GENERALITE SUR LA CORROSION

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LA CORROSION DES ACIERS

 

GENERALITE SUR LA CORROSION

La corrosion est une oxydation, sans flamme, d’un métal. Pour avoir une corrosion il faut mettre en présence du métal réducteur, un oxydant, c’est à dire un composé plus avide d’électrons. Il se forme un oxyde qui constitue un produit de corrosion.

La corrosion est nocive quand l’oxyde a une densité inférieure au métal et que cela produit une expansion. Elle devient alors expansive et mène à la ruine du métal support. Il existe des cas où l’oxydation ne conduit pas à une corrosion, si l’oxyde forme une protection du métal comme dans l’aluminium par exemple.

Pour développer corrosion, il faut donc mettre en présence un oxydant et le métal.

Un oxydant est un composé accepteur d’électrons alors que le métal est donneur. La facilité à donner ou à recevoir des électrons est quantifiée par le potentiel standard de la réaction. Par exemple, l’oxydation du fer en ion ferreux a un potentiel de – 0,44 V.

Fe  --------->     Fe++ +2e

 Il s’agit d’un potentiel standard à des conditions de températures et de pH standard. La référence est la réaction d’oxydation du proton :

  2H+  + 2e    ----------->     H2

Pour avoir une réaction de corrosion il faut mettre en présence un métal avec un oxydant ayant un potentiel plus élevé.

Le potentiel évolue selon la loi de NERNST E= E0 +RT/2F ln [Fe2+]

T est la température en °K

F la constante de FARADAY

Dans le cas présent E1 = -0,44 + (,314 x 298)/2 x 96500 ln[Fe++]

avec ln [Fe++]= 2,3 log [Fe++]

Soit E= -0,44 + 29,5 x 10-3 log [Fe++]

Pour la réduction du proton, nous avons la même loi

E2 = 59,1 10-3 log [H+]/pH2

PH2 est la pression partielle de l’hydrogène soit 1 à l’atmosphère ambiante.

On aura oxydation si E2>E1

Si nous prenons une concentration en Fe++ de 1ppm, cela donne un pH < 11,3, pour 1mg/l le pH n’est que de 9,8.

L’oxydation dépend donc du pH et ne se produit qu’en dessous d’un certain pH.

En résumé pour avoir corrosion il faut un couple et un électrolyte conducteur formant une pile, les électrons circulant de réducteur ( Cathode) vers l’oxydant (Anode) dans l’électrolyte. La corrosion est d’autant plus active que les potentiels sont éloignés.

Il existe de nombreux couples oxydants réducteurs pour l’acier.

 

LE DIAGRAMME DE POURBAIX

POURBAIX a étudié les réactions de corrosions des métaux et a établi des diagrammes potentiels pH pour chaque métal.

Pour l’acier, il a mis en évidence des zones de corrosions, d’immunités et de passivations.

 

On remarque donc que pour des pH>11 environ nous sommes dans une zone où l’acier ne se corrode pas. C’est typiquement la zone du béton (ph>12)

Dans le béton, l’acier est en général à 200 mV, il est donc en zone de passivation. Une fine couche d’oxyde protége le métal.

Certains ions peuvent modifier l’équilibre. L’ion chlore, par exemple, est connu pour avoir une forte action dépassivante.

 

CORROSION DES ARMATURES

 

Le béton est un milieu passivant. Toutefois, la peau du béton est en contact avec l’air et notamment avec le CO2. Il se produit une réaction :

Ca (OH)2 + CO2   ---------->   CaCO3 + H2O

Cela fait baisser le pH vers 9 d’où une sortie de la zone de passivation. Il se produit alors une corrosion foisonnante avec éclatement de la peau du béton. L’acier est alors à l’air libre et à l’humidité et peut se corroder par aération différentielle.

L’aération différentielle est une pile électrolytique entre les partie aérées de l’acier et les parties non aérées. Il se produit alors une corrosion du métal non aéré , selon les réactions suivantes :

Fe   --------->   Fe++ + 2e   E0 = -0,44 V

 

O2 + 2H2O + 4e  -------->     4 OH-         E0 = +0,40 V

 

Le DTU fixe des valeurs minimale de profondeurs des armatures, pour éviter ces désordres. De plus l’emploi de chlorures en tant qu’accélérateur ou antigel est strictement limité depuis de nombreuses années.

Il a été mesuré des potentiels d’armatures par rapport à une électrode calomel saturée KCl qui a un potentiel standard de 0,24V.

