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Chalhoub, Chantal. Study of the initiation and propagation phases of chloride induced corrosion in reinforced concrete structures

Chalhoub, Chantal (2020). Study of the initiation and propagation phases of chloride induced corrosion in reinforced concrete structures.

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Résumé en francais

Il est communément admis que la corrosion des aciers par les chlorures est la cause principale de la détérioration des structures en béton armé. L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'amélioration de la compréhension de la corrosion induite par les chlorures dans le béton pendant la phase de transition entre l'initiation et la propagation et pendant la phase de propagation de la corrosion. Traditionnellement, la corrosion induite par les chlorures est initiée lorsque la teneur en chlorure atteint une valeur critique appelée seuil critique en chlorure ou Ccrit. Malgré de nombreuses recherches dans ce domaine, il n'existe toujours pas d'accord sur une méthode précise pour la détermination de la valeur seuil initiant la corrosion. Le premier objectif de ce travail était de développer un nouveau montage expérimental prenant en compte le caractère localisé de la corrosion initiée par les chlorures. Cette approche se basait sur une séparation physique entre l'anode contaminée par des chlorures et la cathode sans chlorure. Le protocole expérimental permettra de quantifier le courant de corrosion galvanique, permettant ainsi de déterminer, dans un deuxième temps, les valeurs de seuils critiques en chlorure. Le critère d'initiation de la corrosion était un courant de corrosion seuil défini comme un courant indépendant du rapport de surface cathode/anode et, par la suite, indépendant de la surface de l'acier passif. Ce critère a été considéré comme un contrôle anodique de la corrosion pendant la phase de transition de la phase d'initiation à la phase de propagation. Ce protocole d'essai a été appliqué à des formulations de mortier et de béton avec plusieurs types de liants (ciment CEM I, ciment CEM III et CEM I avec fumée de silice), différents rapports eau/liant, incorporant des barres d'acier HA torsadés avec différentes conditions de surface d'acier (tels que reçus, nettoyés chimiquement et nettoyé chimiquement puis oxydé avec humidité ou à haute température). Il a été constaté que le protocole expérimental est rapide et applicable à toutes les formulations. Les résultats expérimentaux permettent de comprendre l'influence du type de liant, du rapport E/L et de la porosité sur la sensibilité de l'acier à l'initiation de la corrosion induite par les chlorures. Il a été constaté que l'état de la surface de l'acier avait un effet global important sur l'initiation de la corrosion, mais cet effet dépend du type de liant utilisé. Plusieurs études de la littérature ont considéré que le déclenchement de la corrosion induite par les chlorures est sous contrôle anodique, ce qui pourrait signifier que la corrosion est contrôlée par les paramètres électrochimiques de l'acier. Les paramètres de l'acier passif peuvent être directement dérivés des mesures expérimentales grâce à l'état passif uniforme des barres d'armature. Cependant, en raison de la nature non uniforme de la corrosion induite par les chlorures dans le béton, il n'est pas possible d'obtenir expérimentalement de l'acier uniformément actif. Dans cette thèse, la détermination des propriétés électrochimiques de l'acier actif a été réalisée sur la base d'une modélisation numérique inverse se concentrant sur la dépendance de ces propriétés vis-à-vis de la contamination par les chlorures. Toutes les observations expérimentales associées à l'approche de modélisation numérique ont mis en évidence la dépendance des propriétés électrochimiques de l'acier actif sur la teneur en chlorure. Lorsqu'il s'agit de la corrosion par macro pile, il est crucial de prendre en compte la géométrie et la taille de la structure, y compris la distance mobilisable cathode-anode et le rapport surfacique cathode/anode. Dans ce travail, la distance mobilisable cathode-anode a été étudiée. Il a été constaté que le courant de corrosion par macro pile pouvait être fourni par des barreaux de cathode éloignés de l'anode, cette distance dépendant de la résistivité électrique de la structure. Ces résultats confirment l'hypothèse selon laquelle la corrosion dans la zone submergée avec un manque d'oxygène pourrait être due au couplage avec la zone cathodique dans les parties aérées de la structure et non nécessairement au phénomène de piqûre lié à la réduction de l'eau suite à un potentiel très négatif en zone submergée. La propagation de la corrosion est influencée par plusieurs paramètres comme la résistivité électrique connue, selon plusieurs études empiriques rapportées, par sa relation inversement proportionnelle à la vitesse de corrosion. Cette relation inversement proportionnelle entre le courant de macro pile et la résistivité a également été trouvée dans nos investigations expérimentales qui consistaient en une technique de permutation de cathode dans laquelle la même anode était connectée à deux cathodes différentes avec des résistivités électriques différentes. Enfin, il a été observé expérimentalement que l'acier dans des mortiers composés de taux de substitution élevés en laitier (80%) présentait un comportement particulier. Des potentiels fortement négatifs ont été mesurés malgré l'absence de chlorures, ce qui a été considéré comme une indication de l'absence d'oxygène à l'interface acier/mortier. On a supposé que ces potentiels négatifs étaient associés à la réaction de réduction de l'eau, alors qu'en présence d'oxygène, la réaction est la réduction de l'oxygène. Lors du couplage galvanique entre des cathodes fortement négatives et des anodes contaminées par des chlorures, les courants de corrosion étaient, dans certains cas, négatifs puis positifs. Le changement de signe du courant mesuré a toujours été associé à l'augmentation des potentiels des cathodes à des valeurs plus positives. Ce qui a été considérée comme une indication de l'oxydation du fer avec une polarisation importante pour un courant faible et donc une réduction rapide du courant galvanique. En effet à un potentiel aussi faible, la couche passive a disparu mais la polarisation anodique de la cathode a conduit à la fois à l'augmentation du potentiel de la cathode et à la reformation de la couche passive. Ces déclarations ne sont que des hypothèses et nécessitent des investigations supplémentaires. Enfin, une partie du travail de thèse a été consacrée au développement d'un modèle empirique simplifié pour l'ingénieur utilisé pour la prédiction de la durée de propagation de la corrosion induite par les chlorures dans les structures en béton armé non fissurées. Ce modèle était principalement basé sur les résultats expérimentaux obtenus au cours de la thèse. La durée de la période de propagation de la corrosion acceptable a été définie comme celle correspondant à l'apparition des premières fissures de corrosion. L'approche développée permettra de prédire la durée de la phase de propagation, selon les critères de limite de service choisis, dans le cas de nouvelles structures en béton armé exposées au risque de corrosion induite par les chlorures.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
François, Raoul
Carcasses, Myriam
Ecole doctorale:Mécanique, énergétique, génie civil, procédés (MEGeP)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC), EA 3027
Mots-clés libres :Corrosion induite par les chlorures - Corrosion par macro pile - Corrosion localisée - Béton armé - Seuil critique en chlorures - Rapport cathode/anode - Type de liant - Surface d'acier - Porosité - Acier actif - Acier passif - Propriétés électrochimiques - Contrôle anodique - Distance cathode-anode - Résistivité électrique - Simulation numérique - Laitier de haut fourneau - Oxygène - Réaction cathodique - Densité de corrosion - Phase de propagation - Réduction de la section transversale - Approche performantielle
Sujets :Génie civil, bâtiment
Déposé le :12 Nov 2021 14:51