Долговечность конструкционного бетона при морозных и солевых воздействиях: мониторинг, испытания, рекомендации

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ 
КОНСТРУКЦИОННОГО БЕТОНА 
ПРИ МОРОЗНЫХ И СОЛЕВЫХ 
ВОЗДЕЙСТВИЯХ

МОНИТОРИНГ, ИСПЫТАНИЯ, 
РЕКОМЕНДАЦИИ

В.В. МАЛЮК
В.Д. МАЛЮК
С.Н. ЛЕОНОВИЧ

Москва
ИНФРА-М
2023

МОНОГРАФИЯ

УДК 691.32(075.4)
ББК 38.33
 
М21

Малюк В.В.
М21  
Долговечность конструкционного бетона при морозных и солевых 
воздействиях: мониторинг, испытания, рекомендации : монография / 
В.В. Малюк, В.Д. Малюк, С.Н. Леонович. — Москва : ИНФРА-М, 
2023. — 226 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/2035493.

ISBN 978-5-16-018625-2 (print)
ISBN 978-5-16-111574-9 (online)
 В монографии рассмотрен комплекс вопросов, связанных с получением 
долговечных бетонов для агрессивных сред класса XF4. Освещена работа 
бетона портовых сооружений в условиях, характерных для морского 
побе режья арктических и дальневосточных морей. Рассмотрены факторы агрессивности в условиях морозного воздействия для бетона 
зоны переменного уровня воды. Сегодня для принятия оптимальных 
экономических и экологических решений стала очевидной задача перехода 
проектирования и строительства сооружений по эксплуатационным 
характеристикам. Представлены концептуальные решения для совершенствования методов проектирования и технологии долговечных 
бетонов в средах с морозным и солевым воздействием.     
Предназначена для инженерно-технических работников и студентов, 
обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Строительство».

УДК 691.32(075.4)
ББК 38.33

Р е ц е н з е н т ы:
Первушин Г.Н., доктор технических наук, профессор, директор Института строительства и архитектуры имени В.А. Шумилова Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова;
Ким Л.В., кандидат технических наук, доцент, профессор Инженерной школы Дальневосточного федерального университета

ISBN 978-5-16-018625-2 (print)
ISBN 978-5-16-111574-9 (online)
© Малюк В.В., Малюк В.Д., 
Леонович С.Н., 2023

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

Глава 1. 

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БЕТОНА В КОНСТРУКЦИЯХ 
МОРСКИХ ПОРТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ

Мировая практика показывает, что экономическая и экологическая потребность в рациональном использовании ресурсов вызывает новые требования к процессу проектирования сооружений — 
проектирование по жизненному циклу. Это предопределяет новый 
подход к проектированию долговечности конструкций, основная 
цель которого заключается в назначении обоснованных показателей долговечности, позволяющих обеспечить экономически 
сбалансированные технические решения на этапе строительства и эксплуатации сооружения [ 1, 10, 40]. Мировая тенденция в проектировании — это переход проектирования долговечности от классических принципов по нормативным требованиям 
(prescriptive specifi cation) к концепции по эксплуатационным показателям (performance-based design) [18].
Принцип такого подхода к проектированию изложен и рекомендован для применения в Великобритании, Японии, Канаде, США 
и странах Евросоюза. Прогресс в разработке расчетных методов 
долговечности наблюдается в Швеции и Финляндии [59 ]. Подход 
к проектированию долговечности конструкций по эксплуатационным характеристикам планируется использовать в России [10]. 
Однако многообразие климатических условий России является основным препятствием для применения зарубежной нормативной 
базы для проектирования строительных объектов в России. В настоящее время к основным направлениям научно-практической 
деятельности в области бетона и железобетона относят направления по созданию системы диагностики и прогнозных методов 
долговечности бетона применительно к различным условиям эксплуатации [10].
Стратегия развития строительной отрасли Российской Федерации относит к приоритетным направлениям разработку системы 
управления жизненным циклом объектов капитального строительства на основе технологий информационного моделирования. 
Это позволит комплексно оценивать эффективность инвестиций 
на всех этапах жизненного цикла объектов капитального строительства [63, 64]. Отсутствие у проектной организации такого инструмента, как математическая модель долговечности, лишает ее 
возможности вариативного проектирования и выбора наиболее оп

