Долговечность портовых железобетонных конструкций (Дальний Восток и Сахалин)

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ 

ПОРТОВЫХ 

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ 

КОНСТРУКЦИЙ 

(ДАЛЬНИЙ ВОСТОК И САХАЛИН)

Москва
ИНФРА-М

2022

МОНОГРАФИЯ

УДК 624.012.4(075.4)
ББК 38.53
 
Д64

Р е ц е н з е н т ы:

Тур В.В., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 

«Строительные материалы и технология бетона» Брестского государственного технического университета;

Сафончик Д.И., кандидат технических наук, доцент, заведующий ка
федрой «Технология строительного производства» Гродненского государственного университета имени Янки Купалы

ISBN 978-5-16-017154-8 (print)
ISBN 978-5-16-109708-3 (online)
© Коллектив авторов, 2021

 

Д64  
Долговечность портовых железобетонных конструкций (Даль
ний Восток и Сахалин) : монография / С.Н. Леонович, Е.Е. Шалый, 
Е.Н. Полонина [и др.]. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 315 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1816638.

ISBN 978-5-16-017154-8 (print)
ISBN 978-5-16-109708-3 (online)
Раздел I монографии посвящен актуальной проблеме – прогнозирова
нию долговечности портовых железобетонных конструкций, деструкция 
которых связана с коррозией стальной арматуры, вызванной хлоридной 
агрессией и карбонизацией бетона. Проведен анализ моделей расчета 
срока службы конструкций и экспериментальных данных,  рассмотрены 
жизненные циклы для основных деградационных процессов в бетоне и арматуре, периоды инициирования и распространения коррозии, учтено 
влияние факторов внешней среды (температура, влажность) и качества 
бетона (В/Ц, расход цемента, коэффициент диффузии) на кинетику проникновения хлоридов и перемещение фронта карбонизации. Рассмотрены 
вероятностные модели базисных переменных, сформулированы предельные состояния портовых железобетонных конструкций по долговечности 
железобетонных конструкций на основе коэффициента надежности по 
сроку службы. 

В разделах II и III изложены современные способы восстановления 

и усилия железобетонных портовых конструкций, подвергнутых коррозионной деструкции, с использованием нанофибробетона. Реализована 
концепция многоуровневого армирования. Для оценки совместной работы 
эксплуатируемого бетона и нанофибробетона усиления использованы методы экспериментальной механики разрушения.

Предназначена для научных и инженерно-технических работников ву
зов, научно-исследовательских и проектных организаций.

УДК 624.012.4(075.4)

ББК 38.53

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Условные обозначения

Буквы латинского алфавита
сcov — толщина защитного слоя бетона
С(x, t) — содержание хлоридов в бетоне на расстоянии x от поверхности бетона в момент времени t (% от веса цемента)
С0 — начальное содержание хлоридов (% от веса цемента)
C∞ — равновесное содержание хлоридов на поверхности бетона
Сcr — критическое содержание хлоридов (% от веса цемента)
Сsn — поверхностное содержание хлоридов (% от веса цемента)
Сx — фактическое содержание хлоридов (% от веса цемента)
Da — коэффициент диффузии хлоридов в бетоне
D0 — начальный коэффициент диффузии хлоридов в бетоне 
(м 2/с)
Eeff — эффективный модуль упругости бетона
fс — прочность бетона на сжатие
ft — прочность бетона на растяжение
kc — коэффициент, учитывающий влияние условий изготовления
kC,conc — коэффициент, учитывающий влияние состава бетона 
на поверхностное содержание хлоридов
kC, d — коэффициент, учитывающий транспортировку хлоридов 
в горизонтальном направлении
kC, h — коэффициент, учитывающий транспортировку хлоридов 
в вертикальном направлении
kC, о — коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности 
по отношению к движению транспорта
kC, T — коэффициент, учитывающий влияние температуры на поверхностное содержание хлоридов
ke — коэффициент, учитывающий влияние окружающей среды 
на коэффициент диффузии
kRH — коэффициент, учитывающий влияние влажности бетона 
на коэффициент диффузии
ktest — коэффициент, учитывающий влияние метода испытаний 
на коэффициент диффузии
mCl — содержание хлоридов в исследуемой пробе
n — фактор возраста конструкции
RH — относительная влажность воздуха
Vcorr — скорость коррозии арматуры
Pf — вероятность разрушения конструктивного элемента

P0 — заданная вероятность отказа железобетонной конструкции
R — сопротивление элемента, зависящее от нескольких значений хi
S — нагрузка на элемент, зависящая от нескольких значений уi
T — время (агрессивного) воздействия хлоридов на конструкцию
t0 — возраст бетона, при котором определяется начальный коэффициент диффузии хлоридов в бетоне
tinic — продолжительность периода инициирования коррозии
tprop — продолжительность периода распространения коррозии
tсл — расчетный срок службы железобетонной конструкции
tр — проектный срок службы железобетонной конструкции
Z — надежность элемента
wcr — предельная ширина раскрытия трещины
Буквы греческого алфавита
β — (генеральный) индекс надежности
βtarget — целевой индекс надежности
μ — cреднее значение
σ — стандартное отклонение
σc — внутреннее давление, вызванное продуктами коррозии
Ф(•) — вероятностная функция стандартизированного нормального распределения

