PCCI par revêtements électro-conducteurs autonomes éléments d’évaluation de la durabilité

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Introduction général

La corrosion de l’acier est un problème majeur qui affecte le monde depuis des siècles. Selon une étude publiée par la NACE (National Association of Corrosion Engineers) en 2016[1], le coût global de corrosion est estimée à 2.5 trillion dollars, ce qui est équivalent à 3.4 % du PIB mondial. Cette même étude montre que l’utilisation des pratiques de contrôle disponibles engendre une baisse de 15 à 35% au niveau du coût global.
Dans le génie civil, l’utilisation de l’acier dans la construction est due à ses propriétés : faible coût, haute résistance à la traction… Dans le béton armé, les aciers sont recouverts par le béton qui assure une barrière physique due à l’épaisseur d’enrobage. De même, le pH basique du béton forme une couche passive qui protège les aciers et constitue une barrière électrochimique. Malgré ça, la corrosion de l’acier peut se produire suite à la carbonatation du béton ou la pénétration des chlorures. La corrosion est la principale cause de vieillissement prématuré des structures en béton armé.
De nos jours, l’étude de la corrosion des constructions en béton armé se développe de plus en plus. Par contre, ce développement n’atteint pas un niveau où les bâtiments et les ouvrages sont résistant
à la corrosion. Pour résoudre ce problème, la méthode la plus efficace se résume par une maintenance, un suivi de l’ouvrage et une réparation lorsqu’elle est nécessaire.
Pour empêcher ou limiter la corrosion, plusieurs techniques existent : réparation traditionnelle, déchloruration, réalcalinisation, protection cathodique. Tilly et Jacobs [2] montrent que les méthodes traditionnelles assurent une extension de la durée de vie de la structure de 10 ans en moyenne. De plus, il y aura un risque que la corrosion revienne suite à un effet de piles (anodes induites) entre les zones traitées et non traitées. La déchloruration est juste applicable dans le cas des structures contaminées par les chlorures. La réalcalinisation consiste à restaurer le pH basique du béton mais un risque d’alcali réaction peut avoir lieu dans le cas de granulats potentiellement réactifs. En comparaison avec les autres techniques, la protection cathodique présente les avantages suivants :
• Durée de vie supérieure aux réparations traditionnelles et aucun risque d’effet pile entre les zones.
• Dans la pratique, des ouvrages présentant des risques d’alcali-réaction et traité par une protection cathodique par courant imposé (PCCI) n’ont montré aucune exacerbation de cette réaction[3].
• Son principe est similaire à la déchloruration mais elle est appliquée lorsqu’il s’agit d’une corrosion par carbonatation ou par les chlorures et avec des densités de courant plus faibles.
Pour ces raisons, on s’intéresse à la protection cathodique du béton armé dans cette thèse. Cette technique a d’abord été utilisée pour les canalisations et les structures immergés. En conséquence, la phénoménologie et la métrologie de cette technique pour le béton a été adoptée à partir des pratiques des structures métalliques immergées ou enterrées ce qui conduit à une approche empirique.
La protection cathodique s’applique soit d’une façon préventive pour les structures neuves soit d’une façon protectrice pour les structures corrodées. Elle consiste à fournir des électrons au réseau d’armature pour limiter ou annihiler sa corrosion. Il existe deux types de protection cathodiques :
• Protection cathodique par courant galvanique (PCCG) qui consiste à utiliser une anode formée d’un métal plus électronégatif que l’acier. Les anodes en zinc sont souvent utilisées pour ce type de protection.
• Protection cathodique par courant imposé (PCCI) qui consiste à utiliser une anode inerte et un générateur pour débiter des électrons au réseau d’armatures. Les anodes souvent utilisée sont en titanes sous forme d’anode discrète forée dans le béton ou sous forme de treillis (Mixed Metal Oxyde/Titane) recouvert par du béton projeté. Le coût d’installation de ces ensembles anodiques est non négligeable. Il existe aussi des systèmes anodiques formés d’un revêtement électro-conducteur appliqué en surface avec des anodes primaires métalliques pour faciliter le passage du courant.
