Thèse de Doctorat

Université Mohammed V
Faculté des Sciences
Rabat
N° d’ordre : 2754
Thèse de Doctorat
Présentée par
MEKKAOUI ALAOUI Meryem
Discipline : Chimie
Spécialité : Sciences des Matériaux
Etude du comportement de l’acier inoxydable
UR45N et l’acier au carbone C38 dans
différents milieux simulant le béton
Soutenue le 31/12/2014
Devant le jury composé de :
Président:
Mr Bennaceur OUAKI, PES, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Rabat.
Examinateurs:
Mme Fouzia GUEDIRA, PES, Faculté des Sciences de Rabat.
Mr Moulay Abdrrahim EL MHAMMEDI, PH, Faculté Poly-disciplinaire de Khouribga.
Mr Mohamed BENMESSOUD, PH, Ecole supérieure de Technologie de Salé
Mme Souad EL HAJJAJI, PES, Faculté des Sciences de Rabat.
Faculté des Sciences, 4 Avenue Ibn Battouta B.P. 1014 RP, Rabat – Maroc
Tel +212 (0) 37 77 18 34/35/38, Fax : +212 (0) 37 77 42 61, http://www.fsr.ac.ma
Avant propos
Avant propos
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au Laboratoire de Spectroscopie,
Modélisation Moléculaire, Matériaux et Environnement LS3ME, Equipe Physico-chimie des
Matériaux et Environnement EPCME, Université Mohammed V, Faculté des Sciences de
Rabat sous la direction du Professeur Souad EL HAJJAJI en codirection avec le Professeur
Mr. Bennaceur OUAKI responsable du Laboratoire de Génie des matériaux de l’Ecole
Nationale Supérieure des Mines de Rabat.
Je tiens à remercier sincèrement Madame Souad EL HAJJAJI, Professeur à la faculté des
Sciences de Rabat et Directrice de mes travaux de recherches pour toutes les connaissances
qu’elle m’a transmises dans le domaine des matériaux. Elle a été mon professeur et sans elle
ce travail n’aurait certainement pas eu lieu. Je la remercie aussi pour l’autonomie qu’elle m’a
accordée, tout en restant disponible, et pour ses qualités humaines et scientifiques qui ont
permis la réalisation de ce travail dans les meilleures conditions possibles.
J’exprime ma profonde gratitude au Professeur Mr. Bennaceur OUAKI, responsable du
Laboratoire de génie des matériaux de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Rabat, et
codirecteur de mes travaux de recherches pour son aide précieuse au quotidien et sa forte
implication dans ce travail. Son aide s’est révélée précieuse et sans qui certains thèmes de la
thèse n’auraient pas pu être abordés aussi sereinement. Je lui exprime aussi toute ma gratitude
d’avoir accepté de présider le jury de ma thèse.
J’adresse un remerciement particulier à Mme Fouzia GUEDIRA, Professeur à la Faculté des
Sciences de Rabat, d’avoir accepté de faire partie du Jury et à qui j’adresse mes plus vifs
remerciements.
Je remercie vivement à Mr Mohammed BENMESSAOUD, Professeur Habilité de l’Ecole
supérieur de Technologie de Salé, pour tout l’intérêt qu’il a porté à mon travail en acceptant
de le juger.
Mes remerciements s’adressent également à Mr Moulay Abdrrahim EL MHAMMEDI,
Professeur Habilité à la Faculté Poly-disciplinaire de Khouribga. Je lui exprime aussi toute ma
gratitude d’avoir accepté d’examiner ce travail.
Leurs commentaires et suggestions ainsi que les différents échanges que nous avons eu m’ont
été d’une grande aide dans la finalisation de ce travail.
Enfin, je souhaite exprimer ma reconnaissance et mes remerciements aux personnes qui m’ont
soutenue et aidé durant les années consacrées à la réalisation de ce travail.
Avant propos
Je tiens à associer à ces remerciements Mr Saaid AMZAZI, le Doyen de la Faculté des
Sciences de Rabat, ainsi que tous les professeurs de cette faculté et notamment les professeurs
du département de chimie qui ont participé à ma formation tout au long de mon cycle
universitaire jusqu'aux jours d'aujourd’hui. Sans oublier tout le personnel de la Faculté des
Sciences de Rabat, qui a sans doute été d’une aide considérable durant tout ce parcours
universitaire.
Mes remerciements s'adressent aussi à tous mes camarades que je ne saurais tous citer ici pour
leur collaboration amicale et les discussions fructueuses que nous avons eux ensembles lors
de nos échanges académiques. Je tiens tout particulièrement à remercier, Mme Najoua
LABJAR pour toute l’aide qu’elle m’a apportée pour que je puisse finaliser ce travail.
Je n’oublie pas de dire un grand merci à toutes les personnes, tous les professionnels qui ont
contribuées de près et de loin à l’enrichissement de mon travail et à mon épanouissement
intellectuel.
Dédicace
Aucun mot ne pourrait exprimer des sentiments comme la gratitude, l’amour, le
respect ou la reconnaissance. Je dédie cette thèse à …
A mes très chers parents
Jamais je ne saurais m’exprimer quant aux sacrifices et dévouement que vous
avez consacrés à mon éducation et mes études. Les mots aussi expressifs soientils, restent faibles pour vous énoncer ma gratitude hautement profonde. Puisse
Dieu vous exaucer de santé, de prospérité et de bien-être et vous octroyer une
longue vie.
A ma grande sœur
A toi ma très chère, je peux te dire tu me manque beaucoup, aucun mot ne
pourrait exprimer mes sentiments que je porte pour toi, jamais oublier ton aide,
ton soutien, et ton encouragement que tu m’as donné: Allah yarahmak
A mes chers frères et sœurs
Les mots ne suffisent guère pour exprimer l’attachement, l’amour et l’affection
que je porte pour vous. Merci pour l’aide et le soutien que vous m’avez accordé.
A ma belle sœur
À mon cher ami
Une dédicace spécial, Merci pour ton encouragement, ton soutient en
particulier dans des moments difficiles, fût d'une aide précieuse.
A tous mes amis
En souvenir de ces moments agréables passé ensembles, je vous prie de trouver
dans ce travail l’expression de mon estime et mon profond respect
A tous ceux qui me sont chers
Résumé
Résumé
Le béton autour d’une armature offre aux aciers une double protection contre la corrosion. En premier
lieu, il agit comme une barrière physique qui limite la pénétration d’agents agressifs et l’accès de
l’oxygène jusqu’à l’armature. Ensuite, grâce à la composition de la solution interstitielle et à pH élevé,
le béton offre une protection chimique contre la corrosion.
La dégradation du béton peut être causée par la corrosion des armatures (présence d’ions agressifs,
humidité, oxygène, carbonatation, ……), la qualité des matériaux utilisés, la mauvaise conception des
ouvrages et une maintenance inadéquate.
L’objectif de ce travail est d’évaluer la résistance à la corrosion des armatures dans le béton,
actuellement utilisé sur le terrain et dont le mode d’action n’est pas élucidé. Deux types d’armatures
sont analysés: une en acier inoxydable et l’autre en acier ordinaire.
Nous nous sommes intéressés à l’étude du comportement des deux aciers dans le milieu de filtrat de
ciment avec et sans ajout des chlorures ou enrobés par le béton dans l’eau de mer.
Les résultats obtenus montrent que la corrosion des armatures des aciers dans le béton s’amorce dés
les premiers jours d’exposition à l’immersion continue. Le suivi du potentiel d’abandon montre que le
potentiel évolue vers des valeurs plus négatives au cours du temps d’immersion. Les éprouvettes de
l’acier inoxydable résistent mieux que les éprouvettes de l’acier ordinaire. La présence des chlorures
rend le milieu moins agressif pour l’acier inoxydable.
Les données issues de l’étude électrochimique et des analyses de surface ont permis de préciser que
l’armature en acier inoxydable constitue, pour certaines applications, une solution à prendre en
considération, en particulier quand il y a des difficultés de maintenance.
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Mots clés : béton armé, corrosion, armature, acier inoxydable, acier C38, chlorures, tests normalisés.
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Résumé
Abstract
The concrete around a steel reinforcement provides double protection against corrosion. First, it acts as
a physical barrier which limits the penetration of aggressive agents and the access of oxygen to the
armature. Then, with the composition of the pore solution and high pH, concrete provides protection
against chemical corrosion.
The degradation of the concrete can be caused by corrosion of reinforcement (presence of aggressive
ions, moisture, oxygen, carbonation ...), quality of materials used, the poor design of structures and
inadequate maintenance.
The objective of this study was to evaluate the resistance to corrosion of reinforcement in concrete,
currently used in the field and whose mode of action is not understood. Two types of alloys are
analyzed: a stainless steel (UR45) and the carbon steel (C38).
We are interested in studying the behavior of the two steels in cement filtrate medium with and
without addition of chlorides or coated with concrete in seawater.
The results show that the corrosion of reinforcement steel in concrete begins during the first days of
exposure to continuous immersion. Monitoring of potential shows that the potential is evolving
towards more negative values during the immersion time. The stainless steel is more resistant than
carbon steel. For stainless steel, the presence of chloride makes the environment less aggressive.
Data obtained from the electrochemistry study and surface analyzes show that the stainless steel can be
considered, for some applications, as a solution, especially when there are maintenance difficulties.
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Keywords: Reinforced concrete, corrosion, stainless steel, C38 steel, chlorides, standardized tests.
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Liste des Tableaux
Liste des Tableaux
CHAPITRE.I. Synthèse bibliographique
Tableau. I.1 : Composition chimique des nuances austéno-ferritiques (% massiques)
Tableau. I.2 : La composition chimique de l’acier UR45N
Tableau. I.3 : Probabilité de corrosion en fonction de la valeur de la résistivité
Tableau. I.4 : Résistivité et risque de corrosion dans le béton ordinaire à 20°C
Tableau. I.5 : Probabilité de corrosion en fonction du seuil des résistivités
Tableau. I.6 : Probabilité de corrosion en fonction du potentiel de corrosion E corr , mesuré par
rapport à une électrode au calomel saturé (ECS)
CHAPITRE.II. Conditions et Techniques expérimentales
Tableau. II. 1 : Composition chimique de l’acier UR45N
Tableau. II. 2 : Composition chimique de l’acier au carbone C38
Tableau .II. 3 : Composition chimique du filtrat du ciment
Tableau. II .4 : Composition chimique de l’eau de mer
Tableau. II. 5 : Caractéristiques chimiques de l’acier UR45N
Tableau. II.6 : Caractéristiques chimiques de l’acier au carbone
Tableau. II.7 : Constituants du béton
CHAPITRE.III. Les résultats expérimentaux
Tableau. III.1 : Paramètres électrochimiques déterminés à partir des courbes de polarisation
dans la solution simulatrice
Tableau. III.2 : Paramètres électrochimiques des courbes de polarisation dans le filtrat du
ciment
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Liste des Tableaux
Tableau. III. 3 : Potentiel de stabilisation des deux aciers
Tableau .III. 4 : Paramètres électrochimiques de l’acier UR45N et l’acier au carbone
Tableau. III.5 : Paramètres électrochimiques de l’éprouvette d’acier UR45N
Tableau. III.6 : Paramètres électrochimiques de l’éprouvette d’acier au carbone
Tableau. III.7 : Analyse EDX des deux aciers : (b) UR45N et (d) acier au carbone
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Liste des Figures
Liste des Figures
CHAPITRE.I. Synthèse bibliographique
Figure .I.1 : Procédé de la fabrication du béton
Figure. I.2 : Les différents niveaux microscopiques du béton
Figure. I.3 : Echelle dimensionnelle des constituants et des pores du béton
Figure. I.4 : Microstructure du clinker
Figure. I.5 : Modèle des particules de CSH de Feldman et Sereda [20]
Figure. I.6 : Représentation simplifiée du processus de corrosion dans les armatures par
carbonatation
Figure. I.7 : Diagramme de Pourbaix du fer dans l’eau en présence des chlorures [36]
Figure. I.8 : Diagramme pseudo binaire Cr - Ni - 68Fe
Figure. I.9 : Mécanisme de dissolution de l’acier dans le béton en présence d’ions chlore
Figure. I.10 : Volume relatif des produits d'oxydation du fer
Figure. I.11 : Modèles principaux de détérioration de l’armature
Figure. I.12 : Diagramme de Tutti modifié : (1) dépassivation des armatures, (2) apparition
des fissures, (3) éclatement du béton en parementent et (4) ruine
Figure. I.13 : Représentations schématiques des transports de chlorures dissous dans le
béton : (a) - absorption capillaire (b) - diffusion
Figure. I.14 : Diagramme de Pourbaix potentiel – pH du fer
Figure. I.15 : Conditions d'exposition en environnement marin [123]
Figure. I.16 : Processus électrochimique de corrosion par les chlorures
Figure. I. 17 : Méthodologie de mesure du potentiel de corrosion d’une armature [144]
Figure. I.18 : Courbes de réaction anodique et cathodique
Figure. I.19 : Influence du changement de la diffusion d’oxygène sur les paramètres de
protection cathodique
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Liste des Figures
Figure. I.20 : Protection cathodique par courant imposé
CHAPITRE.II. Conditions et Techniques expérimentales
Figure. II.1 : Densité des courants partiels anodique (ia ) et cathodique (ic ) d’une réaction
d’électrode (échelle linéaire)
Figure II.2 : Dispositif de mesure d'une courbe de polarisation potentiostatique.
ET: électrode de travail, ER: électrode de référence, CE: contre électrode.
Figure. II.3 : Représentation schématique de l'interaction entre un faisceau incident et la
surface de l'échantillon
Figure. II.4 : Micrographie de la surface de l’acier UR45N après attaque révélant les
Figure II. 5 : Micrographie de la surface de l’acier au carbone après attaque révélant les deux
phases en présence à l’état initial
Figure II.6 : Les armatures enrobées par le béton ; (a) armature UR45N (b) armature au
carbone.
CHAPITRE.III. Les résultats expérimentaux
Figure III.1 : Evolution du potentiel de corrosion des deux aciers dans la solution simulatrice
du béton
Figure. III.2 : Courbes de polarisation des deux aciers dans la solution simulatrice
Figure. III.3 : Evolution du potentiel de corrosion des deux aciers dans le filtrat du ciment
Figure. III.4 : Courbes de polarisation des deux aciers dans le filtrat du ciment
Figure.III.5 : Evolution du potentiel de corrosion des deux aciers dans le filtrat de ciment :
(a) UR45N et (b) : acier au carbone
Figure. III.6 : Courbe de polarisation d’acier UR45N dans le filtrat de ciment
Figure III.7 : Courbes de polarisation d’acier au carbone dans le filtrat de ciment
__________________________________________________________________________________
Liste des Figures
Figure III.8 : Représentation schématique du comportement bipolaire d’un film passif
Figure. III .9 : Micrographie de la surface de l’acier UR45N après l’attaque par FeCl3 sous
une température de 40°C
Figure. III.10 : Micrographie de la surface de l’acier UR45N après l’attaque par FeCl3 sous
une température de 30°C
Figure. III.11 : Micrographie de la surface de l’acier UR45N après l’attaque par FeCl3 sous
une température de 25°C.
Figure.III.12 : Micrographie de la surface de l’acier au carbone après l’attaque par FeCl3
sous une température de 25°C.
Figure. III.13 : Corrosimétre de CANIN
Figure. III.14: Forme des éprouvettes préparées : (a) éprouvette sous l’air (b) éprouvette dans
l’eau de mer
Figure III.15 : Evolution du potentiel de corrosion, d’une armature d’acier au carbone
enrobée dans un béton en phase du durcissement, en fonction du temps
Figure. III.16 : Evolution du potentiel de corrosion, d’une armature d’UR45N enrobée dans
un béton en phase de durcissement, en fonction du temps
Figure.III.17 : Diagramme de POURBAIX simplifié du fer. (Conditions théoriques
d'immunité et de passivation du fer à 25°C (pour [Fe2+]= [Fe3+]= 10-6 mol/L)
Figure. III.18 : Evolution du potentiel de corrosion dans l’eau de mer : (a) éprouvette d’acier
UR45N
Figure. III.19 : Evolution du potentiel de corrosion dans l’eau de mer : (b) éprouvette d’acier
au carbone C38
Figure. III.20 : Courbes de polarisation de l’éprouvette d’acier UR45N dans l’eau de mer
Figure III.21 : Courbes de polarisation de l’éprouvette d’acier au carbone dans l’eau de
mer
__________________________________________________________________________________
Liste des Figures
Figure. III.22 : (a) Observation MEB de la surface de l’acier UR45N après immersion dans
l’eau de mer pendant 9mois ; (b) analyse EDX de la surface de l’acier après immersion dans
l’eau de mer
Figure. III.23 : (c) Observation MEB de la surface de l’acier au carbone après immersion
dans l’eau de mer pendant 9mois ; (d) analyse EDX de la surface de l’acier après immersion
dans l’eau de mer
Figure.III.24 : Histogramme correspondant à l’eprouvette d’acier UR45N immergée dans
l’eau de mer
Figure III.25 : Histogramme de l’éprouvette en acier au carbone immergée dans l’eau de
mer.
__________________________________________________________________________________
Sommaire
__________________________________________________________________________________
Table des matières
__________________________________________________
Introduction ...........................................................................................................................1
___________________________________________________________________________
Chapitre –I- Synthèse bibliographique
__________________________________________________________________________
Introduction ............................................................................................................................6
I. Béton. ..................................................................................................................................6
I.1.composition chimique et microstructure du béton ..........................................................7
I.2.Porosité et structure poreuse du béton ............................................................................8
I.3. Microstructure du béton ..................................................................................................10
I.4. Le ciment .........................................................................................................................10
I.5. Granulats ..........................................................................................................................13
a. Caractéristiques géométriques des granulats ....................................................................13
b. Interface pâte-granulats ....................................................................................................13
I.6.Eau .....................................................................................................................................14
II. Béton armé ........................................................................................................................14
II.1.Constituants du béton armé ............................................................................................14
II.2. Propriétés du béton ........................................................................................................15
II.3.Différentes attaques chimiques du béton .......................................................................16
II.3.1. Lessivage ......................................................................................................................16
II.3.2. Expansion ....................................................................................................................16
II.3.3. Carbonatation .............................................................................................................17
III. L’acier ..............................................................................................................................20
Sommaire
__________________________________________________________________________________
IV. Les aciers inoxydables .....................................................................................................21
IV.1. Introduction ..................................................................................................................21
IV.2. Les aciers inoxydables ..................................................................................................22
V. Classification des aciers inoxydables ................................................................................23
V.1. Les aciers inoxydables austénitiques ..............................................................................23
V.2. Les aciers martensitiques ...............................................................................................23
V.3. Les aciers ferritiques ......................................................................................................24
V.4. Les aciers austéno-ferritiques ........................................................................................24
VI. L’acier au carbone ...........................................................................................................27
VII. Chlorures et corrosion des armatures dans le béton ....................................................28
VII.1. Introduction ................................................................................................................28
VII.2. Nature électrochimique de la corrosion ......................................................................29
VII.3. La corrosion des armatures ........................................................................................30
VII.4. Amorçage et propagation de la corrosion ...................................................................31
VII.5. Pénétration des agents agressifs ..................................................................................33
VII.6. Corrosion en milieu salin des aciers dans le béton armé ............................................35
VIII. Passivation des aciers dans le béton..............................................................................36
VIII.1. Film passif ..................................................................................................................36
VIII.2. Film d’oxydes .............................................................................................................38
VIII.3. Caractéristiques du film d’oxydes ............................................................................38
VIII.4. Films formés par passivation électrochimiques ........................................................39
IX.Dépassivation des aciers dans le béton .............................................................................41
IX.1.Dépassivation par l’attaque des chlorures ....................................................................41
IX.2. Dépassivation par carbonatation du béton ..................................................................43
IX.3. Seuil d’amorçage de la corrosion ..................................................................................44
X. Facteurs influents de la corrosion ....................................................................................45
X.1. Influence de l’enrobage ..................................................................................................46
Sommaire
__________________________________________________________________________________
X.2. Influence de la composition du béton .............................................................................46
X.3.Influence de l’humidité ....................................................................................................47
X.4. Influence de la température ............................................................................................47
X.5. Influence de la résistivité du béton ................................................................................48
X.6. Effet de l’oxygène ............................................................................................................ 50
X.7. Autres agents agressifs ...................................................................................................50
XI. Méthodes de suivie de la corrosion ..................................................................................50
XI. 1. Introduction .................................................................................................................50
XI.2. Mesure du potentiel de la corrosion..............................................................................51
XI.3. Mesure de la vitesse de la corrosion ..............................................................................53
XII. Techniques électrochimiques de maintenance et de réparation ....................................54
XII.1.Protection cathodique ..................................................................................................54
a. Généralités ..........................................................................................................................54
b. Principe de protection cathodique .....................................................................................55
c. Application de la protection cathodique ...........................................................................58
XII.2. Extraction électrochimique des ions chlorures ...........................................................60
a. généralité ............................................................................................................................60
b. Principe d’extraction électrochimique des ions chlorures ...............................................61
c. Efficacité d’extraction des ions chlorures ..........................................................................62
XIII. Inhibiteurs de corrosion ...............................................................................................62
XIII.1. Classification des inhibiteurs ....................................................................................62
XIII.2. Les inhibiteurs utilisés pour le béton armé................................................................64
XIV. Conclusion et position du problème ..............................................................................66
Sommaire
__________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Chapitre –II- Conditions et techniques expérimentales
___________________________________________________________________________
I. Matériaux étudiés ...............................................................................................................69
I.1. Préparation des échantillons ............................................................................................70
I.2. Milieu d’étude ..................................................................................................................70
II. Méthodes électrochimiques ...............................................................................................72
II.1. Courbe intensité-potentiel .............................................................................................72
II.2. Extrapolation d’une courbe I-E : loi de Tafel ...............................................................73
II.3. Calcul de la vitesse de corrosion à partir de la courbe de polarisation ........................77
III. Préparation des éprouvettes ...........................................................................................80
IV. Microscope électronique à balayage (MEB) ...................................................................80
IV.1. Principe .........................................................................................................................83
IV.2. Conditions opératoires .................................................................................................83
V. Structure des aciers ...........................................................................................................83
VI. Test normalisé de piqûration ..........................................................................................85
___________________________________________________________________________
Chapitre –III- Les résultats expérimentaux
___________________________________________________________________________
I. Introduction ........................................................................................................................89
II. Corrosion des aciers dans différents milieux ...................................................................89
II.1. Etude électrochimique ....................................................................................................89
II.1.1. Etude en milieu simulant le béton ..............................................................................89
a. Evolution du potentiel de corrosion ..................................................................................89
b. courbes de polarisation.......................................................................................................90
Sommaire
__________________________________________________________________________________
II.1.2. Etude en milieu filtrat du ciment ...............................................................................92
a. Evolution du potentiel de corrosion ...................................................................................92
b. Courbes de polarisation ..................................................................................................... 93
III. Etude de l’effet des chlorures .........................................................................................94
III.1. Evolution du potentiel de corrosion .............................................................................94
III.2. Courbes de polarisation ................................................................................................96
IV. Le test de normalisé de piqûration .................................................................................100
IV.1. L’acier UR45N ..............................................................................................................100
IV.2. Acier au carbone ...........................................................................................................102
V. Conclusion .........................................................................................................................103
VI. Les résultats expérimentaux pour les éprouvettes .........................................................104
VI.1. Introduction ..................................................................................................................104
VI.2. Procédures expérimentales ..........................................................................................105
VI.2.1. Mesure des valeurs du potentiel par un circuit ouvert .............................................105
VI.2.2. Eprouvettes d’essai ....................................................................................................105
VI.2.3. Phase de durcissement (Eau douce) ..........................................................................106
a. Acier au carbone ................................................................................................................106
b. Acier UR45N .......................................................................................................................107
VI.2.4. Evolution du potentiel de corrosion des deux éprouvettes .......................................109
VI.2.5. Courbes de polarisation des deux éprouvettes .........................................................110
VI.3. Analyse de surface par microscopie électronique à balayage .....................................114
VI.3.1. Observations et analyses des échantillons en surface ................................................114
VI.3.2. Analyses en coupe transversale des éprouvettes .......................................................116
VII. Conclusion ......................................................................................................................118
Conclusion générale et perspectives .......................................................................................119
Références bibliographiques .................................................................................................122
Introduction générale
Introduction générale
La corrosion des armatures est une des causes majeures de la dégradation des structures et des
ouvrages en béton armé. Face aux coûts que nécessitent le suivi, la maintenance et la
rénovation de ce patrimoine chaque année à travers le monde, il est indispensable de mettre au
point des méthodes de diagnostic non destructives simples et applicables sur tous les sites, et
d’améliorer le dimensionnement des structures soumises à une ambiance agressive. Pour
optimiser la stratégie de maintenance, le maître d’ouvrage a besoin de connaître le
comportement résiduel de la structure. Pour réaliser un dimensionnement adéquat et des
ouvrages plus résistants et plus durables, les concepteurs ont besoin de connaître le processus
de corrosion et ses interactions environnementales et structurelles.
Toute construction connait, sans exception, une durée de vie limitée. Les structures classiques
du génie civil en béton armé sont conçues pour durer quelques dizaines ou une centaine
d’années. Au fil du temps, elles se détériorent en raison des charges qui leur sont appliquées,
des conditions d’environnement et de leurs utilisations.
Tout ouvrage est destiné à être démoli, remplacé, rénové ou réparé. Le béton et le béton armé
n’échappent pas à cette règle. Les effets de la détérioration touchent plusieurs aspects, tels que
la sécurité, le confort et la qualité esthétiques.
L’expérience montre que la principale cause de la détérioration des constructions est la
corrosion des armatures.
La corrosion des armatures du béton armé diminue la durée de vie des structures. L’évaluation
de la durée de vie des structures en béton armé passe par l’étude de la dégradation du béton
ainsi que celle des armatures. Les processus d’échanges (eau, diffusion des chlorures et du
CO 2 ) à partir de la surface peuvent conduire à une dégradation des conditions qui assurent la
protection des armatures contre la corrosion et provoquer, ainsi l’amorçage du processus de la
corrosion. De plus, en raison des agressions externes (chargement mécanique, agressions
chimiques telles que la lixiviation ou les réactions sulfatiques), le béton se dégrade du fait de
la modification de sa microstructure : des fissures apparaissent et la porosité est modifiée. Ces
dégradations modifient les propriétés de transfert des espèces agressives et donc la cinétique
de la corrosion des armatures s'en trouverait accélérée.
__________________________________________________________________________________
1
Introduction générale
La corrosion apparaît après la dépassivation de l’acier, c’est à dire à la fin de la période
d’initiation et au début de la période de propagation (Tuutti, 1982). Les deux causes
principales de dépassivation sont la carbonatation du béton d’enrobage et l’attaque des
chlorures. La carbonatation est en général suivie d’une corrosion répartie de façon assez
homogène, alors que l’attaque des chlorures se traduit par une corrosion plus localisée et
profonde par piqûres. C’est dans la phase de propagation que les performances mécaniques
des structures en béton armé attaquées par la corrosion se dégradent. La section d’acier de
renfort sain diminue proportionnellement au taux de corrosion. La production de rouille
engendre une expansion interne et donc des contraintes dans le béton. L’insertion de rouille
entre les armatures d’acier et le béton, et ces contraintes supplémentaires dans le béton
confinant les armatures induisent une diminution de l’adhérence acier-béton.
