Procédé PMD/ATEAV : Traitement des câbles de précontraintes par injection d un inhibiteur de corrosion par pompe ultrasonore

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1 Procédé PMD/ATEAV : Traitement des câbles de précontraintes par injection d un inhibiteur de corrosion par pompe ultrasonore

2 Problématique Traitement des processus de corrosion des aciers précontraints induits par une contamination par les chlorures. Viaduc de Huccorgne

3 Procédé PMD-ATEAV Objectif : injection directe d un inhibiteur de corrosion au niveau des câbles de précontrainte au moyen d une pompe ultrasonore à basse pression. Transducteur ultrasonore piézo-électrique Injection de solution inhibitrice par pompe à ultrasons

4 Principe du procédé PMD/ATEAV Etapes de mise en œuvre : 1. Perçage de l enrobage et de la gaine, 2. Injection de l inhibiteur dans la gaine et détermination d une cartographie des temps d injection, 3. Injection d un micro coulis pour combler les vides. Exemple de cartographie des temps de migration de la solution inhibitrice

5 L inhibiteur de corrosion Le nitrite de calcium

6 Données générales Inhibiteur de corrosion utilisé en Génie Civil depuis 30 ans [1], Applications dans béton frais ou sur béton durci [1], Agréments techniques en Grande-Bretagne et en Allemagne [2,3], Nombreuses applications sur bétons armés au Japon, aux Etats-Unis et au Moyen-Orient [1], Présent dans des revêtements anticorrosion actuellement disponibles en France (Sika Monotop 610 AC : concentration en nitrite de sodium entre 0,1 et 1%), Nombreuses autres applications industrielles [4] : conservateur dans les viandes et poissons (E251 et E249), fabrication de colorants, impression de textiles 1 - Elsener, COST 521, Final report, British board of agrement, Certitificate n 96/3232, Deutsches institut für bautechnik zulassungnummer, Z , Betonzusatzmittel passivator DCI-S, Nitritre de sodium, fiche toxicologique n 169, INRS, 2001.

7 Mécanisme d action des nitrites Substitution des chlorures par les nitrites en surface du métal conduisant à la formation d oxydes et d hydroxydes ferreux insolubles [1, 2] : 2Fe OH NO 2-2NO + Fe 2 O 3 + H 2 O Fe 2+ + OH - + NO 2 - NO + -FeOOH 3 actions principales : - réaction du fer avec Cl - empêchée, - transport des ions ferreux dans la solution électrolytique bloqué, - film passif renforcé. Les nitrites sont retrouvés par réaction avec l oxygène ou les ions OH - : 2NO 2 + 2OH - 2NO + O 2 2NO 2 NO NO H 2 O 1. Elsener and Cigna, COST 521, Final report, Gaidis, Chemistry of corrosion inhibitors, Cement and concrete composites, 2004.

8 Impacts sur les processus de corrosion Retard de l initiation des processus de corrosion [1] Ralentissement des réactions de corrosion [1] Réductions les plus significatives des processus de corrosion pour des rapports de concentration [Cl - ]/[NO 2- ] compris entre 1,5 et 0,7 [2]. Pour des teneurs inférieures, une diminution plus ou moins importante de l activité de corrosion peut aussi être constatée [1, 2]. 1. Berke and Hicks, Predicting long-term durability of steel reinforced concrete with calcium nitrite corrosion inhibitor, Cement and concrete composites, Elsener and Cigna, COST 521, Final report, 2003.

9 Impacts sur les processus de corrosion Retard du démarrage des processus de corrosion [1] Ralentissement des réactions de corrosion [1] Réductions les plus significatives des processus de corrosion pour des rapports de concentration [Cl - ]/[NO 2- ] compris entre 1,5 et 0,7 [2]. Pour des teneurs inférieures, une diminution plus ou moins importante de l activité de corrosion peut aussi être constatée [1, 2]. 1. Berke and Hicks, Predicting long-term durability of steel reinforced concrete with calcium nitrite corrosion inhibitor, Cement and concrete composites, Elsener and Cigna, COST 521, Final report, 2003.

10 Comparaison aux autres inhibiteurs disponibles MFP Réaction avec la portlandite (formation de fluoroapatite) : l inhibiteur ne peut pas être utilisé avec des bétons non carbonatés [1,2], Sur béton carbonaté, réduction de l activité de corrosion si rapport molaire MFP/Cl - >1 [2], Pour des concentrations élevées (2,5M), il y a risque d accélération de la corrosion [2], Risque d accélération de la corrosion lors d application sur des aciers précorrodés [3]. Cortec MCI2020 Résultats contradictoires : réduction de la corrosion observée en solution mais pas d effet noté lors d essais sur des éprouvettes de mortier [1], Diminution d efficacité observée en solution sur aciers précorrodés [3]. Sika Ferrogard 903 Ancienne formulation : le produit réagit avec la portlandite ce qui empêche sa migration [4]. Résultats d applications contradictoires [1], Nouvelle formulation (~2004) : pas ou peu de résultats disponibles. 1. Elsener, Cigna, Cost 521, Final report, Nobel-Pujol, Etude du mécanisme d action du MFP comme inhibiteur de la corrosion des armatures métalliques dans le béton, Thèse LCPC, Cailleux, Marie-Victoire, Bach, Feugeas, Cornet,Treatment of precorroded steel reinforcements by surface applied inhibitors, solution tests and application to concrete samples. 4. Tritthart, Transport of a surface-applied corrosion inhibitor in cement paste and concrete, Cement and concrete research, 2003

