchnia asfaltowa może być o 15–25°C cieplejsza od powietrza. Przy temperaturze 30°C w cieniu droga wystawiona na pełne słońce może osiągnąć około 45–55°C, a w sprzyjających nagrzewaniu warunkach nawet około 60°C.

O ile wydłuża się kilometr stalowej szyny?

Przy współczynniku 11,5 × 10⁻⁶/°C i wzroście temperatury o 40°C swobodna zmiana długości kilometrowej szyny wyniosłaby około 46 centymetrów. W torze bezstykowym wydłużenie jest ograniczone, dlatego zamiast swobodnego przesunięcia powstają naprężenia.

Dlaczego między współczesnymi szynami nie ma dużych szczelin?

Większość głównych linii wykorzystuje tor bezstykowy ze spawanymi lub zgrzewanymi szynami. Zapewnia to płynniejszą jazdę i ogranicza zużycie na połączeniach. Zmiany temperatury kompensuje się przez odpowiednie naprężenie szyn oraz stabilne mocowanie toru.

Dlaczego pociągi zwalniają w czasie upału?

Niższa prędkość zmniejsza siły dynamiczne i drgania działające na rozgrzany tor. Ograniczenie może zostać wprowadzone prewencyjnie, zanim pojawi się deformacja, szczególnie na odcinkach wymagających obserwacji lub po niedawnych pracach.

Czy polewanie asfaltu wodą zapobiega koleinom?

Woda może czasowo obniżyć temperaturę powierzchni dzięki parowaniu, lecz nie naprawia źle zaprojektowanej lub już zdeformowanej nawierzchni. Metoda wymaga dużej ilości wody i działa krótko, dlatego nie jest standardowym zabezpieczeniem wszystkich dróg.

Warto przeczytać także nasz kolejny materiał, w którym szerzej wyjaśniamy podobny temat: Jak działa klimatyzacja? Obieg czynnika chłodniczego i fizyka odbierania ciepła