Прогнозирование долговечности конструкционного бетона при агрессивных воздействиях

Москва
ИНФРА-М
2024

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
КОНСТРУКЦИОННОГО БЕТОНА 
ПРИ АГРЕССИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Ñ.Í. ËÅÎÍÎÂÈ× 
Â.Â. ÄÎÐÊÈÍ
Î.Þ. ×ÅÐÍßÊÅÂÈ×
À.Â. ÑÒÅÏÀÍÎÂÀ 

МОНОГРАФИЯ

Под научной редакцией С.Н. Леоновича

Леонович С.Н.
Л47 
 
Прогнозирование долговечности конструкционного бетона при 
агрессивных воздействиях : монография / С.Н. Леонович, В.В. Доркин, 
О.Ю. Чернякевич, А.В. Степанова ; под науч. ред. С.Н. Леоновича. — 
Москва : ИНФРА-М, 2024. — 211 с. — (Научная мысль). — 
DOI 10.12737/monography_5bc5aae8d83673.12784660.

ISBN 978-5-16-014361-3 (print)
ISBN 978-5-16-106892-2 (online)

Монография посвящена прогнозированию долговечности железобетонных 
конструкций, деструкция которых связана с коррозией стальной арматуры, 
вызванной хлоридной агрессией или карбонизацией бетона.
На основе всестороннего анализа моделей расчета срока службы конструкций 
и экспериментальных данных отдано предпочтение математической модели 
Dura Crete. Рассмотрены жизненные циклы для основных деградационных 
процессов в бетоне и арматуре, периоды инициирования и распространения 
коррозии. Особое внимание уделено учету влияния факторов внешней среды 
и качества бетона на кинетику проникновения хлоридов и перемещение фронта 
карбонизации. Сформулированы предельные состояния железобетонных 
конструкций по долговечности при хлоридной агрессии и карбонизации. Разработаны 
основные положения метода расчета долговечности железобетонных 
конструкций, основанного на применении коэффициента надежности по сроку 
службы. Произведена практическая оценка срока службы железобетонных 
элементов с учетом стохастических процессов в бетоне и арматуре. Выполнена 
верификация достоверности модели.
Для всех интересующихся вопросами строительных материалов и происходящих 
в них процессов.

УДК [691.32+539.3/4](075.4)
ББК 38.33:30.121

УДК [691.32+539.3/4](075.4)
ББК 38.33:30.121
 
Л47

©  Леонович С.Н., Доркин В.В., 
      Чернякевич О.Ю., Степанова А.В.,
      2019 
ISBN 978-5-16-014361-3 (print)
ISBN 978-5-16-106892-2 (online)

Р е ц е н з е н т ы: 
Орешкин Д.В., доктор технических наук, профессор;
Бусел А.В., доктор технических наук, профессор 

А в т о р ы: 
Леонович С.Н., доктор технических наук, профессор, декан строительного 
факультета Белорусского национального технического университета;
Доркин В.В., доктор технических наук, профессор; 
Чернякевич О.Ю., кандидат технических наук, помощник генерального 
директора коммунального унитарного предприятия «Брестжилстрой»;
Степанова А.В., магистр технических наук, старший преподаватель кафедры «
Строительные технологии и конструкции» факультета «Промышленное 
и гражданское строительство» Белорусского государственного 
университета транспорта

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Перечень условных обозначений ............................................... 6 
 
Глава 1. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ 
КАРБОНИЗАЦИИ БЕТОНА ....................................................... 9 

1.1. Подходы к оценке долговечности и модели  

расчета долговечности .................................................... 9 

1.1.1. Разрушение железобетонных конструкций ............ 9 
1.1.2. Модели расчета срока службы конструкции ......... 17 
1.1.3. Вероятностные методы вычислений ....................... 25 

1.2. Верификация моделей по карбонизации бетона .......... 33 

1.2.1. Математическая модель карбонизации .................. 33 
1.2.2. Прогнозирование развития глубины и скорости  

карбонизации бетона по уравнению Таманна ........ 46 

1.2.3. Анализ экспериментальных данных  

карбонизации бетона ................................................ 48 

1.2.4. Анализ теоретических и экспериментальных  

значений глубины и скорости карбонизации  
бетона ......................................................................... 53 

1.3. Применение вероятностной модели карбонизации  

для железобетонных элементов, эксплуатируемых  
в условиях Республики Беларусь ................................... 57 