Le béton est très largement utilisé dans le monde et sa production s’accroit chaque jour, c’est
la raison pour laquelle il est nécessaire de connaitre les évolutions physiques et chimiques du
béton dans le temps et ce, afin de prévoir tout risque nuisible lié à la dégradation des
ouvrages.
L’objectif de ce travail est d’étudier le comportement électrochimique de l’acier inoxydable
UR45N et l’acier C38 lorsqu’ils sont utilisés comme éléments structuraux en béton dans un
environnement naturel aqueux (eau de mer). Pour se faire, nous avons tout d’abord fait des
études dans des milieux simulant au béton.
Le premier chapitre de cette thèse porte sur une synthèse bibliographique sur la corrosion du
béton armé et ses évolutions physico-chimiques et aussi des solutions pour lutter contre la
corrosion des métaux et plus particulièrement des aciers.
Le deuxième chapitre est consacré à une description détaillée des conditions expérimentales
mises en œuvre. Elle concerne essentiellement : le matériau, les conditions d’essai et les
méthodes d’études.
Le troisième et le quatrième chapitre présentent les résultats obtenus en laboratoire :
-
du suivi électrochimique des aciers et éprouvettes par des techniques tel que :
l’évolution du potentiel d’abandon, les courbes de polarisation et test normalisé ;
-
de la caractérisation des aciers étudiés par microscopie électronique à balayage (MEB)
Nous avons terminerons par une conclusion générale et des perspectives.
__________________________________________________________________________________
2
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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Chapitre I : Synthèse
bibliographique
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3
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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Chapitre I : Synthèse bibliographique ....................................................................................................... 3
Introduction .................................................................................................................................................... 6
I. Béton ............................................................................................................................................................ 6
I.1. Composition chimique et microstructure du béton ............................................................................... 7
I.2. Porosité et structure poreuse du béton ................................................................................................. 8
I. 3. Microstructure physique du béton .................................................................................................... 10
I.4. Le ciment ......................................................................................................................................... 10
I.5. granulats .......................................................................................................................................... 13
a. Caractéristiques géométriques des granulats ............................................................................... 13
b. Interface pâte –granulats ............................................................................................................ 13
I.6. Eau .................................................................................................................................................. 14
II. Béton armé ............................................................................................................................................... 14
II. 1.Constituants du béton armé.............................................................................................................. 14
II.2. Propriétés du béton .......................................................................................................................... 15
II.3. Différentes attaques chimiques du béton .......................................................................................... 16
II. 3. 1. Lessivage ............................................................................................................................... 16
II.3.2. Expansion ................................................................................................................................ 16
II.3.3. Carbonatation .......................................................................................................................... 17
III. L’acier..................................................................................................................................................... 20
IV. Les aciers inoxydables ............................................................................................................................ 21
IV.1. Introduction ................................................................................................................................... 21
IV.2. Les aciers inoxydables ................................................................................................................... 22
V. Classification des aciers inoxydables ....................................................................................................... 23
V.1. Les aciers inoxydables austénitiques................................................................................................ 23
V.2. Les aciers martensitiques ............................................................................................................... 23
V.3. Les aciers ferritiques ...................................................................................................................... 24
V.4. Les aciers austéno-ferritiques .......................................................................................................... 24
VI. L’acier au carbone .................................................................................................................................. 27
VII. Chlorures et corrosion des armatures dans le béton ............................................................................ 28
VII.1. Introduction.................................................................................................................................. 28
VII.2. Nature électrochimique de la corrosion ......................................................................................... 29
VII.3. La corrosion des armatures .......................................................................................................... 30
VII.4. Amorçage et propagation de la corrosion ...................................................................................... 31
VII.5. Pénétration des agents agressifs .................................................................................................... 33
VII.6. Corrosion en milieu salin des aciers dans le béton armé ................................................................. 35
VIII. Passivation des aciers dans le béton.................................................................................................... 36
VIII. 1. Film passif ................................................................................................................................. 36
VIII. 2. Film d’oxydes ............................................................................................................................ 38
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4
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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VIII. 3. Caractéristiques du film d'oxydes................................................................................................ 38
VIII. 4. Films formés par passivation électrochimique ............................................................................. 39
IX. Dépassivation des aciers dans le béton .................................................................................................. 41
IX. 1. Dépassivation par l’attaque des chlorures ..................................................................................... 41
IX.2. Dépassivation par carbonatation du béton ....................................................................................... 43
IX.3. Seuil d'amorçage de la corrosion .................................................................................................... 44
X. Facteurs influents de la corrosion ............................................................................................................ 45
X.1. Influence de l’enrobage ................................................................................................................... 46
X.2. Influence de la composition du béton............................................................................................... 46
X.3. Influence de l’humidité ................................................................................................................... 47
X.4. Influence de la température ............................................................................................................. 47
X.5. Influence de la résistivité du béton................................................................................................... 48
X.6. Effet de l’oxygène ........................................................................................................................... 50
X.7. Autres agents agressifs .................................................................................................................... 50
XI. Méthodes de suivie de la corrosion ........................................................................................................ 50
XI.1. Introduction ................................................................................................................................... 50
XI.2. Mesure du potentiel de corrosion.................................................................................................... 51
XI.3. Mesure de la vitesse de corrosion ................................................................................................... 53
XII. Techniques électrochimiques de maintenance et de réparation ........................................................... 54
XII.1. Protection cathodique ................................................................................................................... 54
a. Généralités................................................................................................................................. 54
b. Principes de la protection cathodique .......................................................................................... 55
c. Application de la protection cathodique ....................................................................................... 58
XII.2. Extraction électrochimique des ions chlorures .......................................................................... 60
a. Généralités ..................................................................................................................................... 60
b. Principe d’extraction électrochimique des ions chlorures ................................................................. 61
c. Efficacité d’extraction des ions chlorures ........................................................................................ 62
XIII. Inhibiteurs de corrosion...................................................................................................................... 62
XIII.1. Classification des inhibiteurs ....................................................................................................... 62
XIII. 2. Les inhibiteurs utilisés pour le béton armé .................................................................................. 64
XIV. Conclusion et position du problème ..................................................................................................... 66
__________________________________________________________________________________
5
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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Introduction
Les phénomènes de corrosion des armatures du béton sont les dégradations les plus fréquentes
des ouvrages en béton armé et précontraint. Ils entraînent des coûts très importants de
maintenance, de réparation et peuvent dans certains cas, mettre en cause la sécurité des
structures et des usagers.
Les dommages dus à la corrosion commencent par des expansions au niveau des aciers qui
conduisent à la formation de fissures dans le béton et provoquent éventuellement le
décollement de l'enrobage. En plus de la disparition du béton d’enrobage, des dommages
structuraux peuvent survenir en raison de la perte d'adhérence des barres et de la diminution
de leur diamètre effectif (perte de capacité en traction).
Le béton d’enrobage, ou le mortier autour d’une armature, offre aux aciers une double
protection contre la corrosion. En premier lieu, il agit comme une barrière physique qui limite
la pénétration d’agents agressifs et l’accès de l’oxygène jusqu’à l’armature. Ensuite, grâce à la
composition de la solution interstitielle et à son pH élevé, le béton offre une protection
chimique contre la corrosion. Cependant, la porosité du béton est à l’origine de la diminution
de sa capacité à isoler l’acier des substances agressives du milieu extérieur.
I. Béton
Depuis l’antiquité, le béton est connu comme matériaux de construction et il est utilisé de
manière intensive depuis l’invention du béton armé [1]. A partir de la moitié du vingtième
siècle, et grâce à une interaction multidisciplinaire, le béton commenca à marquer des
progrès importants : ses propriétés mécaniques continuent à s’améliorer grâce aux acquis de
la science des matériaux permettant de répondre aux exigences des constructeurs.
Aujourd’hui, on est confronté à des bétons “traditionnels”, pour lesquels le comportement
structurel et les méthodes de calcul et d’exécution sont bien maitrisées.Il y a aussi de
nouvelles générations de bétons, pour lesquels les progrès de la science des matériaux ont
désormais de l’avance par rapport à la vitesse avec laquelle les notions nécessaires pour la
modélisation, le calcul et l’exécution sont acquises.
Le béton est un matériau hétérogène, composé essentiellement de granulats de tailles
différentes, de ciment et de l’eau [2]. Le béton peut être produit pratiquement partout, avec
6
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
une technique relativement simple et en utilisant des ingrédients économiques et localement
disponibles. Cela contribue à expliquer son succès historique et son emploi constant et massif
dans le domaine de la construction [3, 4].
L’hétérogénéité du matériau a des conséquences importantes sur son comportement
mécanique [5]. Les principales phases présentes dans le béton durci sont :
-
les granulats, généralement plus rigides et plus résistants que les autres composants ;
-
les produits solides de la réaction d’hydratation ;
-
Une partie de ciment qui n’a pas complètement réagi et qui poursuit lentement la
réaction d’hydratation ;
- un certain volume de pores, vides ou partiellement remplis d’eau.
Les étapes de la fabrication du béton sont résumées dans la figure I. 1.
Calcaire
CaCO3
+
Trempe
Cuisson 1450°
Argile
SiO2, Al2O3
Gypse CaSO4,H2O
+
Ajouts éventuels
Eau
Granulats, sable
clinker
C2S, C3S ,C3A,C4AF
Dosage
Broyage
+
Ciment
+
Adjuvant
Béton
Figure I.1. Procédé de la fabrication du béton
I.1. Composition chimique et microstructure du béton
Le béton peut être considéré comme un matériau multiphasique contenant trois phases
(Figure. I.2). A partir de l’échelle nanométrique et jusqu’à l’échelle macroscopique, Ulm et al.
7
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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[6] décomposent la structure des matériaux cimentaires en quatre niveaux élémentaires (de 0’
à ’III’), dans le but d’en proposer une modélisation micro-poro-mécanique.
Figure I.2. Les différents niveaux microscopiques du béton
Les différentes phases du béton sont :
1. Une phase solide formée par une pâte cimentaire (7% à 14% du volume total) liant les
agrégats (60% à 80% du volume total).
2. Une phase liquide qui est l'eau libre et adsorbée (15% à 22% du volume total).
3. Une phase gazeuse formée par de l'air et de la vapeur d'eau (1% à 6% du volume total).
I.2. Porosité et structure poreuse du béton
Les propriétés de transfert en général et la diffusion en particulier sont des paramètres
essentiels pour la durabilité des matériaux à base de ciment. Les caractéristiques du réseau
poreux (porosité, distribution des tailles de pores,…) déterminent les propriétés de transfert et
elles sont donc des indicateurs de premier ordre dans la prédiction de la durabilité des
structures en béton et en béton armé.
8
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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En général, 20 à 50 % du volume de la pâte est constitué par des pores. Le volume et la forme
des vides influent sur la qualité des matériaux durcis.
Les pores conditionnent les propriétés de transfert d’un matériau cimentaire. On distingue
conventionnellement 2 types de pores [7] :
- Les pores capillaires (les macropores)
- Les pores internes aux hydrates (les micropores)
Les pores capillaires sont détectables par porosimétrie au mercure. Ils représentent les espaces
intergranulaires et sont directement liés au rapport Eau / Ciment du mélange de la pâte du ciment.
En raison de la maniabilité du béton (surtout ordinaire), le volume d’eau fourni pour la fabrication
du béton est supérieur au volume nécessaire pour l’hydratation. Par conséquent, cet excédent
d’eau s’évacue par séchage au cours du temps et laisse des pores capillaires disponibles pour la
circulation de gaz.
Cependant, les pores internes aux hydrates (en particulier au gel C-S-H), ne sont pratiquement pas
affectés par le rapport Eau / Ciment. Cette porosité, intrinsèque aux hydrates, peut être observée à
l’aide de l’adsorption gazeuse [8].
A ces deux familles de taille de pores, les vides dus aux bulles d’air (Figure I.3) [9], et les fissures
(diamètre supérieur à 1 μm) sont à ajouter.
Figure I.3. Echelle dimensionnelle des constituants et des pores du béton
9
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
I. 3. Microstructure physique du béton
Le béton est un matériau hétérogène multiphasique constitué d’un mélange de granulats et
d’une pâte, elle-même constituée à partir de ciment et d’eau. La pâte de ciment représente 25
à 40 % du volume total du béton. Chaque constituant joue un rôle bien défini, celui de liant
hydraulique pour la pâte de ciment, et celui de remplissage atténuateur de variations
volumiques (retrait) et source de résistance pour les granulats[10].
I.4. Le ciment
Les analyses des cycles de vie des structures en béton montrent que, parmi les différents
constituants du béton, le ciment représente la source principale des impacts sur
l’environnement, en particulier des émissions de gaz à effet de serre [11-14]. Cette part
importante des émissions de CO 2 du béton est due aux fortes émissions liées à sa production
en cimenterie. En effet, la quantité de CO 2 émise lors de la fabrication du ciment correspond
en moyenne mondiale à 810 kg de CO 2 émis par tonne de clinker [15]. Ce qui correspond à
environ 900 g de CO 2 émis par jour et par habitant, car selon les statistiques enregistrées en
2010, la consommation moyenne mondiale du ciment, est de l’ordre de 400 kg/an/habitant
[16]. Le ciment apparaît donc comme un paramètre clé pour réduire les émissions de CO 2 , et
plus généralement l’impact environnemental du matériau « béton ».
Le ciment est un liant hydraulique se présentant sous la forme d’une poudre très fine,
largement utilisé dans la construction et dans d’autres domaines.
Le ciment, qui représente 10 % du volume des bétons usuels, est constitué essentiellement de
clinker obtenu à partir de la cuisson vers 1450 °C d’un mélange de 80 % de calcaire et de 20
% d’argile.
Selon la teneur en clinker et d’autres constituants, cinq types de ciment courant sont définis
par la norme NF EN 197-1 [17]. Parmi ces ciments, le plus communément utilisé est le ciment
Portland ordinaire.
Chimiquement, le clinker (figure I.4) [18] se compose de 4 oxydes principaux : oxyde de
calcium CaO, de silicium SiO 2 , d’aluminium Al2 O 3 , de fer Fe 2 O 3 . Après la clinkerisation, le
produit obtenu est composé de 4 phases principales : le silicate tricalcique C 3 S (3CaO.SiO 2 alite), le silicate bicalcique C 2 S (2CaO.SiO 2 - bélite), l’aluminate tricalcique C 3 A
(3CaO.Al2 O 3 ) et l’aluminoferrite tétracalcique C 4 AF (4CaO.Al2 O 3 .Fe 2 O 3 ).
10
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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Figure I.4. Microstructure du clinker
En général, on a :
-
Le silicate tricalcique : (CaO) 3SiO 2 note C 3 S à 60%.
-
Le silicate dicalcique : (CaO) 2SiO 2 note C 2 S à 21%.
-
l'aluminate tricalcique : (CaO) 3Al2 O 3 note C 3 A à 9%.
-
l'aluminate tétra calcique : (CaO) 4Al2 O 3 Fe 2 O 3 note C 4 AF à 6%.
-
d'autres constituants 4% à base d'alumine Al2 O 3 , de magnésie MgO, d'alcalins
-
NaO et K2 O et du gypse CaSO 4 destiné à réguler la prise.
Lors de l'ajout de l'eau, des réactions d'hydratation se déclenchent engendrant la constitution
d'un réseau poreux et la formation de produits hydrate.
L’hydratation des C 3 S et C 2 S produit de la Portlandite (CH) et des CSH.( avec: C = CaO ; S
= SiO 2 ; H = H 2 O). Les CSH définissent la phase hydratée la plus importante dans la pate
durci et c’est d’elle que vont dépendendre les principales propriétés mécaniques du matériau.
Les CSH constituent la majeure partie de la phase liante de la pâte de ciment hydratée.
Cependant, la phase la plus soluble est la Portlandite (CH) qui maintient par son équilibre de
solubilité le pH élevé de la solution interstitielle (pH variant approximativement entre 12 et
13) [19].
11
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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 Microstructure et composition de la pâte de ciment
La pâte de ciment se forme au cours de l’hydratation de ciment pour former une sorte de
pierre artificielle. Sa microstructure est très compliquée à cause de sa finesse et ne peut être
analysée que sous microscope électronique à balayage.
L’analyse de la microstructure se fait généralement et indirectement à partir des isothermes
de sorption et de désorption, en connexion avec les propriétés mécaniques de la pâte. Le
premier modèle étudiant la microstructure de la pâte de ciment durci en relation avec ces
propriétés physiques, a été proposé par Powers et Brownyard [Powe-1970]. Dans cette
approche la pâte de ciment est considérée comme un assemblage de particules sphériques de
gel de diamètre 100 °A environ séparées par un film d’eau de 6 °A d’épaisseur.
Feldman et Serreda [20] concluent que le comportement physico-chimique de la pâte de
ciment est semblable à celui des matières cellulosiques, la pâte de ciment étant considérée
comme un gel. A partir des mesures d’isotherme d’adsorption et de désorption ainsi que des
mesures de retrait et de dilatation, ils constituent leur modèle : la pâte de ciment est construite
par une structure lamellaire (couches) irrégulière. Contrairement au modèle de Powers, les
propriétés principales du gel ne sont pas fortement influencées par l’eau adsorbée, mais plutôt
par l’introduction et l’élimination des molécules d’eau entre les couches inter lamellaires [20].
(Figure I.5).
Figure I.5.Modèle des particules de CSH de Feldman et Sereda [20]
12
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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I.5. granulats
Les granulats, qui représentent généralement l’ordre de 70 % du volume du béton, peuvent
être naturels, artificiels, ou recyclés.
Certains granulats contenant une fraction significative de silice amorphe, de silicates ou de
calcaire dolomitique, sont susceptibles d’être attaqués par la solution interstitielle du béton
pour former des gels gonflants, portant ainsi préjudice à l’intégrité du béton (alcali réaction).
Toutefois, la présence d’additions minérales dans le béton contribue à contrer les effets
néfastes de cette pathologie [21].
Les granulats jouent un rôle important dans le comportement du béton. Leur influence est très
forte en termes de performances mécaniques.
Pour obtenir un béton ayant de bonnes caractéristiques, plusieurs paramètres entrent en jeu
dans le choix des granulats : la qualité, la minéralogie, la forme et une granulométrie
appropriée associée.
a. Caractéristiques géométriques des granulats
Généralement, l'usage des granulats roulés dans la technologie classique du béton est préféré à
celui des granulats concassés, car ils sont supposés conférer une meilleure ouvrabilité au
béton. En revanche, les granulats concassés sont réputés développer une meilleure liaison
avec la pâte de ciment [22,23].
La forme et l’étendue granulaire des granulats vont influencer la compacité du mélange
granulaire. La forme peut être définie par les indices d’allongement et d’aplatissement
dépendant des dimensions géométriques d’un granulat. Ainsi, les granulats peuvent être plus
ou moins ronds, sous forme de plaquettes ou d’aiguilles, anguleux ...
L’étendue granulaire va être caractérisée par la granulométrie qui représente la distribution de
taille des granulats utilisés dans un béton donné afin d'améliorer la compacité du béton. Cette
distribution doit permettre une réduction du volume des vides. Dans cette optique, cette
granulométrie doit donc être optimisée en utilisant par exemple la méthode de Dreux-Gorisse
[24] ou d’autres approches plus récentes [25].
La rugosité des granulats va également influencer la compacité du mélange granulaire, ainsi
que l’adhérence du granulat à la pâte de ciment.
b. Interface pâte –granulats
C’est la partie la plus poreuse, la mieux cristallisée et la moins résistante dans un béton.
L’épaisseur de cette zone qui s’appelle aussi l’auréole de transition est de 50 μm maximum, et
13
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
la taille des pores varie entre 1,5 et 3 μm [10]. Cette faible résistance mécanique au niveau de
l’auréole est due en partie à l’eau piégée sous les granulats. Les études menées sur cette partie
montrent que l’interface est constituée de fibres de CSH, d’aiguilles d’ettringite et de
plaquettes de Ca(OH) 2 orientées perpendiculairement à la surface du granulat.
I.6. Eau
L’eau est l’un des constituants de base du béton. Elle est généralement classifiée selon la
nature de sa liaison avec la pâte de ciment hydratée. Les catégories présentées ci-dessous,
issues d'anciens travaux [26,27], décrivent les différents types d’eau évaporable selon la force
de la liaison :
-
L’eau libre et capillaire : elle n’est pas soumise aux forces d’attraction des surfaces
solides. Elle se trouve principalement dans les pores capillaires de dimensions
supérieures à 10 μm (gros pores et fissures).
-
L’eau adsorbée : l’eau est adsorbée sur les parois des surfaces externes des particules.
 Physiquement : les forces d’attraction sont de type Van-der-Waals. L’eau est
énergétiquement liée et confinée dans les pores de très petites tailles entre les
surfaces des cristaux.
 Chimiquement : des électrons sont mis en commun entre l’eau et la surface
solide. Ainsi, la structure de la molécule d’eau est modifiée (dissociation par
rupture de la liaison covalente O-H).
-
L’eau chimiquement combinée : elle a réagi chimiquement avec le ciment pour
former un nouveau produit, comme le C-S-H ou l’ettringite.
L’eau présente dans les C-S-H et celle présente dans les zones d’adsorption empêchée jouent
un rôle majeur dans le comportement différé du béton.
II. Béton armé
II. 1.Constituants du béton armé
Le béton est souvent renforcé par des tiges ou des grillages en fer, on parle alors de « béton
armé ». La forte alcalinité du béton est le garant d’une protection antirouille durable. En effet,
l’hydroxyde de calcium forme avec la rouille superficielle une couche protectrice de 50 µm,
qui dure aussi longtemps que l’ambiance alcaline persiste [28].
14
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
La structure (béton armé) peut être endommagée avec le temps par la rouille. Elle résulte
d’une reprise de la corrosion de l’acier. L’accroissement du volume de la rouille ainsi formée
provoque le décollement d’une couche du béton superficiel, ce qui entraine une corrosion de
l’acier.
Les principales causes de ce décollement sont :
• La carbonatation du béton par le CO 2 de l’air,
• La neutralisation du béton par les polluants atmosphériques acides : SO 2 ,
NO x ,… .etc,
• La présence d’une importante teneur ion chlorure dans le béton (parfois
ajoutées, pour améliorer le durcissement à cœur aux basses températures)
• Un recouvrement insuffisant du ferraillage du béton.
• Comme la chaux éteinte, l’hydroxyde de calcium contenu dans le béton pourra
connaitre une carbonatation sous l’action du CO 2 en présence d’eau et devenir
neutre. Ce processus est beaucoup plus lent, surtout pour les bétons très
compacts et à forte teneur en ciment [28].
• Un béton normal se carbonate à raison d’environ 1mm par an. A la suite de
cette carbonatation, le béton perd son alcalinité. L’action protectrice disparait
et l’acier commence à rouiller. La formation de la rouille est favorisée par les
polluants acides présents dans l’air et éventuellement, par les doses excessives
de chlorures ajoutées pour accélérer le durcissement [28].
II.2. Propriétés du béton
a.
Prise d’eau du ciment et porosité
La prise d’eau est la quantité nécessaire pour compacter 1kg de ciment. Elle est généralement
définie par le rapport quantité d’eau/ quantité du ciment. Le rapport préconisé est de 0,4 [28].
Cette valeur reste, dans la pratique insuffisante pour obtenir un gâchage satisfaisant, en
particulier lorsqu’on ajoute au mélange des quantités importantes de matériaux tels que le
sable, le gravier, etc. Il faut atteindre, dans ces cas, des rapports eau/ciment allant de 0,5 à 0,8
pour arriver à un gâchage.
b.
L’alcalinité du béton
L’alcalinité de l’eau interstitielle est le résultat de l’hydratation du ciment produisant la chaux.
Le pH théorique d’une solution saturée en Ca(OH)
2
est de 12,4. Sa mesure directe dans un
très petit volume d’eau extrait des pores de béton frais par compression sous une pression très
15
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
élevée donne une valeur de 13,6 attribuée à la formation d’un hydroxyde alcalin NaOH et le
KOH [29]. Cette mesure peut être faite par des microélectrodes et elle n’est valable que pour
un béton frais et humide. La valeur ainsi obtenue ne peut pas caractériser le pH suivant la
profondeur.
II.3. Différentes attaques chimiques du béton
II. 3. 1. Lessivage
Ce type d’attaque est causé par l’action directe de l’eau sur la pâte du ciment. L’eau agit de
manière différente selon la solubilité des divers constituants du ciment [30].
Les composés solubles tels que la soude et la potasse sont lixiviés rapidement, le processus est
assimilable à une diffusion. Comme les ions sodium et potassium assurent à eux seuls une
valeur très élevée de l’alcalinité, leur départ de la matrice du béton va entrainer une
diminution du pH, et par conséquent une augmentation de la solubilité de la chaux dans les
zones désalcalinisées (loi d’action de masse). Quant à la chaux, elle se dissout selon la
réaction suivante :
Ca (OH) 2
Ca2+ + 2OH-
(1)
Le pH du béton va alors se stabiliser autour de la valeur de 12,5 (pH d’une solution d’eau
saturée de chaux). Simultanément aura lieu une diffusion des ions calcium vers l’extérieur,
appauvrissant au fur et à mesure le matériau en chaux solide. Cependant, la concentration en
ions calcium en phase aqueuse sera constante dans toute la zone comparant encore la chaux
précipitée, du moins si l’on suppose que tous les alcalins ont été lixiviés. En conséquence, il
va exister « un front de décalcification », mobile et séparant deux zones :
• Une zone externe, sans chaux solide, dont le liquide interstitiel est à pH inferieur à
12,4 et dans laquelle le processus est limité par la diffusion.
• Une zone interne, comprenant de la chaux solide, dont le liquide interstitiel est à pH
supérieur à 12,5 et dans laquelle le processus n’est pas limité par la diffusion à
l’échelle macroscopique.
II.3.2. Expansion
Ce phénomène est le résultat de l’attaque de certains composés de la pâte de ciment par des
ions spécifiques tels que les sulfates. Le rapport molaire aluminate/sulfate introduit dans la
pâte (correspondant à des aluminates et sulfates disponibles pour réagir) semble avoir un rôle
16
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
déterminant dans la nature des sulfoaluminates de calcium hydratés formés [31]. En présence
d’hydroxyde de calcium et de l’humidité, le gypsium réagit avec les aluminates tricalciques
pour donner naissance aux ettringites(3CaO.Al2 O 3 .3CaSO 4 30 à 32H 2 O) .
En phase initiale, la réaction s’accompagne le plus souvent d’une augmentation de la
résistance mécanique du béton due au remplissage des pores par des cristaux ou des gels. Leur
croissance tend ensuite à détruire la matrice cohérente, ce qui conduit à la diminution de la
résistance mécanique et l’augmentation de la porosité [30].