Раздел I. 
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ 
КАРБОНИЗАЦИИ И ХЛОРИДНОЙ 
АГРЕССИИ1

Введение

Статистические данные показывают, что средний срок службы 
большинства гидротехнических сооружений составляет 30 лет [1–
12]. 90% железобетонных портовых сооружений имеют дефекты 
бетона и арматуры, которые снижают долговечность и несущую 
способность [63–64].
В морских условиях наблюдается деградация бетонной поверхности в виде растрескивания и откалывания защитного слоя 
бетона в течение первых 7–10 лет после ввода конструкции в эксплуатацию [29, 91, 27, 123]. При диагностике у 85% отремонтированных сооружений в пределах 100 м от береговой линии снова 
через 5–10 лет зафиксированы признаки повторной деградации, 
что свидетельствует о неэффективности метода ремонта. Поэтому 
требуется разработка схемы профилактического обслуживания 
и более эффективных методов ремонта для снижения стоимости 
конструкции в пределах всего ее жизненного цикла.
Существующие методики проектирования не в полном объеме 
отражают реальные условия эксплуатации гидротехнических сооружений. Это особенно проявляется в районах, где одновременное воздействие таких факторов, как низкие температуры воздуха и большое число ясных дней в зимнее время при сильной 
солнечной радиации, приводит к резкому изменению реальных 

1 
Раздел I составлен на основе диссертационной работы Шалого Е.Е. «Прогнозирование срока службы железобетонных портовых сооружений».

условий эксплуатации по сравнению с расчетными. Бетоны многих 
сооружений и конструкций испытывают более сложную комбинацию агрессивных воздействий, чем это предусматривается нормами проектирования.
Проблемы обеспечения долговечности морских сооружений 
в разное время освещались в трудах В.М. Москвина, Б.В. Комиссарова, А.Н. Столярова, К.А. Адамчика, С.Н. Алексеева [1–5]. В 1958 г. 
Комиссией, в которую входили С.Н. Алексеев, П.П. Ступаченко 
и Ю.В. Журавлев, было проведено детальное обследование гидротехнических сооружений Дальнего Востока. Анализ результатов 
показал, что основные разрушения бетона приходились на переменную и брызговую зоны сооружений. Данные зоны подвергаются 
целому комплексу воздействий, таких как переменное замораживание и оттаивание, магнезиальная коррозия, сульфатная коррозия, 
хлоридная агрессия, карбонизация и т.п. Знание механизмов процессов коррозии важно для лучшего прогнозирования надежности 
бетонных конструкций в течение времени их эксплуатации.

Глава 1. 
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МОРСКИХ 
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1. ДЕГРАДАЦИЯ МОРСКИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
ПРИ ДЕЙСТВИИ ХЛОРИДНОЙ АГРЕССИИ И КАРБОНИЗАЦИИ

Морские портовые сооружения эксплуатируются в тяжелых 
условиях внешних воздействий: больших перепадах температур, 
высокой солнечной радиации, переменных замораживании и оттаивании, воздействии агрессивных эксплуатационных сред и др. 
По интенсивности воздействия морской среды на материал конструкций по высоте сооружений выделяют 4 зоны:
1. Зона ниже поверхности дна, где коррозия отсутствует в связи 
с недостатком кислорода.
2. Подводная зона, где коррозия происходит с малой интенсивностью, в основном из-за биообрастания.
3. Зона переменного увлажнения, где интенсивно коррозирует 
бетон и арматура.
4. Надводная зона (зоны прилива, всплеска и зона брызг) — 
аналогична зоне переменного увлажнения.
На основе анализа состояния экспериментальных исследований 
(рис. 1.1) [145] можно сделать вывод, что причиной разрушения являются хлориды, растворенные в воде (до 66%). Что касается коррозионного воздействия атмосферы, основными переменными тут 
являются уровень углекислого газа (до 5%), температура воздуха 
и влажность.

 

воздействие 
хлоридов
66%

некачественный 
строительный 
раствор
3%

карбонизация
5%

морозные 
разрушения
5%

усталость
3%

строительные 
дефекты
18%

Рис. 1.1. Причины разрушения [145]

