Réhabilitations électrochimiques

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1 COTITA Ouest Club Ouvrages d Art Nantes, le 3 avril 2014 Réhabilitations électrochimiques Benoit THAUVIN Département Laboratoire de Saint-Brieuc DTerOuest - Cerema Avec la contribution de Véronique BOUTEILLER (Ifsttar, MAST)

2 Contexte Corrosion : Principale cause de dégradations des structures en BA Carbonatation Pénétration des chlorures

3 Plan de la présentation Mécanismes de la corrosion Enjeux liés aux réparations Réhabilitations électrochimiques Réalcalinisation Déchloruration Protection cathodique par courant imposé Protection cathodique par courant galvanique 4 Choix des techniques

4 1 Mécanismes de la corrosion Couplages galvaniques Lorsque 2 métaux sont en contact électrique et que chaque métal est en contact avec une solution, il y a création d une pile d oxydo-réduction Sens du courant électrique 0 A + Sens des électrons Zn - + Cu -0,76 V Anode Cathode +0,34 V Oxydation Corrosion fritté Réduction Zn Zn e - Cu e - Cu

5 1 Mécanismes de la corrosion Diagramme de Pourbaix du fer

6 1 Mécanismes de la corrosion Corrosion du béton armé : processus électrochimique Cathode Anode Cathode e - e - METAL Fe Fe e - O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - 2H + + 2e - H 2

7 1 Mécanismes de la corrosion Origine de la corrosion du béton armé Pénétration des chlorures (Cl-) Si teneur en H2O, O2 et Clsuffisante Dissolution de la couche de passivation de l armature Corrosion par piqure (localisée)

8 1 Mécanismes de la corrosion Origine de la corrosion du béton armé Carbonatation Si teneur en H2O, O2 suffisante Diminution du ph au niveau des armatures Zone de passivation à zone de corrosion Corrosion généralisée de l armature

9 Plan de la présentation Mécanismes de la corrosion Enjeux liés aux réparations Réhabilitations électrochimiques Réalcalinisation Déchloruration Protection cathodique par courant imposé Protection cathodique par courant galvanique 4 Choix des techniques

10 2 Enjeux liés aux réparations État des lieux (CONREPNET) 50% du budget de l Europe pour la construction est affecté à la réhabilitation ou à la remise à neuf d infrastructures détériorées

11 2 Enjeux liés aux réparations Pérennité des réparations : - Qualité du diagnostic préalable et choix de la réparation - Qualité et choix des matériaux - Qualité de la mise en oeuvre Réparations ponctuelles (ragréages) : Risque de formation de «macro-piles»

12 2 Enjeux liés aux réparations Risque de formation de «macro-piles» Réparation «conventionnelle»

13 2 Enjeux liés aux réparations Risque de formation de «macro-piles»

14 Plan de la présentation Mécanismes de la corrosion Enjeux liés aux réparations Réhabilitations électrochimiques Réalcalinisation Déchloruration Protection cathodique par courant imposé Protection cathodique par courant galvanique 4 Choix des techniques

15 3 Réhabilitations électrochimiques Principes généraux Rélcalinisation Déchloruration (Traitement temporaire) Action sur les éléments à l origine de l amorçage de la corrosion Chlorures Carbonatation, ph Protection cathodique par courant imposé Protection cathodique par courant galvanique (Traitement permanent) Action sur le processus électrochimique

16 3 Réhabilitations électrochimiques Principes généraux - Purge du béton non adhérent - Nettoyage des armatures apparentes - Reconstitution du béton d enrobage (ragréage, projection) Le béton pollué (chlorures, ph) adhérent peut rester en place

17 3 Réhabilitations électrochimiques Principes généraux + Anode - Cathode 4 solutions de traitement : -Réalcalinisation -Déchoruration -Protection cathodique par courant imposé (PCCI) -Protection cathodique par courant galvanique (PCCG) Pour chacun des traitements, 2 procédés techniques : -Courant imposé (si alimentation éléctrique) -Courant galvanique (si connexion directe cathode/anode)