Une fois la concentration des sulfates devient inférieure à la concentration limite nécessaire
pour la formation d’ettringite, cette réaction s’arrête [32]. D’autres produits ont été identifiés
dans le béton par d’autres auteurs [33], on cite Na 2 SO 4 (thenardite), Na 2 SO 4 .10H 2 O
(mirabilite), NaH(H 2 O(trona) , Na 2 CO 3 .H 2 O (thermonatrite) et NaHCO 3 .
Ils
ont
également
identifié
CaSO 4 .2H 2 O,
CaCO 3 ,
CaSiO 3 .CaCO 3 .CaSO 4 .15H 2 O
(thaumasite), NaNO 3 et NaCl.
II.3.3. Carbonatation
La carbonatation du béton est le résultat de la pénétration du dioxyde de carbone (gaz
carbonique) et de l’eau dans le béton. Ce gaz se diffuse dans le réseau poreux du béton et
réagit non seulement avec la portlandite [Ca(OH) 2 ], mais aussi avec les hydrates de silicate
de calcium [3CaO.2SiO 2. 3H 2 O] et les silicates non-hydratés : silicate tricalcique [3CaO
SiO2(C 3 S)] et silicate bicalcique [2CaO SiO 2 (C 2 S)]. [34]
La pénétration du dioxyde de carbone [CO 2 ] à travers les pores du béton est une diffusion
c'est-à-dire qu’elle est due à une différence de concentration du gaz entre l’intérieur et
l’extérieur du béton. Ce même gaz peut être dissous dans la solution interstitielle du béton. La
réaction entre le CO 2 dissous dans l’eau interstitielle et la portlandite en phase solide trouvée
dans la pâte de ciment durci se traduit, tout d’abord, par la dissolution de la portlandite
(Figure. I. 6) :
Ca (OH) 2 (solide)
→ Ca2+ (aqueux) + 2OH- (aqueux)
Puis
17
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
Ca2+ (aqueux) + 2OH-(aqueux) + CO 2 (gazeuse) → CaCO 3 (solide) + H 2 O
Figure. I.6. Représentation simplifiée du processus de corrosion dans les armatures par
carbonatation
La carbonatation des hydrates de silicate de calcium [3CaO SiO 2 3H 2 O (CSH)] et des
silicates non-hydratés (silicate tricalcique [3CaO SiO 2 (C 3 S)] et du silicate bicalcique [2CaO
SiO 2 (C 2 S)] se comporte selon les réactions suivantes [35] :
18
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
La progression de la carbonatation du béton peut atteindre une profondeur égale à l’épaisseur
de l’enrobage. On note aussi qu’au fur et à mesure que le processus de carbonatation a lieu, le
pH de l’eau contenue dans les pores du béton, descend à des valeurs de l’ordre de 9,0. Ces
deux conditions remplies conduisent à la dépassivation de l’armature et, en conséquence, les
réactions de corrosion de l’armature peuvent avoir lieu. Ce scénario définit le seuil critique
de la corrosion par la carbonatation, c'est-à-dire qu’une armature se corrode dés qu’elle rentre
en contact d’un béton carbonaté.
Ainsi, une armature, dans un béton qui n’est pas totalement sec, peut se corroder selon un
processus analogue à celui de la corrosion en présence des chlorures. Le produit intermédiaire
est la rouille verte dont la composition est [Fe 4 II Fe 2 III (OH)
12 ]
+2 [CO 3 2H 2 O]
2-
. Le
domaine d’existence dans le diagramme de Pourbaix (figure.I.7) est presque superposé à celui
qui correspond aux chlorures. Les produits finaux sont ceux de la rouille classique ou ceux
dus à la corrosion en présence de chlorure ; à l’exception de l’akaganeite [β-FeOOH] (β
correspond à une forme cristallographique particulière) qui ne se forme qu’en présence d’une
forte teneur en chlorures [36].
Figure. I.7. Diagramme de Pourbaix du fer dans l’eau en présence des chlorures [36]
La progression du front de carbonatation est notamment influencée par la quantité d’eau dans
les pores [37-38], car le gaz carbonique entre dans le béton sous forme gazeuse et la saturation
des pores par l’eau obstrue le passage des gaz. Le taux d’humidité est donc, un facteur
important dans l’évolution de la carbonatation.
19
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
La formation du carbonate de calcium n’est pas uniquement nocive pour le béton. En fait, sa
présence a un effet local très intéressant, car il diminue la perméabilité aux gaz et aux liquides
(changement de la structure poreuse) et augmente la résistance mécanique et le module
d’élasticité local du béton [39].
III. L’acier
L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone (de 0.008 à
environ 2 % en masse). La teneur en carbone a une influence considérable (et assez
complexe) sur les propriétés de l'acier : en deçà de 0.008 %, l'alliage est plutôt malléable et on
parle de « fer » ; au-delà de 2 %, les inclusions de carbone sous forme graphite fragilisent la
microstructure et on parle de fonte. Entre ces deux valeurs, l'augmentation de la teneur en
carbone a tendance à améliorer la résistance mécanique et la dureté de l'alliage ; on parle
d'aciers « doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs » (classification traditionnelle).
On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d'autres éléments, principalement
métalliques, et dans ce cas on parle d'aciers alliés. De plus, on peut encore améliorer
grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes)
prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle alors d'aciers traités.
Outre ces diverses potentialités, et comparativement aux autres alliages métalliques, l'intérêt
majeur des aciers réside d'une part dans le cumul de valeurs élevées de leurs les propriétés
mécaniques fondamentales : résistance aux efforts (module d'élasticité, limite élastique,
résistance mécanique), dureté, résistance aux chocs (résilience). D'autre part, leur coût
d'élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ
5 % de l'écorce) et sa réduction est assez simple (par addition de carbone à haute
température). Enfin, les aciers sont pratiquement entièrement recyclable grâce à la filière
ferraille.
On peut néanmoins leur reconnaître quelques inconvénients, notamment leur mauvaise
résistance à la corrosion, mais à laquelle on peut remédier, soit par divers traitements de
surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation à chaud, etc.), soit par l'addition
d'éléments réalisant des nuances dites « inoxydables ». Par ailleurs, les aciers sont
difficilement moulables, donc peu recommandés pour les pièces volumineuses de formes
20
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
complexes (bâtis de machines, par exemple). On leur préfère alors des fontes. Enfin, lorsque
leur masse volumique est compromettante (dans le secteur aéronautique par exemple), on se
tourne vers des matériaux plus légers (alliages à base d'aluminium, composites, etc.), mais
parfois beaucoup plus chers.
De ce fait, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d'application
technique: équipements publics (rails, signalisation), bâtiment (armatures, charpentes,
ferronnerie, quincaillerie), moyens de transport (carrosseries, transmission), composants
mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux,
burins, matrices) et de coupe (fraises, forêts, porte plaquette). Les aciers sont aussi très
présents dans des produits destinés au grand public (meubles, ustensiles de cuisine): et cette
liste est loin d'être exhaustive.
IV. Les aciers inoxydables
IV.1. Introduction
C’est en 1913 qu’Harry BREARLEY inventa l'acier inoxydable. Il expérimenta un acier
contenant du chrome et remarqua que celui-ci était plus résistant. Il contenait 0,24% de
carbone et 12,8% de chrome. Pour vérifier sa résistance, il le testa en utilisant des agents
attaquants tels que les acides nitriques et conclut que ce nouvel acier résistait à l'attaque
chimique [40]. La même année, KRUPP (Allemagne), fit expérimenter ce même mélange
auquel fut ajouté du nickel. Cet acier était encore plus résistant aux acides, plus souple et plus
facile à travailler. A partir de ces deux aciers, furent développées les séries martensitique et
austénitique. C'est le successeur de BREARLEY, le Dr W.H HATFIELD qui inventa en 1924
l'acier inoxydable 18/8 (18% de chrome, 8% de Nickel), qui est le mélange le plus connu des
inox. Il inventa aussi l'acier allié au titane. Les nuances les plus connues aujourd'hui furent
inventées entre 1913 et 1935 en Angleterre, en Allemagne, aux Etats-Unis et en France. Une
fois ces qualités standards acceptées, l'accent fut mis sur une réduction du coût par une
production de masse, pour ainsi, populariser l'utilisation de l'inox. Depuis les années 70, de
nouveaux aciers inoxydables commencèrent à être développés. Ils ont une meilleure
résistance à la corrosion, et sont encore plus solide que les grades développés en 1920. C'est à
partir de ce moment que l'utilisation de ce matériau commença à augmenter [41].
21
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
IV.2. Les aciers inoxydables
Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne,
industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine, etc. [42, 43, 44].
Ce sont des alliages à base de fer et de nickel avec un pourcentage minimum de 11% en
chrome qui empêche la formation de la rouille lorsqu’ils sont exposés à l’atmosphère [44].
En plus de la résistance à la corrosion qui caractérise les matériaux énumérés plus haut, les
aciers inoxydables possèdent une qualité déterminante qui est la résistance mécanique [45].
L'élément d'alliage auquel les aciers inoxydables doivent leur principale caractéristique est le
chrome. Contrairement à ce que l'on croit généralement, ce métal est très réactif du point de
vue chimique et il est en particulier très oxydable, mais son oxyde forme une véritable peau à
la fois transparente et protectrice. Allié au fer et au nickel, il provoque la formation d'un
composé de surface oxydé capable de ralentir ou même d'arrêter totalement la corrosion.
Le chrome et le nickel s'oxydent ainsi :
4 Cr + 3 O 2 → 2 Cr2 O 3
2 Ni + O 2 → 2 NiO
Il existe de très nombreuses nuances d'aciers inoxydables et le choix pour une utilisation
donnée est parfois difficile, car ils n'ont pas tous le même comportement dans un milieu
donné.
Les propriétés de résistance de ces alliages ont été découvertes en 1913 lorsque l'on s'aperçut
que des échantillons polis en vue d'examens de laboratoire ne subissaient pas d'oxydation. En
fait, on peut dire que :
● Les aciers inoxydables ne peuvent être corrodés à froid qu'en présence d'humidité.
C'est ainsi qu'ils résistent au chlore, gaz pourtant très corrosif, pourvu que ce dernier
soit parfaitement sec [46].
● L'action des solutions aqueuses est telle que la corrosion électrochimique prend le
pas sur la corrosion chimique directe ; la bonne tenue du matériau dépend des
potentiels électrochimiques en surface et de leur répartition [47].
● Comme l'aluminium, métal extrêmement oxydable qui se recouvre d'un oxyde
protecteur, les aciers inoxydables se comportent de manière active lorsqu'ils viennent
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Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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d'être usinés, décapés ou polis, et de manière passive lorsque les attaques extérieures
ont permis de former la « peau » qui les protège [48].
● Une bonne utilisation des aciers inoxydables nécessite donc un métal d'une très
grande homogénéité pour éviter des corrosions locales et un passage de l'état actif à
l'état passif en tous les points de la surface exposée [49].
Par rapport à une électrode à hydrogène de référence, le potentiel des aciers inoxydables se
situe entre le molybdène et le mercure, non loin de l'argent et du platine.
Le dépôt de particules ferreuses sur les surfaces d'acier inoxydable est très dangereux en
milieu humide, car la rouille sert de catalyseur et la surface finit par se « piquer ».
V. Classification des aciers inoxydables
Il existe différents types d’aciers inoxydables suivant leur teneur en chrome et les traitements
thermiques qu’ils ont subis. Ils présentent une large gamme de propriétés. Dans la suite, nous
allons brièvement décrire les différents types d’aciers inoxydables [50].
V.1. Les aciers inoxydables austénitiques
Les aciers inoxydables austénitiques contiennent généralement entre 0,02% et 0,1% de
carbone, 17 à 20% de chrome, 7 à 25% de nickel et 2 à 5% de molybdène [51-49].
La teneur en nickel sert à donner et à conserver la structure austénitique à ces aciers même à
température ambiante, en plus d'augmenter leur résistance à la corrosion. Les aciers
austénitiques sont ductiles, résistants au choc et non-magnétiques; ils ne se trempent pas, mais
peuvent acquérir une certaine dureté par déformation à froid. A l'état recuit, ils possèdent à ce
moment une plus grande ductilité et une meilleure ténacité que les aciers ordinaires. Ils
possèdent une très bonne résistance à la corrosion [52].
V.2. Les aciers martensitiques
Comme pour tous les aciers non ou faiblement alliés, le carbone joue un rôle fondamental.
Pour ces aciers, la teneur maximale en carbone est limitée à 1,2%. Leur teneur en chrome est
comprise entre 11,5 et 18%, et ils peuvent contenir jusqu'à 6% de nickel et jusqu'à 1,5% de
molybdène [52-53].
23
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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V.3. Les aciers ferritiques
Les aciers inoxydables ferritiques sont caractérisés par une remontée de la température de
transition α-δ du diagramme de phase, ce qui fait qu’en pratique leur structure reste ferritique
dans tout l’intervalle de température de la gamme thermomécanique. Leur teneur en chrome
varie de 12 à 20% pour les aciers inoxydables ferritiques et supérieure à 20% pour les aciers
inoxydables super-ferritiques [52, 51].
V.4. Les aciers austéno-ferritiques
Les principales nuances contiennent 22 à 25 % de chrome et 4 à 7 % de nickel. Les
incorporations de molybdène (3 ou 4 %) et d'azote (0,1 à 0,3 %) permettent de limiter les
corrosions par piqûres et par crevasses. Ces derniers sont également appelés aciers
inoxydables duplex car ils présentent une structure biphasée à température ambiante.
Ils ont une composition équilibrée en chrome, nickel, molybdène et silicium leurs permettant
de conserver une structure mixte constituée d’austénite (cubique à face centré γ, paramètre de
la maille de 3,58 à 3,62 Å) et de ferrite (cubique centré α, paramètre de maille de 2,86 à 2,88
Å) [54]. Les fractions volumiques de phases dépendent de la composition chimique et aussi
du traitement thermique [55].
a. Composition chimiques des austéno-férritiques
Le tableau. I.1 présente la composition chimique de divers aciers austéno-ferritiques. Il donne
également les valeurs correspondantes d'un indice de résistance à la corrosion par piqûres, le
PREN = Cr + 3,3 Mo + 16 N [56].
Tableau. I.1. Composition chimique des nuances austéno-ferritiques (% massiques) [56].
UANCE
UNS
Cr
Ni
Mo
N
Cu
PREN
UR35N
S39230
23
4
-
0,10
-
25
UR45N
S39209
22
5,5
3
0,17
-
35
UR47N
(S39226)
25
6,5
3
0,20
-
38
UR52N
S39255
25
6,5
3
0,20
1,6
38
UR 52N+
S39255
25
6,5
3,5
0,25
1,6
41
24
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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On distingue aujourd'hui trois principaux types de nuances austéno-ferritiques :
-
La nuance type 22 % Cr - 5 % Ni - 3 % Mo - 0,17 % N (UNS 39209, UR45N), qui
peut être considérée comme la nuance duplex "standard". Sa résistance à la corrosion
est intermédiaire entre celle d'un acier austénitique de base type 316 L et celle d’un
acier super austénitique à 5-6 % Mo ;
BAUDIN et al. [57] ont étudié en particulier la texture et la microstructure d’un acier
austéno-ferritique. Ils sont caractérisés après laminage à chaud, laminage à froid puis
recristallisation (1050 C°). La microstructure a été caractérisée aux échelles micro-, méso- et
macroscopiques.
Dakhlaoui et al. [58-59] a étudié par DRX la répartition des contraintes dans chacune des
phases d’un acier austéno-ferritique texturé (UR35N, UR45N et UR52N+), lors d’un
chargement de traction uniaxiale « in situ ». Elle a mis en évidence l’effet de la composition
chimique des aciers inoxydables austéno-ferritiques sur le comportement mécanique de
chacune des phases austénitique et ferritique en utilisant la DRX et la modélisation
autocohérente. Le comportement mécanique de trois nuances d’aciers inoxydables UR35N,
UR45N et UR52N+ qui différent principalement par leurs teneurs en azote, élément
gammagène, en chrome et molybdène éléments essentiellement alphagènes, a été analysé et
discuté. Il a été montré que les cissions critiques des phases ne diffèrent pas d’une phase à
l’autre seulement à cause de la différence des cissions critiques initiales ou du niveau des
contraintes résiduelles initiales dans les phases, mais elles varient également en fonction de la
composition chimique.
M. François et al. [60] ont étudié en particulier l’acier UR45N, ce matériau étudié est un acier
austéno-férritiques contenant 50% d’austénite et 50% de ferrite (précédemment étudiée dans
[59], mais pour les petites déformations). Il était obtenu par coulée continue, puis laminé à
chaud jusqu'à une épaisseur de tôle de 15 mm. La composition chimique de l’acier UR45N est
donnée dans le tableau. I.2 [60]. La microstructure caractéristique se compose d'îles
austénitiques allongées le long de la direction de laminage et noyées dans une matrice
ferritique.
25
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
Tableau. I.2 . La composition chimique de l’acier UR45N [60]
UR45N
C
Mn
Cr
Ni
Mo
Cu
S
N
0,015
1,6
22,4
5,4
2,9
0,12
0,001
0,17
• Les nuances dites "super duplex" sont caractérisées par un indice de résistance
à la corrosion par piqûre PREN > 40 (UNS 39255 UR52N+). Ils contiennent
approximativement 25 % Cr - 6,5 % Ni - 3,7 % Mo et 0,25 % N avec les ajouts
de cuivre ou tungstène. Ces nuances présentent des caractéristiques
mécaniques élevées et une résistance à la corrosion dans des environnements
extrêmement agressifs (milieux chlorurés acides), leur résistance à la corrosion
étant équivalente à celle des aciers super austénitiques contenant 5-6 % Mo
• La nuance type 23 % Cr - 4 % Ni - 0,10 % N sans addition de molybdène
(UNS 39230, UR35N) qui peut remplacer dans certaines conditions des
nuances type 304 et/ou 316.
b. Microstructure des aciers austéno-ferritiques
La figure. I.8 présente une section schématique du diagramme Fe-Ni-Cr, pour une teneur en
fer de 68 %.
Figure. I.8. Diagramme pseudo binaire Cr - Ni - 68Fe [61].
26
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
Les aciers duplex se solidifient dans le domaine ferritique et c'est au cours du refroidissement
qu'une partie de la ferrite se transforme en austénite.
Les aciers duplex produits à l'heure actuelle ont des proportions approximativement
équivalentes d'austénite et de ferrite, ceci étant obtenu par la maîtrise des conditions de
transformations à chaud, du traitement d'hypertrempe et bien sûr de la composition chimique
de l'acier.
En pratique, la température de traitement thermique doit être choisie aussi basse que possible,
mais suffisante pour remettre en solution toutes les précipitations. Les proportions relatives de
ferrite et d'austénite sont alors essentiellement déterminées par la composition chimique de la
nuance, particulièrement par l'équilibrage entre les éléments stabilisateurs de la ferrite (Cr,
Mo, Si ...) et les éléments stabilisateurs de l'austénite (Ni, N, C). La qualité et la précision de
l'élaboration sont les seules garanties d'un contrôle de la microstructure.
VI. L’acier au carbone
Les aciers au carbone représentent environ 90 pour cent en volume de l’acier utilisé. Ils ont un
large domaine d’application dans le secteur de la construction des ponts, conteneurs, poutres,
tôles de chassie de voiture, bateaux ….etc. Vu ces applications, les exigences principales aux
aciers au carbone sont une résistance mécanique élevée, une bonne ductilité, une ténacité
élevée et une soudabilité facile.
A température ambiante, les aciers au carbone sont dans une structure ferritique – perlitique et
la fraction volumique des deux phases dépend de la teneur en carbone. Plus la teneur en
carbone est élevée, donc plus la fraction volumique de carbures est élevée et plus la résistance
mécanique augmente.
Du fait des variations de solubilité du carbone, ce dernier est mis en solutions dans le fer γ,
puis il se trouve rejeté sous forme de précipité de Fe 3 C, ou de cémentite lors du
refroidissement. L’alliage Fer/Carbone est durci par ces carbures. Cette précipitation dépend
de la température et du temps.
27
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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VII. Chlorures et corrosion des armatures dans le béton
VII.1. Introduction
La corrosion des armatures est l’une des principales causes de dégradation du béton. Les
deux mécanismes les plus courants contribuant au développement de la corrosion sont la
pénétration des chlorures et la carbonatation du béton.
Dans un béton sain (en état non carbonaté), l’alcalinité de la solution interstitielle contenue
dans les pores du béton engendre la formation d’une couche d’une épaisseur comprise entre
10-3 et 10-1 μm d’oxydes ou d’hydroxydes de fer sur la surface des armatures. Cette couche le
protège contre la corrosion. Dans cet état, l’acier est passivé en raison de la stabilité des
produits formés dans ces conditions, en particulier la magnétite [62].
La corrosion de l'acier dans le béton est un processus électrochimique naturel, lié à la
tendance partagée par tous les métaux de revenir à leur état naturel de minerai [63]. En se
corrodant, la surface de l’acier fonctionne comme une électrode mixte formée d'anodes et de
cathodes reliées électriquement par le corps de l'acier lui-même, il est alors considéré comme
le siège de réactions parallèles et simultanées. L'eau interstitielle dans le béton fonctionne
comme un complexe électrolytique. Par conséquent, en présence d'anions agressifs, un
accroissement du fonctionnement en pile de corrosion se produit, accompagné d'un potentiel
électrochimique à la surface de l’acier, comme illustré sur la Figure. I.9 [62, 64-67].
Figure. I.9. Mécanisme de dissolution de l’acier dans le béton en présence d’ions
chlorures
28
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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Lorsque les armatures sont dépassivées, un changement du potentiel libre de corrosion E corr ,
et à moindre titre un changement de la densité de courant de corrosion icorr sont enregistrés.
Toutefois, la dépassivation est une condition nécessaire mais insuffisante pour réduire la
durée de vie des structures en béton armé. La présence d'humidité est cruciale pour la
corrosion car elle diminue la résistance électrique du béton. L'activité électrochimique de
l'acier est fortement dépendante de l'humidité ambiante. Ainsi, la corrosion se manifeste dans
les bétons humides, mais non saturés, car la diffusion de l’oxygène devient comparativement
très faible dans l’eau par rapport à celle dans l’air, ce qui limite également la réaction
cathodique. On estime généralement que la vitesse de corrosion est maximale dans un béton
en équilibre avec une humidité relative proche de 95% [68]. Ainsi, l’environnement le plus
agressif lié à la carbonatation de l’enrobage est l'alternance de cycles secs et humides [62].
VII.2. Nature électrochimique de la corrosion
La corrosion des armatures en acier dans le béton est un processus électrochimique qui
implique l’existence d’une anode, d’une cathode et d’un milieu électrolytique pour constituer
une pile électrochimique. La création de ces piles sur l’armature conduit à la dissolution du
métal dans les zones anodiques selon la réaction d’oxydation :
Fe →
Fe2+ + 2 e-
(2)
Les électrons libérés par la réaction anodique sont consommés à la cathode par la réaction
cathodique :
- En présence d’oxygène :
2H 2 O + O 2 + 4 e- → 4OH-
(3)
- En l’absence d’oxygène :
2H+ + 2 e- → H 2
(4)
Ensuite, les ions ferreux réagissent avec les ions OH- pour former de l’hydroxyde ferreux :
Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)
(5)
2
Les réactions se poursuivent :
Fe + H 2 O
→ FeOH+ + H+ + 2 e-
Fe + 3H 2 O →
(6)
Fe (OH) 3 + 3H+ + 3 e-
2Fe + 3H 2 O → Fe 2 O 3 + 6H + 6 e
+
3Fe + 4H 2 O →
Fe 3 O 4 + 5H 2 O →
-
Fe 3 O 4 + 8H+ + 8 e3Fe (OH) 2 + H+ + e-
(7)
(8)
(9)
(10)
29
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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Puis, une oxydation lente conduit aux oxydes hydratés : γ-FeOOH (lépidocrocite) qui
représente la rouille fraîchement formée, α-FeOOH (goethite) qui représente la rouille vieillie
et la magnétite Fe 3 O 4 . La rouille formée sur les armatures est un mélange de ces trois
constituants, en proportions variables dépendant de nombreux facteurs comme l’âge du béton
et la nature du milieu environnant. La quantité de magnétite est toujours petite.
La corrosion des aciers d'armature peut provoquer des dommages au béton environnant du fait
que la rouille est formée de produits fortement expansifs. En effet, suivant l'état d'oxydation,
le fer métallique forme des oxydes dont le volume peut être jusqu'à 6 fois supérieur au volume
initial, comme le montre la Figure. I.10 [69,70].
Figure. I.10. Volume relatif des produits d'oxydation du fer [69,70].
VII.3. La corrosion des armatures
La corrosion des armatures dans le béton a principalement lieu à la suite de la carbonatation
du béton d’enrobage et de la pénétration des chlorures [67]. Le dioxyde de carbone réagit
avec les hydrates de la pâte de ciment en produisant un abaissement du pH qui conduit à une
déstabilisation de la couche passive formée à la surface de l’acier. Les ions chlorures
pénètrent dans la structure poreuse du béton et peuvent atteindre l’armature. S’ils sont
présents en quantité suffisante autour de la couche passive, ils forment des complexes avec les
ions métalliques et déplacent les molécules d’eau. Ces produits diffusent ensuite dans la
solution interstitielle.
30
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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La corrosion ne se forme qu’en présence d’oxygène et d’humidité relative comprise entre
70% et 80%. Lorsque l’atmosphère est très sèche (humidité relative < 40% et donc absence
d'électrolyte), ou lorsque le béton est totalement immergé dans l’eau désaérée (manque
d'oxygène), la corrosion ne se produit pas [71-72].
Le développement de la corrosion de l’acier dépend aussi d’autres facteurs comme le rapport
Eau/Ciment, le type de ciment, les additions minérales, la qualité de l’interface acier-béton,
l’épaisseur d’enrobage, la température, le pH, le potentiel de l’acier, les hétérogénéités de la
surface de l’acier, etc. [70-72].
La Figure. I .11 montre les modèles principaux de détérioration de l’armature par la corrosion
consécutivement à la carbonatation et à la pénétration des ions chlorures. [67]
Figure. I.11. Modèles principaux de détérioration de l’armature [67].
VII.4. Amorçage et propagation de la corrosion
Dans la solution interstitielle du béton sain, les ions Fe2+, produit de la réaction anodique (2),
peuvent rester sous la forme Fe(OH) 2 ou être oxydés en ions Fe3+ (qui se trouvent sous la
forme Fe(OH) 3 , formant le mince film passif à la surface de l’acier). Dans ce cas, l’acier est
protégé et il n’y a pas de dommages détectables dus à la corrosion. La dépassivation de l'acier
dans le béton se produit le plus souvent par l'action de deux agents qui peuvent se présenter
simultanément : le dioxyde de carbone, CO2 (carbonatation) et la présence de chlorures au
niveau des armatures.
31
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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Ces deux agents interagissent entre eux puisque la carbonatation peut affecter la diffusion des
chlorures au sein du béton en changeant la structure des réseaux poreux [73]. La carbonatation
pourrait provoquer une réduction de la porosité totale et une redistribution de la taille des
pores. Cela pourrait rendre la pénétration des chlorures plus difficile [74].