11 Toxicité et stabilité des nitrites dans le coulis Toxicité En concentration trop importante : risque de développement de méthamoglobine du sang et d apparition de cancer, Mais : o Utilisation courante dans l alimentation, o Utilisation en Génie Civil dans certains revêtements de protection d armatures (Sika Monotop 610 AC) o Ces pathologies peuvent aussi apparaître à la suite de l ingestion de nitrates. Stabilité des nitrites dans le coulis Inhibiteur injecté directement dans le coulis, en profondeur. Le béton d enrobage peut alors constituer une barrière. Pour des rapports E/C de 0,45 les phénomènes de lessivage sont fortement réduits et ne concernent que les premiers millimètres sous la surface [1,2]. 1 Elsener, Cost 521, Final report, Liang, Li, Poor, Sagüés, Nitrite diffusivity in calcium nitrite-admixed hardened concrete, Cement and concrete research, 2003.

12 Essais menés au CSTC 1. Comparaison entre injections par ultrasons (procédé PMD/ATEAV) et par pression 2. Evaluation de l efficacité et de la durabilité du traitement PMD/ATEAV

13 Comparaison des injections par ultrasons et par pression Eléments d essai : gaines métalliques de diamètre 45mm remplies d un coulis de référence Compositions des coulis Gaine métallique Composition belge sans sable Composition belge avec sable Composition française Coulis superstresscem des ciments d Obourg Ciment : CEMI 42.5 R 50kg 50kg 50kg - Eau 20l 20l 17l 17,5l Intraplast Z 750g 750g 1kg - Sable 12kg - E/C 0,40 0,40 0,34 0,35 Porosité totale (%) ,5 22,5 Masse volumique (kg/m³)

14 Injection de l inhibiteur par les deux techniques Injection par pompe ultrasonore Injection par pression Gaines avec coulis

15 Ouverture des gaines après injection Injection par pression Injection par pompe ultrasonore - procédé PMD/ATEAV Solution inhibitrice Solution inhibitrice

16 Comparaison des masses d inhibiteur injectées Essai Masse d inhibiteur injectée par pression (g) Masse d inhibiteur injectée par ultrasons (g) Evolution de la quantité d inhibiteur injectée (%) Composition belge sans sable ,40 13,25 14,29 15, , ,66 Composition belge avec sable ,00 14,05 12,06 14, ,22 + 3,53 Composition française ,80 15,40 21,06 17, , ,19 Coulis Superstress ,40 24,45 19,02 16,09-14,02-33,96

17 Essais menés au CSTC 1. Comparaison entre injections par ultrasons (procédé PMD/ATEAV) et par pression 2. Evaluation de l efficacité et de la durabilité du traitement PMD/ATEAV

18 Préparation des éléments d essai 1 ère phase Initiation de la corrosion des armatures : Gaines métalliques (diamètre 45mm et longueur 80cm) remplies d un coulis contaminé par des chlorures, 5 armatures (diamètre 8mm) au centre de la gaine, Vieillissement en extérieur durant 3 ans afin d initier la corrosion, Suivi de l activité de corrosion par sondes (variation de la résistance électrique induite par la réduction de section provoquée par la corrosion). Sonde de suivi de l activité de corrosion montée sur les armatures

19 Suivi de l activité de corrosion par sondes Variation relative de résistivité Sonde 1-0% Cl - Sonde 2-1% Cl - Sonde 3-1% Cl - Sonde 4-2% Cl - Sonde 5-3% Cl - Sonde 6-3% Cl - Sonde 7-2% Cl % Cl- 1% Cl % Cl Temps (jours) Rupture des fils des sondes

20 15cm Centre Scientifique et Technique de la Construction Préparation des éléments d essai 2 ème phase Coulage d un enrobage de béton 15x15x80cm³ pour l injection de l inhibiteur par pompe ultrasonore Béton 5 armatures Gaine remplie de coulis 80cm

21 Préparation des éléments d essai 3 ème phase Points d injection de l inhibiteur Perçage de l enrobage et de la gaine pour l injection de l inhibiteur par ultrasons

22 Paramètres d essai Concentrations en chlorures dans le coulis : -0% - 1% par poids de ciment - 2% par poids de ciment - 3% par poids de ciment Coulis : composition belge avec sable Conservation des éléments d essais après injection : en extérieur Autopsies : 2 mois et 1 an après injection

23 Autopsie des aciers, 2 mois après traitement 1% Cl - 2% Cl - 3% Cl - Non traité / Traité Non traité / Traité Non traité / Traité

24 Autopsie des aciers, 1 an après traitement 1% Cl - 2% Cl - 3% Cl - Non traité / Traité Non traité / Traité Non traité / Traité

25 Autopsie des aciers, 1 an après traitement 1% Cl - 2% Cl - 3% Cl - Non traité / Traité Non traité / Traité Non traité / Traité

26 Conclusions des essais CSTC 1. Le procédé d injection PMD/ATEAV améliore la pénétration de la solution inhibitrice par rapport à la technique par pression, 2. L utilisation d ultrasons accroît, pour la majorité des coulis, les quantités d inhibiteur injectées, 3. Une réduction significative des processus de corrosion a été observée, notamment, pour des concentrations à 1% de Cl -, 4. Pour des concentrations en Cl - supérieures, des couches de corrosion se sont développées à la fois sur les éléments traités et non traités.