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Généralités sur la corrosion et le béton armé
Le béton armé
Le béton armé est un matériau composite, comprenant des armatures métalliques hautes adhérences et du béton, mettant en jeu des granulats inertes, du ciment, et de l’eau qui est en partie consommée afin d’hydrater le ciment, lui permettant alors de durcir. A l’état durci, le béton est un matériau poreux et ces pores peuvent être plus ou moins remplis d’eau. Cette eau est appelée solution interstitielle et est chargée en ions. La composition de cette solution est à la fois dépendante de la nature du ciment, mais aussi du milieu environnant. Le béton est un matériau très alcalin dû à la quantité importante de portlandite formée à l’hydratation du ciment ; c’est pourquoi initialement le pH de la solution interstitielle est élevé, autour de 13. C’est ce pH élevé qui permet la passivation des aciers les protégeant alors de la corrosion. Toutefois il est possible que des éléments extérieurs pénètrent dans le béton et modifient la composition de la solution interstitielle, et donc les équilibres chimiques de la matrice cimentaire mais aussi des aciers en contact avec celle-ci.
Il existe deux types d’actions pouvant dégrader le béton armé : physiques, avec les cycles de gel/dégel, ou chimiques, dont la carbonatation, les attaques sulfatiques ou acides. Mais dans tous ces cas de figure, la présence d’eau liquide dans le béton est nécessaire afin que ces phénomènes de dégradations se produisent. La corrosion des aciers provoque la production d’oxydes de fer induisant un endommagement du béton et une réduction de la section des armatures diminuant alors la durabilité de l’ouvrage, et ce jusqu’à éclatement de l’enrobage. L’acier est mis à nu et le diagnostic visuel suffit alors pour déceler la présence de corrosion. La corrosion dans le béton armé est généralement provoquée par la carbonatation ou encore la pénétration d’ions chlorure. Un couplage de ces phénomènes induit une accélération de la dégradation du béton armé. L’initiation de la corrosion des armatures est peut être facilitée lors d’une fissuration provoquant une pénétration accentuée du dioxyde de carbone et/ou des ions chlorures. Dans le domaine du génie civil, la corrosion des armatures est la principale cause de dégradation du béton armé, cette corrosion va être dépendante des caractéristiques du béton (composition, porosité, hydratation), de l’acier (état de surface, composition), mais aussi du milieu environnant (température, hygrométrie, présence d’agents agressifs).
Porosité
L’origine de la porosité du béton vient de la méthode de fabrication de ce matériau. En effet, le béton est obtenu à partir de granulats, d’eau et de ciment, les deux derniers composés se solidifiant en pâte de ciment hydraté. Il existe trois types de porosité : la porosité induite lors du coulage à cause de l’entrainement d’air au malaxage dont la taille est d’ordre macrométrique, la porosité capillaire dont l’ordre de grandeur est le micromètre, et la porosité des hydrates qui est de l’ordre du nanomètre. La porosité capillaire résulte de l’hydratation des grains de ciment, induisant alors la consommation des molécules d’eau. L’hydratation des grains de ciment induit
Etat de l’Art
l’expansion de ces derniers (Figure I-1). Toutefois, le volume massique des hydrates étant inférieur à celui des anhydres additionné à celui de l’eau. En conclusion, l’hydratation du ciment engendre donc la formation de vides.
Figure I-1 : Schéma de l’évolution de l’occupation de l’espace intergranulaire cimentaire [Nonat, 2008].
Même dans le cas où l’hydratation serait complète, il existerait toujours une porosité capillaire résiduelle [Powers, 1948]. Il est important de comprendre que la connectivité entre les pores formant la porosité capillaire va jouer un rôle prédominant sur la rapidité de dégradation du béton. En effet, une connectivité importante des pores induit un transport plus aisé des agents agressifs provenant de l’environnement et engendre donc une détérioration plus rapide du béton. C’est pourquoi il est important de déterminer un rapport eau sur ciment le plus faible possible tout en permettant une bonne hydratation des anhydres. Plus l’hydratation progresse et plus la porosité capillaire diminue, la connexion entre les pores n’est alors qu’en partie ou totalement faite au travers de la porosité des hydrates [Mehta, 1980]. Durant l’hydratation, il y a donc une diminution de la porosité capillaire et augmentation de la nanoporosité [Mehta, 1980].