Une étude comparative (Tab.1) entre les différents type d’anode a été publié en février 2002 [4] au Royaume-Uni sous le nom « Cathodic protection for use in reinforced concrete highway structures». Des exigences concernant l’installation de ces systèmes sont aussi mentionnées. Une préparation adéquate des surfaces est nécessaire pour les revêtements, les treillis titane et le zinc projeté à chaud. Pour les anodes discrètes, une attention doit être faite lors du forage pour éviter
d’abimer les armatures. La mise en œuvre est facile et simple pour les revêtements électro-conducteurs. Ils présentent aussi un coût moins cher en comparaison avec les autres systèmes anodiques. Par contre, leurs durées de vie est la plus basse (15 ans) et leurs installations nécessitent des anodes primaires pour compenser leurs conductivités électriques insuffisantes.
L’idée de ce travail est de développer des revêtements « AUTONOMES » suffisamment conducteurs pour s’affranchir de l’utilisation des anodes primaires métalliques. La méthode de formulation consiste à disperser des poudres-pigmentaires métalliques ou en carbone dans une résine acrylique ou polyuréthane. De plus, on s’intéresse à étudier les propriétés de ces revêtements (adhérence et conductivité électrique) et de vérifier leurs efficacités en tant qu’anode dans un système de protection cathodique. Cela faciliterait de plus l’installation des systèmes et présenterait une solution plus économique que celles existantes.
Ce mémoire sera formé de quatre parties (chapitres) principales :
I. La première partie traite les mécanismes, les principales causes et la modélisation de la corrosion dans le béton armé. Les méthodes de diagnostic de la corrosion seront aussi discutées car elles sont souvent basées sur des hypothèses erronées. Les différentes techniques de réparation et de maintenance sont aussi présentés surtout la protection cathodique qui présentes plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes. Les densités de courant correspondantes, les critères d’efficacité empiriques, et la modélisation des systèmes de protection cathodique sont traités également. Une importance sera consacrée à la protection cathodique par revêtement électro-conducteur vue la facilité d’application de ces anodes et les coûts de fabrication très compétitifs. Puis suivra une présentation concernant la formulation et les propriétés de ces revêtements (conductivité électrique, adhérence…) en tant qu’anodes secondaires lors de la PCCI. Les systèmes brevetés et commerciaux seront abordés ainsi que la défaillance et la durée de vie de ces systèmes anodiques. Les revêtements électro-conducteurs existants dans des domaines autre que le génie civil sont présentés en tenant compte de leurs propriétés.
II. Cette partie sera consacrée à la formulation des revêtements électro-conducteurs par dispersion des poudres-pigmentaires conductrices (métallique ou carbone) dans une résine. L’épaisseur du film sec est déterminée théoriquement par calcul et expérimentalement à l’aide d’un appareil de mesure. L’épaisseur du film est un paramètre nécessaire pour déterminer la conductivité électrique du revêtement. Cette dernière est mesurée par deux méthodes différentes à l’aide d’un banc de mesure développé au cours de la thèse. Une bonne adhérence revêtement-support est aussi nécessaire pour assurer la réaction anodique au niveau de l’interface revêtement-béton. Pour cette raison, des mesures d’adhérence sont aussi envisagées. A la fin de cette partie, trois revêtements sont sélectionnés pour tester la faisabilité et l’efficacité de ces revêtements pour la PCCI autonome. A noter qu’un travail a été réalisé pour développer des revêtements dédiés à la PCCG mais la faible conductivité électrique a empêché leur utilisation.
