Fragilisation par hydrogène des arlatures de précontrainte en présence d'une protection électrochimique : étude des paramètres influents

Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 20 12

Florian Auder

F. AUDER, L. GAILLET, T. CHAUSSADENT, V. BOUTEILLER : IFSTTAR

J.P. BALAYSSAC : LMDE Toulouse

09/05/12

Fragilisation par hydrogène des armatures de précontrainte en présence d'une protection

électrochimique : étude des paramètres influents

Sourdun

Mercredi 9 et Jeudi 10 mai


Florian Auder

Sommaire

• Contexte

• Méthodes de protection électrochimiques

• Fragilisation par hydrogène

• Objectifs et paramètres étudiés

• Paramètres étudiés

• Essais en solution sans contrainte mécanique

• Essais en solution sous contrainte

• Conclusion


Florian Auder

Contexte

Ouvrages en béton précontraint avec

armatures passives corrodées

Nécessité de ralentir ou stopper le

phénomène de corrosion

Utilisation de techniques de protection électrochimique sur armatures passives

Liaisons électriques entre armatures passives et

actives

Traitement se propage sur le réseau d’armatures

actives

Problématique : La présence de protection électrochimique sur

armatures de précontrainte générant une production d’hydrogène, peut elle

entraîner une fragilisation par hydrogène?

Production d'hydrogène en

surface de l'acier


Florian Auder

Méthodes de protection électrochimique

Protection cathodique

- Abaissement du potentiel de l’acier jusqu’à un niv eau permettant de ralentir ou stopper la corrosion

- Densité de courant : <20mA/m²

Déchloruration

- Extraire les chlorures depuis l’armatures vers l’e xtérieur du parement béton- Densité de courant : 1 à 4A/m²

Réalcalinisation

- Augmenter le pH du béton autour de l’armature- Densité de courant : 1 à 4A/m²

Bouteiller V.


Florian Auder

Fragilisation par hydrogène

Sources d’hydrogène :

-Formation de l’hydrogène par réaction de corrosion

-Formation de l’hydrogène par polarisation cathodique

Processus d’absorption :

-Adsorption à la surface de l’acier : H+ + e- → Hads

Recombinaison et dégagement sous forme gazeuse : Hads + Hads → H2(g) (1-ɛ) ; ɛ<<1Ou pénétration dans le métal : M + Hads → Habs ɛ

Accumulation dans les zones les plus sollicités (pi égeage) ou diffusion.

Contrainte + Hydrogène ==> Dégradation par fragilis ation selon différents mécanismes (décohésion, interactions hyd rogène-dislocations)


Florian Auder

Objectifs et paramètres étudiés

• Objectifs :

• Paramètres étudiés :

Reproduire en laboratoire l’application d’un traitement électrochimique de protection contre la corrosion sur ouvrage en béton précontraint afin de déterminer les conditions de développement du phénomène de fragilisation par hydrogène

- Densité de courant appliquée

- L’environnement autour de l’armature de précontrainte (solution synthétique)

- L’état de surface de l’armature de précontrainte

- La contrainte mécanique appliquée sur l’armature

- La durée de traitement


Florian Auder

Paramètres étudiés

• Environnement et état de surface de l’armatureDifférents états de dégradations du milieu cimentai re autour de l’armature de précontrainte entraineront différents états de s urface de l’acier :

- Milieu sain

- Milieu chloruré- Milieu carbonaté - Milieu carbonaté et chloruré

Acier non corrodé

Acier corrodé

Equivalence pour les essais : Utilisation de soluti on électrolytiques simulant la solution interstitielle du béton

+ ajout d’un anti-recombinant de l'hydrogène = thiocyanate

d’ammonium (NH4SCN)

Solution pH Béton

1 ≈ 13 sain

2 ≈ 13 chloruré

3 ≈ 8 carbonaté

4 ≈ 8 carbonaté chloruré

5 ≈ 8 carbonaté chloruré + poison

Favorise la pénétration d’hydrogène dans l’acier


Florian Auder

Paramètres étudiés

• Densité de courant appliquéeDeux états possibles pour chaque traitement électr ochimique en

fonction de la densité de courant

Protection normale : la densité de courant ne dépasse pas les valeurs recommandées