1.3.1. Методика расчета и определение карбонизации  

в бетоне без трещин для условий Республики  
Беларусь ..................................................................... 57 

1.3.2. Вероятностные модели базисных переменных ...... 58 
1.3.3. Вероятностный расчет глубины и скорости  

карбонизации бетона в конструкциях,  
эксплуатируемых в Республике Беларусь .............. 65 

1.4. Применение вероятностного расчета для  

определения индекса надежности ................................. 71 

1.4.1. Применение вероятностного расчета глубины  

карбонизации для обоснования величины  
защитного слоя бетона в ЖБК в СНБ 5.03.01-02 ...... 71 

1.4.2. Вероятностный расчет глубины карбонизации  

для ХС1 и ХС3 классов по условиям  
эксплуатации ............................................................. 74 

Библиографический список ............................................................ 82 

 

Глава 2. ХЛОРИДНАЯ КОРРОЗИЯ БЕТОНА ........................ 87 

2.1. Общее состояние исследований ..................................... 87 

2.1.1. Модели прогнозирования ресурса и срока  

службы ....................................................................... 87 

2.1.2. Основные подходы и критерии для  

прогнозирования срока службы .............................. 90 

2.1.3. Срок службы железобетонных конструкций ......... 93 
2.1.4. Методы расчета срока службы ................................ 95 
2.1.5. Методы вычисления ................................................. 102 
2.1.6. Условия работы конструкций,  

взаимодействующих с агрессивными  
хлоридсодержащими средами ................................. 103 

2.1.7. Направление, объекты, цель и задачи  

исследований ............................................................. 104 

2.2. Анализ моделей долговечности для деградационных  

процессов в бетоне и арматуре ...................................... 106 

2.2.1. Жизненные циклы. Периоды инициации и  

распространения коррозии ....................................... 106 

2.2.2. Исследование моделей долговечности для  

оценки срока службы ............................................... 108 

2.2.3. Период инициирования – проникновение  

хлора в бетон ............................................................. 113 

2.3. Учет влияния факторов внешней среды на  

кинетику проникания хлоридов в объем  
конструктивных элементов ............................................ 135 

2.3.1. Температура, В/Ц, время, влажность ...................... 135 
2.3.2. Климатические условия (на примере  

автомобильных дорог)  ............................................. 144 

2.4. Расчет долговечности железобетонных элементов  

в формате метода предельных состояний ..................... 167 

2.4.1. Жизненные циклы конструкции. Предельные  

состояния по долговечности .................................... 167 

2.4.2. Основные положения метода расчета  

долговечности железобетонных конструкций,  
основанного на применении  
коэффициента надежности по сроку службы ........ 168 

2.4.3. Определение коэффициента безопасности по  

сроку службы ............................................................ 171 

2.4.4. Определение характеристик надежности при  

логнормальном законе распределения срока  
службы ....................................................................... 173 

2.4.5. Практическая оценка срока службы  

железобетонных элементов с учетом  
стохастического характера коррозионного  
процесса в бетоне и арматуре .................................. 176 

2.5. Применение вероятностной модели прогнозирования  

срока службы железобетонных конструкций при  
воздействии хлоридсодержащих жидких сред для  
условий Республики Беларусь ....................................... 185 

2.5.1. Вероятностные модели базисных переменных.  

Факторы модели инициирования ............................ 185 

2.5.2. Факторы модели распространения .......................... 188 
2.5.3. Верификация достоверности модели ...................... 188 
2.5.4. Примеры использования модели ............................. 190 

Библиографический список ............................................................ 201 

 
 

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 

 

Буквы латинского алфавита 

а 
– толщина защитного слоя бетона 

аСО2 
– коэффициент, учитывающий способность СО2 закрепляться 

в бетоне 

аСО3 
– количество карбонатного материала в бетоне 

С 
– коэффициент, зависящий от содержания связанного гид-

равлического компонента в бетоне 

ССО2 
– необходимая концентрация СО2 для превращения всех про-

дуктов в карбонаты 

СS,emi 
– дополнительная концентрация СО2 вследствие дополни-

тельных источников загрязнения воздуха (в городе, туннеле) 