III. L’efficacité des revêtements électro-conducteurs en tant qu’anode autonome est étudiée dans cette partie. Tout d’abord, on démontre l’absence d’un effet du revêtement sur un
système de corrosion libre. Ensuite, la distribution spatiale de courant est testée sur des spécimens à un lit d’armatures passives pour tester la faisabilité des systèmes. Ces expérimentations aident aussi à déterminer les facteurs limitants tels que la géométrie, l’enrobage et les réactions anodiques. L’effet de la conductivité électrique du revêtement est aussi discuté. Un système anodique innovant avec deux revêtements en bicouche est proposé pour améliorer la conductivité électrique de l’anode. Des expériences sont aussi réalisées sur un système à deux lits d’armatures pour être dans un cas réaliste et quantifier l’effet de masque. On s’intéresse à la distribution spatiale du courant imposé pour montrer l’efficacité des revêtements développés dans le cas d’un système de corrosion passif et dans le cas d’un système de corrosion actif. Cela montre que le dimensionnement du courant de protection doit tenir compte de la présence de plusieurs lits. Une approche de simulation numérique est proposée pour vérifier les résultats expérimentaux obtenus. L’efficacité vis-à-vis du critère « empirique » de dépolarisation est aussi testée.
La dernière partie présente des essais de PCCI réalisés en continu pendant 6 mois sur des dallettes corrodées. Des spécimens témoins non corrodés sont aussi placés dans le même environnement sans protection cathodique. Une étude comparative est réalisée entre les témoins et les dallettes soumises à la protection. Des éléments d’évaluation de la durabilité des revêtements sont analysés tels que la conductivité électrique, le potentiel d’électrode et la dégradation. Des analyses par le microscope électronique à balayage sont réalisées à la surface du revêtement et à l’interface revêtement-béton pour essayer de caractériser les dégradations obtenues.

Table des matières

Remerciement
Summary
Résumé
Table des matières
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Introduction générale
CHAPITRE I Corrosion : phénomène, diagnostic et traitement
I.1. Introduction
I.2. Corrosion dans le béton armé
I.2.1. Phénoménologie
I.2.2. Diagnostic
I.2.3. Modélisation et simulation numérique
I.3. Réparation et maintenance
I.3.1. Méthodes de courte durée
I.3.2. Méthode de longue durée : protection cathodique
I.4. PCCI et revêtement électro-conducteur
I.4.1. Avantages par rapport à d’autre systèmes de protection cathodique
I.4.2. Propriétés et mesures
I.4.3. Systèmes brevetés et exemples d’application
I.4.4. Revêtements électro-conducteurs hors protection cathodique
I.5. Conclusion et objectifs
CHAPITRE II PCCI : conception de revêtements électro-conducteurs autonomes
II.1. Introduction
II.2. Méthodologie de formulation
II.3. Méthodologie de mesure
II.3.1. Epaisseur du film sec
II.3.2. Conductivité électrique
II.3.3. Modes d’application et adhérence revêtement-support
II.3.4. Conception et sélection.
II.4. Conclusion
CHAPITRE III PCCI par revêtements électro-conducteurs autonomes efficacité
III.1. Objectifs expérimentaux et méthodologie
III.1.1. Poutres
III.1.2. Dallettes
III.2. Effet du revêtement sur un système de corrosion libre
III.3. Distribution spatiale du courant imposé sur un système à un lit d’armatures passives
III.3.1. Facteurs limitants : géométrie, enrobage et réactions anodiques
III.3.2. Effet du séchage du mortier
III.3.3. Effet de la résistance électrique du revêtement
III.3.4. Efficacité vis-à-vis des systèmes existants
III.4. Distribution spatiale du courant imposé sur un système à deux lits d’armatures
III.4.1. Cas d’un système passif
III.4.2. Systèmes actifs : courant de protection et courbes de polarisation
III.4.3. Etude de « l’effet de masque »
III.4.4. Simulation numérique
III.5. Efficacité vis-à-vis du critère empirique de dépolarisation
III.6. Conclusion
CHAPITRE IV PCCI par revêtements électro-conducteurs autonomes éléments d’évaluation de la durabilité
IV.1. Objectifs expérimentaux et méthodologie
IV.2. Suivi temporel du courant au niveau des 3 systèmes testés
IV.3. Investigation par observation
IV.4. Investigations par mesures électriques au niveau des revêtements
IV.4.1. Mesures du potentiel électrique
IV.4.2. Mesures de la résistance apparente par la méthode des quatre pointes
IV.5. Investigations par MEB
IV.6. Investigations par DRX
IV.7. Conclusion
Conclusion et perspectives
Références