J < 20 mA/m²

J < 4 A/m²

J < 4 A/m²

Protection cathodique

Déchloruration

Réalcalinisation

Surprotection : la densité de courant dépasse les valeurs recommandées

J > 20 mA/m²

J > 4 A/m²

J > 4 A/m²

Densités de courant étudiées :

0.01 A/m²

0.1 A/m²

1 A/m²

4 A/m²

20 A/m²

100 A/m²

500 A/m²

1000 A/m²


Florian Auder

Essais en solution sans contrainte mécanique

• Déroulement d’un essai :

Montage trois électrode

Utilisation d’un potentiostat en mode chronopotentiométrie pour

l’application du courant

2 Analyse hydrogène

Détermination de la quantité d’hydrogène absorbée p ar l’acier à l’issue de la polarisation cathodique

1 Polarisation cathodique de l’acier pendant une du rée déterminée


Florian Auder


• Influence du temps de chargement Objectif : déterminer la limite d’absorption de l’acier en hydrogène

Conditions expérimentales :

- Solution 5 : carbonaté, chloruré + thiocyanate

- J = 500A/m²

Saturation de la quantité d’hydrogène dans l’acier après 15h de chargement

Traitements longue durée ne favorisent pas l’absorption d’hydrogène


Florian Auder


• Influence de la solution et de la densité de courant

Durée des essais : 24h


Florian Auder


• Etude de faciès de rupture après traction

Echantillon de référence- Rupture ductile- Forte striction

Echantillon chargé à 500A/m² pendant 24h en solution 5 (NH4SCN)- Rupture semi-fragile- Faible striction

Comportement ductile à semi-fragile ==> Influence de l'hydrogène absorbé


Florian Auder

Essais en solution sous contrainte

• Déroulement des essais

1 Mise en tension de l’acier à 80% de Rm

2 Polarisation cathodique de l’acier pendant une du rée déterminée (si pas de rupture spontanée)

3 Si pas de rupture spontanée : essai de traction e t analyse hydrogène

4 Analyse des faciès de rupture


Florian Auder


• Influence de la solution

Etat de surface Solution J (A/m²) Durée (sem) H (ppm)

Essai A non corrodé 4 500 1 2,6

Essai B non corrodé 5 500 Rupture en 1h -

Ajout de NH 4SCN �� nuit fortement à l’intégrité de l’acier

Essai A après traction Essai B après rupture

Striction et amorce au centre �faciès ductile, pas de fragilisation

Pas de striction et de nombreuses fissures en surface � fragilisation de l’acier


Florian Auder


• Influence de l’état de surface


Essai A non corrodé 4 500 1 2,6

Essai B corrodé 4 500 1 1.5

Essai A après traction Essai B après traction

La présence de piqures en surface de l’acier n'infl uence pas l'absorption d'hydrogène et donc le type de rupture .

Striction et amorce au centre � faciès ductile, pas de fragilisation

Striction et amorce au centre. Faciès accidenté en raison de la corrosion initiale �pas de fragilisation


Florian Auder


• Influence de la densité de courant imposée


Essai A corrodé 4 4 1 1.2

Essai B corrodé 4 500 1 1.5

Essai A après traction Essai B après traction

Aucune influence de la densité de courant sur l’int égrité de l’acier

Striction et amorce au centre � faciès ductile, pas de fragilisation

Striction et amorce au centre. Faciès accidenté en raison de la corrosion initiale �pas de fragilisation


Florian Auder

Conclusions

• Essais sans contrainte

• Essais sous contrainte

- Phénomène de saturation en hydrogène de l’acier (re mplissage des sites interstitiels/pièges)

- Faible absorption d’hydrogène en condition de prote ction normale

- En surprotection, la quantité d’hydrogène absorbée est complexe, mais atteint des valeurs élevées dans plusieurs conditio ns

- Le chargement en présence de NH 4SCN fragilise l’acier, comme attendu

- La fragilisation est mise en évidence dans le seul cas d’un chargement en présence de NH 4SCN

- Dans les autres cas, ni la surprotection, ni la pré sence de piqûres ne semblent engendrer une quelconque FpH. Les essais o nt tous été menés au bout de la durée fixée


Florian Auder

Merci pour votre attention

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