L’état de corrosion actif fait suite à la carbonatation du béton d’enrobage qui correspond à la
formation de carbonate de calcium (CaCO3) à partir de la portlandite et à une diminution
simultanée du pH de la solution interstitielle du béton :
Ca (OH) 2 + CO2 → CaCO3 + H2O
(11)
9,5 < pH < 12
Dans un tel béton, la couche passive ne résiste pas et la corrosion démarre. Par ailleurs,
lorsque la teneur en chlorure atteint ou dépasse une valeur critique, la couche passive ne peut
plus protéger l’acier. La dépassivation nécessite un taux de Cl- élevé si l’alcalinité de la
solution interstitielle est suffisamment élevée. Par contre, si le pH est inférieur à 9,5, la teneur
critique en chlorure nécessaire pour provoquer la dépassivation est plus faible.
La présence d’ions chlorures attaque le film d’oxyde mais n’a pas d’influence sur la
composition et la structure des produits de corrosion. C’est l’oxygène qui détermine la
composition chimique de ces produits.
Selon Tutti et Baroghel-Bouny [68, 75], le processus de corrosion des aciers dans le cas d’un
béton initialement sain s'effectue généralement en deux étapes (Figure. I.12) :
- La phase d’initiation : phase d’incubation (phase I) : l'acier est stabilisé par la couche de
passivation qui empêche la formation de rouille, mais au cours de cette période, les agents
agressifs pénètrent dans la structure poreuse du béton d’enrobage.
- La phase d'amorçage ou de propagation (phase II) correspondant à la dépassivation
progressive de l'acier lorsque les agents agressifs ont atteint l’interface acier-béton.
Durant la deuxième phase se produit la propagation de la rouille produite par les réactions
d'oxydation à la surface du métal.
32
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
Figure. I.12. Diagramme de Tutti modifié : (1) dépassivation des armatures, (2) apparition des
fissures, (3) éclatement du béton en parementent et (4) ruine [75].
La formation des produits d'oxydation provoque un gonflement qui fini par provoquer la
fissuration de l'enrobage.
En pratique, on doit donc faire en sorte que la période d'amorçage soit la plus longue possible.
On peut allonger cette étape en prévoyant des épaisseurs de recouvrement suffisantes et en
choisissant une formule de béton permettant de diminuer sa perméabilité (eau, gaz).
VII.5. Pénétration des agents agressifs
Les chlorures peuvent exister dans le béton selon les trois formes suivantes :
- Libres et dissous dans la solution interstitielle ;
- Absorbés physiquement sur les parois des pores du béton ;
- Chimiquement liés, principalement sous la forme de chloroaluminates résultant des
réactions chimiques entre les chlorures et les phases du ciment hydraté.
Ces trois formes sont en équilibre et leurs proportions respectives varient en fonction de
nombreux facteurs tels que la teneur globale en chlorures, la nature du ciment, la composition
et l’humidité du béton, son âge ou la température. De point de vue de la corrosion des
armatures, ce sont les chlorures libres dissous (la première forme), qui participent au
phénomène de corrosion.
Les chlorures présents dans le béton peuvent être introduits lors du gâchage, ou avoir pénétré
à partir du milieu environnant. La vitesse de pénétration des chlorures dans les pores du béton
varie selon la structure poreuse et les conditions d’exposition. En milieu saturé, elle peut être
décrite par un processus de diffusion respectant la loi de Fick :
33
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
(12)
Où : Da est le coefficient de diffusion apparente qui prend en compte la possibilité de «
Piégeage » des ions chlorure par réaction chimique avec les aluminates ou par adsorption à la
surface des pores. C(x, t) est la concentration en ions chlorures, à une profondeur x au bout du
temps t.
Les chlorures qui pénètrent dans le béton peuvent en effet réagir chimiquement avec le C 3 A
du ciment. Cette réaction produit des monochloroaluminates hydratés (C 3 A. CaCl2 .10H 2 O)
qui sont des hydrates relativement stables dans le béton.
La formation des chloroaluminates permet de fixer des chlorures dans le béton, ce qui réduit
en conséquence la teneur en chlorures libres et, par l’occasion, les risques de corrosion. Ce
phénomène explique pourquoi les ciments riches en C 3 A offrent en général une meilleure
protection contre la corrosion des aciers.
Le phénomène de transport dans le béton se montre très complexe, parce que le béton est un
matériau hétérogène, poreux et avec une teneur en eau variable. De ce fait, les mécanismes de
transport dans le béton font intervenir des forces physiques (diffusion, absorption capillaire,
etc.) et, de tension superficielle (électro-osmose, etc.) d’une part et les réactions chimiques
d’autre part.
Le transport des ions chlorures dissous dans la solution interstitielle peut se faire par des
mouvements de l’eau (absorption capillaire) ou par diffusion (Figure. I.13). Dans le premier
cas, un gradient d’humidité se forme dans le béton et les chlorures sont entraînés par l’eau
(convexion). Dans la deuxième situation, les ions se déplacent dans l’eau suite à une
différence de gradient de concentration. Roelfstra [37] et Stewart [76] affirment que la
pénétration de chlorures est plus fortement affectée par la diffusion et ils utilisent le cas
particulier de la loi de Fick pour décrire la diffusion des chlorures à l’intérieur du béton.
Plus récemment, Frangopol [77] mène une analyse probabiliste sur la pénétration des ions
chlorures dans un milieu saturé en utilisant un modèle plus sophistiqué inspiré des études de
Bazant et Xi [78]. Il propose également un modèle de pénétration de chlorures dans un milieu
non-saturé aussi inspiré par Bazant et Xi [78].
34
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
Figure. I.13. Représentations schématiques des transports de chlorures dissous dans le
béton : (a) - absorption capillaire (b) – diffusion
De la même façon, de nombreuses approches sont proposées afin de modéliser la
carbonatation [35, 79-80-81]. Ces modèles mathématiques reposent sur l’utilisation de la
même loi de transport à travers le réseau poreux (diffusion), mais ils apportent quelques
modifications en considérant certains
paramètres et en adoptant des hypothèses
simplificatrices.
VII.6. Corrosion en milieu salin des aciers dans le béton armé
La pénétration des ions chlorures au sein d’une matrice cimentaire peut engendrer des
désordres importants dans la structure, pouvant à terme entraîner la ruine de l’ouvrage. Quand
les ions chlorures arrivent en quantité suffisante au niveau de la surface de l’armature
enrobée, ils provoquent des modifications physicochimiques à la surface de l’armature
engendrant l’initiation et le développement de la corrosion. Les ions chlorures atteignent les
armatures en acier à travers la porosité ouverte du béton d’enrobage. Ces ions chlorures vont
provoquer une destruction de la couche de passivation et par conséquent l’initiation de la
corrosion par dissolution de l’acier. De nombreuses études [82-85] ont mis en évidence
l’existence d’un seuil critique de la concentration des ions chlorures à la profondeur des
armatures comme paramètre nécessaire à l’initiation de la corrosion. Ce seuil critique peut
s’exprimer sous la forme d’un taux critique de chlorures totaux par masse de ciment ou d’un
rapport critique [Cl–]/ [OH–].
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Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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Cependant, on observe une grande dispersion des valeurs des taux critiques [86] qui peuvent
être exprimée en pourcentage d’ions chlorures libres ou totaux par masse de ciment ou par
l’intermédiaire du rapport des concentrations [Cl–]/ [OH–]. Ces variations proviennent
essentiellement de conditions expérimentales pouvant être très différentes : l’ajout de chlorure
de sodium dans la composition du béton [87], les conditions d’exposition (cycles immersionséchage, température, humidité relative), la corrosion générée par courant induit [82], les
rapports eau/ciment variables [88]. Les recommandations RILEM [89] et ACI [90]
préconisent un taux critique de chlorures totaux au niveau des aciers respectivement de 0,4 %
et 0,2 % de la masse du liant.
VIII. Passivation des aciers dans le béton
VIII. 1. Film passif
Dans une solution alcaline, le fer devient passif. Cependant, ce comportement peut être
déstabilisé sous l’effet de la présence des ions chlorures. Dans la solution de travail, avec un
intervalle de pH de 12,5 à 13,5 et en l’absence des ions chlorures, un film de passivation est
formé à la surface de l’acier. La composition du film a été discutée dans la littérature, Joiret et
al [91] ont conclu que le film est formé par une structure de type magnétite. Nagayana et
Cohen [92] et kruger et Calvert [93] suggèrent que le film de passivité est composé d’oxyde
de fer (Fe 3 O 4 ou γ- Fe 2 0 3 ). Smialouska et Zakroczymski ont montré que la structure du film
formé dans des solutions alcalines est plus proche de FeOOH que de Fe 3 O 4 et Fe 2 O 3 [9495]. Ils ont aussi observé que la présence des ions agressifs (chlorures) change la composition,
l’épaisseur et la densité du film passif [94-95].
Les couches d’oxydes deviennent plus épaisses, mais plus poreuses et hydratées et perdent
ainsi leur caractère protecteur en présence des ions chlorures. Ces changements ont été
observés aussi par Montemor et al [96].
La Figure. I.14 montre un exemple de diagramme potentiel-pH du fer tenant compte de ses
oxydes formés, Fe 2 O 3 et Fe 3 O 4 . Les lignes au pointillées représentent les limites de stabilité
de l'eau à la pression atmosphérique : en dessous de la ligne (a) l'eau se réduit en formant de
l'hydrogène et au-dessus de la ligne (b) l'eau s'oxyde en formant de l'oxygène. L’oxyde
ferrique hydraté et la magnétite sont les seuls oxydes pris en compte et la concentration en
ions ferreux et ferriques dissous est de 10 à 6 moles par litre. Ainsi, le rôle de l’oxygène
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Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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dissous dans l’eau n’est pas pris en compte. Selon ce diagramme, le fer peut réagir avec les
protons en milieu acide et neutre accompagné d’un dégagement d’hydrogène. Par contre en
milieu alcalin, la corrosion de fer ne se produit pas car les oxydes formés par réaction avec les
ions hydroxyles sont insolubles [97].
Figure. I.14. Diagramme de Pourbaix potentiel – pH du fer [97]
Lorsque les aciers se retrouvent dans une solution alcaline, ils se recouvrent d’un film
d’oxyde d’épaisseur 1-5 nm. Dans le béton sain, ce film est homogène, continu et d’une
épaisseur de 50-200 µm, sa composition chimique dépend du pH, du potentiel de l’acier et
aussi de l’existence de l’oxygène.
L’interface acier-béton peut être dans un état passif, semi passif ou actif (corrosion) [72]. Pour
l’état passif, le film d’oxyde se fait lentement et est composé de Fe3O4-γ-Fe2O3. Pour l’état
semi-passif, le film d’oxyde est constitué de deux couches, la première est directement à la
surface d’acier et composée de Fe3O4-γ-Fe2O3, la deuxième est formé d’un mélange de αFeOOH et de Fe3O4-γ-Fe2O3. Cette couche, suite à sa formation rapide, est inhomogène et
poreuse et est, en conséquence, moins efficace contre la corrosion.
37
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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VIII. 2. Film d’oxydes
Les aciers inoxydables ont la particularité de se recouvrir d’un film d’oxydes dit film passif
protecteur leurs conférant une bonne résistance à la corrosion. L’existence de ces formes
oxydées superficielles peut être prévue par les diagrammes potentiel-pH de Pourbaix [97].
Cependant, la stabilité et les propriétés protectrices des films d’oxydes relèvent plutôt des
facteurs structuraux et cinétiques. Les éléments d’alliage comme le chrome améliorent la
stabilité des films passifs [98].
Pour déterminer plus ou moins la grande résistance à la corrosion des aciers inoxydables, il
convient donc de connaître les caractéristiques physico-chimiques de ces couches d'oxydes.
La faible épaisseur du film passif, de 1 à 10 nm, nécessite l'emploi de techniques sensibles
d'analyse de surface. Des méthodes in-situ (étude du film au contact d’une solution) et ex-situ
(étude du film après l'avoir extrait de l'électrolyte) sont utilisées. Parmi les méthodes in-situ,
la coulométrie permet de déterminer la quantité d'oxydes en mesurant la charge nécessaire à la
réduction du film passif. La spectroscopie des photoélectrons (XPS), la spectroscopie Auger
(AES), la diffraction d'électrons de faible énergie (LEED) et la spectroscopie de masse des
ions secondaires (SIMS) constituent les méthodes ex-situ les plus employées.
VIII. 3. Caractéristiques du film d'oxydes
Les films superficiels sont des oxydes dont la structure et la stœchiométrie dépendent à la fois
du substrat métallique, des traitements de surface et des conditions de leur formation. D'une
manière générale, ils sont composés de cations des métaux tels que le fer et le chrome, de
molécules d'eau, d'anions (O2-, OH-). D'autres anions provenant de l'électrolyte (Cl-, SO4 2-, ...)
peuvent également se retrouver en quantité faible dans le film passif.
Les principes de base de formation d'un film d'oxydes sont les suivants [55] :
-
L'oxydation des constituants de l'alliage ;
-
Le transport des ions à travers les couches déjà formées,
-
Les interactions avec l'électrolyte : dissolution, précipitation, adsorption d'espèces en
solution.
La croissance et la stabilité des films d'oxydes sont gouvernées par la différence de potentiel
entre l'alliage et la solution, donnant naissance à un champ électrique élevé à l'interface.
38
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
Suivant la nature du film qui peut être du type "oxyde cristallisé" ou du type "oxyde hydraté",
plusieurs modèles de formation des oxydes ont été proposés. Certains auteurs [99] proposent
une adsorption préalable de l'oxygène de l'eau à la surface, suivie d'une dissolution des cations
métalliques de l'alliage, qui échangent alors leur position avec l'oxygène. D'autres [100]
suggèrent la formation initiale d'un film constitué de molécules d'eau amorphe ou semiorganisé dans lequel les cations métalliques de l'alliage s'insèrent en fonction de leur affinité
pour l'oxygène de l'eau. Une déprotonation partielle expliquerait l'évolution progressive d'une
structure "métal-eau liée" H 2 O-M-H 2 O vers un hydroxyde OH-M-OH puis un oxyde O-M-O.
Les couches internes du film seraient ainsi enrichies en oxydes alors que les parties externes
seraient constituées d'hydroxydes et de structure "eau liée". Ces modèles sont notamment
décrits par Baroux [101]. L’oxygène présent dans la couche passive proviendrait non pas de
l’oxygène moléculaire dissous dans l’eau de mer, mais de l’oxygène de la molécule d’eau
[102].
Afin de caractériser la nature du film d'oxydes formés à la surface des aciers inoxydables,
plusieurs études par l’intermédiaire de techniques électrochimiques et spectroscopiques ont
été réalisées. L'ensemble de ces travaux montrent que les caractéristiques des couches
d'oxydes dépendent fortement de leurs conditions de formation [103-104] : la composition de
l'alliage, la nature du milieu environnant, le pH, la température, les traitements de surface
(mécanique, chimique ou électrochimique ...). Parmi les traitements cités, la passivation
électrochimique demeure la plus étudiée comme le montre l'examen bibliographique cidessous.
VIII. 4. Films formés par passivation électrochimique
•
Structure et composition
Il apparait que les films passifs des aciers inoxydables (ferritiques ou austénitiques), sont
enrichis en élément chrome [98, 105] : des teneurs de 50 à 90 % de CrIII ont été déterminées
sur les films recouvrant des aciers inoxydables austénitiques. L'expression de structure
"bicouche" du film passif est généralement formulée pour décrire le film. La couche interne
du film directement en contact avec le métal est constituée d'un mélange d'oxydes de chrome
et de fer enrichi en oxyde de chrome. La partie externe du film contient des hydroxydes
mixtes de chrome et de fer.
39
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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L'enrichissement en chrome peut s’expliquer par une dissolution préférentielle du fer dans la
solution [106-107] et par la faible mobilité du chrome [108]. Des structures plus complexes
de type spinelle contenant Cr 2 O 3 /Fe 2 O 4 /Fe 2 O 3 sont également évoquées [109].
Les caractéristiques du film passif dépendent du potentiel de polarisation. Di Paola [110]
évoque l’existence d’un potentiel critique de 0,4 V/ECS : en-dessous de cette valeur, le film
formé sur des aciers inoxydables austénitiques et ferritiques contient essentiellement du
chrome, alors qu’au-delà de ce potentiel, le fer et le chrome composent le film.
L'augmentation du temps de polarisation se traduit par un enrichissement en oxyde de chrome
dans la partie interne : cela a été observé notamment par Kirchheim et al. [108] (alliages Fe(0,6 à 18%) Cr passivés à des potentiels allant de 0,2 à 0,5 V/ENH pendant des durées
comprises entre 10 min et 96 heures dans une solution de H 2 SO 4 0,5 M) ainsi que par
Maurice et al.[111] (Fe-18Cr-13Ni qui ont effectué sa polarisation à 0,5 V/ENH durant 20
minutes à 20 heures en milieu H 2 SO 4 0,5 M).
L'oxydation préférentielle du chrome entraînerait alors un appauvrissement en chrome dans
l'alliage immédiatement sous le film [112]. Thierry et al [113] n’ont pas observé
d’augmentation de la teneur en chrome dans le film passif après des polarisations de 1 et 24
heures des monocristaux Fe 18 Cr et Fe 18 Cr 3 Mo en un milieu KOH 1M.
Le temps de passivation influence également la structure du film. En effet, selon Yang et al.
[114], l'alliage Fe 17 Cr recouvert d'une simple couche d'oxydes mixtes de Fe et Cr. mêlés
d'ions hydroxyle et d'eau, après 5 minutes à 0,39 V/ENH en milieu NaCl révèle une structure
bicouche au bout d'une heure de polarisation.
Le pH du milieu influe aussi sur la cinétique de formation de la bicouche : en milieu acide, la
bicouche est constituée dès la première minute de polarisation d’un alliage Fe 17 Cr, alors qu’il
faut une polarisation supérieure à 5 minutes en milieu neutre pour obtenir un film stratifié
[115].
Dans les alliages austénitiques type 316L, la présence du nickel favorise la stratification du
film [98]. Des traces d'hydroxyde de nickel ont été mises en évidence sur l'alliage Fe-18Cr13Ni après 20 minutes de polarisation à 0,5 V/ENH en un milieu H 2 SO 4 0,5 M [111].
Ramasubramanian et al. [107] notent aussi un léger enrichissement en nickel dans la partie
externe du film recouvrant un alliage 316L en milieu borate à pH= 8,6.
Bien que la teneur en molybdène n'influe pas sur l'épaisseur du film, elle joue un rôle
important dans la composition de la couche interne des oxydes riches en chrome. Le
40
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
molybdène contribue à augmenter la quantité de chrome dans la partie interne du film,
améliorant de ce fait la résistance à la corrosion [110].
En solution chlorurée, les analyses de surface ont montré que des ions Cl- étaient présents
dans la partie externe des films formés par passivation électrochimique [105, 114-116] .
•
Epaisseur
L'épaisseur des couches d'oxyde est généralement comprise entre 1 et 10 nm selon les
conditions de formation. Selon Jin et Atrens [103], l'épaisseur globale du film passif décroît
lorsque la teneur en chrome dans l'alliage augmente alors que des études [117] ne remarquent
pas de variation importante de l'épaisseur du film sur des alliages Fe-x%Cr (5,4 ≤ x ≤ 31,5).
Ils ont été montré que l’épaisseur du film augmente avec le potentiel de polarisation [100,
119 ,118-121]. En ce qui concerne l’influence du temps de polarisation sur l’épaisseur du
film, les résultats sont variables suivant le milieu. Castle et al. [120] ont constaté un
épaississement du film formé sur des alliages Fe17Cr en milieu H 2 SO 4 0,1 M, lorsque la
durée de passivation passe de 1 à 24 heures (0,75 V/ENH). Ce résultat est contesté par Yang
et al. [115], qui n’observent pas d’augmentation de l’épaisseur totale du film avec le temps de
passivation dans les mêmes conditions. De même, Thierry et al. [113] ont montré que
l’épaisseur du film passif formé sur un monocristal Fe 18 Cr en milieu KOH 1M reste constante
entre 1 et 24 heures de passivation. En milieu neutre, l’épaisseur du film augmente jusqu’à 1
heure de passivation et demeure inchangée ensuite (Fe 17 Cr, 0,39 V/ENH) [114]. Les films
formés en solution acide sont généralement plus fins qu’en milieu neutre. Par contre, une
augmentation de leur épaisseur a été observée avec une élévation de la température [122].
Selon Montemor [109], l'accroissement de l'épaisseur touche plus particulièrement la couche
externe riche en fer : son épaisseur est en effet multipliée par deux lorsque la température
passe de 250 à 450°.
IX. Dépassivation des aciers dans le béton
IX. 1. Dépassivation par l’attaque des chlorures
Les ions chlorures constituent un facteur important de risque pour le béton armé : ils
pénètrent, en effet, dans le béton et peuvent provoquer la corrosion des armatures. Ces
chlorures, d'origine externe, sont présents dans les ouvrages en environnement marin ou
lorsque des sels de déverglaçage sont utilisés. Les conditions d'exposition de la structure sont
41
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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des éléments prépondérants dans le mécanisme de dégradation. Suivant le type d'exposition,
différents mécanismes de transports des ions chlorures sont considèrés. En environnement
marin par exemple (figure. I.15), on distingue les zones submergées, pour lesquelles le béton
est saturé ce qui conduit à un transport des chlorures uniquement par diffusion, de celles ou le
transport se fait par diffusion et convection lorsque le béton n'est que partiellement saturé
(zone de marnage par exemple).
Figure. I.15. Conditions d'exposition en environnement marin [123].
Dans des conditions normales, les armatures enrobées de béton sont protégées de la corrosion
par un phénomène de passivation qui résulte de la création, à la surface du métal, d'une
pellicule de ferrite Fe 2 O 3 . En effet, grâce aux réactions d'hydratation du ciment, le pH de la
solution interstitielle du béton sain est de l'ordre de 13 à 13,5, ce qui maintient l'acier dans un
état de passivation. La passivation des armatures s'illustre par le diagramme de Pourbaix
(figure. I.14) pour le système Fe-H 2 O. Trois domaines thermodynamiques sont présents en
42
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
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fonction du potentiel électrochimique de l'acier et du pH environnant : immunité, corrosion
(formation des ions Fe2+) et passivation (correspondant à un film passif de Fe 3 O 4 ou Fe 2 O 3 ).
En présence de trop d'ions chlorures dans le béton, la corrosion des aciers est observée
(Figure. I.16) [124]. Ils modifient la morphologie de la couche passive en donnant des ions
FeCl3 - ou FeCl2 (Fe + 3Cl- ⇒ FeCl 3 - + 2e- ou/et Fe2+ + 2Cl- ⇒ FeCl2 ) qui consomment les
ions OH- présents (FeCl3 - + 2OH- ⇒ Fe(OH) 2 + 3Cl- ou/et FeCl2 + 2H 2 O ⇒ Fe (OH) 2
+ 2HCl).
Figure. I.16. Processus électrochimique de corrosion par les chlorures [124]
Les produits de corrosion occupent un volume plusieurs fois supérieur au volume initial de
l'acier. Leur formation, lorsqu'elle a atteint un volume suffisant, peut alors entrainer une
fissuration du béton (généralement, un faciès caractéristique est observé, parallèlement à la
direction du lit d'armatures) puis son éclatement ou son feuilletage. En termes de
caractéristiques mécaniques, la corrosion crée une diminution de la section d'acier mais
surtout une perte d'adhérence acier béton.
IX.2. Dépassivation par carbonatation du béton
Le métal à l’état actif subit une attaque uniforme et régulière au pourtour de sa surface. C’est
le cas des armatures dans le béton carbonaté qui subissent une dissolution uniforme de la
surface métallique après dépassivation de l’armature. Cela résulte de la pénétration du gaz
carbonique jusqu’à l’armature. La combinaison de la portlandite contenue dans le ciment et de
43
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
l’acide carbonique de l’air forme du calcaire en libérant de l’eau, qui en abaissant le pH élevé
de la solution interstitielle (pH = 12,7), va détruire la couche passive environnant l’armature.
On dit que les aciers sont dépassivés. Le CO 2 pénètre sous forme gazeuse dans le béton
d’enrobage et réagit avec les hydrates du ciment, en particulier la portlandite Ca(OH) 2 , pour
former en présence d’eau, de la calcite CaCO 3 suivant la réaction (12) :
Ca (OH)
2
+ CO 2
⇒
CaCO 3
+
H2 O
(12)
Cette réaction entraîne la consommation de bases alcalines présentes dans la solution
interstitielle des bétons aboutissant à une diminution du pH qui passe d’une valeur de 13 à une
valeur inférieure à 9. Le taux de carbonatation dépend principalement de l'humidité relative,
de la concentration en CO 2 , des différentes pressions partielles de CO 2 et de la température
de l'environnement où le béton est placé [125]. L’ordre de grandeur de la profondeur de
pénétration du CO 2 est de 20 à 25mm en 50 ans pour un béton de porosité moyenne exposé
sous nos climats. Il a été démontré qu’à partir d’une distance de 25 à 30 mm à l’intérieur du
béton, il n’y a plus d’échange gazeux dû aux dépôts de calcaire de la pâte du ciment [126]. Le
pH reste stable autour de 11 et la corrosion ne se manifeste pas. De même, les bétons
immergés ne carbonatent pas compte tenu de l’absence d’échanges gazeux [127].
La progression du CO 2 dépend de la perméabilité de ce dernier. L’état hydrique du béton
influe sur sa perméabilité. Lors de la réalisation d’ouvrage en béton, un seuil de perméabilité
du béton est fixé de manière à limiter la pénétration d’agents agressifs comme le CO 2 . Ce
seuil dépend de l’exposition de l’ouvrage (état hydrique) [128].
IX.3. Seuil d'amorçage de la corrosion
Le processus de dépassivation des aciers est amorcé lorsque le front de pénétration des
chlorures à travers le béton d'enrobage atteint le premier lit d'armatures : la corrosion devient
alors possible lorsque leur concentration dépasse un certain seuil, appelé concentration
critique.
Il est difficile de définir précisément cette concentration critique susceptible d'amorcer la
corrosion des armatures. Les données publiées par différents auteurs montrent que ce seuil
peut varier de façon importante, de l'ordre de 0,35 à 3 % de chlorures totaux par rapport à la
masse de ciment [85,129]. L'influence de différents facteurs comme la composition du béton,
44
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
la teneur en C 3 A, le rapport E/C, l'humidité relative, la température, la microstructure en
contact avec l'acier et l'état de surface de l'acier sont autant de facteurs à cette variabilité.
Nous avons vu précédemment que les chlorures se décomposent en trois types : les chlorures
libres, les chlorures liés (ceux qui se fixent à la matrice cimentaire) et les chlorures totaux.
Remarquons que les critères retenus concernent souvent la concentration en chlorures totaux.
