Wie Eis und Schnee die Straßen wirklich brüchig machen

Die äußerst milden Temperaturen dieser Tage erinnern eher an den Frühling, als an den Hochwinter, den man zu dieser Jahreszeit laut 100-jährigem Kalender eher erwarten müsste. Dennoch steuern wir mit großen Schritten dem Februar entgegen und die Tage werden bereits spürbar länger (hell). In Frankfurt am Main beispielsweise haben wir bei der Tageslänge, sprich der Zeit zwischen Sonnenaufgang und -untergang bereits die 9 Stunden geknackt und gewinnen pro Tag rund 3 min hinzu. Zum Vergleich: Am kürzesten Tag des Jahres, dem 21. Dezember, lag die Tageslänge bei gerade mal 8 Stunden und 4 Minuten. Und was ist dann ausgangs eines selbst noch so milden Winters jedes Jahres aufs Neue auf unseren Straßen und Wegen zu „bestaunen“? Richtig, eine Vielzahl von Schlaglöchern unterschiedlichster Größe. Aufgrund knapper Kassen werden diese meist nur notdürftig „geflickschustert“, aber darum soll es in diesem Artikel nicht gehen. Viel interessanter ist, was die Wissenschaftlergruppe um Robert Style und Kollegen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich vor einiger Zeit herausgefunden hat.

Dabei geht es um den Prozess der „Frostsprengung“, der auch als „Kryoklastik“ bezeichnet wird. Vor allem in Regionen mit teils festen Niederschlägen (Schnee) und/oder Temperaturen, die häufig zwischen positiven und negativen Werten wechseln, spielt diese Art der Gesteinsverwitterung eine bedeutende Rolle. Bisher ist man fest davon ausgegangen, dass die Sprengkraft des Eises aus der Volumenausdehnung resultiert. Immerhin gewinnt es beim Übergang von Wasser zu Eis bis zu 9% an Volumen hinzu.

Doch der Reihe nach: Entgegen anderer Flüssigkeiten, die sich beim Gefriervorgang zusammenziehen, trifft dies auf Wasser nicht zu. Besagtes Molekül, dessen 3 Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) in vielen Bereichen der Meteorologie eine entscheidende Rolle einnehmen, besitzt seine höchste Dichte – sprich gleichzeitig auch seine geringste Ausdehnung – bei +4 Grad Celsius. Bei sinkender und/oder steigender Temperatur dehnt es sich aus. Diese Eigenschaft ist auch als „Anomalie des Wassers“ bekannt. Dadurch frieren beispielsweise Seen im Winter von oben zu und beim Baden im Sommer ist es mitunter noch ziemlich fußkalt, wohingegen das oberflächennahe Wasser schon angenehm warm ist.

Typisches Straßenbild ausgangs des Winters mit zahlreichen Schäden am Asphalt

Nun haben die Wissenschaftler unter Laborbedingungen aber nachgewiesen, dass es weniger die Ausdehnung des Eises beim Gefrierprozess, sondern viel mehr die Art und Weise des Eiswachstums ist, die den porösen Asphalt hauptursächlich sprengt. Ausgangspunkt dafür war ein Experiment mit Benzol anstelle Wassers, dessen Gefrierpunkt mit 5,5°C also in ähnlichen Bereichen liegt, das sich bei Kälte aber zusammenzieht. Trotzdem wurden im Endeffekt ähnliche Auswirkungen auf ein poröses Material beobachtet! Es muss also eine andere Erklärung geben.

