Upload
phamnhan
View
219
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Matinée d’information du STRRES
PROTECTION DES BETONS EN ZONE LITTORALE mercredi 27 novembre 2013
Les techniques électrochimiques de protection
Guy TACHE (CEFRACOR)
1
• Rappels sur les principes de corrosion des armatures en milieu maritime
• Protection cathodique: courant imposé, anodes galvaniques
• Extraction des chlorures
• Conclusions
2
• Rappels sur les principes de corrosion des armatures en milieu maritime
• Protection cathodique: courant imposé, anodes galvaniques
• Extraction des chlorures
• Conclusions
3
• Comment les armatures sont protégées, et comment elles se corrodent ?
• Comment prévenir la corrosion ?
4
La passivité de l’acier
- Formation d’oxydes protecteurs, stables: la passivité
- Nécessité d’alcalinité, d’oxygène et d’eau
19
21
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.
24
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
25
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
26
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
27
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
28
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
29
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
30
DEGRADATION
TEMPS
Etat limite de service
Défauts détectables
Défauts visibles
Induction de la corrosion Croissance
O2 Cl- CO2 H2O
31
DEGRADATION
TEMPS
Etat limite de service
Défauts détectables
Défauts visibles
Induction de la corrosion Croissance
O2 Cl- CO2 H2O
Amorçage (« initiation ») 32
DEGRADATION
TEMPS
Etat limite de service
Défauts détectables
Défauts visibles
Induction de la corrosion Croissance
O2 Cl- CO2 H2O
33
DEGRADATION
TEMPS
Etat limite de service
Défauts détectables
Défauts visibles
Induction de la corrosion Croissance
O2 Cl- CO2 H2O
Diagnostic 34
DEGRADATION
TEMPS
Etat limite de service
Défauts détectables
Défauts visibles
Induction de la corrosion Croissance
Réparation, méthodes électrochimiques 35
DEGRADATION
TEMPS
Etat limite de service
Défauts détectables
Défauts visibles
Induction de la corrosion Croissance
? 36
Comment prévenir la corrosion
• Augmenter l’enrobage (Eurocode 2)
• Améliorer la qualité du béton (EN 206)
• Revêtements sur béton
• Armatures galvanisées
• Armatures acier inox
• Armatures revêtues (époxy)
37
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
39
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 ?
40
41
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
42
• [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
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-
43
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
44
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
45
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 (électrochimie: étude des relations E=f(i)
46
• Rappels sur les principes de corrosion des armatures en milieu maritime
• Protection cathodique: courant imposé, anodes galvaniques
• Extraction des chlorures
• Conclusions
52
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
Courant de corrosion
53
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
Protection cathodique
Courant de corrosion
54
Historique de la PC appliquée au béton armé
• 1946 B. HEUZE Canalisations enterrées en BA
• 1960 D.A. HAUSMAN Premières études fondamentales
• 1970 R.F. STRATFULL Bases technologiques sur OA
• 1970-1980 Ouvrages offshore
• 1980- Bâtiment, génie civil, ouvrages d’art
55
NF EN ISO 12696
Avril 2012 Protection cathodique de l'acier dans le béton
• Norme internationale spécifiant les exigences de performance pour la protection cathodique de l'acier dans le béton à base de ciment, pour les structures nouvelles comme pour les structures existantes. Elle traite des bâtiments et des ouvrages d'art, y compris les armatures de précontrainte noyées dans le béton. Elle s'applique aux armatures en acier non revêtu et aux armatures en acier recouvert par un revêtement organique. Elle s'applique à l'acier noyé dans des éléments de bâtiments ou de structures qui sont exposés à
l'atmosphère, enterrés, immergés ou soumis à la marée.