тимального проектного решения с учетом долгосрочных прогнозируемых затрат на эксплуатацию объекта.
Планируемое строительство гидротехнических и транспортных 
сооружений в суровых климатических условиях для реализации 
комплексного плана модернизации и расширения магистральной 
инфраструктуры РФ на БАМе и Транссибе, увеличения мощностей 
отечественных морских портов на Дальнем Востоке, развитие Северного морского пути предопределяет необходимость разработки 
расчетных моделей долговечности для принятия обоснованных эффективных проектных решений [65].
Развитие современной концепции проектирования долговечности по эксплуатационным характеристикам ограничивает то 
обстоятельство, что различные процессы разрушения, влияющие 
на структуры бетона, в настоящее время не полностью поняты 
во всех необходимых деталях, а методы испытаний, используемые 
в лаборатории, не всегда отражают реальные условия. Это вносит 
неопределенность оценки факторов, определяющих долговечности 
бетонной конструкции в реальных условиях [10, 14, 40, 80], поэтому 
изучению реальной работы конструкций в сооружении в последнее 
время уделяется особое внимание [40, 45, 53, 59, 66, 67].
Построение математической модели предопределяет необходимость в четком представлении о факторах, влияющих на кинетику процесса деградации бетона. Практическая ценность 
математических построений определяется глубиной изучения физических и физико-химических явления коррозии бетона и обоснованных факторов, принятых в модели. Следовательно, важно 
установить закономерности деградации бетона и определить 
показатели, характеризующие долговечность, в реальных 
условиях эксплуатации.
Конструкции, подверженные воздействию климата, обычно подвержены нескольким типам механизмов деградации одновременно. 
В случае, когда бетонная конструкция морских сооружений подвергается воздействию нормального северного климата, она неизбежно 
подвергается воздействию хлоридов морской воды, карбонизации 
и мороза. Отдельные механизмы разрушения, такие как карбонизация, проникновение хлоридов и морозостойкость, относительно 
хорошо изучены. Для отдельных видов деградации разработаны довольно хорошие модели [57, 68]. Однако в реальной жизни комбинация нескольких механизмов деградации может привести к более 
короткому сроку службы из-за возможных синергетических 
эффектов, которые в настоящее время не рассматриваются. Взаимодействие этих механизмов до конца не изучено, поэтому за ру

бежом проводятся долговременные систематические исследования 
по изучению влияния на структуру бетона комбинированного воздействия разных механизмов деградации [68, 69]. Одним из таких 
направлений является получение данных об истинной скорости 
разрушения бетона для определения корреляции между полевыми 
испытаниями, лабораторными испытаниями и составами бетонной 
смеси. Эти исследования предопределяют необходимость в изучении широкой линейки составов бетонов с различными цементами и вяжущими материалами. Все эти данные вместе с местными 
погодными данными должны служить основой для моделирования, 
компьютерного моделирования и разработки всеобъемлющих и откалиброванных моделей срока службы [69]. Поскольку разработка 
модели долговечности бетона является сложной задачей, ее предлагают решать поэтапно (пошагово) [14]. При этом алгорит мы 
для решения предлагаются различные. Например, в качестве первого шага в процессе теоретических рассуждений должны разрабатываться простые временные модельные функции деградации. 
В качестве второго шага необходимо использовать компьютерное 
моделирование для более глубокого понимания комбинированных 
эффектов деградации. Эти комплексные модели должны служить 
в качестве инструментов для разработки более практичных инструментов для инженерных целей. Программные инструменты непрерывно разрабатывался в Финляндии в течение более 10 лет с целью 
помочь проектировщику в процессе принятия решений относительно расчета срока службы [69]. За рубежом постоянно совершенствуются эти модели на основе различных исследовательских 
программ. Например, в Финляндии систематически выполняются 
крупные проекты по исследованию долговечности бетона в режиме 
реальной эксплуатации [70], цель которых оценить взаимосвязь 
между лабораторными и полевыми испытаниями для улучшения 
модели прогноза срока службы бетона в конструкциях.
Для России обеспечение стойкости бетона в условиях морозного воздействия имеет большое практическое значение, поскольку 
преобладающая часть территории находится в климатической зоне, 
характеризуемой большой продолжительностью зимнего периода 
с отрицательными температурами. Общепринято считать [14, 17, 
23, 25, 26, 30, 31, 34, 57, 71], что одним из негативных факторов, 
влияющих на исходные данные бетона, является действие климатических факторов, и особенно циклического замораживания 
и оттаивания. Вопрос стойкости бетона и железобетона в суровых 
природно-климатических условиях эксплуатации остается актуальным в настоящее время. Нередки случаи, когда происходит 