Eis ist stets von einer dünnen Wasserschicht bedeckt, selbst bei sehr tiefen Temperaturen. Denken wir an das Schlittschuhlaufen, wo durch zusätzlichen Druck des Körpergewichtes über die Kufen und Reibungsprozesse beim Fahren der Wasserfilm noch vergrößert und so ein geschmeidiges Gleiten über das Eis erst ermöglicht wird. Die dünne Schicht kann jedoch gefrieren, wenn flüssiges Wasser aus der Umgebung nachströmt, um sie zu ersetzen. Dadurch entsteht ein Unterdruck, so dass zusätzliches Wasser (soweit verfügbar) angesaugt wird. Im Englischen spricht man vom sogenannten „cryosuction“ (Kältesog). Insbesondere bei porösen Stoffen passiert das leicht, da Flüssigkeit aus zahlreichen umliegenden Zwischenräumen und Kanälen kommen kann. Infogeldessen bildet sich an der Grenzschicht Eis/Wasser durch den fortwährenden Gefrierprozess, bei dem immer neues Wasser nachgeführt wird und der dünne Wasserfilm folglich stets erhalten bleibt beziehungsweise ersetzt wird zusätzliches Eis. Dieses besitzt dann an der „Nachführstelle“ eine höhere Mächtigkeit, drückt auf die Umgebung. Bei Platzmangel schließlich beginnt die Stelle aufzubrechen, weiteres Wasser kann potentiell nachströmen. Ohne diese „Zusatzeffekte“ käme der „Sprengvorgang“ zum Stillstand (Gleichgewicht), sobald das lokal verfügbare Wasser komplett gefroren wäre, bei intaktem Asphalt meist ohne nennenswerte Schäden.

Schematische Darstellung des Eiswachstums mit Sogwirkung unter gleichzeitiger Deformation des Belags

Wie ließ sich das nun im Detail nachweisen? Die Forscher von der ETH Zürich machten den Prozess erkennbar, indem sie zwischen zwei transparenten Objektträgern ein einfaches Modell des porösen Materials herstellten. Zwischen Abstandshaltern modellierten sie mit einem geeigneten Klebstoff eine einzelne Pore von einigen Millimetern Länge und Breite. Anschließend brachten sie innen auf der Unterseite der Pore eine dünne Schicht Silikon mit fluoreszierenden Teilchen auf. Das sollte bei der Visualisierung helfen. Sie füllten die Pore mit reinem Wasser, kühlten das eine Ende unter den Gefrierpunkt und erwärmten das andere, das als Reservoir diente. Dabei beobachtete das Team, wie sich das Silikon im Lauf der Zeit veränderte. Erst als das Wasser in der Pore zu einem langen Eiskristall gefroren war, begann die Silikonschicht sich allmählich zu verformen. Dieser Prozess setzte sich auch danach weiter fort. Das Eiskristall wurde immer breiter und drückte zunehmend stärker auf das Silikon. Zwischen diesem und dem Eis hatte sich ein Spalt mit einer sehr dünnen Wasserschicht gebildet, die für eine fortwährende Benetzung des Kristalls sorgte und dessen weiteres Wachstum ermöglichte. Allerdings geschah das viel langsamer als etwa bei Erde und Asphalt. Der Spalt war viel zu eng und lieferte nicht genügend Wasser nach. Erst mit polykristallinem Eis, wie es vorwiegend in der Natur vorkommt, gelang ein merklich schnelleres Wachstum über viele Kanäle, durch die das Wasser heranströmen kann. Das war der Durchbruch! Zudem besteht rasch entstehendes Eis aus mehr Kristallen als ein sich langsam bildendes. Insofern sind brisante Glättelagen, bei denen es nach Durchzug eines Regengebietes schlagartig aufklart, nicht nur für den Verkehr, sondern auch für den Fahrbelag sehr herausfordernd.

Zugegeben, im Großen und Ganzen scheinen die Studienergebnisse zunächst nur einen marginalen Unterschied akademischer Natur zu den bisherigen Theorien zur Frostsprengung zu liefern. Das Resultat bleibt in Form unansehnlicher und teils gefährlicher Risse und Löcher dasselbe. Aber gerade hinsichtlich zukünftiger Prävention oder zumindest Linderung können die Ergebnisse beispielsweise über die Eigenschaft des Straßenbelags und deren Ausbringung einen entscheidenden Mehrwert für die Zukunft bringen.

Dipl.-Met. Robert Hausen
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 27.01.2025

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