Vì sao trên đường ray tàu hỏa luôn rải đá dăm?

Nếu từng có dịp đi qua hoặc quan sát những con đường ray tàu hỏa, chắc hẳn nhiều người sẽ nhận ra một đặc điểm đặc biệt là toàn bộ tuyến đường đều được phủ một lớp đá dăm gồ ghề. Nhìn qua, nhiều người có thể lầm tưởng rằng lớp đá này chỉ đơn thuần được rải xuống nhằm tiết kiệm chi phí xây dựng hoặc tạo cảnh quan.

Tuy nhiên, trong ngành đường sắt , những viên đá này có tên gọi chuyên môn là “đá ba-lát” (railway ballast) và đóng vai trò sinh tử để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho mỗi chuyến tàu đi qua.

Một đoàn tàu hỏa khi chở đầy hàng hóa hoặc hành khách có trọng lượng lên tới hàng nghìn tấn. Khi vận tốc di chuyển đạt mức cao, lực ép tác động xuống mặt đất tại các điểm tiếp xúc giữa bánh xe và đường ray là rất lớn. Tà vẹt (các thanh ngang bằng bê tông hoặc gỗ) chịu lực nén khổng lồ sẽ nhanh chóng làm sụt lún, lún lệch hoặc biến dạng toàn bộ hệ thống ray.

Lớp đá ba-lát gồ ghề được trải xung quanh và phía dưới tà vẹt đóng vai trò như một bộ đệm phân tán lực. Nhờ có hàng triệu viên đá tải trọng tập trung từ bánh xe tàu hỏa sẽ được chia nhỏ và lan tỏa đều ra trên diện tích bề mặt lớn hơn nhiều trước khi truyền xuống nền đất phía dưới. Đồng thời, đá dăm ngăn chặn hiện tượng đường ray bị xê dịch ngang hoặc dọc do lực quán tính khi tàu phanh gấp hoặc tăng tốc.

Triệt tiêu độ rung lắc

Khi đoàn tàu di chuyển với vận tốc lớn, sự ma sát và va chạm cơ học giữa bánh thép và đường ray thép tạo ra những làn sóng rung động cực mạnh cùng tiếng ồn đinh tai. Nếu không có cơ chế hấp thụ, các rung chấn liên tục này sẽ làm gãy nứt tà vẹt bê tông, phá hủy liên kết bu-lông và làm hư hỏng nhanh chóng công trình hạ tầng xung quanh.

Các viên đá ba-lát có khả năng chuyển động linh hoạt. Khi rung động từ đường ray truyền xuống, các viên đá va chạm nhẹ vào nhau và triệt tiêu một lượng lớn động năng thông qua ma sát nội tại. Lớp đá này hoạt động tương tự như hệ thống giảm xóc khổng lồ cho toàn bộ tuyến đường, giúp giảm thiểu tối đa tình trạng rung lắc dữ dội cho tàu và giảm bớt tiếng ồn dội ra môi trường xung quanh.

Nước mưa là “kẻ thù” nguy hiểm hàng đầu của nền đường giao thông, đặc biệt là đường sắt. Nếu nước tích tụ lại trên tuyến đường, đất nền bên dưới sẽ nhanh chóng biến thành bùn nhão, gây ra hiện tượng sụt lún nghiêm trọng hoặc sạt lở.

Khác với bê tông hay nhựa đường tạo thành bề mặt kín, các viên đá ba-lát có hình dạng góc cạnh không đồng đều, tạo ra vô số các khe hở giữa chúng. Khi trời mưa lớn, nước mưa sẽ nhanh chóng chảy qua các kẽ đá này và thoát ra hai bên mương dẫn mà không hề bị ứ đọng lại xung quanh tà vẹt hay đường ray. Điều này giúp nền đường sắt luôn trong trạng thái khô ráo, vững chắc và không bị tàn phá bởi thời tiết mưa bão.

Ngăn cỏ dại

Một tuyến đường sắt nếu bị cỏ dại, cây cối hay rêu phong xâm lấn sẽ đối mặt với nhiều nguy cơ mất an toàn. Cỏ dại mọc trùm lên thanh ray sẽ làm giảm đáng kể lực ma sát giữa bánh xe tàu và đường sắt, gây ra hiện tượng trượt bánh nguy hiểm khi phanh.

Ngoài ra, bộ rễ của cây cối phát triển mạnh có thể làm nứt gãy tà vẹt và làm biến dạng kết cấu nền đường. Lớp đá ba-lát dày từ 30 - 50 cm tạo ra bề mặt ít đọng nước và cản trở ánh sáng. Thêm vào đó, sự dịch chuyển nhẹ của các viên đá mỗi khi có tàu qua lại sẽ đè bẹp và ngắt đứt các mầm cây mới nhú. Nhờ đó, đường sắt giữ được độ quang đãng, sạch sẽ mà không tốn quá nhiều công sức cũng như chi phí phát quang cỏ dại thường xuyên.

Thanh đường ray được làm hoàn toàn bằng kim loại, do đó chúng rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ. Vào những ngày hè nắng nóng, nhiệt độ thanh ray có thể tăng lên rất cao, dẫn đến hiện tượng giãn nở nhiệt mạnh mẽ.

Nếu đường ray bị cố định quá cứng ngắc bởi bê tông đúc liền, lực giãn nở không có chỗ thoát sẽ làm đường ray bị cong vênh, rạn nứt hoặc chập ray. Lớp đá ba-lát mang lại độ linh hoạt. Chúng giữ đường ray đủ chặt để đảm bảo hình học tuyến đường, nhưng đồng thời vẫn cho phép các thanh sắt và tà vẹt có một khoảng không gian co giãn để giải phóng nhiệt.

Bên cạnh đó, việc dễ dàng dỡ bỏ, bổ sung hoặc đầm nén lại đá ba-lát giúp công tác bảo trì, sửa chữa và thay thế tà vẹt định kỳ diễn ra nhanh chóng, tiết kiệm chi phí hơn rất nhiều so với các công nghệ đường ray cố định cứng.