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Corrosion des câbles

de précontrainte

UR Structures Métalliques et à Câbles

Département SOA

CABLES 2012- Nantes - 27&28 Novembre 2012Laurent Gaillet

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Introduction

Quelques rappels sur la précontrainte

- Béton précontraint = avantages en termes de coûts et de facilité de construction

- Fiabilité de la précontrainte car évolution continuelle des procédés + réglementation importante

- Certains problèmes techniques dont la cause majeure attribuée la corrosion des câbles de précontrainte

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Modes d'élaboration des armatures

Composition chimique (acier non ou peu allié)

Caractéristiques mécaniques liées au mode d'élaboration

Fil (1) ---- > patentage ----> tréfilagemachine (2) ---- > austénitisation (950°C) ----> trempe ----> revenu (400°C)

Elément C Mn Si P S

Teneur (%) 0.6-0.9 0.5-0.7 0.2-0.3 < 0.02 < 0.025

(principaux éléments d'un acier eutectoide)

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Propriétés mécaniques- 1000 < Rm > 2000 Mpa- Allongement > 3.5 %- coeff. Striction > 20-25 %

Microstructures finales obtenues(1) = perlite fine majoritaire avec une texture fortement orientée

(2) = martensite ou bainite majoritaires

Sensibilité à la CSC suivant microstructure

Microstructure perlitique d’un fil obtenu par Tréfilage (MEB)

Microstructure martensitique d’un fil obtenu par Trempe (MEB)

Modes d'élaboration des armatures

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Toron 7 fils (fil central + 6 fils entourés hélicoïdalement

Types d'armature- Fil unitaire ou ensemble de fils : torons- Barres de # diamètres- Crantage ou non- Revêtues ou non d’une protection (alliages base

zinc ou organique)

Dispositifs d'ancrage

Caractéristiques des câbles

Ancrage en précontrainte par clavette

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Principales causes et localisation

Etanchéité défectueuse de la structure (chapes d’étanchéité, des joints de chaussée,…)

Matériaux et processus de construction inadaptés (bétons, aciers,…)

Mauvaise injection de la gaine (remplissage partiel, poches d’air,…)

Acier

Gaine

Coulis de ciment

Absence de couliset / ou

Eau de ressuage

Ségrégationet / ou

Acier

Gaine

Coulis de ciment

Absence de couliset / ou

Eau de ressuage

Ségrégationet / ou

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Différentes formes de corrosion

Manifestation de la corrosion - Présence de chlorures, carbonates, sulfates, etc.

- Corrosion par dissolution : Réduction de section plus ou moins homogène

- Corrosion localisée : ruptures locales de la couche passive sur défauts de surfaces

- Corrosion sous contrainte : action de la contrainte associée à la corrosion localisée. Amorçage et propagation d’une fissuration

Faciès de ruptureCorrosion par plaques de dissolution et

piqûres de corrosion

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Mécanisme de CSC induite par l'Hydrogène (H-CSC)

3 Fe

2+

+ 4 H

2

O <---> Fe

3

O

4

+8 H

+

+ 2 e-

puis H

ad

---> H

ab

ou 2 H

ad

----> H

2

Zone anodique : Fe ----> Fe2+ + 2 e-

Zone cathodique (pH > 7 ) : 1/2 O2 + H2O + 2 e- ---> 2 OH-

Condition de cellule occluse : taux O2 , hydrolyse des ions Fe2+

3 Fe2+ + 4 H2O <---> Fe3O4 +8 H+ + 2 e-puis Had ---> Hab ou 2 Had ----> H2

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On peut arbitrairement distinguer pour ce phénomène 3 phases :- Phase d'amorçage

- Phase de propagation lente et discontinue de la fissuration

- Phase de propagation rapide amenant à la rupture

Mécanisme de CSC induite par l'Hydrogène (H-CSC)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Temps à rupture

Vite

sse

de p

ropa

gatio

n

Phase 1 Phase 2

Phase 3

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Essais normalisés pour la qualification des armatures de précontrainte

Pompe

Fo

Fo

Éprouvette

Aération différentielle

Eau distillée

Circulation d’eau à débit constant entre les parties basse et haute de l’enceinte

Fo

Fo

Éprouvette

Double enceinte

Solution thiocyanate d ’ammonium

Circulation d’eau à 50 °C à l’intérieur de la double enceinte

Pompecircuit chauffage

- Norme NF A 05 302- Durées de vies supérieures à 6 mois- Représentatif des conditions réelles

- Norme EN ISO 1560-3- Essai rapide de quelques heures- Fragilisation par l’hydrogène seulement

Essai H2O distillée Essai NH4SCN

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Objectif de la recherche- Reproduire en laboratoire la ségrégation d'un coulis de ciment et évaluer le risque de

CSC en présence d'une pâte blanche de coulis de ciment par des méthodes électrochimiques

Méthodologie employée- Estimation de la susceptibilité basée par la mise en évidence d'un domaine de transition

entre états actif et passif - Présence de ces zones actives/passives  = sites d’amorçage de fissures - Méthodes prédictives (formalisme de Parkins et de Fang/Staehle) basées sur plusieurs

vitesses de balayages de la courbe I=f(E) (1) (2)

Avec I(E) lent : courant anodique à vitesse de balayage lente I(E) rapide : courant anodique à vitesse de balayage rapide

