겨울철 아스팔트 도로의 미세한 균열 사이에 스며든 물이 얼면서 틈이 벌어져 포트홀이 발생하는 현상이 왜 생기나요?

Question

겨울철 아스팔트 도로의 미세한 균열 사이에 스며든 물이 얼면서 틈이 벌어져 포트홀이 발생하는 현상을, 물이 고체로 상변화할 때 육각형 수소 결합 구조를 형성하며 부피가 약 9% 이상 팽창하는 원리로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

액체 상태의 물은 분자들이 비교적 자유롭고 조밀하게 모여 있지만, 겨울철 기온이 영하로 떨어져 고체인 얼음으로 상변화하면 분자들의 배열에 큰 변화가 생깁니다. 물 분자들은 온도가 낮아짐에 따라 수소 결합을 통해 서로를 고정하며 규칙적인 공간 배치를 이루게 되는데, 이때 내부가 텅 빈 개방형 구조인 육각형 수소 결합 구조를 형성합니다. 격자 내부에 공간이 많이 생기는 이 독특한 육각형 구조 때문에 물은 고체로 변할 때 오히려 분자 간의 거리가 멀어지며 부피가 약 9% 이상 늘어나는 성질을 가집니다.

​이러한 물의 상변화 원리는 겨울철 아스팔트 도로의 포트홀 발생을 이끄는 결정적인 원인이 됩니다. 낮 동안 녹았던 눈이나 비가 아스팔트의 미세한 균열 사이로 스며들었다가 밤사이 기온이 급강하하면 틈새에 갇힌 채로 얼어붙기 시작합니다. 이때 좁은 균열 속에서 물이 육각형 구조를 만들며 부피가 9% 이상 팽창하게 되고, 이 과정에서 주변 아스팔트 벽면을 양옆으로 강하게 밀어내는 거대한 물리적 압력이 발생합니다. 이 강력한 힘에 의해 미세했던 균열의 틈이 쩍 벌어지면서 도로 내부의 결합력이 약해집니다. 이후 날이 풀려 얼음이 다시 녹아 빈 공간이 된 상태에서 그 위로 무거운 차량이 반복해서 지나가면, 충격을 버티지 못한 아스팔트 표면이 툭 깨져 나가며 결국 푹 파인 포트홀이 만들어집니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

아스팔트는 도로에 깔 경우 자체 탄성이 있어 자동차의 진동과 소음을 흡수해주며 포장 후 두시간안에 마르기에 전국의 도로에 쉽게 설치를 할 수 있습니다.

하지만 여름에 아스팔트가 약화되어 쉽게 파이기도 하고 질문 주신것 처럼 겨울철에 포트홀이 발생하기도 합니다.

아스팔트에는 틈이 많기에 비가 왔을 때 물이 아래로 내려가는 배수 성능이 높습니다.

하지만 이 때문에 겨울철에는 아스팔트 사이에 있는 물이 얼어서 도로가 파손되는 포트홀 현상이 나타나게 됩니다.

물은 0도 이하에서 얼음이 됩니다.

얼음은 독특하게 고체상태임에도 액체상태보다 밀도가 낮아 물위에 뜨게 됩니다.

밀도가 낮아지는 이유가 부피가 9% 늘어나기 때문인데 이는 물 특유의 구조 때문입니다.

물속에는 H2O 분자가 자유롭게 이동하고 있다가 주위 온도가 낮아지며 얼음이 되는 과정에서 서로 육각형 구조를 이룰때까지 가까워지게 됩니다.

이때 육각형 구조가 안정되다보니 더이상 분자가 가까이 모이지 않고 고정이 되게 됩니다. 그래서 정렬된 크기가 액체일 때보다 부피가 9% 높아지게 되고 밀도는 낮아지게 되어 물위에 뜨게 되는 것입니다.

이러한 현상때문에 아스팔트 안에서도 부피가 커지면서 포트홀이 발생하는 것 입니다.

감사합니다:)