안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
겨울철 도로에 생기는 포트홀은 물이 얼 때 발생하는 독특한 물리적 팽창 원리로 설명할 수 있습니다.
일반적인 물질은 고체가 될 때 부피가 줄어들지만, 물은 정반대입니다. 액체 상태의 물 분자들은 무질서하고 촘촘하게 뭉쳐 있지만, 영하의 한파로 온도가 낮아지면 분자들의 운동 에너지가 줄어들면서 서로 단단히 고정된 수소 결합을 형성합니다. 이때 물 분자들은 빈틈없이 겹치는 것이 아니라, 서로 일정한 거리와 각도를 유지하며 중심이 텅 빈 규칙적인 육각형 격자 구조의 네트워크를 만듭니다. 이 내부의 빈 공간 때문에 물이 얼음으로 상변화하면 부피가 약 9% 이상 크게 늘어나게 됩니다.
아스팔트 도로 표면의 미세한 균열 사이에 스며든 수분이 얼어붙을 때 바로 이 현상이 일어납니다. 균열에 갇힌 물이 육각형 구조로 얼어붙으며 부피가 9% 이상 팽창하고, 주변 아스팔트를 밀어내는 강력한 압력을 작용시켜 틈새를 강제로 벌립니다. 이후 날이 풀려 얼음이 녹으면 벌어진 틈은 텅 빈 공간으로 남게 되는데, 이 약해진 부위 위로 무거운 차량들이 반복해서 지나가면 충격을 버티지 못한 아스팔트가 결국 파이고 부서지며 포트홀이 발생하게 됩니다.