Díry na silnicích se nejvíc objevují na přelomu zimy a jara. Podle nových vědeckých poznatků mají ale jinou příčinu, než se běžně předpokládá. Podle expertů totiž není viníkem rozpínání objemu vody při jejím zamrzání, ale jev zvaný kryosukce.
Zimní období s mrazy se zpravidla podepisuje na stavu asfaltových, ale i betonových chodníků a silnic. Pozná se to snadno – na konci zimy je jejich povrch často poškozený a někdy se vytvoří i díry různých velikostí.
Tyto škody se běžně dávají do souvislosti se zvětšením objemu vody při jejím zmrznutí. Přechodem vody z tekutého do pevného skupenství, tedy ledu, se zvětší objem asi o devět procent. Tato expanze tlačí na okolí, kde tak významně roste tlak, který může vést k narušení pevnosti materiálů a škodám na nich. Mechanismus zvětšování objemu je téměř jedinečný právě pro vodu, respektive led. Většina kapalin se totiž při mrznutí smršťuje, a snižuje se tak jejich tlak, dokud kapalina není zcela tuhá.
Voda a benzen
Nové výzkumy ukázaly, že tento mechanismus rozpínání vlastně nehraje téměř žádnou roli ve většině případů poškození způsobených mrazem. Jde například o trhliny ve stěnách zděných budov nebo výmoly na asfaltových silnicích. Domněnka, že takové škody vznikají v důsledku rozpínání vody, je dlouho známý omyl, prokázala nedávno skupina vědců z Federálního technologického institutu (ETH) ve švýcarském Curychu.
Při pokusech s půdou totiž vědci prokázali, že benzen, kapalina, která se při mrznutí na rozdíl od vody smršťuje, způsobuje stejné poškození jako mrznoucí voda. A to naznačuje, že změna objemu při přechodu z vody do ledu není viníkem destrukce. Místo toho se zdá, že hlavním faktorem je schopnost mrznoucích kapalin „nasávat“ další kapalinu do zamrzající oblasti.
Jak to funguje
Pro přiblížení toho, jak celý proces funguje, si lze představit brčko naplněné vodou, které leží vodorovně na rovném povrchu a na jednom konci je vystaveno teplotám pod bodem mrazu. Jak se voda na mrazivém konci brčka mění v led, vzniká kolem takto vytvořeného krystalického materiálu podtlak. Tento podtlak vyvolává „sací“ účinek, který tlačí kapalnou vodu do zóny zamrzání.
Tato nasátá voda pak rovněž zmrzne a proces se opakuje, dokud se bobtnající ledový válec nestane pro brčko příliš širokým a neroztrhne ho. Tento proces se v zahraničí označuje jako kryosukce, běžné české označení zatím nemá. V přirozeném prostředí může probíhat i poměrně dlouho a může poškozovat materiály i struktury.
Provést důkaz tohoto působení nebylo úplně jednoduché – asfalt nebo cement jsou totiž neprůhledné materiály, a tak není možné jednoduše sledovat, co se děje uvnitř. Výzkumníci z ETH v Curychu proto vizualizovali tento proces vytvořením jednoduchého modelu porézního materiálu mezi dvěma průhlednými sklíčky. Mezi těmito oddělenými sklíčky vymodelovali pomocí vhodného lepidla jediný pór o délce a šířce několika milimetrů.
Na spodní stranu póru pak nanesli tenkou vrstvu silikonu s fluorescenčními částicemi, což mělo pomoci při vizualizaci. Pór naplnili čistou vodou, jeden konec ochladili pod bod mrazu a druhý, který sloužil jako zásobník kapalné vody, zahřáli. Tým pozoroval, jak se silikon v průběhu času mění. Teprve když voda v póru zmrzla do dlouhého ledového krystalu, začala se silikonová vrstva postupně deformovat. Tento proces pokračoval i nadále. Ledový krystal se rozšiřoval a stále silněji tlačil na silikon. Mezi ním a ledem se vytvořila mezera s velmi tenkou vrstvou vody, která zajišťovala neustálé smáčení krystalu a umožňovala jeho další růst. To se však dělo mnohem pomaleji než například u půdy a asfaltu. Mezera byla totiž příliš úzká a nepřiváděla dostatek vody.
Teprve u polykrystalického ledu, což je jeho v přírodě se běžně vyskytující podoba, bylo možné dosáhnout znatelně rychlejšího růstu. A to díky mnoha kanálkům mezi krystalky, kterými mohla voda proudit. Současně platí, že led, který se tvoří rychle, obsahuje více krystalů než ten, který se tvoří pomalu. Z toho plyne, že například vznik náledí, které se často tvoří po večerním zimním dešti během následného nočního vyjasnění a poklesu teplot pod nulu, je velmi problematické nejen pro dopravu, ale i pro samotný povrch vozovek a chodníků. Po rychlém příchodu zimy a mrazu je tak žádoucí dávat si pozor na nové výmoly.
Zjištěné závěry lze využít samozřejmě i v jiných oblastech než jen u silnic a chodníků. Existence mikroskopických kanálků v polykrystalickém ledu a s tím spojené zesílení napětí v ledu činí například zvětrávání mnohem účinnějším, než se dříve předpokládalo.
Konečné odhady zvýšení této účinnosti budou zřejmě záviset na dalších, v současnosti ještě neprozkoumaných faktorech, jako je například přítomnost rozpuštěných látek ve vodě. Studium vlivu polykrystalinity na škody způsobené ledem ale může ovlivnit například využití materiálů nebo i samotnou konstrukci silnic.