Risque de CSC en présence d'une ségrégation de coulis de ciment

1000)(

)()(>

−

lent

lentrapide

EIEIEI 2.1)( −⋅> cmmAEI rapide

Ségrégation Ressuage

Coulis sain

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Mise en évidence de zones à risque- Analogie entre milieux réels et solutions les simulant (# Conc en NaOH)- Pas d'influence majeure de l'état de surface / de la présence de sulfates- 4 zones identifiées mais zone N° III la plus critique

Risque de CSC en présence d'une ségrégation de coulis de ciment

-100

0

100

200

300

400

500

-1500 -1000 -500 0 500 1000

E (mV/VECS)

(Jra

pide

- J le

nt)/J

lent

Rapport de vitesse 83/0,25

Rapport de vitesse 20/0,25

Zone I

Absence de CSC

Zone II

Zone III

Zone de transition

actif/passif

Zone IV Risque de CSC

Critère de Parkins en fonction du potentiel pour un acier de précontrainte brut dans la phase liquide du coulis ségrégé

-5

0

5

10

15

-1500 -1000 -500 0 500 1000

E (mV/VECS)

J (m

A/cm

²)

Milieu ségrégé pH = 13,6 Milieu ségrégé dilué pH = 12,9pH = 13,6pH = 12,9

Courbes potentiodynamiques pour 4 milieux différents à une vitesse de balayage de 83 mV/s

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Fragilisation par Hydrogène (FpH) des armatures galvanisées

- Évaluation du risque de FpH d'armatures galvanisées au contact avec un matériau cimentaire (Réaction entre le zinc et le ciment)

- Réaction anodique de dissolution du zinc associée au dégagement d’hydrogène :

Zn + 2 H2O ↔ Zn(OH)2 +H2(g)- Réaction zinc-ciment limitée car formation d'une couche passive en surface du

revetement : Zn(OH)2 + 2 H2O + Ca(OH)2 → Ca(Zn(OH)3)2·2 H2O

Solution pH

Ca(OH)2 sat. 12.5

Ca(OH)2 sat. + NaOH 0.1M 12.8

Ca(OH)2 sat. + KOH 0.2M 13.2

Ca(OH)2 sat. + KOH 0.5M 13.5

Objectif de la recherche

Mécanismes de corrosion

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Evolutions de Ecorr et Icorr - Durée de la réaction zinc-ciment (Ecorr au-dessous de -1000 mV/ECS) dépendante du

pH de la solution - Formation du film passif avec un Icorr inférieur à 0.2 µA.cm-2

Fragilisation par Hydrogène (FpH) des armatures galvanisées

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Influence sur la FpH

- Détermination de l’hydrogène diffusible dans un montage spécifique (témoin à 0,5 ml/100g de métal)

- Relation établie entre l'hydrogène absorbé, la dégradation des propriétés mécaniques et le pH de la solution pour une durée d'essai donnée

Fragilisation par Hydrogène (FpH) des armatures galvanisées

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Mécanismes mis en jeu

- Diffusion de l'hydrogène à travers la couche de galvanisation soit par une faible épaisseur résiduelle de la couche de zinc, soit par l'apparition d’une microfissuration dans cette couche (courts-circuits de diffusion)

- Influence du pH de la solution sur deux mécanismes : la cinétique de corrosion du zinc et la génération d’hydrogène en surface

- Résultats à modérer par rapport à un milieu solide (béton, coulis de ciment) car la réaction zinc-ciment existe dans ce cas mais sa durée est alors limitée entre 3 et 8 heures suivant le type de ciment

Fragilisation par Hydrogène (FpH) des armatures galvanisées

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Comportement en CSC des aciers inoxydables

Emploi des aciers inoxydables pour l'application en précontrainte- Deux nuances : duplex (1.4362) et austénitique (1.4310)- Aciers mis en forme par tréfilage puis traités thermiquement (TT)- Évaluation de la résistance à la corrosion par piqûres en milieu carbonaté /chloruré

AusténiteFerrite

Ewe/mV vs. SCE5000

J/µA

/cm

²

1 800

1 600

1 400

1 200

1 000

800

600

400

200

0

1.4362

1.4310

Comportement électrochimique avant et après traitement thermique

Nuance austénitique Nuance duplex

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Mise en évidence d’une susceptibilité à la corrosion sous contrainte- Essais de traction lente à différentes vitesses de déformation et imposition d’un potentiel

favorable à la formation de piqûres (Epiqûres

)

- Apparition d'une interaction déformation-corrosion pour conditions très « agressives »

Nuance austénitiqueFaciès de rupture

Comportement en CSC des aciers inoxydables

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Utilisation des armatures inoxydables en précontrainte- Durées de vie très largement supérieures aux exigences de la norme pour les essais de

corrosion en milieu NH4SCN

- Définir un essai de corrosion sous contrainte adapté à ce type produits car essais actuels non discriminants, essais plus « agressifs » comme traction lente,... (?)

- Nuance inoxydable duplex la plus résistante en corrosion et CSC d'après la comparaison des nuances étudiées

Comportement en CSC des aciers inoxydables

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Précontrainte : quelques types d'armatures et conditions locales pouvant poser problème

Ségrégation de coulis de ciment : maintenant connu avec un risque de CSC pouvant être maitrisé

Armatures galvanisées-coulis de ciment : précautions d'emploi mais très faible risque de Fragilisation par Hydrogène

Armatures en acier inoxydable : fort potentiel de développement pour une solution où la durabilité doit être assurée

Conclusion