Corrosion et protection des armatures - Colloque Le Pont ... · • Cas du béton carbonaté :...

Corrosion et protection des armatures

Guy TACHÉ (CEFRACOR)

• 1) Corrosion des armatures : ce que l’on sait et ne sait pas

• 2) Corrosion en milieu hydraulique (hors milieu marin)

1

• Comment les armatures se corrodent ?

• Comment prévenir la corrosion ?

• Comment les protéger ?

• Nota : liste non exhaustive

Les processus de corrosion

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

Na+

Cl-

H+

ia

H O2

OH-

e-

anode

Cl-

Les processus de corrosion

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

Na+

Cl-

H+

ia

H O2

OH-

e-

anode

Cl-

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

e-Ox

q

Redq-1

ic

H O2

M++

M++

M++M++

M++

M++

M++

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

cathode

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

Na+

Cl-

H+

ia

H O2

OH-

e-

anode

Cl-

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

e-Ox

q

Redq-1

ic

H O2

M++

M++

M++M++

M++

M++

M++

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

cathodeCourant de corrosion

Les processus de corrosion

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

Na+

Cl-

H+

ia

H O2

OH-

e-

anode

Cl-

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

e-Ox

q

Redq-1

ic

H O2

M++

M++

M++M++

M++

M++

M++

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

cathodeCourant de corrosion

Les processus de corrosion

Variation du potentiel: polarisation

La passivité de l’acier

- Formation d’oxydes protecteurs, stables

- Nécessité d’alcalinité, d’oxygène et d’eau

Mécanisme de la corrosion des armatures 9

pH

8

9

10

11

12

13

14

5 h 2j 7j 28j 3 mois 6 mois 13 mois 2 ans

Mécanisme de la corrosion des armatures 10

716 715 714 713 712 711 710 709 708 707 706 7050

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

1h= To

2 days

1 month

3 months

6 months

8 months

Inte

nsi

ty (

arb

itra

ry u

nit

s)

Binding energy (eV)

Exemple: Immersion acier poli dans une solution de 0,1 M NaOH (pH = 12,8)

Spectres XPS Fe-2p3/2 après différents temps d’immersion

Etude de la passivité en laboratoire

F. MISERQUE, B. HUET, D. BENDJABALLAH, G. AZOU, V. L’HOSTIS, H.

IDRISSI, proceedings of the Eurocorr 2005 conference, ISBN 972-95921-2-8.

Mais en réalité….

L’armature s’oxyde à l’atmosphère avant d’être noyée dans le béton….

Mécanisme de la corrosion des armatures 13

Exemple: Armatures de la Maison du Brésil (Cité U, Paris) : 50 ans

Etude de la passivité à l’aide de « retours d’expérience »

V. L’HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET,

Proceedings of the Eurocorr 2007.

Béton

10 µm

Métal

Mécanisme de la corrosion des armatures 14

Béton

10 µm

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

385

299676

Wave number (cm-1)

Goethite

a-FeOOH

V. L’HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET,

Proceedings of the Eurocorr 2007.

Etude de la passivité à l’aide de « retours d’expérience »

Métal

Mécanisme de la corrosion des armatures 15

Béton

10 µm

0

50

100

150

200

250

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Wüstite

659

Wave number (cm-1)

FeO

V. L’HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET,

Proceedings of the Eurocorr 2007.

Etude de la passivité à l’aide de « retours d’expérience »

Métal

Mécanisme de la corrosion des armatures 16

Béton

10 µm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Magnetite670

Fe3O4

V. L’HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET,

Proceedings of the Eurocorr 2007.

Etude de la passivité à l’aide de « retours d’expérience »

Métal

Mécanisme de la corrosion des armatures 17

Béton

10 µm

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Hematite

411

293

227

1326

Wave number (cm-1)

a-Fe2O3

V. L’HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET,

Proceedings of the Eurocorr 2007.

Etude de la passivité à l’aide de « retours d’expérience »

Métal

Mécanisme de la corrosion des armatures 18

Béton

10 µm

Epaisseur 10-50 µm

V. L’HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET,

Proceedings of the Eurocorr 2007.