Сs,atm 
– концентрация СО2 в атмосфере 

СS
– концентрация углекислого газа на поверхности бетона или 

в окружающем воздухе 

D′ 
– эффективный коэффициент диффузии углекислого газа в 

карбонизированном бетоне 

Dв 
– постоянная диффузии бетона 

Dс 
– коэффициент диффузии в зависимости от влажности бетона 

Deff,0
– эффективный коэффициент диффузии в сухом карбонизи-

рованном бетоне для диоксида углерода при определенном 
уплотнении, условиях твердения и внешних условиях 

DH 
– степень гидратации цемента 

fc 
– прочность на сжатие 

fк 
– степень карбонизации бетона 

K 
– величина, характеризующая скорость процесса карбониза-

ции 

kc 
– коэффициент, учитывающий условия твердения бетона 

kц 
– коэффициент, определяющий влияние вида цемента 

kRH 
– коэффициент, учитывающий воздействие влажной окру-

жающей среды 

kt 
– коэффициент, который учитывает влияние метода испытаний 


mc 
– содержание цемента в 1 м3 бетона 

mCaO 
– содержание СаО в цементе 

mо
– количество углекислого газа, поглощенного единицей объ-

ема бетона (реакционная емкость бетона) 

Rc 
– сопротивление диффузии углекислого газа в карбонизиро-

ванном слое бетона 

1

0,

ACC
R
– обратное эффективное сопротивление карбонизации бето-

на, твердевшего и испытанного в лабораторных условиях 
согласно ускоренному методу испытания 

1

0,

NAC
R
– обратное сопротивление карбонизации сухого бетона в об-

разцах естественной карбонизации 

RHreal 
– относительная влажность воздуха по информации с бли-

жайшей метеостанции 

RHref 
– эталонная влажность, 65% 

хс 
– глубина карбонизации бетона 

хс(tp) 
– глубина карбонизации за время tp 

pf 
– вероятность отказа конструктивного элемента 

pSL 
– вероятность увлажнения поверхности из-за дождя 

p0 
– заданная вероятность отказа 

p{} 
– вероятность депассивации 

R 
– сопротивление элемента, зависящее от нескольких значе-

ний xi 

S 
– нагрузка на элемент, зависящая от нескольких значений yi 

t 
– время (агрессивного) воздействия 

t0 
– эталонный период 

tс 
– продолжительность ухода за бетоном 

tсл 
– расчетный срок службы 

tр 
– проектный срок службы 

ТoW 
– влажное время 

Z 
– надежность элемента 

w 
– показатель погоды 

W(tp) 
– функция, учитывающая влияние климатических параметров 

 

Буквы греческого алфавита 

– (генеральный) индекс надежности 

target 
– целевой индекс надежности 

t 
– погрешность, обусловленная использованием ускоренно-

го метода карбонизации 

– среднее значение 

– стандартное отклонение 

Ф() 
– вероятностная функция стандартизированного нормаль-

ного распределения 

 

Обозначения законов распределения случайных величин 

Beta 
– бета-распределение 

N,  
Normal 

– нормальное распределение 

LN,  
LogNorma 

– логнормальное распределение 

Ехр 
– экспоненциальное распределение 

det 
– детерминированное значение переменной 

 
 

ГЛАВА 1 

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ 

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ  

ПРИ КАРБОНИЗАЦИИ БЕТОНА
 

1.1. Подходы к оценке долговечности и модели расчета  

долговечности 

 

1.1.1. Разрушение железобетонных конструкций 

 
Разрушение железобетонных конструкций – процесс, зависящий 

от времени, где имеют место множество химических и физических 
процессов. Зная различные процессы деградации и влияющие на 
них факторы (свойства материалов, внешние процессы), можно 
оценить срок службы для железобетонных конструкций. На рисунке 
1.1 представлены основные процессы деградации железобетонных 
конструкций. 

 

Свойства бетона 

Прочностные характеристики или свойства 

Проникновение 
хло-

ридов 

Сульфатное 
поглощение 

Водо-
насы-
щение 

Карбо-
низа- 
ция 

Проникновение 

щелочи 

Свойства проницаемости 

Кислородная 
диф-

фузия 

Водона-
сыще- 

ние 

Насыщение 

солевым 
раствором 

Разрушающее 
воздействие 
соли 

Разрушаю- 
щее воздействие 
мороза 

Разрушающее 
воздей-

ствие 
щелочи 

Расширение 

геля (при 

загустении) 

Pазрушающее 

сульфатное 
воздействие 

Коррозия 
арматуры 

Производство бетона 

Образование трещин 

Рис. 1.1. Деградация железобетонных конструкций 

                                                            

Глава 1 написана на основе диссертационной работы Чернякевич О.Ю. «Прогнозирование 
долговечных железобетонных конструкций при карбонизации бетона», 
выполненной под руководством автора. 