On peut fixer les limites suivantes :

>-50 mV soit 190mV standard pas de corrosion

entre –50mV et –200mV soit entre 190mV et 40mV corrosion peu active

< 40mV corrosion active

La mesure des potentiels donne une indication sur la possibilité d’oxydation et sa puissance ; en aucun cas elle ne donne d’indication sur l’état des armatures, car nous ne connaissons pas le temps depuis lequel le potentiel existe.

Si la corrosion est établie depuis un temps assez court alors la quantité d’oxyde est peu élevée et le béton n’éclate pas. Nous sommes alors en conditions corrodantes invisibles à l’œil mais dangereuses pour l’avenir.

Enfin il convient de signaler que la présence d’halogénures et particulièrement de chlorure donne des effets dépassivants. Il convient donc de vérifier que le béton ne contient pas trop de chlorures et que le taux de ceux ci reste dans les limites du DTU. Les chlorures étaient autrefois utilisé comme accélérateurs et antigels du béton. Leur utilisation est très limité depuis une trentaine d’années et même quasiment abandonnée en béton armé.

 

PROTECTION DES ARMATURES

 

La corrosion de l’acier est due à la sortie du point représentatif du métal de la zone de passivation et à sa présence dans le triangle de corrosion du diagramme de POURBAIX.

Pour protéger l’acier il faut le remettre dans une zone de passivation ou d’immunité. Trois solutions sont possibles :

-          soit déplacer le point vers le bas jusqu’à la zone d’immunité en abaissant le potentiel. Il s’agit d’une protection cathodique. Elle peut être réaliser soit par utilisation des aciers comme électrodes négatives d’une source de courant continu, soit par couplage avec une anode sacrificielle en zinc ou en magnésium. Cette méthode est très difficile à utiliser dans le cas d’acier noyé.

-          soit déplacer le point significatif vers le haut dans la zone de passivation par protection anodique. Elle repose sur le fait que le potentiel de l’acier est élevé par oxydation dans le domaine de passivation, dans lequel le métal peut être recouvert d’un film d’oxyde protecteur, c’est à dire pour un pH inférieur à 12 :

 E0 = +0,40 – 0,085 pH

 Pour un pH de 10 cela représente un potentiel de – 0,45 V

Cela est réalisé par recouvrement d’une substance oxydante. Sa mise en œuvre est quasiment impossible dans le béton car elle nécessite un désenrobage de l’acier par rapport au béton. Si le film n’est pas continu, l’action oxydante est insuffisante et il produit non pas une passivation mais un accroissement de la corrosion. De plus si le film est mal appliqué et poreux, il se produit une corrosion par piquration dénommée pitting. Cette méthode ne convient donc pas.

-          soit déplacer le point significatif vers la droite dans la zone de passivation, par alcalinisation. Il faut donc replacer l’acier dans un milieu à pH>12. Quoi de mieux que le mortier de ciment pour maintenir durablement un tel pH ? Un précaution s’impose, pour que le milieu reste alcalin, il faut mettre une épaisseur suffisante de mortier, de façon à ce que la carbonatation n’atteigne pas l’acier à bref délais.

Les travaux consisteront donc à purger le béton au niveau des aciers, à les brosser de façon à éliminer les parties non adhérentes, à les protéger par un passivant et à reconstituer  le béton avec un mortier de  résine à base de ciment de clinker.

Toutefois certaines parties non visuellement sinistrées ne seront pas atteintes. Pour les protéger on pourra faire un traitement à base de FERROGARD 903 (Société SIKA) ou équivalent. Il s’agit de substances amino alcool qui pénètrent très fortement dans le béton pour former un film passivant à la surface de l’acier. Enfin une protection du béton par un revêtement limitera la carbonatation dans le temps.

 

Yves PEYTAVIN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


On remarque donc que pour des pH>11 environ nous sommes dans une zone où l’acier ne se corrode pas. C’est typiquement la zone du béton (ph>12)

 

 

Dans le béton, l’acier est en général à 200 mV, il est donc en zone de passivation. Une fine couche d’oxyde protége le métal.

 

 

Certains ions peuvent modifier l’équilibre. L’ion chlore, par exemple, est connu pour avoir une forte action dépassivante.

 

 

CORROSION DES ARMATURES

 

 

Le béton est un milieu passivant. Toutefois, la peau du béton est en contact avec l’air et notamment avec le CO2. Il se produit une réaction :

 

Ca (OH)2 + CO2                    CaCO3 + H2O

 

Cela fait baisser le pH vers 9 d’où une sortie de la zone de passivation. Il se produit alors une corrosion foisonnante avec éclatement de la peau du béton. L’acier est alors à l’air libre et à l’humidité et peut se corroder par aération différentielle.