Un critère exprimé en chlorures libres serait plus pertinent puisque ce sont eux qui conduisent
à la corrosion des armatures. Les ciments fixant beaucoup de chlorures peuvent notamment
être discriminés par un critère en chlorures totaux alors qu'ils seront favorisés par un seuil en
chlorures libres. Cependant, la mesure expérimentale des chlorures libres est plus délicate que
celle des chlorures totaux (incertitude importante sur le type de chlorures mesurés sauf pour
les chlorures totaux), d'ou un critère en chlorures totaux plus fiable et, par conséquent, plus
utilisé.
Compte tenu de ces observations, l'utilisation de la borne inferieure (0,4 % de chlorures totaux
par rapport à la masse de ciment) est la plus souvent retenue. Cependant, pour une approche
plus fine, différentes valeurs de concentrations critiques ont été également proposées grâce à
une large revue bibliographique, en fonction des conditions environnementales et du type de
béton [130]. Ainsi, une concentration critique plus importante est obtenue en immersion (1,5
% pour un béton CEM I de E/C=0,5) qu'en condition aérienne ou avec l'utilisation de sels de
déverglaçage (0,5 % pour le même béton).
Un autre critère d'amorçage de la corrosion utilisé est le rapport [Cl]/ [OH-] ≥ 0.6 [82]. Plus
ce rapport est élevé, plus la vitesse de corrosion est grande. Un rapport compris entre 0,6 et 1
conduit généralement à la concentration critique en chlorures. Cette relation permet de
prendre en compte les interactions entre la carbonatation (diminution du pH) et la pénétration
des chlorures (augmentation de la concentration en chlorures libres).
X. Facteurs influents de la corrosion
La tenue face à la corrosion des armatures dans le béton est fonction des caractéristiques
métallurgiques de l'acier, de la composition de la solution interstitielle du béton, ainsi que des
conditions d'interface acier/béton [131].
Les facteurs environnementaux (humidité, température, dioxyde de carbone, ions chlorure)
ne peuvent affecter directement les processus de corrosion, mais ils peuvent causer des
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Chapitre I
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dégradations du béton et accélérer l’entrée d’espèces agressives rendant la solution
interstitielle en contact avec l’acier plus corrosive.
Lorsqu’ils atteignent les armatures, les ions chlorures et le dioxyde de carbone sont tenus pour
responsables dans la plupart des cas de la corrosion des structures en béton armé. La
température et l’humidité, tout comme les autres facteurs pouvant détériorer le béton, jouent
aussi un rôle important dans la corrosion des armatures.
La corrosion de l’acier n’est donc pas dépendante d’un unique paramètre mais de plusieurs
dont les interactions participent ou non à la corrosion.
X.1. Influence de l’enrobage
L’épaisseur de l’enrobage en béton détermine le temps que vont mettre les espèces agressives
pour arriver à l’armature. Parfois la durée de vie d’une structure peut être fortement améliorée
en augmentant l’épaisseur de l’enrobage, barrière mécanique freinant, voire stoppant la
pénétration d’espèce participant à la corrosion des armatures.
X.2. Influence de la composition du béton
Tout ce qui conditionne la solution et la porosité du béton est un facteur pouvant affecter ou
non la corrosion. Le type et la teneur en liant, les additions minérales et le rapport E/C (Eau
/Ciment) déterminent la performance d’un béton. Le choix de la formulation du béton et de la
nature de ses principaux constituants constitue une approche pour augmenter la résistance à la
corrosion du béton. Toutes modifications de la formulation d’un béton, produisant une
augmentation de sa compacité ou une réduction de sa perméabilité, ont généralement un effet
favorable sur la résistance à la corrosion.
Le rapport E/C a une très grande influence sur la porosité du béton : plus il est important, plus
la porosité du béton est grande, facilitant ainsi la pénétration des espèces agressives puis la
corrosion de l’acier. L’influence du rapport E/C est bien plus importante que le type de liant
utilisé.
Quant aux ajouts minéraux, en faibles quantités, ce sont les cendres volantes et les fumées de
silice qui ont généralement une influence bénéfique puisqu’elles produisent une très nette
diminution de la perméabilité, du coefficient de diffusion et de la conductivité du béton.
L’augmentation de la compacité provoquée par les ajouts minéraux, utilisés en quantité
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Chapitre I
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suffisante, peut de plus annuler largement les effets néfastes de la diminution du pH interne et
de la moins grande quantité d’aluminate tricalcique (C 3 A) qui découlent de l’utilisation de ces
ajouts.
X.3. Influence de l’humidité
L’effet du taux d’humidité, ou degré de saturation en eau, dans le béton est important car la
vitesse de corrosion dépend fortement de ce taux, celui-ci influençant directement la
conductivité, la résistivité électrique et la diffusion de l’oxygène.
Pour des taux d’humidité inférieur à 80%, l’oxygène atteint facilement les aciers mais la
faible conductivité du béton limite la vitesse de corrosion.
Plus le taux d’humidité augmente, plus la conductivité du béton augmente mais en
contrepartie la diffusion de l’oxygène vers les armatures se fait de plus en plus difficilement.
L’humidité relative la plus favorable à l’apparition de la corrosion est de 70% à 80% [132].
La corrosion des aciers, dans le cas des structures ou des parties de structures immergées, ne
constitue généralement pas un problème majeur puisque l’oxygène ne parvient que très
difficilement à atteindre les armatures.
X.4. Influence de la température
La variation de température influence le potentiel de la réaction qui est régi par la loi de
Nernst. D’après Liu et Weyers, une augmentation de la température accroît la vitesse de
corrosion [133]. Ce phénomène peut s’expliquer d’une part par le fait que les processus
anodiques (oxydations des composants de l’acier) et cathodiques (réduction des protons en
milieu acide) sont activés thermiquement. Il en résulte un courant d’échange c’est-à-dire une
vitesse de corrosion augmentant avec la température. Une élévation de 10 à 20°C multiplie
par deux la vitesse de corrosion en situation de corrosion active.
Le changement de température dans le béton entraîne le changement d’autres paramètres.
Cornell et Schwertmann ont expliqué dans leurs études que la température avait une influence
directe sur la nature des oxydes formés dans le béton [134]. L’effet total de la température sur
le taux de corrosion dans le béton est très complexe et contrôlé par l’interaction de plusieurs
autres facteurs. L’élévation de température augmente la vitesse de la réaction mais peut
également agir sur un autre facteur de corrosion. Par exemple, l’abaissement de solubilité de
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Chapitre I
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l’oxygène dans l’eau, lorsque la température augmente, est un cas où la corrosion se ralentit
par manque d’oxygène.
D’autre part, en milieu aéré, une élévation de température facilite la diffusion de l’oxygène
dans la solution augmentant le courant d’échange. Le modèle développé montre une relation
entre le courant de corrosion et la température de la forme suivante :
(13)
Lorsque l’on plonge une éprouvette en béton armé dans un bain à différentes températures, on
constate que le courant circulant dans le système électrode/ électrolyte change. La densité de
courant de corrosion passe de 1μA/cm2 à 5μA/cm2 lorsque la température s’élève de 5°C à
40°C.
X.5. Influence de la résistivité du béton
La résistivité électrique affecte de manière significative la corrosion des armatures puisqu’il
existe une relation entre la corrosivité et la résistivité du béton. La résistivité du béton est
fonction de la composition de la solution interstitielle, de la microstructure du béton (taille et
distribution des pores), de l’humidité et de la teneur en sels ainsi que de la température [135].
La valeur de la résistivité du béton se situe le plus souvent entre 103 et 107 Ohm. cm.
La résistivité a été utilisée pour évaluer indirectement les caractéristiques du béton comme la
diffusion de l’ion chlore, le degré de saturation et l’agressivité [106 - 110].
Le tableau. I.3 présente la corrélation établie entre la résistivité mesurée du béton et la
probabilité de corrosion des armatures.
Tableau. I.3 . probabilité de corrosion en fonction de la valeur de la résistivité [135].
Résistivité du béton (kΏ.cm)
Probabilité de corrosion
<5
Corrosion quasi-certaine
5-12
Corrosion probable
> 12
Corrosion improbable
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La résistivité électrique impacte deux phases du processus de corrosion de l’acier : l'initiation
(dans le cas des chlorures) et la propagation.
D'après le RILEM TC 154-EMC [136], le risque de corrosion de l’acier est fonction du niveau
de résistivité (tableau. I.4). D'autres auteurs proposent des valeurs de seuils différentes,
rapportées par Lataste [137] comme dans le tableau. I.5.
Tableau. I.4 . Résistivité et risque de corrosion dans le béton ordinaire à 20°C [136].
Résistivité du béton (KΩ.cm)
Risque de corrosion
˂ 10
Elevé
10-50
Modéré
50-100
faible
˃ 100
Négligeable
L’augmentation de la température s'accompagne d'une baisse de la résistivité du fait
principalement de la plus grande mobilité des ions dans la solution au sein des pores [138].
Tableau. I.5 . Probabilité de corrosion en fonction du seuil des résistivités [137].
Probabilité de corrosion
Seuils des résistivités (KΩ.cm) selon les auteurs
[Langford et Broomfield, 141]
[Feliu et al, 139; Polder, 140]
Très faible
˃20
˃ 100 - 200
Très modéré
10 – 20
50 - 100
Elevé
5 - 10
10 – 50
Très haute
˂5
˂ 10
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X.6. Effet de l’oxygène
Dissous dans la solution interstitielle, l’oxygène est primordial dans la réaction cathodique du
processus de corrosion des armatures dans le béton.Plus la teneur en oxygène est importante,
plus la vitesse de dissolution de l’acier augmente.
X.7. Autres agents agressifs
Des sels, contenus dans l’eau pénétrant le béton, peuvent contribuer à la formation de produits
de corrosion sur l’acier. Ainsi, les ions sulfate agissent qualitativement comme les ions
chlorure et certains sels solubles tels les perchlorates, les acétates, les halogénures autres que
les chlorures peuvent aussi être corrosifs pour les armatures. [142]
XI. Méthodes de suivie de la corrosion
XI.1. Introduction
De nombreuses méthodes ont été développées pour étudier le mécanisme de corrosion d’un acier.
On peut les classer selon deux types :
- Les méthodes non électrochimiques (mesure de perte de masse, analyse de surface, analyse des
solutions par spectroscopie…) [143].
- Les méthodes électrochimiques (potentiel de corrosion (Ecorr), résistance de polarisation et
impédance).
Comme nous l’avons noté précédemment, la corrosion des aciers dans le béton est un processus
électrochimique. Ce processus peut donc être naturellement suivi par des méthodes
électrochimiques. Les principaux avantages de ces méthodes sont : un temps de mesure
relativement court et la possibilité d’un suivi de la vitesse instantanée de corrosion. Elles
permettent ainsi une analyse globale des réactions de corrosion susceptibles de se dérouler à la
surface d’une électrode. Cependant, l’inconvénient majeur de la plupart de ces méthodes est la
nécessité de perturber l’état du système en imposant une polarisation extérieure. Cette polarisation
peut provoquer des variations irréversibles des paramètres spécifiques définissant l’état du
système tels que la structure de la surface, la formation d’une couche en surface (produits de
corrosion, l’adsorption et l’absorption d’hydrogène, etc.). Dans ce cas, l’analyse des courbes ne
permet d’obtenir qu’un état de corrosion caractéristique du système perturbé et non du système
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que l’on voulait initialement étudier. Dans cette partie de la bibliographie, les quatre principales
méthodes électrochimiques disponibles pour étudier la corrosion de l’acier dans le béton sont
décrites : la mesure de potentiel d’abandon, la méthode de la courbe de TAFEL, la mesure de
résistance de polarisation (Rp) et la mesure d’impédance électrochimique.
XI.2. Mesure du potentiel de corrosion
Le potentiel de corrosion est le potentiel à l’abandon que prend une armature noyée dans le
béton. Ce potentiel est une grandeur complexe qui résulte de l’évolution d’un système
électrochimique mixte constitué d’une réaction d’oxydation à l’anode (paragraphe VII. 2.
Eq.2) et une réaction de réduction à la cathode (paragraphe VII.2. Eq.3) vers un état
stationnaire. La mesure du potentiel de corrosion est largement utilisée pour détecter les zones
corrodées d'une armature. La méthodologie utilisée est présentée sur la Figure. I.17. Il s’agit
de mesurer la différence de potentiel au repos entre l'armature et une électrode de référence
placée au voisinage de l'armature. Cette technique est appelée mesure du potentiel de demicellule. L’électrode de référence le plus souvent utilisée est l’électrode cuivre/sulfate de
cuivre (Cu/CuSO 4 ). Dans le cas de l’étude de la corrosion sur des structures en béton armé,
cette technique a été largement utilisée pour estimer l'état électrochimique de l'armature [144].
Cependant, aucune conclusion quantitative ne peut être dégagée de cette technique. Elle ne
donne qu'une estimation qualitative de l'état électrochimique de l'armature. De plus,
l'interprétation dépend fortement du contact électrode de référence-béton ainsi que de l’état
d’humidité du matériau. Si l'électrode est simplement placée à la surface du béton, les
résultats obtenus ne sont pas fiables [145]. Un bon contact doit être assuré afin de minimiser
la chute ohmique et réduire les erreurs. Pour cela, une première solution est d’utiliser une
éponge humide (Figure. I.17).
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Figure. I. 17. Méthodologie de mesure du potentiel de corrosion d’une armature [144].
La facilité de la mesure du potentiel de corrosion a conduit à normaliser la méthode par
l’ASTM (norme ASTM C 876-91) [146] et la RILEM (recommandations RILEM TC154EMC) [136]. La norme ASTM fixe une probabilité de corrosion en fonction des échelles de
potentiel mesurées selon le Tableau .I.6. [146]
A l’état passif, le potentiel de l’acier (passivé) fluctue entre –125 mV/ECS (ECS : électrode
au calomel saturé) et +100 mV/ECS et lorsque le métal se corrode, le potentiel évolue vers
des valeurs plus négatives. On peut relever plusieurs plages de valeurs selon l’état dans le
milieu électrolytique. En effet, lorsque la passivité de l’acier est détruite, son potentiel devient
plus négatif que la limite inférieure de l’état passif (–125 mV/ECS).
Tableau. I.6. Probabilité de corrosion en fonction du potentiel de corrosion E corr , mesuré
par rapport à une électrode au calomel saturé (ECS)
Potentiel de corrosion Ecorr (mV/ECS)
Probabilité de corrosion P (%)
Ecorr > -125
P < 10
-275 < Ecorr < -125
P = 50
Ecorr < -275
P > 90
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La méthode ASTM consiste à relever les potentiels de corrosion de l’armature en différents
points de l’ouvrage, notamment au niveau des zones suspectes. La méthode peut être
complétée en traçant des courbes équipotentielles et la corrosion est souvent associée à des
lignes resserrées.
XI.3. Mesure de la vitesse de corrosion
La vitesse de corrosion s’obtient par extrapolation de la valeur de la résistance de polarisation
selon l’équation (14). La résistance de polarisation est mesurée grâce à une polarisation
linéaire, technique simple et peu perturbatrice
pour l’électrode de travail que constitue
l’armature.
Les courbes, approximativement linéaire, représentent la variation du courant en fonction du
potentiel pour de faibles variations de ce dernier (∆E≈ 10 mV) autour du potentiel de
corrosion. La résistance de polarisation, Rp, et la vitesse de corrosion, i corr , sont ensuite
déterminées à partir des relations suivantes :
(14)
Le coefficient B, constante de stern-Geary, est considéré dans les études électrochimiques,
lorsque la résistance de polarisation est assimilable à la résistance de transfert de charge,
comme étant compris entre 20 et 30 mV [147]. Une tolérance d’un facteur d’ordre 2 est
admise [148] dans le cas des armatures du béton. La valeur de B utilisée est de 26 mV si
l’acier est activement corrodé ou de 52 mV si l’acier est à l’état passif [149].
Sur site, deux types de méthodes sont principalement utilisées [150] :
-
Les techniques utilisant des mini capteurs : technique de Raupauch et Schiessel,
méthodes de la général Building Research corporation du japon, test Suédois de
multisondes, technologie des sondes C et systèmes de monitoring de la corrosion
B.G.B.
-
l’appareil GECOR 6
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XII. Techniques
réparation
électrochimiques
de
maintenance
et
de
Comme la corrosion des aciers dans le béton est un processus électrochimique, la meilleure
façon de l’empêcher et d’arrêter la corrosion est l’application de techniques électrochimiques.
Trois méthodes électrochimiques sont utilisées pour contrôler la corrosion de l’armature dans
le béton : la protection cathodique (qui contrôle le courant électrochimique de corrosion), la
réalcalinisation et la déchloruration (qui modifient l’environnement autour de l’armature),
toutes basées sur l’application de courant électrique entre une anode placée à la surface du
béton et l’acier à protéger (cathode).
XII.1. Protection cathodique
a. Généralités
Le développement le plus rapide des systèmes de protection cathodique a été effectué aux
Etats-Unis d'Amérique afin de répondre aux exigences de l'industrie du pétrole et du gaz
naturel. L’objectif était de bénéficier des avantages liés à l'utilisation de tuyaux en acier à
parois minces pour la transmission souterraine. Dans ce but, la méthode était bien établie aux
Etats-Unis dès 1945. Au Royaume Uni, où des tuyaux basse-pression ont été intensivement
utilisés, la protection cathodique a été très peu appliquée jusqu'au début des années 50.
L'utilisation croissante de la protection cathodique a résulté du succès de la méthode
employée à compter de 1952 pour protéger environ 1000 miles de réseau de carburant-ligne
qui avaient été endommagés entre 1940 et 1944. La méthode est maintenant bien établie.
La protection cathodique permet de protéger un métal contre la corrosion. Le principe de base
est de porter le potentiel d'un métal à un niveau dit de passivation. Pour modifier le potentiel
du métal à protéger cathodiquement, on utilise une anode installée dans le même électrolyte.
Les anodes peuvent être soit des anodes ayant un potentiel plus électronégatif que le métal à
protéger (anode sacrificielle), soit des anodes couplées à un générateur de tension continue
imposant une différence de potentiel entre les deux métaux (méthode à courant imposé). La
protection cathodique peut, en principe, être appliquée à n'importe quelle structure métallique
en contact avec un électrolyte. Dans la pratique, son utilisation principale est de protéger les
structures métalliques enterrées dans le sol ou immergées dans l’eau. Elle ne peut pas être
employée pour empêcher la corrosion atmosphérique. La protection cathodique a été
également appliquée avec succès à l'acier dans le béton.
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b. Principes de la protection cathodique
Comme on l’a vu, la corrosion est un processus électrochimique qui implique le passage des
courants électriques sur une échelle micro ou macro. L'anode et la cathode dans un processus
de corrosion peuvent être sur deux métaux différents reliés ensemble en formant un couple
bimétallique, ou, comme avec la rouille de l'acier, elles peuvent être ensembles sur la même
surface du métal.
Le principe de la protection cathodique est de relier une anode externe au métal à protéger et
de faire passer un courant électrique continu de manière que tous les secteurs de la surface en
métal deviennent cathodiques et donc ne se corrodent pas. L'anode externe peut être une
anode galvanique, où le courant est un résultat de la différence de potentiel entre les deux
métaux, ou une anode inerte, avec un système de courant imposé utilisant une alimentation de
courant continu.
En terme électrochimique, la corrosion de l’acier suppose la formation de zones anodiques et
cathodiques à partir desquelles des courants de corrosion sont générés. Ces principes peuvent
être exprimés d'une façon plus quantitative en traçant le potentiel du métal en fonction du
logarithme des taux de réactions anodiques et cathodiques exprimées comme des densités de
courant.
Des courbes anodiques et cathodiques typiques sont illustrées dans la Figure. I.18 [151].
Le courant de corrosion, I corr , et le potentiel de corrosion, E corr , correspondent au point
d’intersection entre la courbe anodique et la courbe cathodique, c'est-à-dire au moment où les
taux de réactions anodiques et cathodiques sont égaux. Si des électrons sont « pompés » dans
le métal pour le rendre plus négatif, la dissolution anodique du fer diminuera à un taux non
négligeable à un potentiel E 1 , tandis que le taux du courant cathodique est monté jusqu'à I 1 .
Par conséquent, un courant I 1 doit être fourni à partir d'une source extérieure pour maintenir
le potentiel à E 1 où le taux de dissolution du fer est à une valeur basse. Si le potentiel est
réduit à
E 2 , le courant exigé de la source extérieure montera jusqu’au niveau I 2 . Dans ce cas, on dit
que le métal protégé est en sur-protection.
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Figure. I.18. Courbes de réaction anodique et cathodique [151].
Dans le cas de corrosion atmosphérique ou dans les solutions alcalines, le processus de
corrosion est celui de la réduction de l’oxygène. La cinétique de ce processus cathodique est
contrôlée par le taux de diffusion de l’oxygène à la surface du métal, qui est plus lent que le
taux de consommation de l'oxygène par la réaction cathodique. Ainsi, le taux de cette réaction
n'augmente pas même si le potentiel du métal est rendu plus négatif, il reste constant à moins
que le taux d'approvisionnement en oxygène à la surface du métal soit augmenté.
La figure. I.19 montre l'influence du changement de la diffusion d’oxygène sur les paramètres
de protection cathodiques. Un courant initial I 1 est exigé pour maintenir le métal au potentiel
de protection E 1 .
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Figure. I.19. Influence du changement de la diffusion d’oxygène sur les paramètres de
protection cathodique [151].
Cependant, si le taux de diffusion augmente, le courant nécessaire pour la réduction de
l'oxygène augmente (ligne pointillée) et le courant exigé pour maintenir le métal au potentiel
de protection augmente de ∆I. Ainsi, la densité de courant exigée pour maintenir la valeur
correcte de potentiel de protection changera avec les conditions de service. Clairement, la
densité de courant cathodique n'est pas un bon guide pour savoir si une structure est
cathodiquement protégée.
Si la structure était au-dessus de la protection et le potentiel a été réduit à des valeurs où la
réduction de l'eau (paragraphe VII. 2. la réaction 3) peut avoir lieu (en diminuant le potentiel
d’E 1 à E 2 ), le courant exigé de la source extérieure augmentera d’I 1 à I 2 en raison de
l’augmentation du taux de la réduction de l’eau.
D’un point de vue thermodynamique, la protection cathodique est basée sur l’existence d’un
potentiel thermodynamique et d’une zone dite « d’immunité » visible sur le diagramme de
stabilité thermique de Pourbaix (Figure. I.14). Le principe de cette technique est donc de
diminuer le potentiel thermodynamique de l’acier jusqu’à ce qu’il prenne une valeur placée
dans la zone d’immunité en faisant passer un courant électrique entre une anode et l’armature.
L’intensité de ce courant est fonction de la surface d’acier à protéger et est généralement de
l’ordre de 1 à 20 mA/m2 d’acier à protéger.
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Chapitre I
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c.
Application de la protection cathodique
La protection cathodique, qui est une technique de protection permanente, peut être réalisée
de deux manières:
- Par l'utilisation d’anodes galvaniques (sacrificielles) ;
- Par courant imposé.
•
Protection galvanique
Le principe de la protection galvanique est de créer une pile électrique entre deux métaux de
noblesse différente, le premier est le métal à protéger et le deuxième est l’anode réactive ou
sacrificielle. Si ces deux métaux sont raccordés l’un à l’autre par un circuit électrique, le métal
le moins noble (l’anode) se sacrifiera au bénéfice de la cathode. Le potentiel électrochimique,
la capacité du courant et le taux de consommation de ces anodes doivent être supérieurs à
ceux du fer.
Les anodes réactives ou sacrificielles ont différentes formes et sont faites en utilisant des
alliages de zinc, de magnésium et d’aluminium. Dans le cas du béton armé, les
caractéristiques des anodes sont généralement données en charge capacitive (KC : kilo
Coulomb) et dimensions (Longueur et Diamètre). Pour que la protection cathodique soit
efficace, la surface à protéger doit être polarisée. La force qui sous-tend la protection
cathodique est la différence de potentiel électrochimique entre l’anode et la cathode. Il en
résulte un ralentissement considérable de la réaction anodique enregistrée à la surface de
l’acier et donc un arrêt de la progression de la corrosion. Les milieux tendant à s'équilibrer, les
courants se stabilisent après quelques mois, le contrôle des potentiels devient alors le moyen
le plus facile permettant de suivre l'activité du système de protection. Les alliages à base de
Zinc ont tendance à s'auto-passiver, l'apport d'enrobage alcalin maintenant l'activité de l'anode
dans la structure en béton armé est indispensable lors de la mise en place des anodes dans la
structure en béton.
•
Protection cathodique par courant imposé
Au cours des dix dernières années, la protection cathodique à courant imposé a été de plus en
plus employée pour protéger de la corrosion, à long terme, les structures en béton armé dans
les environnements marins.
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Chapitre I
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Les systèmes de courant imposé utilisent des anodes inertes (de dissolution nulle ou basse) et
une source extérieure d'alimentation DC imposant un courant de l’anode externe vers la
surface de l’armature (cathode) (Figure. I.20).
Figure. I.20. Protection cathodique par courant imposé
Le contrôle de protection cathodique exige le contrôle de densité de courant de protection. La
dissolution de l’acier sous corrosion correspond à une certaine densité de courant de
corrosion. Le courant de protection cathodique doit être appliqué de manière à annuler le
courant de corrosion [152-153]. Comme le courant de corrosion n’est pas constant sur la
surface d’armature, le courant de protection doit annuler la valeur de courant de corrosion la
plus élevée. En pratique, les valeurs de courant de protections prises entre 1 à 20 mA/cm2
d’acier à protéger sont suffisantes pour annuler le courant de corrosion.
Pour que le système de protection cathodique soit efficace, le potentiel d’électrode des
armatures doit être compris entre -800 et -1150 mV vs Ag-AgCl sur toute la surface protégée.
Ce domaine de potentiel est suffisant pour mettre le fer dans la zone immunité. Les valeurs de
potentiel plus négatives conduisent à la dissolution de l’eau et à un dégagement d’hydrogène,
ce qui augmente le risque de fragilisation par hydrogène et qui pourrait provoquer d’autres
effets défavorables. Cependant, comme le potentiel des armatures peut être influencé par la
température, l’humidité, l’existence de l’oxygène, etc., en réalité, on ne fixe pas une valeur
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exacte du potentiel de protection pendant toute la période d’application de cette technique,
mais un intervalle.
Afin d’assurer l’efficacité de système de protection cathodique, on doit prendre en compte la
dépolarisation des aciers en coupant le courant de protection. Pour qu’un système de
protection cathodique soit efficace, la variation de potentiel E = E (t 1 ) – E(0), [où : E(0) est la
valeur de potentiel au moment de la coupure du courant et E (t 1 ) est la valeur de potentiel
après une période t 1 de coupure], doit dépasser une valeur donnée. La protection cathodique
est jugée comme efficace si la variation de potentiel E est supérieure à 100 mV après une
période de coupure de courant égale à t 1 = 4 heures [154-155]. D’autres valeurs ont été
choisies à t 1 =24 heures.
