Mit dem Gefrieren gehen Veränderungen der physikalischen oder mechanischen Eigenschaften einher, welche die Stabilität des Untergrundes beeinflussen. Flüssiges Wasser wird in Eis umgewandelt, was zu einer Zunahme des Wasservolumens (+9 %) und manchmal auch des gefrorenen Materials führt. Dieser Prozess führt zu teilweise widersprüchlichen Auswirkungen auf die Stabilität des Bodens:
Einerseits ist eine Erhöhung der Kohäsion (Zementierung) des gesamten gefrorenen Materials zu beobachten. Eis füllt alle Zwischenräume und bildet den Eisbeton oder Eiszement (Abb. 1). Ohne Eis ist das Material locker.
Parallel dazu kann es durch verschiedene Erosionsprozesse zu einer Lockerung (mechanische Auftrennung) des Gesteins- oder Bodenmaterials kommen: durch Frostsprengung (siehe Factsheet Permafrost 2.3), durch Segregation von Eislinsen (siehe Factsheet Permafrost 2.4), durch Bildung von Eisnadeln etc.
Als Frostempfindlichkeit bezeichnet man die Anfälligkeit eines Lockersediments zur Volumenexpansion bei Frost, oder die Anfälligkeit eines harten Gesteins, bei Frost-Tau-Wechsel zu zerfallen (Abb. 2). Die Auswirkungen von Frost sind je nach Untergrund (Lockergestein oder Festgestein) und Porosität sehr unterschiedlich:
Feinkörnige Lockergesteine wie Tone, Silte oder Lehme sind sehr frostempfindlich. Hier kommt es häufig zur Bildung von Eislinsen durch Kryosuktion (Saugspannung resultierend aus einem Temperaturgradienten im ungefrorenen Wasseranteil), wodurch sich das Gelände bei Frost anhebt und bei Tauwetter wieder setzt (siehe Factsheet Permafrost 2.4).
Gröbere Lockergesteine wie Sande und Kiese sind dagegen weniger frostempfindlich, da sie effizient entwässert werden und das Gefrieren des Porenwassers nicht zu Frosthub führt. Untergrund dieser Zusammensetzung begünstigt die Bildung von Eisbeton (Abb. 1).
In Hartgesteinen treten die mechanischen Auswirkungen des Frostes in Rissen oder entlang von Schichtgrenzen auf. Durch den Druck, den das gefrierende Wasser auf das Gestein ausübt, entsteht Frostschutt (siehe Factsheet Permafrost 2.3).
Die Auftauphase ist durch Prozesse gekennzeichnet, die der Gefrierphase entgegengesetzt sind, insbesondere durch einen Volumenverlust des Eises und manchmal auch des aufgetauten Materials (Setzung oder Verdichtung des Bodens beim Auftauen) und durch eine Abnahme der Kohäsion der Boden- oder Gesteinskörner (Dezementierung).
Fig. 1 – Le béton ou ciment de glace : augmentation de la cohésion du matériel meuble lors du gel.
Abb.1: Eisbeton oder Eiszement: Kohäsionszunahme von Lockermaterial bei Frost.
Fig. 2 – Gélivité et taux de gonflement moyen d’un sol meuble selon sa composition granulométrique (adapté de Val Vliet-Lanoë 2005).
Abb.2: Frostempfindlichkeit und durchschnittliche Frosthubrate eines lockeren Bodens in Abhängigkeit seiner Korngrössenzusammensetzung (angepasst nach Val Vliet-Lanoë 2005).