Несмотря на то, что капли и небольшие лужицы воды выглядят вполне безобидно, они могут превращаться в мощную силу, способную разрушать скалы и бетонные сооружения. Правда, не очень быстро.
Как известно, вода, замерзая и превращаясь в лёд, увеличивается в объёме примерно на 10 %, что связано с образованием кристаллической структуры. Плотность льда при 0 °С примерно на 10 % меньше плотности воды, именно поэтому лёд не тонет. И это весьма важно для живых организмов, живущих в водоёмах умеренной и арктической зоны. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твёрдое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то, при приближении зимы, поверхностные слои озёр и рек охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более тёплым слоям. Так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0 °С — реки и озера промёрзли бы до дна, погубив большую часть водных обитателей.
Развивающееся при замерзании воды давление льда может достигать 2500 кг/см2. Каждый, кто оставлял на даче на зиму наполненную водой ёмкость, знает, к чему это приводит — к необходимости приобретать новую бочку.
Когда капля воды попадёт в небольшую трещину на асфальте, бетоне или горной породе, то при замерзании она увеличивается в объёме и расширяет трещину. Этот процесс называется морозным выветриванием.
Чем больше раз вода замёрзнет и оттает, тем большую работу совершит. Именно поэтому весной и осенью, когда частота перехода от положительных к отрицательным температурам максимальна, в умеренной и арктической зоне вода и лёд совершают самый большой объём разрушительной работы. Вспомните, как выглядят весной дороги, на которые осенью под дождём укладывали асфальт? По той же самой причине достаточно быстро разрушаются здания, покинутые человеком — ведь внутри них никто не поддерживает положительную температуру, а вода и лёд, отыскивая поры, зазоры и трещины, способны раскрыть весь свой разрушительный потенциал.
Нетрудно догадаться, когда разрушительная сила льда и воды временно приостанавливается — в тот период времени, при котором переход от плюсовой к минусовой температуре прекращается. То есть либо летом, когда и днём и ночью тепло, либо зимой, когда, соответственно, температура постоянно не поднимается выше –1 °С.
Тем не менее, есть участки, на которых и зимой, при –10 °С, вода находится в жидком состоянии. Это городские дороги, на которых применяются противогололёдные реагенты. Принцип использования противогололёдных реагентов основан на том, что температура замерзания воды, с разведёнными в ней хлоридами солей ниже, чем температура замерзания естественных осадков.
Можно легко увидеть, как это работает, если поставить в морозильную камеру стакан с концентрированным раствором пищевой соли.
Снег и лёд при контакте с реагентами превращаются в жидкость — не совсем в воду, а в водный раствор хлористого кальция, калия и натрия. В зависимости от концентрации солей, такой раствор может замёрзнуть как при –8 °С, а может и при –16 °С остаться жидким.
Поскольку новые порции выпавшего снега превращаются в воду, они разбавляют солевой раствор и, соответственно, изменяют его концентрацию и постоянно смещают точку замерзания.
Таким образом, даже зимой на дорогах, на которых применяются противогололёдные реагенты, разрушительная работа воды и льда продолжается.
Совсем неудивительно, что бетонные дорожные бордюры, в особенности, выполненные из некачественного бетона, в холодное время года быстро разрушаются под действием именно морозного выветривания и именно на тех участках, на которых применяют противогололёдные реагенты.
Подобные выводы подтверждены компанией The Dow Chemical Company, которая проводила многочисленные испытания восьми наиболее распространённых противогололёдных реагентов, включающих в состав хлориды кальция, магния, натрия, а также мочевины. После 500 циклов замораживания-оттаивания, даже качественные бетоны, с плотностью 2,31 г/см3, продемонстрировали умеренное растрескивание.
Можно предположить, что подобное явление может обеспечить сокращение срока эксплуатации бетонных конструкций, и активно применять противогололёдные реагенты в непосредственной близости от жилых зданий не следует.
В этой связи, сотрудники Института экологии и географии, а также эксперты экологического штаба Красноярского края подготовили рекомендации и приняли участие в экспертизе Технического регламента применения противогололёдных материалов при содержании автомобильных дорог города Красноярска, который был утверждён приказом № 314-гх от 21 июня 2019 года.
Руслан Шарафутдинов канд. геогр. наук, доцент кафедры экологии и природопользования ИЭиГ СФУ.