Анализу разрушения железобетонных конструкций при агрес-

сивных воздействиях посвящен ряд публикации последних лет: 
Frederiksen [50], Basheer [33], Broomfield [35], Sandberg [61], Moller 
[55], Шпете [31], Бабицкий В.В. [6], Васильев А.И. [11], Petersson 
[59]. 

Свойства материалов и окружающая среда не постоянны, они 

изменяются во времени. Для определения влияния этих параметров 
на долговечность железобетонной конструкции необходимо знать 
их изменение во времени. Изменение во времени факторов влияния 
связано с изменением несущей способности конструкции, которая 
определяется главным образом прочностью бетона. Изменение 
свойств определяется исходя из химических и физических воздействий 
на конструкцию. Математически это может быть выражено 
как (1.1): 

 
P(t) = f(P0,E(t), G(t),t), 
(1.1) 

где P(t) – рассматриваемое свойство; P0 – начальное значение свойства; 
E(t) – внешние воздействия как функция времени; G(t) – геометрия 
конструкции как функция времени; t – время. 

С помощью выражения (1.1) можно определить характеристику 

P(t) в любое время. В то же время можно определить критический 
уровень, соответствующий предельному состоянию. 

 
Действие углекислого газа на железобетон. Карбонизация. 

Начало изучения процессов газовой коррозии бетона и железобетона 
положено работами Москвина В.И., Иванова Ф.М., Алексеева 
С.А., Розенталя Н.Н., Степановой В.Ф. [1, 2, 13, 19, 20], однако 
проблема до сих пор остается актуальной. Проникновение газов в 
железобетонные конструкции стимулирует коррозию арматуры. 
Глубина проникновения углекислого газа и условия контакта газа с 
арматурой характеризуют долговечность бетона. Главные факторы, 
влияющие на протекание газовой коррозии в железобетонных конструкциях, 
следующие: отсутствие на поверхности арматуры пленки 
воды, минимальное содержание влаги, высокая температура, неоднородность 
химического состава арматуры. 

Действие на железобетон газовых сред определяется видом и 

концентрацией кислоты, конденсирующейся на поверхности и в 
порах защитного слоя бетона. Агрессивное действие распростра-

ненных кислых газов СО2 состоит в нейтрализации поверхностного 
слоя бетона и образования в нем соединений, влияющих на свойства 
бетона. Углекислый газ в бетоне соединяется с растворенным 
гидроксидом кальция, нейтрализуя его и обусловливая потерю защитных 
свойств бетоном поверхностного слоя. 

Концентрация углекислого газа на поверхности бетона прямо 

влияет на глубину фронта проникновения углекислого газа. 

 

 
Факторы, влияющие на накопление СО2 

Концентрация СО2 

на поверхности 

бетона 

Условия внешних 

воздействий 
(влажность, 
температура) 

Свойства 

проницаемости 

Вяжущая 

способность или 

химическая 

реакция 

Структура и 

гранулометрический 

макс. размер 
заполнителя 

Качество 

микроструктуры 

бетона 

Тип и 

количество 

цемента 

В/Ц 
Тип и 

количество 

цемента 

 

Рис. 1.2. Факторы, влияющие на накопление углекислого газа 

 
Критическая концентрация СО2 в приарматурной зоне бетона 

(слой бетона, непосредственно соприкасающийся с поверхностью 
арматуры) является одним из основных факторов, определяющих 
длительность пассивного состояния стали. При накоплении СО2 в 
количестве, превышающем критическое, наступает переход стали 
из пассивного состояния в активное с неизбежной последующей 
коррозией. Фактически критическая концентрация СО2 определяет 
продолжительность индукционного периода, без чего невозможно 
корректно прогнозировать долговечность железобетонных конструкций 
в условиях карбонизации. 

Среднее содержание СО2 в атмосфере равно примерно 0,03% по 

объему. При плохой вентиляции строительные конструкции могут 
находиться и при более высоком содержании СО2 (в подвалах, туннелях, 
подземных гаражах, стойлах для животных). Согласно ТКП 
45-2-01-111 [13] при концентрации углекислого газа до 200 мг/м3 
среда считается слабоагрессивной. 