 

 

 

 

 

 

Film d'eau

Goutte d'eau Oxygénée

 e-

e-+-

Fe

Fe3+

Sens des électrons

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cathode

Anode

 

 

 


L’aération différentielle est une pile électrolytique entre les partie aérées de l’acier et les parties non aérées. Il se produit alors une corrosion du métal non aéré , selon les réactions suivantes :

Fe     ------->        Fe++ + 2e   E0 = -0,44 V

  O2 + 2H2O + 4e -------->       4 OH-           E0 = +0,40 V

 Le DTU fixe des valeurs minimale de profondeurs des armatures, pour éviter ces désordres. De plus l’emploi de chlorures en tant qu’accélérateur ou antigel est strictement limité depuis de nombreuses années.

Le CEBTP a mesuré les potentiels d’armatures. Il s’agit vraisemblablement de potentiels par rapport à une électrode calomel saturée KCl qui a un potentiel standard de 0,24V.

Il fixe les limites suivantes :

>-50 mV soit 190mV standard pas de corrosion

entre –50mV et –200mV soit entre 190mV et 40mV corrosion peu active

< 40mV corrosion active

La mesure des potentiels donne une indication sur la possibilité d’oxydation et sa puissance ; en aucun cas elle ne donne d’indication sur l’état des armatures, car nous ne connaissons pas le temps depuis lequel le potentiel existe.

Si la corrosion est établie depuis un temps assez court alors la quantité d’oxyde est peu élevée et le béton n’éclate pas. Nous sommes alors en conditions corrodantes invisibles à l’œil mais dangereuses pour l’avenir.

Enfin il convient de signaler que la présence d’halogénures et particulièrement de chlorure donne des effets dépassivants. Il convient donc de vérifier que le béton ne contient pas trop de chlorures et que le taux de ceux ci reste dans les limites du DTU. Les chlorures étaient autrefois utilisé comme accélérateurs et antigels du béton. Leur utilisation est très limité depuis une trentaine d’années et même quasiment abandonnée en béton armé.

PROTECTION DES ARMATURES

La corrosion de l’acier est due à la sortie du point représentatif du métal de la zone de passivation et à sa présence dans le triangle de corrosion du diagramme de POURBAIX.

Pour protéger l’acier il faut le remettre dans une zone de passivation ou d’immunité. Trois solutions sont possibles :

-          soit déplacer le point vers le bas jusqu’à la zone d’immunité en abaissant le potentiel. Il s’agit d’une protection cathodique. Elle peut être réaliser soit par utilisation des aciers comme électrodes négatives d’une source de courant continu, soit par couplage avec une anode sacrificielle en zinc ou en magnésium. Cette méthode est très difficile à utiliser dans le cas d’acier noyé.

-          soit déplacer le point significatif vers le haut dans la zone de passivation par protection anodique. Elle repose sur le fait que le potentiel de l’acier est élevé par oxydation dans le domaine de passivation, dans lequel le métal peut être recouvert d’un film d’oxyde protecteur, c’est à dire pour un pH inférieur à 12 :

 E0 = +0,40 – 0,085 pH

 Pour un pH de 10 cela représente un potentiel de – 0,45 V

Cela est réalisé par recouvrement d’une substance oxydante. Sa mise en œuvre est quasiment impossible dans le béton car elle nécessite un désenrobage de l’acier par rapport au béton. Si le film n’est pas continu, l’action oxydante est insuffisante et il produit non pas une passivation mais un accroissement de la corrosion. De plus si le film est mal appliqué et poreux, il se produit une corrosion par piquration dénommée pitting. Cette méthode ne convient donc pas.

-          soit déplacer le point significatif vers la droite dans la zone de passivation, par alcalinisation. Il faut donc replacer l’acier dans un milieu à pH>12. Quoi de mieux que le mortier de ciment pour maintenir durablement un tel pH ? Un précaution s’impose, pour que le milieu reste alcalin, il faut mettre une épaisseur suffisante de mortier, de façon à ce que la carbonatation n’atteigne pas l’acier à bref délais.

Les travaux consisteront donc à purger le béton au niveau des aciers, à les brosser de façon à éliminer les parties non adhérentes, à les protéger par un passivant et à reconstituer  le béton avec un mortier de  résine à base de ciment de clinker.

Toutefois certaines parties non visuellement sinistrées ne seront pas atteintes. Pour les protéger on pourra faire un traitement à base de FERROGARD 903 (Annexe 2) ou équivalent. Il s’agit de substances amino alcool qui pénètrent très fortement dans le béton pour former un film passivant à la surface de l’acier. Enfin une protection du béton par un revêtement limitera la carbonatation dans le temps.

Yves PEYTAVIN

 

 

 

Dernière modification : 13 May 2006

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