59
NF EN ISO 12696
Principales étapes
• Evaluation et réparation de la structure • Repérage des zones • Purge des bétons dégradés • Mise en place des électrodes de référence • Reconstitution du ferraillage • Vérification de la continuité électrique des
armatures • Réalisation des connections • Préparation du support (reconstitution de
l’enrobage,....) • Installation de l’ensemble anodique et contrôles
courts circuits • Recouvrement de l’anode par béton ou mortier
projeté (contrôles adhérence) • Connections et câblage • Mise en fonctionnement par zones • Contrôles • Exploitation et maintenance
69
Réglages et Critères de protection
• Réglages : densité de courant
• Critères de protection et d’évaluation de la performance :
Potentiel à courant coupé plus négatif que -720mV par rapport à Ag/AgCl
Dépolarisation 100 mV/24h
Dépolarisation 150 mV au-delà de 24 h
70
Potentiel
t
Potentiel de protection
Potentiel off
Dépolarisation
> 100 mV en 24h
Potentiel de corrosionVariation de potentiel > 300 mV
Test de dépolarisation
71
Applications Courant imposé Anodes
• Treillis titane activé
• Bandes de titane
• Fibres de cabone
• Peintures conductrices
• Anodes discretes
72
Distribution du courant sur l ’anode : bandes
Rubans de Titane oxyde de Titane soudés
et maintenus par chevilles plastiques
Document Freyssinet 74
Deux méthodes
• Courant imposé
• Anodes galvaniques
80
•Principalement zinc ou alliage Zn Al
•Intensité du courant : débit de la pile
•Formation de produits de corrosion du zinc
Anodes galvaniques Surfaciques, discrètes
• Zinc projeté
• Zinc collé
• Treillis
• Anodes discrètes
• Anodes en réseau
• Système hybride
81
Disposition des anodes en LIGNE pour le traitement de zone type linéique
Disposition des anodes en BOUCLE pour le traitement de zone type linéique à forte densité
Disposition des anodes en QUINCONCE pour le traitement de zone type surfacique
86
Anodes en réseau ou en peigne
92
Système hybride
Duoguard 500
1 phase courant imposé 7 jours
1 phase protection galvanique Avec l’aimable autorisation de R&G Richard Guérin
92
1 Découpage de la structure en « zones de Protection
Galvanique »
2 Etude du ferraillage: calcul du ratio Surface Acier/Surface
Béton (par zone),
3 Etude de la répartition des anodes en fonction des spécificités
structurelles (répartition des armatures, possibilité de forage, ...).
4 Etude pour chaque anode de la répartition du courant suivant
le type.
5 Calcul des masses d’anode: durée contractuelle de service
de l’installation, besoin en courant (hypothèse) et de la capacité
électrique des anodes (données constructeur),
6 Choix de l’anode : répartition géométrique nécessaire, poids
unitaire des anodes.
7 Nomenclature: Repérage et numérotation des zones et de la
forme des anodes (plan), type et nombre d’anodes.
96
calcul de dimensionnement 7 points fondamentaux
Cellules galvaniques
• Avantages : ajustement du courant en fonction de la demande (corrosion, humidité, température,…)
• Inconnues : Polarisation de l’anode ?, Corrosion du zinc, Durabilité ?, Contrôles ?
• Critère de dépolarisation pas adapté ?
106
Principales applications de la Protection Cathodique
• Ouvrages d’art : Courant imposé (pont des Favrants, de Noirmoutier), cellules galvaniques sur les tabliers (ouvrages de la SAPRR), zinc projeté (Viaducs de Roissy)
• Structures en mer : courant imposé (Appontements de Montoir, terminal méthanier de Fos),
• Parkings, les silos de stockage de sel de déverglaçage (Courant imposé : Saint Aignan),
• Structures de Génie Civil (piscines d’eau de mer),
• Bâtiments (façades) : courant imposé avec revêtements conducteurs ou fils, cellules galvaniques zinc )
107
Autres applications dans le monde entier
La certification en PC
• C’est une garantie pour le donneur d'ordre. De plus en plus fréquemment, les cahiers des charges imposent une certification de la compétence du personnel intervenant tant en installation qu'en inspection et maintenance.
• C’est une reconnaissance officielle de la compétence des spécialistes et experts en protection cathodique.
108
Certification PC béton armé
• Elle concerne :
• Les entreprises (conception, dimensionnement, mise en œuvre) --- organismes professionnels
• Les bureaux de contrôle
• Mais aussi les maitres d’ouvrages (publics ou privés), car le système doit pouvoir être préconisé, puis être contrôlé pendant sa vie effective
Elle est prévue dans la norme NF EN ISO 12696 Le secteur béton prépare actuellement le niveau 1
109
Niveaux de certification Niveau 1S : mesures de routine simples en protection
cathodique
Niveau 1 : mesures courantes en protection cathodique
Niveau 2 : Etude, conception et réalisation d'installations de protection cathodique et vérification de leur efficacité
Niveau 3 : Expertise dans le domaine de la protection cathodique
110
L'EN 15257 constitue une méthode appropriée utilisable pour l'évaluation de la compétence du personnel chargé de la protection cathodique.
Niveaux de certification Niveau 1S : mesures de routine simples en protection
cathodique
Niveau 1 : mesures courantes en protection cathodique
Niveau 2 : Etude, conception et réalisation d'installations de protection cathodique et vérification de leur efficacité
Niveau 3 : Expertise dans le domaine de la protection cathodique
111
L'EN 15257 constitue une méthode appropriée utilisable pour l'évaluation de la compétence du personnel chargé de la protection cathodique.