XII.2. Extraction électrochimique des ions chlorures
a. Généralités
La première application d’extraction électrochimique des ions chlorure a eu lieu en 1973
[156-157]. Le « Kansas Department Of Transportation (KDOT) » a extrait les ions chlorure
en utilisant une anode de cuivre. Ensuite, cette technique a été appliquée pour traiter un pont
contaminé par les chlorures en utilisant une densité du courant très élevée de 23 à 28 A/m2
pendant 24 heures. Ce niveau de courant a provoqué des effets négatifs comme la diminution
de l’adhérence acier – béton et la fissuration du béton. A cause de ces effets négatifs cette
technique a été refusée comme une technique de réhabilitation. Depuis, de nombreux travaux
de recherche se sont intéressés au développement de cette technique en optimisant les valeurs
de courants nécessaires pour avoir une application efficace en évitant les effets adverses.
La technique d’extraction électrochimique des ions chlorures, ou déchloruration, consiste à
faire passer un courant électrique continu entre une anode placée sur la surface du béton et
l’acier (cathode). Ce courant provoque le déplacement des ions chlorures chargés
négativement vers l’anode extérieure. Lorsque les ions chlorures arrivent à la surface du
béton, ils passent dans l’électrolyte et peuvent donc être enlevées définitivement du béton
[156,158]. Le niveau actuel du courant appliqué lors d’un traitement d’extraction est de 1à 5
A/m2. Cette technique, contrairement à la protection cathodique, est temporaire avec une
période d’application de 4 à 5 semaines.
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b. Principe d’extraction électrochimique des ions chlorures
Le courant électrique entre l’anode extérieure et l’armature provoque un mouvement ionique,
les anions (Cl-, OH-) se déplacent vers l’anode, alors que les cations (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) se
déplacent vers la surface de l’acier. A la surface de l’acier, des ions hydroxyle et/ou
l’hydrogène gaz sont formés avec les électrons qui sont fournis par l’alimentation, selon les
réactions suivantes :
H 2 O + ½ O 2 + 2e-→ 2OH-
(15)
2H 2 O + 2 e-→ 2OH- +H 2
(16)
En général, la consommation d’oxygène à la surface de l’armature est très faible, c’est
pourquoi la première réaction se produit très lentement.
Les réactions électrochimiques qui se produisent à l’anode sont la formation de gaz
d’oxygène ou de chlore, selon les réactions suivantes :
2OH-→ H 2 O + ½ O 2 + 2 e-
(17)
Ou
H 2 O → 2 H+ + ½ O 2 + 2 e-
(18)
2Cl-→ Cl2 + 2 e-
(19)
Si le pH de l’électrolyte est inférieur à 4, une quantité très importante de Cl2 se produira. Pour
éviter cet effet, l’électrolyte doit être toujours basique (pH > 7). Dans ce cas, les réactions 17
ou 18 deviennent les réactions anodiques principales. La quantité de chlore gazeux produite
va être rapidement hydrolysée en acide hypochloreux et en ions hypochlorure selon les
réactions suivantes :
Cl2 + H 2 O → HClO + Cl- + H+
HClO → ClO- + H+
(20)
(21)
Les points positifs de l’application de cette technique sont :
-
L’abaissement du potentiel thermodynamique de l’acier ;
- L’augmentation de la teneur en ions hydroxyle et en conséquence augmentation du pH
autour de l’armature ;
- la diminution de la teneur en ions chlorure près de l’acier.
61
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
c. Efficacité d’extraction des ions chlorures
Des études en laboratoire [156, 159] ont montré que l’efficacité de cette technique dépendait
de plusieurs facteurs :
- La teneur initiale en ions chlorure ;
- La profondeur atteinte par les ions chlorures ;
- La différence de potentiel appliquée (ddp) ;
- Le type d’électrolyte utilisé ;
- La qualité du béton d’enrobage.
XIII. Inhibiteurs de corrosion
Selon la Nation Association of Corrosion Engineers (NACE), un inhibiteur de corrosion est
un composé chimique qui, ajouté en faible concentration au milieu corrosif, ralentit ou stoppe
le processus de la corrosion d’un métal en contact avec le milieu corrosif [160]. L’action
particulière d’un inhibiteur de corrosion peut s’avérer complexe car elle dépend du couple
milieu corrosif-métal et est fonction de la température et des concentrations utilisées.
Un inhibiteur est efficace s’il satisfait un certain nombre de critères. Pour cela il doit :
-
Réduire la vitesse de corrosion du métal sans affecter les propriétés physicochimiques du milieu ou du métal.
-
Etre stable aux températures d’utilisation et en présence des autres constituants du
milieu, en particulier avec les oxydants,
-
Etre soluble et dispersible dans le milieu.
-
Etre efficace à faible concentration
-
Respecter les normes de non-toxicité
-
Etre peu onéreux.
XIII.1. Classification des inhibiteurs
Il n’existe pas de critères uniques pour classer les inhibiteurs. Parmi les classements possibles,
on peut différencier les inhibiteurs selon :
62
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
-
Le milieu environnant l’acier
-
Leur mode d’action
-
Leur nature chimique : minéral, organique ou mixte
-
Leur action sur les réactions de corrosion dans les zones anodiques, cathodiques ou les
deux. Les inhibiteurs sont alors nommés respectivement inhibiteurs anodiques,
cathodiques ou mixte.
a. Les inhibiteurs minéraux :
Les molécules minérales sont utilisées le plus souvent en milieu proche de la neutralité, voire
en milieu alcalin et plus rarement en milieu acide. Les produits se dissocient en solution et ce
sont souvent leurs produits de dissociation qui assurent les phénomènes d’inhibition (anions et
cations). Les cations inhibiteurs sont essentiellement Ca2+ et Zn2+ et ceux qui forment des sels
insolubles avec certains anions tels que l’hydroxyle OH-. Les principaux anions inhibiteurs
sont les oxo-anions de type XO 4 n- tels que les chromates, les molybdates, les phosphates, les
silicates, …. [161-162].
Le nombre de molécules en usage à l’heure actuelle va en se restreignant, car la plupart des
produits efficaces présentent un côté néfaste pour l’environnement. Cependant, de nouveaux
complexes organiques de chrome III et d’autres cations (Zn2+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, Sr2+, Al2+, Zr2+,
Fe2+….) efficaces contre la corrosion et non toxiques ont été développés [163].
b. Les inhibiteurs organiques
Les molécules organiques sont promises à un développement plus que certain en termes
d’inhibiteur de corrosion : leur utilisation est actuellement préférée à celles d’inhibiteurs
inorganiques pour des raisons d’écotoxicité essentiellement. Les inhibiteurs organiques sont
généralement constitués de sous-produits de l’industrie pétrolière [164]. Ils comportent tous
au moins un hétéroatome qui, possédant une forte densité électronique, est le centre actif de la
molécule.
Les inhibiteurs organiques agissent par :
-
Adsorption à la surface (cas des composés aminés et soufrés)
-
Neutralisation ou alcanisation du milieu corrosif.
-
Formation d’un film protecteur à la surface du métal
-
Hydrophobisation de la surface du métal.
63
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
c. Les inhibiteurs anodiques
Ils ont une action sur la partie anodique de la surface du métal. Si ce blocage n’est que partiel,
il peut entrainer localement une augmentation de la densité de courant sur ces surfaces. Il peut
conduire à un processus de corrosion localisé, plus intense qu’en l’absence d’inhibiteur, d’où
l’importance de la teneur en élément actif au droit de l’acier.
d .Les inhibiteurs cathodiques
En induisant une augmentation de la surtension cathodique, ils réduisent donc le courant de
corrosion. Si ces inhibiteurs ne stoppent jamais complètement la réaction de corrosion, ils ne
présentent pas par contre le danger de corrosion localisée. Ces inhibiteurs précipitent souvent
des sels ou hydroxydes, du fait de l’accumulation d’ions OH- sur les cathodes.
e. Les inhibiteurs mixtes
Ils ont à la fois des propriétés des inhibiteurs anodiques et cathodiques.
XIII. 2. Les inhibiteurs utilisés pour le béton armé
L’efficacité d’un grand nombre de produits chimiques utilisés en tant qu’inhibiteurs de
corrosion pour les armatures du béton est étudiée depuis les années 60. Mais il faudra attendre
le milieu des années 70 pour qu’un nombre considérable de recherches soit initié. Les
premières molécules étudiées furent les chromates, les phosphates, les hypophosphates, les
bases (alcalins), les nitrites et les fluorures.
Finalement, les nitrites de sodium puis de calcium suscitèrent le plus de recherches. Ceux –ci
s’avérèrent tous deux inhibiteurs de corrosion [165]. Mais l’utilisation de nitrite de sodium
entrainant une plus faible résistance du béton à la compression et de possible alcali-réactions à
cause du cation sodium, fut abandonné au profit du nitrite de calcium qui ne modifiait pas les
propriétés mécaniques du béton et qui de plus était compatible avec les fumées de silice [166].
Ces inhibiteurs sont des produits qui, ajoutées au béton frais lors de son malaxage (gâchage) ;
ont une action préventive.
A partir des années 90, la littérature propose un nombre croissant d’études sur diverses
molécules potentiellement inhibitrices de la corrosion.
C’est aussi à cette époque qu’apparaissent les premiers inhibiteurs de corrosion appliqués à la
surface du béton. Ces inhibiteurs, parfois appelés inhibiteurs migrants, sont le
64
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
monofluorophosphate de sodium (MFP) et des mélanges commerciaux d’alcanolamines et
d’amines solubles dans l’eau, produits dérivés d’inhibiteurs en phases vapeur.
En 1998, les données sur l’efficacité de ces produits étaient, pour l’essentiel restreintes à des
études réalisées en collaboration avec les fabricants limitant de ce fait leur objectivité.
Actuellement, la recherche concernant les inhibiteurs de corrosion appliqués à la surface du
béton tente de répondre aux questions suivantes :
-
les inhibiteurs de corrosion arrêtent-ils ou au moins retardent-ils la corrosion dans un
béton carbonaté et/ou contaminé par les chlorures ?
-
quelles concentrations en inhibiteur sont nécessaires au niveau de l’acier pour qu’ils
soient efficaces ?
-
est-ce que ces concentrations peuvent être atteintes en pratique par des méthodes telle
que l’application de surface et comment cela peut-il être démontrable ?
-
combien de temps reste efficace l’inhibiteur de corrosion au niveau de l’armature et
comment relier ce temps à l’extension de la durée de vie de la structure ?
-
peut-il avoir des effets néfastes (dégradations du béton et aspect esthétique) dus à
l’utilisation d’inhibiteurs de corrosion dans le béton ?
Si l’efficacité de ces produits est parfois démontrée en laboratoire, elle reste à prouver sur les
ouvrages en béton armé
Dans l’action des inhibiteurs de corrosion migrants, deux phases peuvent être distinguées :
-
le transport du produit depuis la surface du béton sur lequel il a été appliqué jusqu’à
l’armature, et qui peut inclure des interactions avec les constituants du béton.
-
son interaction avec le métal lorsque les espèces inhibitrices, après avoir diffusé ou
migré dans le béton, arrivent à la surface de l’acier.
Dans ces conditions, l’étude de l’efficacité de l’inhibiteur doit s’articuler autour de la
détermination, d’une part des conditions de transport de l’inhibiteur dans le solide poreux, et
d’autre part de l’efficacité inhibitrice du produit à la surface de l’acier soit enrobé dans du
béton, ou, dans une phase préliminaire, simplement immergé dans une solution aqueuse
corrosive.
65
Chapitre I
Synthèse bibloigraphique
___________________________________________________________________________
XIV. Conclusion et position du problème
La résistance à la corrosion des armatures dans le béton est fonction des caractéristiques
métallurgiques de l'acier, de la composition de la solution interstitielle du béton, ainsi que des
conditions d'interface acier/béton. Les facteurs environnementaux (humidité, température,
dioxyde de carbone, ions chlorure) ne peuvent affecter directement les processus de corrosion
mais ils peuvent causer des dégradations du béton et accélérer l’entrée d’espèce agressive
rendant la solution interstitielle en contact avec l’acier plus corrosive. Lorsqu’ils atteignent les
armatures, les ions chlorure et le dioxyde de carbone sont tenus pour responsables dans la
plupart des cas de la corrosion des structures en béton armé. La température et l’humidité,
tout comme les autres facteurs pouvant détériorer le béton, jouent aussi un rôle important dans
la corrosion des armatures. La corrosion de l’acier n’est donc pas dépendante d’un unique
paramètre mais de plusieurs dont les interactions participent ou non à la corrosion.
Plusieurs techniques de protection sont proposées telles que la protection cathodique, les
inhibiteurs de corrosion, l’extraction électrochimique des chlorures etc.…..Une autre méthode
serait de changer le matériau constituant l’armature en passant de l’acier au carbone à l’acier
inoxydable. D’après cette synthèse bibliographique, l’exploitation des aciers inoxydables dans
ce domaine reste modeste.
Dans ce sens, nous nous proposons une évaluation de la résistance de la corrosion de l’acier
C38 et l’acier inoxydable UR45N en milieux simulant le béton puis enrobés par du béton en
eau de mer.
66
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
CHAPITRE II : Conditions et
Techniques expérimentales
__________________________________________________________________________________
67
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
CHAPITRE II : Conditions et Techniques expérimentales ..............................................67
I.
Matériaux étudiés ........................................................................................................69
I.1. Préparation des échantillons ...................................................................................70
I.2. Milieu d’étude .........................................................................................................70
II. Méthodes électrochimiques .........................................................................................72
II. 1. Courbe intensité-potentiel ....................................................................................72
II.2. Extrapolation d’une courbe I-E : Loi de Tafel........................................................73
II.3. Calcul de la vitesse de corrosion à partir de la courbe de polarisation .....................77
III.
Préparation des éprouvettes ....................................................................................80
IV. Microscope électronique à balayage (MEB) ...............................................................80
IV.1. Principe ................................................................................................................83
IV.2. Conditions opératoires ..........................................................................................83
V. Structure des aciers .......................................................................................................83
VI. Test normalisé de piqûration .......................................................................................85
__________________________________________________________________________________
68
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Ce chapitre décrit les différentes procédures expérimentales mise en œuvre, les matériaux
étudiés, les conditions d’essai et les techniques employées. Ces dernières sont de nature
électrochimique : la mesure du potentiel de corrosion, le tracé des courbes de polarisation et la
chronopotentiométrie. D’autres techniques sont également décrites à savoir des méthodes
d’analyses de la surface comme la microscopie électronique à balayage et le test normalisé de
piquration.
I.
Matériaux étudiés
L’étude est menée dans des solutions simulant le béton sur des échantillons d’acier ordinaire
C38, et d’acier inoxydable de l’alliage austeno-ferritique l’Uranus 45 (UR45N).
Les échantillons analysés se présentent sous forme de barres cylindriques enrobés dans une
résine isolante. Une seule face est active, l’autre étant recouverte de résine inerte
chimiquement. Afin d’assurer le contact électrique avec le montage électrochimique, un fil
conducteur a été soudé à l’extrémité de la surface inactive.
•
le 1er matériau étudié [59-60] est une nuance d’acier inoxydable austéno-ferritiques
contenant environ 50% d’austénite et 50% de ferrite. La composition chimique de l’acier
austéno-ferritiques (UR45N) est : 22%Cr-5%Ni-3%Mo (% poids).
La composition massique de l’acier UR45N est donnée dans le tableau. II.1 .
Tableau. II. 1 . composition chimique de l’acier UR45N
UR45N
C
Si
Mn
Ni
Cr
Mo
N
Fe
0,0170
0,34
1,46
5,31
22,06
2,96
0,1534
67,1
Composition
chimique en %
•
Concernant le 2éme matériau testé et qui est l’acier C38, la lettre C signifie qu’il s’agit
d’un acier non allié de nature fine dont les fourchettes d’analyse sont relativement étroites.
La composition massique de l’acier C38 est donnée dans le tableau. II.2 :
__________________________________________________________________________________
69
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Tableau. II. 2. composition chimique de l’acier au carbone C38
ACIER AU
CARBONE
C
Si
Mn
Ni
Cr
Mo
Sn
Fe
0,3764
0,3573
1,204
0,0324
0,0768
0,0324
0,0367
97,7
Composition
chimique en
%
I.1. Préparation des échantillons
Pour avoir une bonne reproductibilité des mesures, il est nécessaire d’avoir un état de surface
bien propre. C’est pour cette raison que les surface de nos échantillons ont subit un polissage
mécanique par frottement sur papiers abrasifs (carbone, silice) de granulométrie croissante
allant de 80 /400 /600/ 1000 à la granulométrie la plus fine 1200, suivi d’un rinçage à l’eau
distillée, puis un séchage.
Après cette phase, les échantillons subissent un polissage de finition à l’aide d’une pâte
diamanté répartie à l’aide d’un diluant sur un disque, suivi d’un lavage à l’acétone.
I.2. Milieu d’étude
Les tests de corrosion sont réalisés dans des solutions simulant du béton :
1- La solution simulatrice se compose de KOH = 4,66g/L, de NaOH = 1g/L et de l’eau
distillée. Expérimentalement, le pH de la solution après la préparation est de 13,07.
2- La solution de filtrat de ciment est obtenue à partir de la solution interstitielle des pores du
béton qui requiert la préparation par filtration d’un mélange de ciment et d’eau avec un
rapport E/C= 0,5. Expérimentalement, le pH de la solution après la préparation est de l’ordre
de 12,84 et la composition de cette solution est donnée sur le tableau II-3.
__________________________________________________________________________________
70
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Tableau II. 3 . composition chimique du filtrat du ciment
Eléments
CaO
Al2 O 3
SO2-4
P2 O 5
K2O
Fe 2 O 3
Na2 O
Cl-
Teneur en ppm
233,34
560
6752
4,53
12275
2568,6
1242,7
314
%
0,0233
0,056
0,68
4,5310-3
1,23
0,26
0,12
0,0314
3- Différentes teneurs en chlorure de sodium (1%, 2% et 3%) sont ajoutés à la solution de
filtrat de ciment.
4- Pour l’étude des éprouvettes, nous avons utilisé l’eau de mer. Le tableau II-4 présente la
composition chimique de cette eau.
Tableau. II .4 . Composition chimique de l’eau de mer
Elément
Teneur
Ca2+
0,31 g/L
SO2-4
2,56 g/L
Na+
13,18 g/L
Cl-
20,5 g/L
K+
0,41 g/L
Fe
116 g/L
F-
1,49 g/L
Mg2+
1,17g/L
Cd
<2 µg/L
As
<30 µg/L
Cu
<10 µg/L
Zn
45µg/L
Matières en suspension
62<mg/L
__________________________________________________________________________________
71
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
II.
Méthodes électrochimiques
Les méthodes électrochimiques basées sur l’exploitation des courbes de polarisation du
matériau dans la solution agressive, permettent de déterminer la vitesse et le mécanisme de
corrosion.
Lorsqu’un métal est plongé dans une solution agressive, il prend un potentiel uniforme appelé
potentiel de corrosion E corr , dont la valeur est mesurée par rapport à une électrode de
référence (E.C.S). Mais on peut à l’aide d’un générateur de courant extérieur et d’une
nouvelle électrode appelée électrode auxiliaire ou contre-électrode faire passer un courant
dans le métal. Il en résulte que le métal ne soit plus en « équilibre » avec la solution et il prend
donc une nouvelle valeur du potentiel E = f (t) et I= f(E) qui constituent les courbes de
polarisations.
Ces courbes permettent d’obtenir les paramètres cinétiques (potentiel et courant de corrosion,
courant de passivité), de déterminer la présence d’oxydes et la piqûration, et nous permettent
aussi de comparer le comportement de différents matériaux dans les mêmes conditions. Le
montage adéquat pour réaliser ces courbes est représenté sur la figure II.2. Le potentiostat qui
alimente ce montage permet de maintenir la différence de potentiel entre l’électrode de
référence et l’électrode de travail quelles que soient les fluctuations dues à la polarisation de
l’électrode de travail.
II. 1. Courbe intensité-potentiel
L’objectif principal de la voltammétrie est d’obtenir, pour une surtension imposée par une
variation progressive de potentiel E(t), une réponse en courant I(t) du système étudié. La
courbe obtenue s’appelle voltammogramme et elle renseigne par analyse, sur les processus
électrochimiques se déroulant à l’interface. Cette méthode permet de tirer des conclusions sur
la réversibilité des réactions mises en œuvre et leur cinétique.
Cette technique consiste à imposer entre l’électrode de travail et celle de référence une
variation de potentiel E(t) et à enregistrer l’évolution de l’intensité du courant I(t) qui traverse
l’interface électrolyte/électrode étudiée. La variation du potentiel imposé peut être linéaire,
triangulaire, ou cyclique.
__________________________________________________________________________________
72
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
II.2. Extrapolation d’une courbe I-E : Loi de Tafel
Si la réaction est régie uniquement par l’énergie d’activation ou transfert de charge monoélectronique, elle suit une loi exponentielle en fonction du potentiel E (loi de Tafel) :
(1)
b est la constante de Tafel (V-1)
I 0 est le courant correspondant à Ei = 0 par rapport à une électrode de référence quelconque.
Si on considère que les réactions anodiques et cathodiques suivent, toutes les deux, la loi de
Tafel sans interaction réciproque, on peut écrire l’expression suivante pour le courant global :
(Loi de Bulther volmer)
(2)
Ic et bc sont négatifs selon les recommandations de l’IUPAC (Union internationale de
chimie pure et appliquée)
Au potentiel de corrosion, le courant global est nul :
(3)
Pour des potentiels très anodiques I a >>I c , le courant global devient :
(4)
Où η représente une surtension = E-E corr
De même pour des potentiels très cathodiques :
(5)
On peut représenter les expressions (4) et (5) dans un plan log|I| en fonction de E par des
droites appelées droites de Tafel. Les pentes de ces droites ou plutôt l’inverse (pentes de
__________________________________________________________________________________
73
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Tafel) s’exprime en volts par 2,3/ b a et 2,3/ b c respectivement. L’intersection de chacune de
ces deux droites avec l’axe de E corr /décade donne I corr . Cette méthode est très simple dans la
mesure où le système est régi par la cinétique d’activation pure.
Cependant, elle présente quelques inconvénients car l’hypothèse de base est trop simpliste, en
particulier :
-
En présence de la chute ohmique, la courbe log|I|= f(E) ne présente plus une
section droite pouvant être extrapolée.
-
La valeur de la densité de courant de corrosion déterminée par cette technique
correspond à une vitesse de corrosion instantanée
-
La technique ne rend compte que de l’étape la plus lente
-
E corr déterminé avant le tracé de la courbe I= f (E) et E corr mesuré pendant le tracé
peuvent être différents. Ceci peut être dû à l’intersection entre les processus
anodiques et cathodiques, ou lorsque le système étudié est rapide.
Si le processus est limité partiellement par diffusion (le système n’est plus régi uniquement
par la cinétique d’activation), il faut une correction selon la formule suivante :
(6)
i: courant mesuré
i* : courant corrigé de la diffusion
i1 : courant de palier
Si le contrôle de la diffusion est total pour une des deux réactions alors on peut écrire que
i corr = i1 .
Une représentation type de la densité des courants anodique et cathodique d’une réaction
d’électrode est donnée sur la Figure. II.1 [167].
__________________________________________________________________________________
74
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Figure. II.1. Densité des courants partiels anodique (i a ) et cathodique (i c ) d’une réaction
d’électrode (échelle linéaire) [167]
Le dispositif utilisé pour le tracé des courbes intensité-potentiel (figure II. 2) est constitué d'un
montage classique à trois électrodes, composé d'un potentiostat, d'un générateur programmant
l'évolution du potentiel en fonction du temps et d'un enregistreur. La mesure du potentiel est
effectuée à l'aide d'un millivoltmètre à haute impédance par rapport à l'électrode de référence.
Figure II.2. Dispositif de mesure d'une courbe de polarisation potentiostatique.
ET: électrode de travail, ER: électrode de référence, CE: contre électrode.
__________________________________________________________________________________
75
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Il s’agit d’un appareil qui permet, par l’intermédiaire d’un amplificateur, de fixer et de
maintenir constante la valeur de la différence de potentiel E entre une électrode de travail
(ET) et une électrode de référence (ER). Apres un certain temps, on mesure la valeur du
courant I qui s’établit dans le circuit entre l’électrode de travail et une contre-électrode(CE).
En ce qui concerne la mesure expérimentale de la courbe de polarisation, le principe de la
mesure consiste à faire varier le potentiel par rapport au potentiel de corrosion de l’armature
sur un intervalle assez large (aux alentours de ± 250mV).
En exprimant le logarithme de la densité du courant en fonction du potentiel, on obtient les
courbes de Tafel qui permettent de déterminer le potentiel de corrosion, le courant de
corrosion ainsi que les coefficients de Tafel.
L’inconvénient de cette méthode est qu’elle mobilise des courants de corrosion importants et
aboutit par conséquent à une altération du métal étudié. En général, les systèmes de
polarisation sont contrôlés par les équations de Tafel. Toutefois, il peut y avoir des
complications telles que :
-
Les systèmes contrôlés par la diffusion ou la vitesse à laquelle les réactifs arrivent à la
surface du métal ;
-
La formation d'oxyde, qui peut ou ne peut pas conduire à la passivation, et pouvant
altérer la surface de l'échantillon testé.
-
La chute de tension, qui résulte du courant traversant la résistance de la solution
électrolytique et peut provoquer des erreurs dans le système cinétique.
Ce dernier effet, s’il n’est pas trop sévère peut être corrigé par la compensation de la chute
Ohmique.
Les expériences électrochimiques sont effectuées dans une cellule en pyrex pour les mesures
stationnaires, équipée d’un montage conventionnel à trois électrodes, l’acier comme électrode
de travail (ET), le platine comme électrode auxiliaire (CE) et une électrode au calomel Hg /
Hg 2 Cl2 / KCl saturé (ECS) comme électrode de référence.
Dans la méthode potentiostatique, le potentiel de l’électrode est fixé à la valeur choisie
pendant le temps nécessaire à la réalisation de l’équilibre. L’intensité de courant est mesurée
entre l’électrode de travail et la contre-électrode de platine. Les mesures électrochimiques
sont réalisées avec un montage comprenant un potentiostat Tacussel PGZ 301 piloté par un
logiciel d'analyse « Voltalab 4 ».
__________________________________________________________________________________
76
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
II.3. Calcul de la vitesse de corrosion à partir de la courbe de
polarisation
 Vitesse de corrosion :
La vitesse de corrosion est déterminée à partir des droites de Tafel et de la loi de Faraday. Sa
formule est la suivante :
(7)
Elle s’exprime en fonction des paramètres de l’acier .
V
: Vitesse de corrosion en mm/an.
M
: Masse molaire de l’acier en g/mol.
I corr
: Intensité de courant de corrosion mesurée expérimentalement en mA/cm2.
n
: Nombre d’électrons échangés pour former l’ion le plus stable.
F
: Constante de Faraday = 26,8 A. h/mol.
ρ
: Masse volumique pour l’acier en présence en g/cm3.
S : Surface de l’acier en contact avec l’électrolyte ; S= 1,54cm².
La valeur de I corr s’obtient, après tracé de la courbe de polarisation I= f(E), par extrapolation
des branches anodique et cathodique linéaires, à la tension E= Ecor (elle correspond à i= 0).