преждевременное разрушение конструкций, отмечены случаи разрушения новых конструкций в зоне переменного уровня после первого зимнего сезона, т.е. через 3…4 месяца эксплуатации [12]. Это 
объективно свидетельствует о недостатках существующих методов 
расчета, конструирования и необходимости совершенствования 
организационно-технологических мер по обеспечению стойкости 
бетона.
Следует отметить, что применение в бетонах во второй половине прошлого столетия структурообразующих (поверхностноактивных) добавок стало принципиально новым и важным шаг ом 
в технологии бетона. С одной стороны, это позволило управлять 
структурой бетона, с другой — разработать методы проектирования составов бетона с высокими показателями морозостойкости. 
Движение в направлении усовершенствования свойств бетона 
и технологии изготовления бетонной смеси позволили разработать 
принципиальные основы технологии бетонов высокой морозостойкости [38, 72]. Опыт строительства показал, что это направление 
продуктивно и представляет определенный интерес. Основным 
достижением проведенных исследований явилось то, что была 
установлена важная роль в обеспечение высокой морозостойкости воздухововлекающих добавок [14, 24, 26, 30, 34]. Со второй 
половины прошлого века эти добавки стали широко применять 
при строительстве морских сооружений в суровых климатических 
условиях СССР. Впервые они применялись при строительстве 
в 1960 г. Кольской ПЭС. Систематические исследования по морозостойкости бетона и долговечности морских гидротехнических 
сооружений в течение 1970—1990 гг. проводились на специальных 
натурных стендах в Мурманске и на Сахалине [35—37, 60—62]. 
Цель этих исследований заключалась в изучении реальной работы 
бетона в конструкциях, которая характеризуется многофакторностью внешних воздействий. В настоящее время натурные стенды 
полностью утрачены, поэтому особое значение приобретает изучение опыта длительной эксплуатации бетона в различных климатических условиях.
В настоящее время не подвергается сомнению факт — важнейшим показателем долговечности бетона является морозостойкость. Выработанные в течение многих лет приемы получения бетонов высокой морозостойкости нашли отражение 
в нормативных документах [78, 79]. Исследователи отмечают [14] : 
сегодня нет проблем в деле изготовления долговечного бетона даже 
для весьма агрессивных и коррозионных сред. Примеры длительной 
стойкости бетона в суровых климатических условиях являются 

