本文最初发表于The Conversation。
2024 年夏天的创纪录高温正给从公路到铁路的交通基础设施带来问题。
纽约第三大道大桥，一座用于哈莱姆河船舶通行的旋转桥，由于金属在高温下膨胀导致无法关闭，卡顿数小时。在包括华盛顿州和威斯康星州在内的多个州，高温天气导致道路出现变形。Amtrak 警告乘客，在纽约和新泽西之间发生长达一天的停运前，要为高温相关问题做好准备；在高气温下，输电线路和铁轨面临的风险是火车系统延误的日益严重的原因。
而日益恶劣的高温又恰逢已经陷入困境的美国基础设施系统，这使得问题雪上加霜。
美国土木工程师协会在其 2021 年发布的最新国家基础设施报告卡中，将美国基础设施的总体评级为 C-。虽然有所改善——美国约有7.5% 的桥梁处于不良状况，相比十年前的 12% 以上——但许多桥梁已经老化，难以维护。道路系统的百分之四十被认为处于不良或一般状况，而维护成本已大幅增加。
桥梁或道路的劣化速度不仅取决于所使用的材料和施工方法，还取决于结构在其使用寿命期间所经历的气候。特别是极端高温，会严重影响交通基础设施。随着气候变化的发展，热浪的频率和强度预计将增加，从而加剧这些问题。
我领导德克萨斯大学阿灵顿分校的智能基础设施与测试实验室，在那里我的团队致力于研究如何更好地监测基础设施的结构健康。以下是基础设施在高温下遇到的困难——以及工程师们如何创新以帮助延长其寿命。
变形的高速公路对驾驶员构成危险
道路建造时，会将其分割成若干段，以便在高温时为路面膨胀或在寒冷时收缩留出空间。如果没有这些空间，当路面材料受热时，路面可能会变形。混凝土路面的变形已成为多个州的一个严重问题。
路面变形是由于多种原因造成的。道路的设计、其制造材料、建造时的气候以及在其使用寿命期间的天气，都会影响其寿命，道路损坏和不当维修也会如此。
极端温度和强降雨会对道路造成严重损坏，并危及铁路系统的结构完整性。此外，海平面上升正在加速沿海侵蚀，这可能侵蚀道路和铁路线。路面劣化会导致交通延误和车辆损坏。最重要的是，它可能导致交通事故。
高温铁轨会膨胀并可能变形
铁轨膨胀是另一个重大问题，特别是对于火车使用的主线上的连续焊接钢轨。
气温升高时，铁轨会因受热而膨胀。这种膨胀会在钢轨材料中产生高压和张力。结合火车运行产生的力，这种压力会导致铁轨向侧面弯曲并错位。有时被称为“太阳扭结”。
铁轨变形是可能导致脱轨的严重安全隐患。这也是 Amtrak 在极端高温下减速的原因之一，这通常会导致列车延误。华盛顿特区地铁公司在铁轨温度达到 135 华氏度（57 摄氏度）时，会将列车速度降至最高每小时 35 英里。
预测这些热应力可能具有挑战性。仅凭铁轨温度测量是不够的，因为轨道结构及其运动方式存在许多未知因素。这使得准确预测铁轨膨胀或收缩的程度变得困难。
工程师可以通过使用耐热材料（如高碳钢轨钢和马氏体钢轨钢），调整轨道设计以及确保及时维修来降低铁轨膨胀的风险。
为了防止道路变形，工程师还采取了保护措施，例如使用单切锯缝填充密封剂，以提供柔韧性同时防止水分进入。他们还可以实施冷天气混凝土施工方法，避免在低温或冷基层上浇筑混凝土，并可以使用更坚固、更耐用的混凝土。在路面出现裂缝和损坏时及时进行维修也有助于避免变形。
保持基础设施健康
基础设施的健康与人类健康类似：如果医生在晚期才发现肿瘤或癌症等问题，通常为时已晚。像人体一样，基础设施需要从一开始就进行维护，以降低成本并提高有效修复的可能性。
我系工作的领域之一是无损检测方法，用于在不造成损坏或需要长时间道路封闭的情况下监测基础设施。
我们使用移动扫描系统，其作用几乎就像便携式 MRI 机，用于查找桥梁、道路和跑道中的薄弱点或缺陷。我们还在开发使用机械和磁场现象评估基础设施状况的先进传感器，并利用人工智能来发现材料中的问题。
随着气候变化和道路、桥梁及其他基础设施的老化，基础设施将面临日益严峻的挑战。今年夏天大量道路变形和其他问题的出现，凸显了对具有韧性的基础设施以应对未来挑战的迫切需求。