La vitesse de corrosion est ensuite calculée à partir de la relation (7). Notons que cette vitesse
est représentative d’une dégradation uniforme du matériau (corrosion généralisée).
Les tableaux II-5 et II- 6 présentent les caractéristiques chimiques des deux aciers étudiés
pour calculer la vitesse de corrosion.
__________________________________________________________________________________
77
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Tableau II. 5 . Caractéristiques chimiques de l’acier UR45N
Caractéristiques de l'acier UR45N
Elément
Proportion %
Masse
molaire
g/mol
Masse
volumique
g/cm3
Degré
d'oxydation
C
0,017
12
3,516
4
Si
0,34
28
2,33
4
Mn
1,46
55
7,47
2
P
0,024
31
1,83
5
S
0,002
32
2,07
6
Ni
5,31
58,7
8,91
2
Cr
22,06
52
7,19
3
Mo
2,96
96
10,22
6
Cu
0,230
63,5
8,93
2
Ti
0.004
47,9
4,51
2
Co
0,11
59
8,93
2
Al
0,055
26,98
2,69
3
V
0,11
50,94
6,09
3
W
0,04
183,8
19,25
6
N
0,153
14
-
3
Fe
67,1
55,8
7,87
2
Valeur
pour
l’UR45N
100
56 ,888
7,920
2,238
__________________________________________________________________________________
78
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Tableau II.6 . Caractéristiques chimiques de l’acier au carbone
Caractéristiques de l'acier au carbone
Elément
Proportion %
Masse
molaire
g/mol
Masse
volumique
g/cm3
Degré
d'oxydation
C
0,376
12
3,516
4
Si
0,357
28
2,33
4
Mn
1,204
55
7,47
2
P
0,0156
31
1,83
5
S
0,0112
32
2,07
6
Ni
0,0324
58,7
8,91
2
Cr
0,076
52
7,19
3
Mo
0,032
96
10,22
6
Cu
0,096
63,5
8,93
2
Ti
0,0003
47,9
4,6
4
Co
0,0043
59
8,9
2
Al
0,0003
26,98
2,7
3
V
0,0052
50,94
6,1
3
W
0.0100
183,8
19,25
6
N
-
14
-
3
Fe
97,7
55,8
7,87
2
Valeur pour
l’acier au
carbone
100
55.215
7,833
2,238
__________________________________________________________________________________
79
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
III.
Préparation des éprouvettes
Les échantillons en béton armé, sont des éprouvettes cylindriques de 6 cm de diamètre.
L’armature est une barre cylindrique en acier ordinaire de longueur 14cm
et en acier
inoxydable de longueur 13,5 cm. Avant d’être encastré dans le béton avec une épaisseur
d’enrobage, les aciers ont été brossés mécaniquement.
Le béton a été confectionné avec du sable (à base de silice), de gravier, de ciment CPJ45
provenant de la cimenterie Asment, et de l’eau. Le tableau. II.7 donne la composition du
béton étudié.
Tableau II. 7 .Constituants du béton
Agrégats
Dosage en poids (Kg/m3)
Gravier [15/25 mm]
570
Gravier [5/15 mm]
470
Grain de riz [2/8 mm]
200
Sable [0/1,25 mm]
640
Ciment CPJ 45
350
Eau
175
Le béton a été malaxé à la main, avant sa mise en place dans les moules puis compacté par
vibration. Après 48 heures, les éprouvettes sont démoulées puis quelques unes sont
immergées dans une eau de mer naturelle à température ambiante. Le prélèvement de cette
eau provient des plages de Temara. D’autres éprouvettes sont conservées à l’air ambiant.
IV. Microscope électronique à balayage (MEB)
L’inspection visuelle par les méthodes optiques (microscopie optique, électronique…..) est
aussi nécessaire pour le suivi et l’interprétation des phénomènes de corrosion.
__________________________________________________________________________________
80
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Le microscope électronique à balayage (MEB ou SEM pour les Anglo-Saxons) constitue un
excellent prolongement de la microscopie optique. Il possède en effet deux avantages
importants :
• L’obtention de forts grandissements, jusqu’à 150 000 en format photo, ce qui peut
correspondre à 600 000 sur un écran.
• Une profondeur de champ très importante : environ cent fois celle de la microscopie
optique à même grandissement, ce qui autorise la réalisation d’images sur des
échantillons non plans. C’est un faisceau très fin d’électrons, monocinétique, qui
balaie la surface d’un échantillon où se produisent des interactions détectées par un
capteur qui contrôle la brillance d’un oscilloscope cathodique dont le balayage est
synchronisé avec celui du faisceau d’électrons.
Les deux principaux signaux utilisés en MEB pour la formation des images sont les électrons
secondaires et les électrons rétrodiffusés (Figure II-3).
Figure. II .3 . représentation schématique de l'interaction entre un faisceau incident et la
surface de l'échantillon
- Émission d’électrons secondaires : selon le concept moderne de la matière, l’atome se
compose d’un noyau positif autour duquel gravite un cortège d’électrons. Un électron entrant
peut interagir avec des électrons en orbite. Ils peuvent alors être éjectés hors de l’atome et
constituent l’émission d’électrons secondaires. Seuls les électrons émis près de la surface
seront détectés (zone d’épaisseur de 1 à 10 nm). Ceux provenant d’une plus grande
__________________________________________________________________________________
81
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
profondeur seront presque tous absorbés compte tenu de leur faible énergie (<50 eV). Ces
électrons arrachés au solide étudié forment des images avec une résolution pouvant atteindre 3
à 5 nm. Le contraste de l’image est principalement donné par le relief de l’échantillon mais
peut aussi provenir de la présence d’éléments dans l’échantillon possédant de grandes
différences de numéro atomique.
- Émission d’électrons rétrodiffusés : les électrons primaires accélérés venant frapper
l'échantillon et le pénétrant peuvent parcourir une trajectoire aléatoire dans la matière qui leur
fera perdre une fraction de leur énergie. Après ce parcours au sein de la matière, ils peuvent
resurgir à la surface de l’échantillon puis être détectés. Du fait de leur plus grande énergie
(>>50 eV), les électrons rétrodiffusés peuvent provenir d'une profondeur plus importante. La
résolution de l'image en électrons rétrodiffusés sera moins bonne qu'en électrons secondaires
(6-10 nm). Suivant le type de détecteur utilisé, les électrons rétrodiffusés fournissent une
image topographique (contraste en fonction du relief) ou une image de composition (contraste
en fonction du numéro atomique).
Le faisceau d'électrons primaire est suffisamment énergétique pour ioniser l’atome par
arrachement d’électrons présents sur les premières couches électroniques (couches
profondes). L’atome se retrouvera dans un état excité instable qui entraînera un retour vers
son état d’équilibre. Ce retour à l’équilibre peut se faire de deux façons :
-
Emission de rayons X (transition radiative) : un photon X est émis par transfert
d’un électron d’une couche supérieure vers le trou laissé par l’électron arraché sur la
couche profonde. Ces transitions doivent respecter des règles de sélection liées aux
différents nombres quantiques (Δn>0; Δl=±1; Δj=0 ou ±1 sachant que j=l+s). La
résolution spatiale d'analyse dépend de l'énergie de la raie X détectée, de la nature du
matériau et de la fluorescence secondaire. Elle est d’une façon générale supérieure au
micromètre.
-
Emission d’électrons Auger (transition non radiative) : un électron Auger sera émis
suite à un transfert électronique similaire au cas de l’émission X mais suivi du départ
d’un autre électron d’une couche moins profonde que celui ayant servi à combler le trou.
Ces électrons de faible énergie sont caractéristiques de l'élément émetteur (utilisés pour
l'analyse élémentaire) et du type de liaison chimique. Ils proviennent de la couche
superficielle de l’échantillon (au maximum 25 Å de la surface)
__________________________________________________________________________________
82
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
IV.1. Principe
Le principe du balayage consiste à explorer la surface de l'échantillon par lignes successives
et à transmettre le signal du détecteur à un écran cathodique dont le balayage est exactement
synchronisé avec celui du faisceau incident. Les microscopes à balayage utilisent un faisceau
très fin qui balaie point par point la surface de l'échantillon.
La microscopie électronique à balayage (MEB) est la méthode la plus utilisée pour observer la
topographie d’une surface en utilisant un faisceau d’électrons.
IV.2. Conditions opératoires
Les observations ont été effectuées aux Unités d'Appui Technique à la Recherche Scientifique
(UATRS) sur un microscope électronique à balayage Quanta 200 FEI Company qui
fonctionne en mode ESEM. La tension d’accélération est fixée à 20kV. L’ensemble est équipé
d’un système complet de microanalyse-X (détecteur EDX-EDAX) et d’un détecteur des
électrons rétrodiffusés. Il permet de donner la composition chimique de l’échantillon avec une
limite de détection allant jusqu’au Bore. Le volume analysé est de l’ordre de μm3.
L’interaction du faisceau d’électrons du microscope avec un solide, peut conduire à
l’excitation des atomes constituant l’échantillon. Leur retour à l’état fondamental
s’accompagne d’une libération d’énergie, avec production de rayons X secondaires
caractéristiques des atomes des éléments excités. L’analyse des pics fournis par le
spectromètre renseigne sur la composition de l’échantillon.
V. Structure des aciers
Avant d’effectuer les essais de corrosion, nous nous sommes intéressés à la structure de ces
échantillons. Une observation, après attaque métallographique de la surface de l’acier, a
permis de vérifier sa composition. En particulier, les différentes phases constitutives ont pu
être mises en évidence. L’attaque est effectuée en trempant quelques secondes l’acier,
préalablement poli, dans une solution
électrolytiques. Une analyse au microscope
électronique optique révèle les deux phases en présence, comme indiqués sur les figures II-4
et II-5.
__________________________________________________________________________________
83
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Pour l’acier UR45N, deux phases sont mises en évidence, la ferrite et l’austénite (fig. II.4)
Figure II.4. Micrographie de la surface de l’acier UR45N après attaque révélant les deux
phases en présence à l’état initial
Pour l’acier au carbone (C38), la ferrite ou phase α apparaît bien plus claire que la perlite,
constituée de ferrite et de cémentite (α + Fe 3 C) (fig. II.5).
Figure II. 5. Micrographie de la surface de l’acier au carbone après attaque par FeCl3
révélant les deux phases en présence à l’état initial
__________________________________________________________________________________
84
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Nous avons également pris des photos par microscope optique des armatures enrobées par le
béton après leurs immersions de 9 mois dans l’eau de mer. Nous les avons cassées afin
d’observer la diffusion de l’eau de mer sur l’armature, la figure II-6 montre cet effet :
Figure II. 6. Les armatures enrobées par le béton : (a) armature UR45N (b) armature au
carbone
VI. Test normalisé de piqûration
Généralement, l’augmentation de la température accélère les phénomènes de corrosion, car
elle diminue les domaines de stabilité des métaux et accélère les cinétiques de réactions et de
transport. L’importance de son influence diffère cependant en fonction du milieu corrosif dans
lequel se trouve le matériau [168].
L’augmentation de la température de 20 à 70 C° conduit à une réduction du seuil de chlorures
nécessaires pour amorcer la corrosion [169]. Zivica et al [170] ont montré que l’augmentation
de la température favorise l’augmentation de la solubilité de CaCl2 , et limite la réaction
cathodique (diminution de la concentration en oxygène dans la solution interstitielle du béton,
et augmentation de la résistivité du béton).
Pour préparer la solution, nous avons mis 100g de FeCl3 dans un 900mL d’H 2 O et nous avons
mis la solution préparée dans une fiole jaugée de 1000 mL.
L’acier à étudier a été placé dans un ballon contenant quelques mL de la solution, l’ensemble
est mis dans un bain permettant le contrôle de la température. Après 3 jours, cet échantillon a
été rincé avec de l’acétone.
__________________________________________________________________________________
85
Chapitre II
Dispositifs expérimentaux, milieux et méthodes
___________________________________________________________________________
Dans notre étude, nous avons réalisé les tests aux températures suivantes : 25°, 30°et 40°. Les
échantillons sont attaqués par une solution agressive (FeCl3 ).
__________________________________________________________________________________
86
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Chapitre III : Les résultats
expérimentaux
___________________________________________________________________________________________
87
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
CHAPITRE III : LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ................................................87
I. INTRODUCTION......................................................................................................................89
II. CORROSION DES ACIERS DANS DIFFERENTS MILIEUX ...................................89
II.1. Etude électrochimique ......................................................................................................................... 89
II.1.1. Etude en milieu simulant le béton ................................................................................................. 89
a. Evolution du potentiel de corrosion ............................................................................................ 89
b. Courbes de polarisation .............................................................................................................. 90
II.1.2. Etude en milieu filtrat du ciment ................................................................................................... 92
a. Evolution du potentiel de corrosion ............................................................................................ 92
b. Courbes de polarisation .............................................................................................................. 93
III. ETUDE DE L’EFFET DES CHLORURES .....................................................................94
III.1. Evolution du potentiel de corrosion .................................................................................................... 94
III.2. Courbes de polarisation ...................................................................................................................... 96
IV. LE TEST NORMALISE DE PIQURATION ............................................................... 100
IV. 1. L’acier UR45N ............................................................................................................................... 100
IV. 2. Acier au carbone ............................................................................................................................. 102
V. CONCLUSION.................................................................................................................... 103
VI. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX POUR LES EPROUVETTES ............... 104
VI.1. Introduction ....................................................................................................................................... 104
VI.2. Procédures expérimentales ............................................................................................................... 105
VI.2.1. Mesure des valeurs du potentiel par un circuit ouvert ................................................................. 105
VI.2.2. Eprouvettes d’essai ................................................................................................................... 105
VI.2.3. Phase de durcissement (Eau Douce) .......................................................................................... 106
a. Acier au carbone ...................................................................................................................... 106
b. Acier UR45N .............................................................................................................................. 107
VI.2.4. Evolution du potentiel de corrosion des deux éprouvettes .......................................................... 109
VI.2.5. Courbes de polarisation des deux éprouvettes ........................................................................... 110
VI.3. Analyse de surface par microscopie électronique à balayage............................................................ 114
VI.3.1. Observations et analyses des échantillons en surface.................................................................. 114
VI. 3.2. Analyses en coupe transversale des éprouvettes ........................................................................ 116
VII. CONCLUSION ................................................................................................................ 118
___________________________________________________________________________________________
88
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
I. Introduction
Pour comprendre le comportement de l’acier inoxydable et l’acier au carbone utilisés, nous
avons réalisé une étude électrochimique qui a permis de déterminer la vitesse de corrosion
dans différents milieux simulant le béton en l’absence et en présence des chlorures.
II. Corrosion des aciers dans différents milieux
II.1. Etude électrochimique
Les courbes de polarisation potentiodynamiques des deux aciers (UR45N, acier au carbone)
ont été tracées dans la solution simulatrice et la solution du filtrat du ciment.
II.1.1. Etude en milieu simulant le béton
a. Evolution du potentiel de corrosion
Le principe de cet essai est d’immerger une électrode de chacun des deux aciers et une
électrode de référence dans la solution et de suivre l’évolution spontanée du potentiel de
corrosion en fonction du temps. Cet essai peut prendre plusieurs heures jusqu’à ce que le
potentiel de corrosion se stabilise (Figure .III. 1).
0.0
UR45N
-0.1
E(V/ECS)
-0.2
-0.3
Fe-C dans solution simulatrice
UR45N dans solution simulatrice
-0.4
Fe-C
-0.5
0
20000
40000
60000
80000
100000
temps(s)
Figure. III.1. Evolution du potentiel de corrosion des deux aciers dans la solution
simulatrice KOH + NaOH du béton
___________________________________________________________________________________________
89
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Le suivi du potentiel d’abandon en fonction du temps (figure .III.1), des deux aciers, montre
qu’ils ont un comportement différent. En effet, on note que pour:
-
UR45N : un anoblissement du potentiel qui se stabilise à -50 mV/ECS. La valeur
stationnaire est atteinte au bout de 1000 min d’immersion. Ce comportement peut être
associé à la formation d’une couche de produit de corrosion à caractère protecteur en
surface.
-
Acier au carbone : un déplacement du potentiel vers des valeurs plus négatives dans la
solution simulatrice qui se stabilise à -475mV. Cette évolution du potentiel est en
général associée à une dissolution continue du matériau dans le milieu d’étude.
b. Courbes de polarisation
Pour étudier l’effet de cette solution simulatrice sur le comportement électrochimique des
deux alliages, nous avons tracé les courbes de polarisation afin de déterminer les paramètres
électrochimiques de l’acier UR45N et l’acier au carbone dans la solution simulatrice (figure
III.2) (l’intensité de corrosion (I corr ), le potentiel de corrosion (E corr ), le pseudo palier de
passivation (L passivation) et la vitesse de corrosion).
Les paramètres d’essais sont :
-
Vitesse de balayage : 50mV/min (correspond à l’état stationnaire du système).
-
Plage de potentiel (abscisse) :-1000 mV à +1000 mV/ESC.
___________________________________________________________________________________________
90
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
0.01
1E-3
Fe-C
i(A/cm2)
1E-4
UR45N
1E-5
1E-6
Fe-C dans solution simulatrice
UR45N dans solution simulatrice
1E-7
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
E(V/ECS)
Figure .III.2. Courbes de polarisation des deux aciers dans la solution simulatrice
Les valeurs des potentiels de corrosion ainsi que les densités de courants anodiques relatives à
chaque acier sont présentées sur le tableau.III.1
Tableau.III.1 : Paramètres électrochimiques déterminés à partir des courbes de
polarisation dans la solution simulatrice
Acier
E corr (mV/ECS)
I corr (µA/cm2)
V (mm/an)
L passivation (m)
UR45N
-475
1,5059
1,025 10-5
3,7 10-2
Acier au
carbone
-773
183,5
1,226 10-3
6 10-2
Si l’on compare les résultats obtenus pour les 2 matériaux étudiés dans la solution simulatrice,
il s’avère que l’UR45N présente le meilleur comportement avec un potentiel de corrosion plus
noble et des vitesses de corrosion beaucoup plus faibles.
___________________________________________________________________________________________
91
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
II.1.2. Etude en milieu filtrat du ciment
Nous avons préparé des solutions de filtrat de ciment selon la procédure présentée dans le
chapitre II. Des essais électrochimiques ont été menés dans ces solutions de filtrat pour les 2
matériaux étudiés (UR45N et C38).
a. Evolution du potentiel de corrosion
Le suivi du potentiel d’abandon dans le filtrat de ciment a été réalisé et les résultats obtenus
sont représentés sur la figure III.3. Cet essai peut prendre plusieurs heures jusqu’à ce que le
potentiel de corrosion se stabilise.
UR45N
0.00
-0.05
-0.10
E(V/ECS)
-0.15
-0.20
-0.25
-0.30
-0.35
-0.40
Fe-C dans filtrat de ciment
UR45N dans filtrat de ciment
-0.45
Fe-C
-0.50
0
20000
40000
60000
80000
100000
temps(s)
Figure. III.3. Evolution du potentiel de corrosion des deux aciers dans le filtrat du
ciment
Le suivi du potentiel d’abandon en fonction du temps (figure. III. 3) des deux aciers dans le
filtrat du ciment révèle un comportement similaire à celui observé en solution simulatrice du
béton. Ainsi, on a :
-
UR45N : un anoblissement du potentiel qui se stabilise à -23,1mV. La valeur stable
du potentiel est plus noble que celle obtenue en milieu simulant le béton.
___________________________________________________________________________________________
92
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
-
Acier au carbone : un déplacement du potentiel vers des valeurs plus négatives dans le
filtrat de ciment qui se stabilise à -490 mV, valeur de même ordre de grandeur que
celle obtenue dans la solution simulatrice et qui est de -475 mV .
b. Courbes de polarisation
Les courbes de polarisation de l’acier UR45N et l’acier au carbone dans le filtrat du ciment
sont regroupées dans la figure .III. 4.
0.01
Fe-C
1E-3
i(A/cm2)
1E-4
UR45N
1E-5
1E-6
1E-7
UR45N dans le filtrat de ciment
Fe-C dans le filtrat de ciment
1E-8
1E-9
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
E(V/ECS)
Figure. III.4. Courbes de polarisation des deux aciers dans le filtrat du ciment
Les valeurs des potentiels de corrosion ainsi que les densités de courants anodiques relatives à
chaque acier sont présentées sur le tableau III. 2.
___________________________________________________________________________________________
93
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Tableau. III. 2: Paramètres électrochimiques des courbes de polarisation dans le filtrat
du ciment
Acier
E corr (mV/ECS)
I corr (µA/cm2)
V (mm/an)
L passivation (m)
UR45N
-592
1,301
8,861 10-5
4,5 10-2
Acier au
carbone
-639
29,27
1,956 10-3
4,8 10-2
Les paramètres électrochimiques montrent que l’acier inoxydable UR45N présente le meilleur
comportement dans le filtrat de ciment. Cependant, les courants de corrosion et les vitesses de
corrosion sont plus élevés que dans la solution simulatrice. Ceci est dû probablement à la
présence d’autres ions agressifs dans la solution du filtrat.
III. Etude de l’effet des chlorures
Dans cette étude, nous avons ajouté différentes teneurs de chlorures de sodium dans la
solution de filtrat du ciment. Les tests ont été faits en présence de 1%, 2% et 3% de chlorures
de sodium.
III.1. Evolution du potentiel de corrosion
La figure III.5 présente l’évolution du potentiel libre des deux aciers (UR45N, acier au
carbone) en fonction du temps d’immersion dans la solution du filtrat de ciment sans et avec
ajout des chlorures (Tableau III.3).
___________________________________________________________________________________________
94
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Figure.III. 5. Evolution du potentiel de corrosion des deux aciers dans le filtrat de
ciment : (a) UR45N et (b) : acier au carbone
___________________________________________________________________________________________
95
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
L’évolution du potentiel pour l’essai réalisé sans ajout des chlorures montre un anoblissement
du potentiel libre pour l’acier UR45N par contre un déplacement vers les valeurs négatives
pour l’acier C38.
Lorsque les essais
sont conduits en présence des chlorures, on observe toujours un
anoblissement du potentiel pour l’acier UR45N alors que dans le cas de l’acier C38, nous
assistons à un déplacement du potentiel vers les valeurs négatives, d’autant plus marqué que
la quantité des chlorures est importante. Le film formé dans ces conditions ne serait pas de
nature à protéger l’acier efficacement.
Donc, nous pouvons conclure que le potentiel de corrosion montre que l’ajout des chlorures
ne modifie pas le comportement global des aciers dans le filtrat de ciment.
Tableau III. 3 : Potentiel de stabilisation des deux aciers
E D (mV/ECS)
Le milieu
aciers
Filtrat du ciment
Sans ajout
10g
20g
30g
Acier UR45N
-337
-253
-181
-254
Acier au carbone
-312
-521
-496
-508
III.2. Courbes de polarisation
Les courbes de polarisation (figure III.6 et figure III.7) de l’acier UR45N et de l’acier au
carbone dans le filtrat de ciment en présence de différentes quantités en NaCl montrent un
comportement complètement différent des deux aciers en présence des chlorures. Pour
l’UR45N, on note un déplacement des potentiels de corrosion vers des valeurs anodiques et
une diminution des courants anodiques avec l’augmentation des ions chlorures en solution
(figure III.6, tableau III-4).
Dans le cas de l’acier au carbone (figure III.7, tableau III-4), l’effet des chlorures est plus
important. Le potentiel de corrosion est déplacé vers des valeurs plus cathodiques, les
courants anodiques sont plus importants et le palier de passivation diminue avec
l’augmentation des concentrations en chlorures.
___________________________________________________________________________________________
96
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
0.01
(a)
1E-3
i(A/cm2)
1E-4
SANS
1E-5
1E-6
1E-7
UR45N sans ajout
UR45N ajout 10g NaCl
UR45N ajout 20g NaCl
UR45N ajout 30g NaCl
30g
10g 20g
1E-8
1E-9
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
E(V/SCE)
Figure III. 6. Courbes de polarisation d’acier UR45N dans le filtrat de ciment
30g
20g
10g
0.1
sans
(b)
0.01
i(A/cm2)
1E-3
1E-4
Fe-C sans ajout
Fe-C ajout 10g NaCl
Fe-C ajout 20g NaCl
Fe-C ajout 30g NaCl
1E-5
1E-6
-1.0
-0.5
E(V/SCE)
0.0
0.5
1.0
Figure III. 7. Courbes de polarisation d’acier au carbone dans le filtrat de ciment
___________________________________________________________________________________________
97
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Tableau III. 4 : Paramètres électrochimiques de l’acier UR45N et l’acier au carbone
Quantité
Sans ajout
10g
20g
30g
E corr (mV)
-592
-365
-300
-444
I corr (µA/cm2)
1,301
5,064
7,910 10-1 4,836 10-1
V corr (mm/an)
8,861 10-6
3,449 10-5
5,387 10-6 3,293 10-6
-639
-698
-880
-843
29,27
44,37
180,5
315,7
1,956 10-4
2,966 10-4
de NaCl
Paramètres
Acier UR45N
E corr (mV)
Acier au carbone I corr (µA/cm2)
V corr (mm/an)
1,206 10-3 2,110 10-3
Le caractère passif d’un acier inoxydable est étroitement lié aux éléments d’alliage. Un acier à
la propriété d’être inoxydable lorsqu’il contient au moins 12 % en masse de chrome [55, 51].
Les aciers inoxydables ont la particularité de s’auto-protéger du milieu environnant par la
formation spontanée d’un film de passivité à leur surface au contact de l’air ou d’un milieu
aqueux. Le film passif est essentiellement composé d’oxy-hydroxydes de fer et chrome. Les
films passifs présentent des épaisseurs de l’ordre de 1 à 10 nm [171-172].
Des études [173-174] confirment la présence d’un oxyde duplex avec une couche enrichie en
Chrome à l’interface film/métal et une couche riche en Fer à l’interface film/solution. Le
modèle le plus couramment adopté est le modèle de bipolarité [173], présenté
par la
figure.III.8. La couche intérieure constituée par des oxydes et hydroxydes de Chromes (Cr 2 O 3
et Cr(OH) 3 ) est sélective anionique sous l’effet de la réaction directe du Chrome avec l’eau.
La couche externe, en contact avec l’électrolyte et enrichie en fer, serait sélective cationique
par l’incorporation des anions SO 4 2- [175-176]. L’application d’un potentiel anodique
provoquerait la réaction de déprotonation de l’eau.
Les protons H+ diffusent vers l’électrolyte à travers la couche externe. Les cations métalliques
Mn+ ne pourraient quitter le substrat à cause du caractère de sélectivité anionique.
___________________________________________________________________________________________
98
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Figure III.8. Représentation schématique du comportement bipolaire d’un film passif
développé à la surface d’un acier inoxydable [173,175]
Bien qu’il soit connu que la couche d’oxydes d’un acier inoxydable est plus enrichie en
chrome que le substrat, il subsiste des questions concernant la composition et la structure du
film qui sont intimement liées à la composition chimique de l’alliage.
