안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
겨울철 아스팔트 도로에 포트홀이 생기는 원리는 물이 얼음으로 상변화할 때 나타나는 독특한 부피 팽창에 있으며 이는 수소 결합 구조로 설명할 수 있습니다. 대부분의 물질은 액체에서 고체로 변할 때 분자들이 빽빽하게 뭉치며 부피가 줄어들지만 물은 고체가 될 때 부피가 오히려 약 구 퍼센트 증가하는 예외적인 특성을 가집니다.
액체 상태의 물에서는 분자들이 활발하게 움직이며 수소 결합이 끊어졌다 연결되기를 반복하므로 비교적 무질서하고 조밀하게 모여 있습니다. 하지만 영하의 날씨에 얼음으로 얼어붙으면 분자의 운동이 둔화되면서 하나의 물 분자가 주변의 다른 물 분자 네 개와 단단하게 고정됩니다. 이때 서로 밀어내고 당기는 전기적 균형을 맞추기 위해 일정한 거리와 각도를 유지하며 가운데가 텅 빈 규칙적인 육각형 격자 구조를 형성하게 됩니다. 액체일 때는 빈틈없이 파고들던 분자들이 정렬되면서 내부에 수많은 빈 공간이 생겨 부피가 늘어나는 것입니다.
아스팔트의 미세한 균열 사이에 스며든 물이 이처럼 육각형 수소 결합을 이루며 얼어붙으면 틈새 내부에서 강력한 팽창 압력이 발생합니다. 이 힘이 도로 내부의 균열을 강제로 넓혀 아스팔트 구조를 결함 상태로 만들고 그 위를 무거운 차량들이 반복해서 지나가면서 표면이 쉽게 깨져 나가 결국 깊은 포트홀이 발생하게 됩니다.