Niveaux de certification Niveau 1S : mesures de routine simples en protection
cathodique
Niveau 1 : mesures courantes en protection cathodique
Niveau 2 : Etude, conception et réalisation d'installations de protection cathodique et vérification de leur efficacité
Niveau 3 : Expertise dans le domaine de la protection cathodique
112
L'EN 15257 constitue une méthode appropriée utilisable pour l'évaluation de la compétence du personnel chargé de la protection cathodique.
Projet de formation et certification en protection cathodique
Niveau 1
• Formation d’un comité sectoriel
• Lieu et organisation: INSA Toulouse (LMDC)
• Formation théorique et pratique basée sur les normes NF EN ISO 12696, NF EN 15257, Guide anodes Cefracor, NF 91-103.
• Secteur commun sensé être «acquis »
• Durée de la formation : 5 jours
• Examen à suivre
113
Planning prévisionnel
• Mise en ligne du programme d’examen septembre 2013
• Formations et examen début 2014
114
• Rappels sur les principes de corrosion des armatures en milieu maritime
• Protection cathodique: courant imposé, anodes galvaniques
• Extraction des chlorures
• Conclusions
116
Méthodes électriques Traitements temporaires de réhabilitation
• Réalcalinisation
+
_
initial
f inal
9
pH
x
intermed. 13
117
• Déchloruration
+
_
[Cl ]-
x
initialf inal
• Réhabiliter un élément dégradé par la corrosion du fait des chlorures
• Conférer à long terme une protection
119
Applications
Structures exposée en milieu atmosphérique
Déchloruration Objectifs
Principe
• Migration des chlorures sous l’effet d’un champ électrique
• Alcalinisation au droit de l’armature (electrolyse)
120
Exclusions Béton précontraint: risques de fragilisation par l’hydrogène
Déchloruration
• Evaluation et réparation de la structure
• Vérification de la continuité électrique
• Installation de câbles électriques et alimentation (40V)
• Mise en place du dispositif anodique (anode + réservoir électrolytique)
• Vérifications (courts circits,…)
• Mise en route
• Durée 4 à 8 semaines
121
TS 14038-2-2011 Traitements électrochimiques de réalcalinisation et d’extraction des chlorures applicables au béton armé
• Tension et courants (environ 1A/m² d’armature)
• Teneurs en chlorures
• Charge totale Ah
122
Contrôles
Fin du traitement
•Teneur en chlorures <0,4%/ciment au voisinage des armatures, cas isolé 0,8% •Charge électrique : 200 Ah---2000 Ah par m² d’acier •Mesures de potentiel (cartographie): disparition des macropiles
Matinée d’information du STRRES
PROTECTION DES BETONS EN ZONE LITTORALE mercredi 27 novembre 2013
Les techniques électrochimiques de protection
CONCLUSIONS
127
1. Pas de problèmes théoriques (densité de courant de 0,2 à 20 mA/m² d’armature)
2. La corrosion est stoppée dès l’application du courant, même en milieu fortement chloruré
3. La technique traite toutes les zones à risque et ne se limite pas aux zones dégradées
4. Recul important (prévention ou protection cathodique)
5. Une norme bien en place (NF EN ISO 12696 revue en 2012)
6. Plusieurs techniques (courant imposé et anodes galvaniques)
7. Critères reconnus et validés (Courant imposé), adaptés (anodes galvaniques)
8. Efficacité évaluée dans de nombreux pays et de nombreuses situations (en France ?)
128
9. Activités spécialisées pluridisciplinaires nécessitant des compétences dans les domaines du génie civil / structure / béton, combinée à une expertise de la protection cathodique
10. Gestion de la qualité rigoureuse pour assurer un contrôle adéquat (application des revêtements, délaminations), les tests (ajustement des critère) et la documentation de chaque étape des travaux
11. Suivi nécessaire avec retour opérationnel
12. Durabilité: câbles, connections, électrodes de référence
13. Avantages environnementaux (durée, bruits, matériaux,…)
14. Certification du personnel en marche
15. Coût initial important. Prendre en compte le suivi, la durée de vie ….
129
Les techniques électrochimiques de protection
Reste à développer
• Placement des anodes
• Lignes de courant
• Polarisation
• Effets secondaires (armatures de précontrainte)
• Evaluation des ouvrages existants (groupe d’expert ?): inspection visuelle, état électrique, tests
• …….
130
Remerciements
• Naziha Berramdane
• Marc Brouxel (Concrete)
• Christian Tourneur (Freyssinet)
• Richard Guérin
• Richard Palmer
• Gilles Pinganaud (Parex Lanko)
• Carl Redon (Renofors)
132