Etude de la passivité à l’aide de « retours d’expérience »

Métal

DEGRADATION

TEMPS

Etat limite de service

Défauts détectables

Défauts visibles

Induction de la corrosion Croissance

DEGRADATION

TEMPS

Etat limite de service

Défauts détectables

Défauts visibles

Induction de la corrosion Croissance

O2 Cl- CO2 H2O

DEGRADATION

TEMPS

Etat limite de service

Défauts détectables

Défauts visibles

Induction de la corrosion Croissance

O2 Cl- CO2 H2O

DEGRADATION

TEMPS

Etat limite de service

Défauts détectables

Défauts visibles

Induction de la corrosion Croissance

O2 Cl- CO2 H2O

Diagnostic

DEGRADATION

TEMPS

Etat limite de service

Défauts détectables

Défauts visibles

Induction de la corrosion Croissance

Réparation, méthodes électrochimiques

DEGRADATION

TEMPS

Etat limite de service

Défauts détectables

Défauts visibles

Induction de la corrosion Croissance

? 24/06/2010 24 Rencontre Cefracor N°13

Protection contre la corrosion

DEGRADATION

TEMPS

Etat limite de service

Défauts détectables

Défauts visibles

Induction de la corrosion Croissance

O2 Cl- CO2 H2O

Amorçage (« initiation »)

Comment prévenir la corrosion

• Augmenter l’enrobage

• Améliorer la qualité du béton

• Inhibiteurs incorporés

• (Revêtements sur béton)

• Armatures galvanisées

• Armatures acier inox

• (Armatures revêtues époxy)

Protection contre la corrosion: amélioration de la qualité du béton

• Objectif : ralentir la pénétration des agents agressifs

• Diminution du rapport E/C

• Additions au ciment (par ex : laitier)

• Attention à ne pas réduire la capacité du complexe à protéger les armatures (maintien de la passivité)

DEPASSIVATION

1) Carbonatation

2) Chlorures

Carbonatation

• Mécanisme connu

• Propagation = f(t) : complexe (t ½)

• Détermination de la profondeur de carbonatation in situ

• On ne sait pas: Mesurer le pH in situ, de manière non destructive

• Rapporter toujours à des enrobages

Chlorures

• Origine : milieu marin et sels de déverglaçage

• Pénétration : plusieurs modèles

• Dépassivation : complexe (pas seulement « pitting»)

• Existe-t-il une teneur limite en chlorures ?

• Probablement pas de valeur unique

• Signification ?

32

Chlorures: aspect macroscopique

• Formation d’interstices, ou cellules occluses

• Echange de matière réduit entre l’intérieur de la cellule et l’extérieur,

• Modification de la chimie locale

• Formation de rouille verte (GRII)

• Dissolution des armatures

33

• [OH-] : nature du ciment, teneur en K, dosage, additions, rapport [Cl-]/[OH-]

• Conditions rédox : teneur en O2 à l’interface acier/béton (porosité, humidité,...)

• Effet physique : présence de vides ou cavités

Chlorures: paramètres influant sur la teneur limite

Composition de la solution interstitielle

mmoles / kg

0

50

100

150

200

250

300

350

5 h 2j 7j 28j 3 mois 6 mois 13 mois 2 ans

CaO

Sulfates

K2O

Na2O

Courants « vagabonds »

• Courants induits (lignes HT à proximité ou dans les structures en BA ou BP)

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

e-Ox

q

Redq-1

ic

H O2

M++

M++

M++M++

M++

M++

M++

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

cathode

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

M++

Na+

Cl-

H+

ia

H O2

OH-

e-

anode

Cl-

Armatures passives

Armatures déjà en corrosion

Ligne HT

Réseau armatures

Cd

Rs

Rt

Rp

Cd

Rs

Rt

Rp

Z

f --> 0

Courants « vagabonds induits»

• 1. Etudes statistique sur ouvrages équipés

• 2. Mesures comparatives sur ouvrages équipés et non

• 3. Expérimentations sur éprouvettes

Diagnostic

• Méthodes non destructives

• Vitesse de corrosion

• Ce que l’on ne sait pas faire

« Vitesse » de corrosion

• On ne sait pas « mesurer » une vitesse de corrosion.