Corrosion
Dans le cas d’un béton armé sain, à l’interface acier/béton, la forte basicité de la solution interstitielle provoque la formation d’une couche passivante d’oxydes ou d’hydroxyde de fer [Noda, 1990], [Suda, 1993], [Simon, 1998]. Cette couche passive aurait une épaisseur de quelques nanomètres selon [Gjørv, 1998], [Waseda, 2006], [Pan 2011] et [Hussain, 2014], et une épaisseur comprise entre 5 et 20nm selon [Noda, 1990]. Cette couche passivante joue alors le rôle d’une barrière contre la corrosion (Figure I-2).
Figure I-2: Béton après coulage (à gauche) et après formation de la couche passivante (à droite).
L’évolution de la dégradation des armatures dans le béton schématisée par [Tuutti, 1982] (Figure I-3), connait deux phases bien distinctes. Une première phase dite d’amorçage où les agents agressifs pénètrent le béton jusqu’à atteindre les armatures. Il s’agit des phénomènes de carbonatation et/ou de corrosion par ions chlorure. Durant cette première phase, le volume de produits de corrosion est faible et assez stable. Une fois que les agents agressifs atteignent les armatures, la dépassivation a lieu, ce qui induit l’apparition d’une zone de corrosion et engendre la propagation de la corrosion correspondant à la deuxième phase. La propagation est caractérisée par une forte augmentation du volume de produits de corrosion jusqu’à fissuration du béton et destruction de l’enrobage, ceci accélérant encore davantage le phénomène.
Figure I-3: Évolution de la dégradation des armatures au cours du temps [Tuutti, 1982].
Les phénomènes d’amorçage par carbonatation et ions chlorure ont des mécanismes qui diffèrent. Dans le premier cas la dissolution du gaz carbonique dans la solution interstitielle engendre un déséquilibre et par la suite une modification de la composition de la solution interstitielle mais aussi de la matrice cimentaire. Dans le second cas, les chlorures pénètrent au travers des pores jusqu’à l’acier où ils vont détruire la couche passivante.
Carbonatation
Le phénomène de carbonatation est un phénomène naturel ayant pour cause la dissolution du CO2 atmosphérique dans l’eau, provoquant une acidification ainsi que la formation de composés carbonatés. C’est ce phénomène qui se produit dans la porosité du béton. Cette dissolution du CO2 est régie par différents équilibres physico-chimiques, dont la loi de Henry.
2 ( ) + 2 ( ) = 2 3 ( ) Eq I-1
[ 2 3] = 2 Eq I-2
2
Où :
[ 2 3] est la concentration en CO2 dissous,
2 est la pression partielle en CO2 dans l’air,
2, est la constante de Henry pour le CO2 dans l’eau pour une température donnée.
La quantité de CO2 dissous est donc directement liée à la proportion de CO2 dans l’air et à la température. Mais cette forme chimique n’est pas nécessairement stable et peut donc évoluer suivant la solution étudiée.
2 3 ( ) + 2 ( ) = 3−( ) + 3 ( )+
[ −].[ 3 +]
2 3= [3 ] ; 2 3=6,40
2 3
Où :
2 3 est la constante d’équilibre du CO2 dissous (mol/m3).