подтверждением того, что проектирование долговечности на предписывающей основе нормативных документов позволяет решать 
практические задачи. Однако опыт строительства и эксплуатации 
морских и транспортных сооружений в суровых климатических 
условиях показывает, что проблема обеспечения стойкости бетона 
остается актуальной и в настоящее время. Исследователи отмечают 
[40, 45], что изучение поведения конструкции во времени на основе 
мониторинга процесса эксплуатации конструкций с учетом качественных показателей бетона в конструкциях является важным аспектом для разработки практических моделей долговечности и совершенствования технологии бетона.
Анализ литературных данных показывает [24], что опыт применения в России структурообразующих (поверхностно-активных) 
добавок при строительстве морских и транспортных сооружений 
в условиях морозного воздействия практически не изучается. Имеются отдельные публикации результатов натурных исследований, 
которые не позволяют судить в полной мере об эффективности 
этих добавок. Отмечают, что изучение этого вопроса в России основано только на энтузиазме [10].
Как отмечено выше, в настоящее время появляются новые задачи, среди которых наиболее значимой является разработка методов проектирования конструкций, зданий и сооружений по жизненному циклу и широкое внедрение контрактов жизненного 
цикла. Для обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности конструкций при коррозионных воздействиях необходимо 
иметь обоснованные расчетные методы прогноза стойкости бетона на установленные сроки службы конструкций. Расчеты срока 
службы конструкций является важной экономической составляющей, поскольку основная цель проектирования — определить 
оптимальный вариант при минимальных затратах на всех этапах 
жизненного цикла конструкции. Возрастающие случаи преждевременной потери несущей способности конструкций из-за недостаточной обеспеченности нормативных свойств материалов конструкций в период эксплуатации ставят вопрос о необходимости 
вводить в нормы проектирования железобетонных конструкций 
обязательные требования по расчету долговечности [40].
Для этого необходимы исследования в области создания моделей 
долговечности для прогноза срока службы конструкций и сооружений, основанные на современных представлениях о механизмах 
разрушения бетона при действии мороза. Стремление к математизации коррозионных процессов на основе только лабораторных 
исследований без учета действительной работы и состояния бе

тона в сооружении исключает возможность получения надежных 
практических инженерных моделей долговечности бетона. Хорошо известно, что ряд агрессивных воздействий не в полной мере 
учитывается при стандартных испытаниях. Поэтому за рубежом, 
особенно в Швеции и Финляндии, реализуются долговременные 
исследовательские программы по изучению реальных условий работы бетона, когда происходит комбинация нескольких механизмов 
деградации, что может привести к более короткому сроку службы 
из-за возможных синергетических эффектов.
В связи с этим определенный интерес представляет изучение 
опыта строительства и эксплуатации портовых сооружений на побережье острова Сахалин. Особенность строительства и эксплуатации 
портовых сооружений на о. Сахалин состоит в том, что, во-первых, 
строительство портовых сооружений из бетонных конструкций 
ведется на протяжении последних 100 лет, т.е. с 20-х гг. прошлого 
века, во-вторых, эксплуатация конструкций портовых сооружений 
ведется в условиях, имеющих отличительную особенность. Эта 
особенность связана с климатическими условиями побережья юга 
острова — западное побережья острова омывается водами Японского моря, остальное побережье — водами Охотского моря. Последнее относится к числу холодных субарктических морей и является самым холодным из дальневосточных морей. Одновременное 
влияние холодного Охотского и теплого Японского морей особенно проявляется в южной части острова. Климатическое своеобразие южной части побережья о. Сахалин отражается на условиях 
эксплуатации конструкций портовых сооружений — южная часть 
Охотского моря и северная часть Японского моря никогда не замерзает. Тяжелые гидрометеорологические условия эксплуатации портовых сооружений на южном побережье Сахалина наиболее явно 
проявляются в зимний период — низкие отрицательные температуры — до минус 20°С; неспокойное море — средняя повторяемость 
волнения равна 35–50%, высота волн достигает 4–6 м; температура 
воды на поверхности моря держится около минус 2–3°С; соленость 
воды на поверхности составляет 31–33‰.
Опыт строительства на Сахалине морских портовых сооружений на протяжении почти 100 лет дает возможность оценить 
достоинства и недостатки как традиционной (классической) технологии бетона, так и современной, основанной на применении 
структурообразующих (поверхностно-активных) добавок. Следует 
отметить, что на Дальнем Востоке систематические натурные и лабораторные исследования стойкости бетона морских гидротехнических сооружений проводились с 1970 по 1990 г. в Сахалинской 