Необходимо отметить, что критическая концентрация СО2 зави-

сит от влажности; качества защитного слоя бетона; типа и количе-

ства цемента; проницаемости бетона, В/Ц, времени и условий ухода 
за бетоном; температуры. 

После карбонизации защитного слоя бетона на всю его глубину 

интенсифицируется коррозия стальной арматуры, которая является 
основной причиной разрушения железобетонных конструкций. 

При карбонизации рН понижается. Слой оксида железа, который 

защищает арматуру от коррозии, разрушается, и начинается коррозия. 
Карбонизация может быть разделена на два этапа: проникновение 
углекислого газа через карбонизированный бетон к фронту карбонизации 
и химическая реакция между проникшим углекислым 
газом и карбонатами Са(ОН)2. 

В результате реакции взаимодействия гидроксида кальция с 

находящимся в воздухе углекислым газом образуется карбонат 
кальция. 

 
3
2
CaCO
CO
CaO
, 

 
O
H
CaCO
CO
OH
Ca
2
3
2
2
. 

В результате этой реакции щелочность поровой жидкости бетона 

защитного слоя снижается ниже границы пассивации (рН = 11,8), 
что приводит при определенных условиях к активации стали с последующей 
ее коррозией. 

Диффузионная часть карбонизации – это распространение угле-

кислого газа, другого газа, воздуха в карбонизированном бетоне. 
Углекислый газ транспортируется в некарбонизированный бетон, 
где происходит химическая реакция и образуется карбонат кальция 
СаСО3. Через некоторое время образуется граница, проходящая 
между карбонизированным и некарбонизированным бетоном, 
названная глубиной карбонизации. 

 
Теоретические подходы к оценке влияния технологических 

факторов и внешней среды на карбонизацию бетона. Эксплуатация 
в атмосферных условиях часто способствует разрушению железобетонных 
конструкций. Зависимость глубины карбонизации от 
В/Ц отношения, содержания и типа цемента, вида и количества добавки, 
времени твердения бетона во влажностных условиях, вида 
покрытия бетона, добавки микрокремнезема и молотой золы уноса 
рассмотрено в исследовании Andrade C. [32].  

К настоящему времени в ряде работ [1, 2, 24, 29] сформулирова-

ны следующие основные подходы: 

1) глубина карбонизации линейно зависит от водоцементного 

отношения: с увеличением В/Ц глубина карбонизации увеличивается; 


2) при жестких бетонах (В/Ц = 0,3) карбонизация бетона практи-

чески может не учитываться; 

3) вид и содержание цемента в бетоне влияют как на способность 

связывать, так и на диффузионное сопротивление углекислого газа; 

4) глубина карбонизации обратно пропорциональна расходу це-

мента; 

5) с уменьшением содержания портландцементного клинкера в 

цементе карбонизация ускоряется; 

6) пластифицирующие добавки замедляют процесс карбониза-

ции в бетоне. Воздухововлекающие и газообразующие добавки способствуют 
уменьшению проницаемости бетона; 

7) условия твердения существенно влияют на скорость карбони-

зации. После пропаривания бетоны карбонизируются в два раза 
быстрее, чем при твердении в течение 28 суток в нормальных влажностных 
условиях; 

8) уход за бетоном (сохранение при твердении бетона его влаж-

ностного состояния) исключает раннее высушивание, повышается 
степень гидратации, а проницаемость бетона для газов с увеличением 
длительности ухода понижается. 

Факторы внешней среды (влажность, температура) влияют на 

скорость карбонизации бетона. 

Диффузия углекислого газа в воздухе происходит примерно 

в 10 000 раз быстрее, чем в воде, увлажняющей защитный слой бетона. 
В водонасыщенном бетоне карбонизацией можно пренебречь. 
Карбонизация бетона под открытым небом протекает в 3-4 раза 
медленнее, чем внутри сухих отапливаемых помещений [29]. 

С увеличением температуры окружающей среды скорость кар-

бонизации возрастает [29]. Для конструкций, подвергающихся тепловым 
воздействиям, и конструкций в районах с жарким сухим 
климатом следует учитывать ускорение процесса карбонизации. 
При отрицательных температурах карбонизацией практически 
можно пренебречь. При натурных обследованиях и в расчетах долговечности 
длительность карбонизации бетона необходимо коррек-