3−( ) + 2 ( ) = 32−( ) + 3 ( )+
[ 2−].[ +]
− = 3 3 ; − = 10,38
−
]
3 [ 3 3
Eq I-3
Eq I-4
Eq I-5
Eq I-6
Le CO2 existe potentiellement sous 3 formes en solution. Les formes prédominantes sont régies par le pH de la solution. La présence d’une espèce dans la solution interstitielle va alors dépendre du pH (Figure I-4). Plus le pH est basique, plus l’équilibre va tendre à la formation d’ions CO32-. C’est pourquoi la solution interstitielle des pores du béton, qui est basique, va tendre à former des ions CO32- et ainsi acidifier le milieu lors de sa formation en libérant des ions H3O+.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Etat de l’Art
I.1. Généralités sur la corrosion et le béton armé
I.1.1. Le béton armé
I.1.2. Porosité
I.1.3. Corrosion
I.2. Thermodynamique électrochimique : la corrosion
I.2.1. Généralités
I.2.2. Phénomène de pile, réaction spontanée : cas particulier de la corrosion du
I.2.3. État électrochimique d’un métal
I.3. Aspects électrocinétiques de la corrosion
I.3.1. Relation de Butler-Volmer
I.3.2. Réaction contrôlée par le transfert électronique, droites de Tafel
I.3.3. Résistance de polarisation
I.3.4. Spectroscopie d’impédance électrochimique
I.3.5. Loi de Faraday
I.4. Modélisation et distributions de courant
I.4.1. Généralités
I.4.2. Les distributions primaire et secondaire
I.4.3. La distribution tertiaire
I.4.4. Cas particulier du béton armé
I.5. Identification des zones corrodées
I.5.1. Méthodes de Contrôle Destructif
I.5.2. Méthodes de Contrôle Non Destructif
I.5.3. Choix du dispositif
I.6. Conclusion
Chapitre II. Simulations numériques
II.1. Introduction
II.2. Présentation de la simulation
II.2.1. Géométrie simplifiée et paramètres
II.2.2. Paramètres d’entrée
II.2.3. Résultats pour une géométrie simple
II.3. Étude paramétrique
II.3.1. Géométrie
II.3.2. Résistivité
II.3.3. Épaisseur d’enrobage
II.3.4. Taille de la zone corrodée
II.3.5. Second treillis
II.3.6. Diamètre des barres d’acier
II.3.7. Maille du treillis
II.3.8. Deuxième zone corrodée
II.4. Influence de la mesure sur les cartographies
II.4.1. Paramètres de mesures
II.4.2. Influence du pas de mesure
II.4.3. Configuration de la mesure
II.5. Comparatif des paramètres de Butler-Volmer de la bibliographie
II.6. Conclusion
Chapitre III. Développement de la méthodologie
III.1. Introduction
III.2. Conception des dalles en béton armé
III.2.1. Dimensions
III.2.2. Composition du béton
III.2.3. Caractérisation
III.3. Création de zones corrodées accélérée
III.3.1. Méthodologie
III.3.2. Prétest sur formulation similaire
III.3.3. Validation sur dallette test
III.4. Présentation du dispositif de mesure
III.4.1. Technologie
III.4.2. Méthode de mesure
III.5. Conclusion
Chapitre IV. Essais à l’échelle structurelle
IV.1. Introduction
IV.2. Présentation des zones de travail
IV.2.1. Dalle à épaisseur d’enrobage constant
IV.2.2. Dalle à épaisseur d’enrobage variable
IV.3. Création des spots de corrosion de la première dalle
IV.3.1. Zone 1 : premier spot de corrosion
IV.3.2. Zone 3 : second spot de corrosion plus grand
IV.3.3. Zone 5 : création simultanée de deux spots de corrosion
IV.3.4. Conclusion
IV.4. Détection des spots de corrosion de la première dalle
IV.4.1. Comparatif de la mesure classique et par gradient
IV.4.2. Zone 1 : premier spot de corrosion
IV.4.3. Zone 3 : second spot de corrosion
IV.4.4. Zone 5 : troisième et quatrième spots de corrosion
IV.4.5. Influence de la résistivité et de la connexion des deux lits armatures
IV.5. Deuxième dalle : épaisseur d’enrobage variable
IV.5.1. Zone 8-9 : épaisseur d’enrobage de 7cm
IV.5.2. Zone 5-6 : épaisseur d’enrobage de 4cm
IV.6. Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques
Annexes
