Hull i veien oppstår ikke på den måten mange tror

Alle vet at vann utvider seg når det fryser til is – en full vannflaske i fryseren vil gå i stykker av trykket. Det er nærliggende å tro at den samme effekten forklarer de mange skadene som oppstår på veiene om vinteren, men det er en avgjørende forskjell på de to situasjonene. Vannet i flasken er et lukket system, mens vann som siver gjennom jord eller asfalt, befinner seg i et åpent system.

Frostskader på veiene skyldes i stedet først og fremst en effekt som kalles cryosuction – som kan oversettes med «frysesug». Cryosuction er fenomenet der væsker som fryser, samtidig suger til seg væske og dermed gradvis skaper et trykk på det omkringliggende materialet. Når det gjelder vann, er kraften mindre enn den som oppstår ved ekspansjon i et lukket system, men den er nok til å forårsake sprekker i materialet rundt.

Gransket mellomrommet

Effekten har vært kjent i mange år, men den har aldri blitt studert i detalj, siden asfalt og løsmasser ikke er gjennomsiktige og gjør undersøkelsene vanskelige. Nå har forskere fra ETH, det tekniske universitetet i Zürich, analysert fenomenet nærmere og gitt ny innsikt i hvordan det kan forårsake frostskader. Studien er beskrevet i en vitenskapelig artikkel i Physical Review Letters med tittelen «Polycrystallinity enhances stress buildup around ice».

Forskerteamet har studert hvordan is dannes i et mellomrom på omtrent en halv millimeter mellom to glassplater, der den nedre er belagt med et 0,1 mm mykt silikonlag. Den ene enden av cellen holdes kald, slik at vannet fryser, mens den andre enden holdes varm. Når vannet fryser, synker trykket rundt det nydannede krystallinske materialet. Det suger inn mer vann, på samme måte som når man suger opp væske gjennom et sugerør. Det nye vannet fryser til is, som igjen suger til seg mer vann, og så videre. I begynnelsen av denne prosessen kan man se at silikonlaget er uforandret, men når den ene enden av cellen er helt frosset, begynner silikonlaget å bli deformert. Ved å observere strukturen med et avansert mikroskop kunne forskerne se at det mellom den harde isen og det myke silikonlaget var et noen nanometer tykt lag med flytende vann. Gjennom denne kanalen ble det hele tiden tilført mer vann som frøs til is.

Saktegående endring

Men selv om man skapte en perfekt enkeltkrystallinsk is, gikk prosessen ganske langsomt. Det tok flere timer før isen ble bare én mikrometer tykkere. Hvis isen var polykrystallinsk, det vil si at den besto av mange mindre områder med iskrystaller som var tilfeldig orientert i forhold til hverandre, gikk prosessen mye raskere.

Mellom disse enkeltkrystallene er det flere årer der vann også kan strømme inn i de isfylte områdene. På denne måten skjedde utvidelsen og de påfølgende frostskadene på silikonlaget mye raskere. Som tittelen på den vitenskapelige artikkelen indikerer, er det isens polykrystallinske natur som avgjør hvor raskt frostskader kan oppstå.

Basert på erfaring

Det aller meste av dagens kunnskap om frysing er empirisk – både når det gjelder skader på veier og andre konstruksjoner, frysing av mat og medisiner og generell lavtemperaturbiologi. Av samme grunn er mange aspekter ved frysing dårlig forstått.

Med den nye studien har man kommet et stykke på vei, men det er fortsatt ting som må studeres nærmere, for eksempel hvordan frostvæskekjemikalier som binder seg til isen, påvirker krystalliseringen.

Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.