凍脹

凍脹（或凍脹）是在凍結條件下土壤向上膨脹，這是由于冰向地表生長時冰的存在增加，從凍結溫度已經滲透到土壤的土壤深度向上（凍結鋒） 或凍結邊界）。 冰的生長需要供水，通過某些土壤中的毛細管作用將水輸送到冰凍前沿。 上覆土壤的重量限制了冰的垂直生長，并可以促進土壤中冰的透鏡狀區域的形成。 然而，一個或多個正在生長的冰晶狀體的力量足以掀起一層土壤，高達 1 英尺（0.30 米）或更多。 水流經的土壤必須有足夠的孔隙以形成冰晶狀體，以允許毛細管作用，但又不能多孔到破壞毛細管連續性的程度。 這種土壤被稱為易受霜凍影響的土壤。 冰晶狀體的生長不斷消耗冰鋒上升的水。 不同程度的凍脹會使路面開裂——導致春季坑洞形成——并損壞建筑物地基。 凍脹可能發生在機械冷藏的冷藏建筑和溜冰場中。

針狀冰本質上是在凍結季節開始時發生的凍脹，在凍結鋒深入土壤并且沒有土壤覆蓋層作為凍脹抬升之前。

由于水的摩爾體積在其整體凝固點從水變為冰時會膨脹約 9%，因此由于摩爾體積膨脹，9% 將是可能的xxx膨脹，即使這樣，也只有在冰被嚴格橫向約束的情況下 在土壤中，因此整個體積膨脹必須垂直發生。 冰在化合物中是不尋常的，因為它的摩爾體積從液態水增加。 當從液體相變為固體時，大多數化合物的體積會減少。

凍脹土壤位移的主要原因是冰晶狀體的形成。 在凍脹期間，一個或多個無土冰晶狀體生長，它們的生長取代了它們上方的土壤。 這些晶狀體通過不斷從土壤中較低且低于土壤冰凍線的地下水源補充水分而生長。 具有允許毛細管流動的孔隙結構的易霜凍土壤的存在對于在冰透鏡形成時向其供水至關重要。

由于孔隙中限制液體的 Gibbs-Thomson 效應，土壤中的水可以在低于水的整體冰點的溫度下保持液態。 非常細的孔具有非常高的曲率，這導致液相在這種介質中在有時比液體的整體凝固點低幾十度的溫度下熱力學穩定。 這種效應使水可以通過土壤滲透到冰晶狀體中，從而使晶狀體生長。

另一種輸水效應是在冰晶狀體表面以及冰和土壤顆粒之間保留了幾個液態水分子層。

導致表面預熔的相同分子間作用力導致正在形成的冰晶狀體底部的顆粒尺度上出現凍脹。 當冰在細小的土壤顆粒周圍預融化時，由于圍繞顆粒的水薄膜的融化和重新凍結，土壤顆粒將在熱梯度內向下移向溫暖的方向。 這種薄膜的厚度取決于溫度，并且在顆粒較冷的一側更薄。

水在大塊冰中的熱力學自由能比在過冷液態時的熱力學自由能低。