научно-исследовательской лаборатории ВНИИ транспортного 
строительства (ЦНИИС). После ликвидации в 1991 г. союзных министерств и отраслевой науки систематические исследования были 
прекращены. Однако большой объем информации по технологии 
бетона, применяемой в течение последних 50 лет в морском портовом строительстве на Дальнем Востоке, сохранился в компании 
ООО «Трансстрой-Тест», которая создана на базе Сахалинской научно-исследовательской лаборатории ВНИИ транспортного строительства (ЦНИИС) [35, 36]. Деятельность компании в течение 
50-ти лет связана со строительством морских и транспортных сооружений на Дальнем Востоке, поэтому имеется возможность квалифицированно оценивать проблемы, возникающие на этапах проектирования и строительства. Примеры длительной стойкости бетона 
в суровых климатических условиях являются подтверждением, что 
проектирование долговечности на предписывающей основе нормативных документов позволяет решать практические задачи. Однако 
мониторинг сооружений, построенных за последние 15 лет, показывает, что разрушение конструкций в зоне переменного уровня 
может происходить после непродолжительного срока эксплуатации 
[12]. Безусловно, наличие документа, в котором расписаны все требования для получения долговечного бетона, является важной составляющей, однако основополагающим условием для получения 
бетона с требуемыми показателями долговечности является возможность реализации этих требований на практике. За последние 
30 лет произошли существенные изменения в представлениях о механизмах разрушения бетона в условиях морозного воздействия, 
однако это не нашло отражения в подходах к совершенствованию 
технологии бетонных работ. Традиционно принято считать, что основным фактором внешних воздействий является многократное замораживание и оттаивание из-за цикличности приливов и отливов. 
Имитация этих условий заложена в стандартном методе испытаний 
морозостойкости бетона. Связь между морозостойкостью, выраженная количеством циклов замораживания, оттаивания (далее — 
циклы ЗО) и свойствами бетона заложена в технологических подходах на этапе подборов состава бетона и оценки качества при изготовлении конструкций. Исходя из этого, стратегия повышения 
долговечности строится на основе увеличения морозостойкости 
бетона [41]. Известный французский ученый в области технологии 
бетона Р. Лермит отмечает, что нужно время от времени пересматривать проблемы технологии бетона всякий раз в свете все более 
широких обобщений и связью идей объединять факты, лишь в силу 
привычки изучаемые в отрыве друг от друга [82].

Исходя из этого, целесообразно накопленный опыт строительства морских и транспортных сооружений на Сахалине обобщить и установить логическую связь в системе — «климатические условиями — микроклимат сооружений — структура бетона — долговечность» для морских портовых и транспортных 
сооружений.
Необходимость в систематических исследованиях долговечности бетона в морской воде возникла в середине  XIX в. в связи 
с развитием строительства портовых сооружений и началом широкого применения цемента в бетонах для морских гидротехнических сооружений [14, 23, 83]. По мере того как бетон становился 
основным материалом в строительстве морских портов, возник 
вопрос о причинах прогрессирующего разрушения отдельных сооружений. Был установлен факт, что наряду с быстро разрушающимися сооружениями имеются сооружения, выполненные из тех 
же материалов и находящиеся в одинаковых условиях эксплуатации, но имеющие удовлетворительное состояние. Первый опыт 
неудачного применения бетона в морских гидротехнических сооружениях показал, что вопрос о стойкости цементных растворов и бетонов в морской воде является сложным ввиду многочисленных 
действующих факторов и для разрешения вопроса о стойкости бетона в морской воде необходимы систематические исследования. 
Аналитический обзор литературных данных по вопросу изучения 
стойкости бетона в морской воде [14, 17, 23, 38, 41, 47, 52, 60, 61, 83, 
85—88] показал, что можно условно выделить характерные этапы 
исследований, на основании которых формировались представления о влиянии морской воды как агрессивного фактора, воздействующего на бетон:
1-й этап — период 1850—1900 гг., характеризовался исследованиями влияния цементного вяжущего на стойкость бетона, которые 
позволили сделать следующие выводы:
— причины разрушения связаны не только с морской водой, 
но и со свойствами бетона;
— при определенных показателях плотности и водонепроницаемости гидравлические цементы могут обеспечить стойкость бетона 
в морской воде ;
2-й этап — период 1900—1950 гг., характеризовался изучением 
условий эксплуатации бетона, которые включали исследования 
влияния солености морской воды; климатических условий; биологических факторов. В результате исследований установлено:
— климатические условия имеют решающее значение для долговечности бетона;