Les promoteurs de passivité, comme le chrome [177-178], présentent une forte affinité avec
l’oxygène et forment des liaisons de faibles énergies avec les atomes métalliques ce qui a pour
effet de rendre la valeur du potentiel de piqûre plus anodique. Cet élément constitue
essentiellement la couche interne du film de passivité sous forme oxydée Cr 2 O 3 [111, 175,
179-182] bien qu’il puisse également être présent sous forme hydratée (Cr(OH) 3 ) [10]. De
plus, les sites occupés par les cations Fe3+dans le spinelle Fe 3 O 4 pourraient être partiellement
substitués par Cr3+ [176, 183-185].
Dans le cas de l’acier au carbone sans ajout de chlorure, nous remarquons que le palier de
passivation est très large, il n’y’a pas d’attaque du métal lors de son immersion dans le filtrat
de ciment mais nous assistons à la formation d’une couche protectrice très fine. Cependant,
les densités de courant (I cor ) augmentent au fur et à mesure que le % des quantités des
chlorures croît avec une diminution du palier de passivation ainsi qu’une augmentation de la
___________________________________________________________________________________________
99
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
vitesse de corrosion. Cependant, en cas de corrosion localisée, le procédé de mesure de la
vitesse de corrosion n’est pas valable.
Dans le domaine anodique, il est à indiquer que le processus électrochimique à l’interface
acier - solution est contrôlé par une cinétique d’activation pure. L’extrapolation des droites de
tafel au potentiel de corrosion permet de calculer la vitesse de corrosion. Le plateau anodique
est plus étendu lorsque la quantité des chlorures diminue.
La valeur de la vitesse de corrosion obtenue pour les deux aciers dans la solution sans ajout
des chlorures est de l’ordre de 8,861 10-5 mm/an pour l’acier UR45N par contre pour l’acier
au carbone, il est de l’ordre 1,956 10-4 mm/an, avec une différence d’un facteur de 22,07.
L’ajout de différentes teneurs 1%, 2% et 3% de NaCl dans la solution a augmenté la
probabilité d’amorçage de corrosion et plus particulièrement pour l’acier au carbone.
IV. Le test normalisé de piqûration
Il est bien connu que l’augmentation de la température aggrave toujours le problème de
corrosion. Nous avons effectué le test normalisé de corrosion par piqure pour les deux
matériaux étudiés afin d’analyser leur comportement vis-à-vis de la corrosion par piqûre à
différentes températures.
Pour évaluer la résistance à la corrosion par piqûres des deux matériaux étudiés, la
température critique de piqûration (CPT), selon la norme ASTM G48-03 standard (méthodes
d'essai normalisées pour des piqûres et corrosion caverneuse de l'acier inoxydable et des
alliages par l'utilisation de FeCl3 ), a été déterminée. La température critique de piqûration
(CPT) est la température minimale pour induire la corrosion par piqûres.
IV. 1. L’acier UR45N
Pour effectuer les tests normalisés, nous avons immergé l’échantillon dans une solution
électrolytique à base de chlorures ferriques (FeCl3 ), pendant 3 jours à la température choisie.
Les figures III.9, III.10, III .11 suivantes résument les résultats obtenus.
___________________________________________________________________________________________
100
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Température 40° : Pour la température de 40°C, on voit bien qu’il y’a des piqûres profondes,
donc à 40°C l’acier est attaqué par FeCl3 .
UR45N
40°
100X
40°
Figure. III .9. Micrographie de la surface de l’acier UR45N après l’attaque par FeCl 3
sous une température de 40°C
Température 30° : Pour la température de 30°C, la surface est attaquée mais de manière
moins profonde qu’à 40°C.
UR45N
30°
200X
30°
Figure. III.10. Micrographie de la surface de l’acier UR45N après l’attaque par FeCl 3
sous une température de 30°C
___________________________________________________________________________________________
101
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Température 25° : Pour la température de 25°C, l’état de la surface n’est pas énormément
attaqué par FeCl3 . Donc, nous pouvons dire que la température adéquate pour que l’acier
inoxydable UR45N ne soit pas attaqué est de 25°C.
UR45N
25°
200X
25°
Figure. III .11. Micrographie de la surface de l’acier UR45N après l’attaque par FeCl 3
sous une température de 25°C.
IV. 2. Acier au carbone
Nous avons étudié une seule température de 25°C pour l’acier au carbone. La figure. III .12
montre que la surface est fortement attaquée par FeCl3 . Donc, on peut dire que dès la
température ambiante (25°C), l’acier au carbone peut subir la corrosion par piqûre.
Figure. III .12. Micrographie de la surface de l’acier au carbone après l’attaque par
FeCl3 sous une température de 25°C
___________________________________________________________________________________________
102
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
V. Conclusion
La rupture des structures en béton est due à la corrosion de l'armature qui est en générale en
acier. La mesure de la corrosion est une exigence fondamentale pour l'entretien, la réparation
et l'enlèvement de structures en béton armé. L'objectif de ce travail est d'étudier la corrosion
des UR45N et Fe-C aciers dans différents milieux (extrait de ciment, solution de simulation)
et en présence des chlorures. Des études électrochimiques combinées à un essai normalisé de
corrosion par piqûres montrent que l’UR45N a une meilleure résistance à la corrosion que
l’acier ordinaire couramment utilisé dans le béton armé. Un bon accord est observé entre les
résultats des tests de piqûres et ceux des mesures électrochimiques. Les investigations ont été
effectuées en présence d'ions chlorures et en utilisant des solutions simulant l'électrolyte
interstitielle du béton. L’évolution du potentiel en circuit ouvert des échantillons d'acier dans
une solution d'extrait de solution de ciment et de simulation montre que les valeurs du
potentiel de corrosion naturelles de l'acier au carbone diminuent avec le temps. Pour l'acier
inoxydable, un changement continu du potentiel vers des valeurs plus nobles est observé, ce
qui correspond à un retard des réactions de corrosion.
Le suivie du potentiel d'abandon en fonction du temps d'immersion des deux aciers montre
que l'addition de chlorure ne modifie pas le comportement global de l'acier dans le filtrat, il
y’a toujours un anoblissement pour UR45N tandis que dans le cas de l'acier au carbone, il
existe un déplacement du potentiel vers des valeurs plus négatives. Cependant, l'augmentation
de la quantité de chlorure dans le milieu a peu d'effet sur les valeurs du potentiel et la forme
générale des courbes. On observe une sensibilité plus accrue de l’acier au carbone à la
présence des chlorures en solution. La sensibilité de l'acier inoxydable à la corrosion par
piqûres augmente avec la température. A 40°C, il est clair qu'il y’a piqûres sur l'acier
inoxydable et à 30°C, la surface est faiblement attaquée. A 25 ° C, aucun risque de corrosion
n’est observé. La surface de l'acier au carbone est fortement attaquée par FeCl3 et le CPT est
de 25°C. L’acier inoxydable UR45N résiste mieux que l'acier au carbone en solution simulant
le milieu du béton.
___________________________________________________________________________________________
103
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
VI. Les résultats expérimentaux pour les éprouvettes
VI.1. Introduction
Normalement le béton apporte un degré élevé de protection contre la corrosion à l’acier
enrobé. Ceci est dû à l’environnement alcalin fourni par le béton et l’interface béton-acier.
Cela entraine la formation d’un film protecteur sur l’acier [16]. Le film protecteur est stable
lorsque le pH est supérieur à 12 et devient instable lorsque le pH est inferieur à 11 [16]. Le
pH peut avoir des valeurs plus inférieures en présence des ions chlorures, sulfates, et autre
produits chimiques nocifs.
Des précautions normales, comme assurer un malaxage propre, une bonne compacité du
béton, un enrobage adéquat et un bon durcissement, peuvent être insuffisantes pour apporter
une protection convenable et un renforcement adéquat au béton dans un environnement
agressif.
L’enrobage du béton agit comme une barrière de blocage des agents agressifs extérieurs tels
que les ions chlorures, les sulfates, l’oxygène de l’air, les polluants qui ont tendance à diffuser
de l’extérieur vers l’intérieur du béton jusqu’à atteindre l’armature (l’acier).
Dans le cas des structures de béton en immersion continue dans l’eau de mer, la porosité du
béton facilite la diffusion des ions chlorures. Lorsque la concentration de ces ions au
voisinage de l’acier dépasse une valeur critique ([Cl-]/ [OH-] > (0,6)), la corrosion s’amorce
et sa vitesse augmente avec la concentration en Cl-. Il en résulte donc qu’un béton de bonne
qualité est caractérisé par une très faible perméabilité et un faible taux de chlorure.
L’utilisation d’un bon mélange (un rapport eau/ ciment le plus faible possible et une teneur en
ciment convenable) et l’application d’un enrobage adéquat sont les premières approches à
adopter pour augmenter la durée de vie d’un ouvrage en béton.
L’objectif du présent travail est d’étudier le comportement des aciers (acier ordinaire, et
l’acier inoxydable UR45N) dans un béton à base de ciment Portland CPJ45 en milieu marin et
d’améliorer la durée de vie du béton armé. Pour ce faire, nous avons fait appel à des méthodes
électrochimiques (mesure du potentiel de corrosion, de la densité du courant), et des
observations microscopiques de la surface des armatures, ….etc.
___________________________________________________________________________________________
104
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
VI.2. Procédures expérimentales
VI.2.1. Mesure des valeurs du potentiel par un circuit ouvert
Pour mesurer le potentiel des éprouvettes dans le béton armé, nous avons utilisé un appareil
CANIN. C’est un système qui permet de mesurer un champ de potentiel sur la surface de cette
électrode placée à divers endroits de la surface des échantillons (figure. III.13). Elle permet de
localiser l’intersection des surfaces équipotentielles avec la surface du béton.
Figure. III.13. Corrosimétre de CANIN
VI.2.2. Eprouvettes d’essai
Dans ce travail, le comportement et l’aptitude à la corrosion de l’acier ordinaire C38 et l’acier
inoxydable UR45N dans le béton ont été étudié. Les échantillons étudiés sont de 1,54 cm de
diamètre et de longueur de 14 cm pour l’armature au carbone et de longueur de 13,5 cm pour
l’armature UR45N enrobé dans le béton. Ils sont sous forme d’éprouvettes cylindriques. Près
enrobage, l’éprouvette de l’armature au carbone est de 6cm de diamètre et de longueur 7cm et
pour l’éprouvette de l’armature UR45N est de longueur de 12cm et de diamètre 6cm. La
figure III.14 illustre les éprouvettes utilisées.
___________________________________________________________________________________________
105
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
b
a
Figure III.14. Forme des éprouvettes préparées : (a) éprouvette sous l’air (b) éprouvette
dans l’eau de mer
VI.2.3. Phase de durcissement (Eau Douce)
Après immersion continue du béton armé dans l’eau distillée, nous avons suivi le potentiel des
deux armatures (UR45N) et (acier au carbone).
a.
Acier au carbone
Avant d’étudier l’action de la solution d’immersion sur le béton armé, nous avons suivi le
potentiel de l’armature (acier au carbone) en période de durcissement (figure.III.15). Après
une durée de 48 heures, le potentiel de corrosion est de E= -287mV/ECS (-357mV/
(Cu/CuSO 4 )). Cette valeur correspond à la formation d’un film protecteur à la surface du
métal.
-200
E(mV/ECS)
-220
-240
-260
-280
-300
0
5
10
15
20
25
30
temps(jours)
Figure III.15. Evolution du potentiel de corrosion, d’une armature d’acier au carbone
enrobée dans un béton en phase du durcissement, en fonction du temps
___________________________________________________________________________________________
106
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
b. Acier UR45N
La même étude a été réalisée pour l’armature (UR45N) en période de durcissement (figure
III.16). Après la prise (48 heures), le potentiel de corrosion est E= -98mV/ECS (-168mV/
(Cu/CuSO 4 )). Cette valeur correspond à la formation d’un film protecteur à la surface du
métal.
immersion continue
-30
E(mV/ECS)
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
5
10
15
20
25
30
35
temps d'immersion en jours
Figure. III.16. Evolution du potentiel de corrosion, d’une armature d’UR45N enrobée
dans un béton en phase de durcissement, en fonction du temps
La forte alcalinité du béton est le garant d’une protection antirouille durable. En effet,
l’hydroxyde de calcium forme avec la rouille superficielle une couche protectrice qui dure
aussi longtemps que l’ambiance alcaline persiste.
Selon le diagramme E-pH (figure. III.17) [187], un pH voisin de 13 indique la présence d’une
couche d’oxyde de fer à base de Fe 2 O 3 à la surface du métal. Gonzaloz et al. [188] ont
rapporté que cette couche est constituée soit de (FeOOH) et/ou (Fe 2 O 3 ).
___________________________________________________________________________________________
107
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Figure III.17. Diagramme de POURBAIX simplifié du fer. (Conditions théoriques
d'immunité et de passivation du fer à 25°C (pour [Fe2+]= [Fe3+]= 10-6 mol/L)
Cette situation, à priori favorable, risque de ne pas être durable. En effet, dés les premiers
jours le potentiel chute. Selon la norme ASTM C876-91 [146], d’après la chute, les valeurs de
potentiel mesurées, montrent que la probabilité de l’amorçage de la corrosion est de 95%.
Cette chute est due à une déstabilisation du film d’oxyde formé à la surface de l’acier.
Dans ce diagramme, les zones délimitées par des traits pleins indiquent les couples de valeurs
(E, pH) pour lesquelles une espèce est stable. Il met en évidence plusieurs domaines :
-
Corrosion du métal : Zones où le fer est soluble sous forme d’ions (Fe2+ et Fe3+)
-
Immunité du métal : Zone où le métal ne réagit pas, domaine de stabilité du fer
(Fe)
-
Passivation du métal : Zones de stabilité des oxydes métalliques qui protègent le
fer (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 )
-
Stabilité thermodynamique de l’eau à la pression atmosphérique : Région délimitée
par les droites parallèles, en traits pointillés, (a) et (b).
Dans le cas des aciers utilisés dans le béton armé, ce diagramme ne correspond pas
exactement aux conditions dans lesquelles nous nous trouvons (l’acier utilisé est un composé
d’alliages et contient des impuretés, la solution contient des cations (Na+, K+)), nous pouvons
___________________________________________________________________________________________
108
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
supposer que, d’une manière qualitative, le phénomène de passivation est le même pour le
système fer/H 2 O et acier/solution interstitielle.
VI.2.4. Evolution du potentiel de corrosion des deux éprouvettes
Le comportement électrochimique des éprouvettes a été suivi par la mesure du potentiel de
corrosion en fonction du temps et les paramètres électrochimiques et analyses chimiques ont
été déterminées. Les éprouvettes préparées sont immergées dans une eau de mer naturelle
pour différentes durées d’immersion.
L’évolution des valeurs du potentiel de corrosion, des armatures dans le béton, en fonction du
temps est illustré sur la figure III.18 et la figure III.19
-0.17
-0.18
t3=7mois
t0=0jour
t2=4mois
t5=9mois
-0.19
-0.20
E(V/SCE)
-0.21
-0.22
-0.23
t1=28jour
-0.24
-0.25
-0.26
-0.27
t4=8mois
-0.28
0
500
1000
immersion time(s)
1500
2000
Figure. III.18. Evolution du potentiel de corrosion dans l’eau de mer : (a) éprouvette
d’acier UR45N en fonction du temps d’immersion
___________________________________________________________________________________________
109
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
-0.35
t0=0jour
-0.40
-0.45
E(V/ECS)
-0.50
t1=28jour
-0.55
t2= 4mois
-0.60
-0.65
t5=9mois
t3=7mois
-0.70
t4=8mois
-0.75
0
500
1000
immersion time(s)
1500
2000
Figure. III.19. Evolution du potentiel de corrosion dans l’eau de mer : (b) éprouvette
d’acier au carbone C38 en fonction du temps d’immersion
Les résultats montrent que le comportement du potentiel est parfaitement différent. Nous
assistons à un
déplacement du potentiel vers des valeurs négatives avec la durée
d’immersion ce qui montre un retard à la passivation ou une rupture de cette passivité au
cours du temps.
VI.2.5. Courbes de polarisation des deux éprouvettes
Nous avons tracé les courbes I-E des éprouvettes dans l’eau de mer. Les figures III.20 et
III.21 regroupent les résultats obtenus.
Nous remarquons que pour l’acier UR45N, le potentiel de corrosion est déplacé vers des
valeurs cathodiques et les courants anodiques sont fortement diminués avec la durée
___________________________________________________________________________________________
110
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
d’immersion. Au cours du temps, le matériau forme une couche de produit de corrosion, dont
la composition et l’efficacité dépendent de la durée d’immersion. Cependant, on ne peut
écarter la possibilité d’une corrosion par piqûres.
t0= 0jour
t1=28jour
0.01
1E-3
t2=4mois
1E-4
i(A/cm2)
1E-5
t4=8mois
t3=7mois
t5= 9mois
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
E(V/SCE)
Figure. III. 20. Courbes de polarisation de l’éprouvette d’acier UR45N dans l’eau de
mer
Dans le cas de l’acier au carbone, les courants cathodiques diminuent mais en note une légère
augmentation des courants anodiques due à modification de la couche formée en surface au
cours de l’immersion en eau de mer.
___________________________________________________________________________________________
111
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
t0=0jour
t1= 28jour
0.01
i(A/cm2)
1E-3
1E-4
t2=4mois
1E-5
t4= 8mois
t3= 7mois
1E-6
t5= 9mois
1E-7
1E-8
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
E(V/SCE)
Figure III.21. Courbes de polarisation de l’éprouvette d’acier au carbone dans l’eau
de mer
Dans les tableaux. III.5 et III.6, nous avons regroupés les paramètres électrochimiques des
deux éprouvettes. La présence des chlorures accélère le processus d’attaque de l’éprouvette,
modifiant structure et composition du pseudo film passif formé sur l’armature.
___________________________________________________________________________________________
112
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
Tableau. III.5. Paramètres électrochimiques de l’éprouvette d’acier UR45N
L’éprouvette (acierUR45Nenrobé par béton)
Le milieu
L’eau de mer
Les paramètres
E (mV)
I corr (µA/cm2)
V (mm/an)
0j
-313
40,5
6,743 10-5
28j
-308
111
1,848 10-4
4mois
-777
38,6
6,426 10-5
7mois
-787
42,5
7,076 10-5
8mois
-787
18,5
3,080 10-5
9mois
-796
30,3
5,0448 10-5
Tableau. III.6. Paramètres électrochimiques de l’éprouvette d’acier au carbone
L’éprouvette (acier au carbone enrobé par béton)
Le milieu
L’eau de mer
Les paramètres
E (mV)
I corr (µA/cm2)
V (mm/an)
0j
-677
1500
4,771 10-3
28j
-658
689,7
2,194 10-3
4mois
-734
539,3
1,715 10-3
7mois
-705
421,7
1,345 10-3
8mois
-724
49,68
1,580 10-4
9mois
-729
58,5
1,860 10-4
___________________________________________________________________________________________
113
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
VI.3. Analyse de surface par microscopie électronique à balayage
Le MEB est utilisé ici pour l’observation, en imagerie par électrons secondaires, de la
topographie de l'échantillon. L’analyse élémentaire est obtenue par le couplage avec un
système d’analyse dispersive en énergie (EDX).
VI.3.1. Observations et analyses des échantillons en surface
Nos observations au MEB ont porté sur des échantillons d’acier après 9mois d’immersion à
température ambiante dans l’eau de mer (figure. III.22 et figure. III.23).
D’après les résultats obtenus (observations et analyses), l’analyse EDX (Tableau III.7) révèle
la présence de chrome et de fer dans le cas de l’UR45N. Aucune forme de corrosion n’est
détectée en surface. Donc on peut conclure que la présence de chrome permet d’avoir une
couche protectrice. Dans le cas de l’acier au carbone, l’analyse EDX révèle la présence d’une
plus grande quantité de fer, chlorure et d’oxygène suggérant ainsi la présence d’oxychlorure
de fer. L’éprouvette de l’armature au carbone a été attaquée par l’eau de mer durant la période
d’immersion de 9 mois.
Figure. III.22. (a) Observation MEB de la surface de l’acier UR45N après immersion dans
l’eau de mer pendant 9mois ; (b) analyse EDX de la surface de l’acier après immersion
dans l’eau de mer
___________________________________________________________________________________________
114
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
J
Figure. III.23. (c) Observation MEB de la surface de l’acier au carbone après immersion
dans l’eau de mer pendant 9mois ; (d) analyse EDX de la surface de l’acier après
immersion dans l’eau de mer
Tableau. III. 7. Analyse EDX des deux aciers :(b) UR45N et (d) acier au carbone
b (UR45N)
d (acier au carbone)
Elément
%
%
O
5,59
30,90
Na
0 ,79
0,40
Mo
2,60
0,38
Ni
4,20
0,32
Si
0,94
0,90
Cr
15,97
0,44
Cl
0,48
6,31
Mn
1,78
1,17
Fe
46,40
53,92
C
19,64
4 ,11
___________________________________________________________________________________________
115
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
VI. 3.2. Analyses en coupe transversale des éprouvettes
Après analyse les échantillons sous forme de disque, ils ont été découpés en deux et nous
avons analysées la partie allant du bord jusqu’au milieu de l’acier. Ensuite, nous avons
effectué une comparaison avec les aciers de références.
Les figures III.24 et
III.25
regroupent les résultats obtenus.
L’histogramme de la figure.III.24 montre que l’éprouvette d’acier UR45N immergé dans
l’eau de mer présente des variations des % des éléments majeurs. En effet, la surface en
contact avec le béton montre un appauvrissement en chrome et en molybdène avec un
pourcentage plus élevé en chlorures. Ce phénomène peut induire une rupture du film passif au
cours du temps et induire des phénomènes de corrosion.
Figure.III.24. Histogramme correspondant à l’eprouvette d’acier UR45N immergé dans
l’eau de mer
___________________________________________________________________________________________
116
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
L’histogramme de la figure III.25 relatif à l’eprouvette d’acier au carbone immergé dans l’eau
de mer montre que les chlorures diffusent à l’intérieur de l’échantillon.
Figure III.25. Histogramme de l’éprouvette en acier au carbone immergé dans l’eau de
mer.
___________________________________________________________________________________________
117
Chapitre III
Résultats et discussions
___________________________________________________________________________
VII. Conclusion
Le béton est comme une espèce de barrière qui bloque les espèces agressives, tels que les
chlorures et le dioxyde de carbone qui peut diffuser à travers les pores et causer la rupture du
film passif induisant la dégradation du métal. Pour la structure immergée en permanence dans
l'eau de mer, la porosité du béton peut faciliter la diffusion des ions chlorures. Lorsque la
concentration en ions chlorures est à la valeur critique ([Cl -] / [OH-] ˃ (0,6)), la corrosion
commence et augmente avec la concentration de chlorures.
Dans ce chapitre nous avons étudiée le comportement des armatures en UR45N et Fe-C
enrobées dans le béton dans l'eau de mer pour différents temps d'immersion. Pour l'acier FeC, il n'y a pas de modification du comportement en fonction du temps d'immersion et le
courant anodique est élevé. Lorsque le temps d'immersion augmente, le courant anodique
pour l’UR45N diminue en raison du comportement de passivation de l'acier inoxydable. Il est
bien connu que l'acier inoxydable a une grande résistance à la corrosion dans l'environnement
corrosif oxydant en raison du film passif qui se forme sur la surface de l'acier pour protéger le
matériau.
Des analyses de surface (MEB-EDX) ont montré la présence des chlorures à la surface des
matériaux et qui diffusent même à l’intérieur. Ce phénomène peut induire une rupture du film
passif et/ou une modification des couches de corrosion. Cependant, l’acier UR45N présente le
meilleur comportement.
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118
Conclusion générale et perspectives
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Conclusion générale et
perspectives
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119
Conclusion générale et perspectives
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L’ensemble des travaux présentés dans ce mémoire s’articule autour de deux axes principaux:
-
Une étude de la corrosion d’un acier inoxydable de nuance UR45N et un acier
ordinaire dans un milieu simulant le béton sans et avec ajout de différentes teneurs
en chlorure de sodium.
-
Une étude dont l’objectif est de comprendre le comportement électrochimique des
armatures enrobé du béton à base de ciment portland CPJ45 dans un milieu marin
naturel.
L’approche expérimentale réalisée dans ce travail, combine une étude électrochimique
approfondie par les techniques connue de l’électrochimie (courbes de polarisation
potentiodynamique, chronopotentiométrie), ainsi que l’analyse de surface par observation
microscopiques MEB, et un test normalisé de corrosion par piqûre à différentes températures.
L’étude du comportement électrochimique de l’acier inoxydable et l’acier au carbone par les
courbes de polarisation potentiodynamique confirme le comportement passif de l’acier
inoxydable dû à la présence du chrome, nickel et molybdène. Sa résistance à la corrosion n’est
pas affectée par la présence des chlorures. Par contre, l’acier au carbone présente une grande
sensibilité à la présence des chlorures en solution.
Les tests électrochimique réalisés sur ces deux aciers montrent que l’acier inoxydable résiste
mieux que l’acier au carbone dans un milieu simulant le béton en l’absence et en présence des
chlorures.
Par la suite, nous avons effectué un test normalisé de corrosion par piqûre sur les deux aciers.
Ce test montre bien que la corrosion par piqûre se manifeste avec l’augmentation de la
température pour l’acier inoxydable UR45N. Par contre, la piqûration est observable sur la
surface de l’acier au carbone dés 25°C.
Dans le cadre de ce travail, nous avons mis au point une méthode de préparation des
éprouvettes de béton pour étudier l’influence de certains paramètres sur la dégradation des
ouvrages en béton. Ces études ont été menées en eau de mer naturelle.
Nous avons effectué une immersion totale pour les éprouvettes. Le béton immergé dans l’eau
perd facilement de ces éléments alcalins par lixiviation. Ce phénomène conduit à la
dissolution de l’hydroxyde de calcium cristallisé dans les pores du béton.
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120
Conclusion générale et perspectives
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L’évolution du potentiel et la mesure de la vitesse de corrosion ont montré que l’armature
(acier au carbone) d’un béton immergé dans l’eau de mer se corrode de manière continue.
Dans la littérature, très peu de travaux ont été consacré à l’étude de la corrosion de l’acier
inoxydable enrobé par le béton en milieu marin. Par conséquent, ce matériau a donc suscité
une attention particulière dans ce travail de thèse compte tenue de son implication comme
matériau dans beaucoup de domaine.
L’utilisation des techniques d’analyse de surface comme la microscopie électronique à
balayage nous a conduits à visualiser l’état de surface des deux matériaux. La surface de
l’acier inoxydable est plus homogène ne présentant pas de forme de corrosion. Par contre,
l’armature au carbone est attaquée par l’eau de mer.
Des essais de plus longues durées sont à prévoir tout en simulant les conditions d’utilisation
réelles. De même, des mesures en impédance électrochimiques sont à programmer pour
essayer de mieux expliciter le mécanisme de formation du film passif et éventuellement les
conditions de sa rupture.
Nous pouvons envisager une suite éventuelle des recherches au cours de ce travail,
principalement en explicitant :
-
L’extraction des chlorures
-
Le changement de l’acier inoxydable par d’autres et faire la comparaison.
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