Techniques électrochimiques de protection

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




• 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

20

pH

8

9

10

11

12

13

14

5 h 2j 7j 28j 3 mois 6 mois 13 mois 2 ans

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.

Mais en réalité….

L’armature s’oxyde à l’atmosphère avant d’être noyée dans le béton….

22

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



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



Métal

27

Béton

10 µm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Magnetite670

Fe3O4



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



Métal

29

Béton

10 µm

Epaisseur 10-50 µm



Métal

DEGRADATION

TEMPS

Etat limite de service

Défauts détectables

Défauts visibles

Induction de la corrosion Croissance

30

DEGRADATION

TEMPS



Défauts visibles


O2 Cl- CO2 H2O

31

DEGRADATION

TEMPS



Défauts visibles


O2 Cl- CO2 H2O

Amorçage (« initiation ») 32

DEGRADATION

TEMPS



Défauts visibles


O2 Cl- CO2 H2O

33

DEGRADATION

TEMPS



Défauts visibles


O2 Cl- CO2 H2O

Diagnostic 34

DEGRADATION

TEMPS



Défauts visibles


Réparation, méthodes électrochimiques 35

DEGRADATION

TEMPS



Défauts visibles


? 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

DEPASSIVATION

1) Carbonatation

2) Chlorures

38

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


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


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


Variation du potentiel: polarisation (électrochimie: étude des relations E=f(i)

46

Raupach 1994

Le béton

47

Cas courant d’un béton soumis à la pluie, aux éclaboussures, aux sels de déverglaçage,…..

48




• 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

Deux méthodes la norme NF EN 12696 (2012)

56

Deux méthodes

• Courant imposé

• Anodes galvaniques

57

Principales étapes

58

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

Armature

Béton

Corrosion active non expansive

60

Préparation du support

61

Vérification de la continuité électrique et connections

62

Installation électrodes de référence

63

Bordeaux 4 décembre 2008 64

Mise en place treillis anodique

64

Bordeaux 4 décembre 2008 65

Connections électriques et vérifications courts circuits

65

Projection béton ou mortier d’enrobage

66

Liaisons électriques et mise en route de la zone

67

Mise en route

i

- +

ΔE

68

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

Courant imposé treillis anodique Réservoir de sel

Avec l’aimable autorisation de Correxco

73

Distribution du courant sur l ’anode : bandes

Rubans de Titane oxyde de Titane soudés

et maintenus par chevilles plastiques

Document Freyssinet 74

Carbocath Anode en fibres de carbone

Avec l’aimable autorisation de Maxit

75

78

Cahiers techniques du Bâtiment Octobre 2013 Freyssinet

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

Anodes surfaciques

Zinc projeté

300 µm

82

modèle GRILLO-KKS-BETON

Zinc projeté

Avec l’aimable autorisation de R.Palmer

83

Zinc collé Doc CorrPRE

84

85

Avec l’aimable autorisation de Parex Lanko

85

Cellules Galvaniques discrètes

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

Cellules Galvaniques en réseau Galvashield CC

87

Anodes en peigne

88

• Avec l’aimable autorisation de Concrete

Anodes discrètes

90

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

Contrôles

97

• Contrôles préliminaires

• Des anodes

• De la continuité électrique

Indicateurs

Intensité du courant Dépolarisation Potentiel de protection on/off

98

Cas courant d’un béton soumis à la pluie, aux éclaboussures, aux sels de déverglaçage,…..

99

Essais de convenance

103

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.


cathodique




111



cathodique




112


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




• Conclusions

116

Méthodes électriques Traitements temporaires de réhabilitation

• Réalcalinisation

+

_

initial

f inal

9

pH

x

intermed. 13

117

• Déchloruration

+

_

[Cl ]-

x

initialf inal

Réalcalinisation

Documentation Sté Rénofors

118

• 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

Déchloruration Documentation Sté Freyssinet

123

124

Enrobages importants 70 % des points de prélèvements: teneur en chlorures >0,4 %/Ciment

125

Extraction des chlorures

Protection cathodique

Matinée d’information du STRRES

PROTECTION DES BETONS EN ZONE LITTORALE mercredi 27 novembre 2013


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


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

Merci de votre attention et bonne journée…………

Je ne suis pas certain que vous avez mis la bonne tension, Albert !!!! 133

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