Что касается долговечности, основными факторами, от которых 
она зависит, являются: свойства материала (тип вяжущего, водоцементное отношение, свойства заполнителей), изготовление конструкции (защитный слой, условия твердения, тип формования), 
условия окружающей среды (влажность, температура, содержание 
агрессивных веществ на поверхности конструкции).
Свойства материала конструкций и условия окружающей 
среды непостоянны. Для определения влияния этих параметров 
на долговечность железобетонной конструкции необходимо знать 
их изменение во времени, в течение которого она эксплуатируется. В свою очередь свойства железобетонной конструкции изменяются во времени в зависимости от внешних химических 
и физических воздействий на конструкцию. Математически срок 
службы определяется как период времени от начала использования конструкции или ее части, в течение которого достигается 
предполагаемая производительность, до достижения некоторого 
предельного состояния, превышающего предопределенное значение.
Согласно теории надежности, если S(t) представляет собой 
свойство, зависящие от времени, усилия или напряжения в элементах сооружения, действующее на конструкцию, и R(t) — сопротивление, которое противопоставляет данная конструкция этому 
свойству, тогда событие, выражающее отказ, можно записать как

 
{failure} = {R(t) – S(t) <0}. 
(1.1)

Вероятность отказа Pf определяется

 
Pf = {R(t) – S(t) <0} 
(1.2)

и срок службы t

 
Pf = {t: Pf(t) ≤ Pf, max}. 
(1.3)

Срок службы зависит от требуемого уровня надежности Pf, max. 
Требования надежности обычно выражаются в терминах индекса 
статистической надежности β согласно уравнению

 
Pf, max = Φ – β, 
(1.4)

где Φ — кумулятивная функция стандартного нормального распределения.
С помощью выражения (1.3) можно определить характеристику 
P(t) в любой момент времени. Также можно определить крити

ческий уровень рассматриваемого свойства, соответствующий 
определенному предельному состоянию конструкции.
Эффект карбонизации заключается в уменьшении щелочности 
пористой воды в бетоне, что позволяет разрушать пассивную 
пленку на арматуре и тем самым инициировать коррозию, в свою 
очередь приводя к растрескиванию бетона и снижению прочности. Однако в морских условиях эффект карбонизации снижается, поскольку CO2 не может проникать в насыщенный влагой 
бетон.
В реакции с гидроксидом кальция образуется карбонат кальция

 
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O 
(1.5)

Эта реакция снижает рН порового раство ра до величины, при котором пассивная пленка на стали нестабильна. Пассивный слой разрушается, что приводит к инициированию коррозии (рис 1.2).
Результаты этой реакции двоякие: потребление ионов ОН 
и образование твердого осадка кальцита (CaCO3) в поровом пространстве. Первое уменьшает значение рН от 13.0 до менее 9.0, 
в то время как последнее может заполнить исходное пространство 
пор и укрепить твердую матрицу бетона. По имеющимся данным 
в ходе карбонизации пористость бетона уменьшается на 10–15% 
[116], а прочность на сжатие увеличивается на 30% [122]. Однако 
этот эффект значительно меньше в бетонах, включающих большое 
количество вторичных цементных материалов. Таким образом, полезный аспект карбонизации в виде уплотнения зависит от состава 
и свойств цементного камня.

Рис. 1.2. Механизм карбонизации на уровне пор (а) и рН CO2 (b) [116]

В высококачественном бетоне процесс карбонизации замедляется. Было подсчитано, что карбонизация в высококачественном 

бетоне будет происходить со скоростью до 1 мм/год [1–5, 63, 64]. 
Карбонизация значительно увеличивается в бетоне с высоким 
водоцементным отношением, низким содержанием цемента, коротким периодом отверждения, низкой прочностью и пористой 
средой.
Этот вид коррозии часто возникает на участках конструкций, 
которые подвергаются воздействию осадков, затененных от солнечного света и имеющих низкий остаточный защитный слой бетона. Карбонизация разрушает пассивную пленку арматуры, но не 
влияет на скорость коррозии. Углекислый газ в бетоне соединяется 
с растворенным гидроксидом кальция, нейтрализуя его и обусловливая потерю защитных свойств защитного слоя бетона. Концентрация углекислого газа на поверхности прямо влияет на глубину 
фронта проникновения углекислого газа. При накоплении CO2 
в количестве, превышающем критическое, наступает переход стали 
из пассивного состояния в активное с неизбежной последующей 
коррозией. Этапы износа конструкций вследствие карбонизации 
представлены в табл. 1.1.
Карбонизация поглощает OH-ионы в поровом растворе и влияет 
на электрохимическую стабильность арматурных стержней. Электрохимическая стабильность арматурной стали может быть описана диаграммой железа в воде (диаграмма-Pourbaix), которая иллюстрирует термодинамическое равновесие между железом и его 
ионными и оксидными видами (рис. 1.3а).

Таблица 1.1

Стадии износа конструкций вследствие карбонизации

Этапы
Описание
Коррозия

Инициирование
Период эксплуатации пока глубина 
карбонизации не достигнет предельного состояния для возникновения 
коррозии

Проникновение 
ионов СО2 в защитный слой бетона 

Распространение
Период от начала коррозии стали 
до возникновения трещин
Коррозия стали

Ускорение 
коррозии
Сталь корродирует с высокой скоростью из-за растрескивания
Коррозия стали 
с образованием 
трещины
Разрушение / 
износ

Несущая способность снижается из-за 
увеличения количества продуктов коррозии