• L’électrochimie analyse les relations E=f(i)

• Les procédés « injectent » des courants i (impulsions, variations) et analysent les perturbations de potentiel E: Résistance de polarisation, dont on déduit V corr

• Les courants mesurés sont très faibles et sujets à de multiples erreurs (stabilité)

• Cas du béton carbonaté : faible vitesse de corrosion et formation de couches d’oxydes résistantes, voire de fissuration de l’interface acier béton.

l’intérêt de ces mesures est très limité

• Dans ce cas, la mesure de résistance de polarisation n’a pas de signification physique, pas plus que sa transformation par un artifice de calcul en vitesse de corrosion.

Cas 1 : Mesures dans le cadre d’un diagnostic

(mesure instantanée) :

A réaliser après le tracé de la cartographie

• des potentiels.

Confirmation de l’état de corrosion des armatures

• dans les zones anodiques décelées

• Cas 2 : Pour un suivi d’ouvrage : plusieurs mesures dans le temps, en tenant compte des saisons (périodes de pluies ou d’aspersion des zones concernées). Une intégration des courants est nécessaire. Une même méthodologie de mesure, et le même appareillage doivent être utilisés.

Curatif: Protection cathodique et

galvanique • Courant imposé : recul important. Problèmes

technologiques à résoudre, durabilité des équipements, maintenance.

• Anodes galvaniques : recul plus faible, nécessité d’études à la conception, et de contrôles

• Certification : point clé du développement de cette technique

Inhibiteurs

• Incorporés dans le béton: ont besoin d’être efficaces lorsque la corrosion s’amorce, après…….20 à 50 ans, au bon endroit…..

• En réparation : appoint dans les zones où la corrosion ne s’est pas encore amorcée.

Armatures galvanisées

• Manipulation et mise en œuvre comme des armatures en acier « noir ». Problème des soudures, galvanisation après façonnage, couplage galvanique en milieu chlorures

• Milieu « carbonaté »: protection par formation d’une couche passive

• Milieu « chlorures »: augmente la durée de vie

Armatures en acier « inoxydable »

• C’est une question de « nuance » et de « coût »

• Diminution des enrobages : Λ C dur, st

• Pour S4 : diminution de 5 à 20 mm selon la classe d’exposition

• >>Aciers de type duplex

• >> Structures à haute valeur, pour une longue durée de vie

2 Béton en milieu hydraulique

(hors milieu marin)

• Hors d’eau

• Dans l’eau

Raupach 1994

Le béton

Cas courant d’un béton soumis à la pluie, aux éclaboussures, aux sels de déverglaçage,…..

Béton immergé

Réservoir sur tour

Documentation Freyssinet

Réservoir sur tour

Réservoir sur tour

Réservoir sur tour

Station d’épuration Digesteur

STEP Digesteur

STEP Digesteur

STEP Digesteur

STEP Digesteur

Biodéterioration des matériaux 2-3 octobre 2008

65

H2O, Oxygène

Biodéterioration des matériaux 2-3 octobre 2008

66

Formation de gypse,

principalement

Biodéterioration des matériaux 2-3 octobre 2008

67

RESEAUX D'ASSAINISSEMENT

• Principales conclusions :

• Confirmation du mécanisme d’attaque des bétons (bactéries > acide sulfurique)

• Importance de la qualité du béton : environnement XA3 ou XA4, ciment ES,E/C=0,45, Dosage 385 kg/m3

• Importance de la présence de l’oxygène pour la prolifération bactérienne.

Biodéterioration des matériaux 2-3 octobre 2008

68

• Corrosion des armatures : uniquement après que le béton d’enrobage ait été complètement dégradé

Barrages hydrauliques hors d’eau

• Carbonatation, essentiellement

Doc Parex Lanko

Dans l’eau

• Qualité de l’eau

• Calcium, HCO3-

• Formation d’une couche de CaCO3, en surface, colmatage des fissures

• Autres ions (chlorures, sulfates) : faible action

Corrosion et protection des armatures

Guy TACHÉ (CEFRACOR)

Je vous remercie de votre attention