18 3a Réalcalinisation Objectif Augmentation du ph dans l enrobage => Passivation Principe - Polarisation* de l armature la plus proche du parement à l aide d une anode placée sur ce parement - Anode enrobée d une pâte saturée d un liquide adhoc - Circulation du courant de polarisation de l anode par l armature (cathode) + Electrolyte : carbonate de sodium ou de potassium (alcalins) - armature armature Anode : grille en acier inox ou titane - Courant imposé : générateur électrique anode / cathode - Courant galvanique : connexion directe anode /cathode

19 3a Réalcalinisation Phénomènes - Au niveau des armatures : Hydrolyse de l eau => formation d hydroxyles (OH-) => Augmentation du ph - Au niveau de l enrobage : migration des ions alcalins (Na+ ou K+) contenus dans l électrolyte du parement vers les armatures + - Na + Na + Na + armature OH - OH - OH - OH - armature Domaine d emploi - Parties d ouvrages où les armatures se trouvent dans un béton carbonaté - Profondeur de carbonatation au plus égale à l épaisseur d enrobage

20 3a Réalcalinisation Limites et vigilance - Introduction d alcalins dans le béton (Na, K) => Attention au risque d alcali-réaction => Analyse préalable du béton (teneur en alcalins équivalent, granulats potentiellement réaction PR) - Enrobage important et/ou très compact => perte d efficacité - Présence de chlorures en grande quantité => Prévoir une extraction de chlorures au préalable - Présence d armatures de précontrainte => Risque de fragilisation des armatures du à un dégagment d hydrogène (H 2 ) provoqué par le courant de polarisation * Na + Na + Na + armature OH - H OH - 2 H 2 OH - H 2 OH - armature * Possibilité de protection des armatures passives sous réserve : - Armatures passives suffisamment éloignées de la précontrainte - Pas de continuité électrique entre les armatures passives et de précontrainte

21 3a Réalcalinisation Mise en œuvre Application de la pâte sur le treillis

22 3a Réalcalinisation Mise en œuvre Purge de l enduit et du béton non adhérent Connexion à la Cathode cathode Boîtier de connexion Borne du générateur électrique Connexion à l anode Pont de Camille de Hogues (86) Novbéton (Renofors) (courant imposé)

23 3a Réalcalinisation Mise en œuvre Après mise en œuvre de la pâte Mise en place du treillis métallique Réservoir de carbonate de calcium Générateur électrique Pont de Camille de Hogues (86) Novbéton (Renofors) (courant imposé)

24 3a Réalcalinisation Contrôles de réception Vérification de l efficacité du traitement : Augmentation du ph Mesure de la profondeur de carbonatation sur prélèvements de poudre ou de carottes (Indicateur coloré : phénolphtaléine)

25 3a Réalcalinisation Pour en savoir plus Téléchargeable sur Téléchargeable sur AFNOR. FD CEN/TS , Fascicule de documentation : Réalcalinisation électrochimique et traitements d'extraction des chlorures applicables au béton armé. Partie 1 : Ré-alcalinisation, Janvier 2005.

26 3b Déchloruration Objectif Extraction des ions chlorures de l enrobage Principe - Polarisation* de l armature la plus proche du parement à l aide d une anode placée sur ce parement - Anode enrobée d une pâte saturée d un liquide adhoc - Circulation du courant de polarisation de l anode par l armature (cathode) + Electrolyte : hydroxyde de calcium ou de sodium, borate, lithium - armature armature Anode : grille en acier inox ou titane ou aluminium - Courant imposé : générateur électrique anode / cathode - Courant galvanique : connexion directe anode /cathode

27 3b Déchloruration Phénomènes - Au niveau des armatures : -Hydrolyse de l eau => formation d hydroxyles (OH-) => ph -Déplacement des Cl- vers l anode - Au niveau de l enrobage : migration des ions alcalins (Na+ ou Ca 2+ ) contenus dans l électrolyte du parement vers les armatures + Na + Ca 2+ Na + - armature OH - Cl - OH - Cl - OH - Cl - OH - armature Domaine d emploi - Parties d ouvrages où les armatures se trouvent dans un béton pollué par les chlorures : les profils de pénétration des chlorures mettent en évidence des concentrations supérieures au seuil d initiation de la corrosion au niveau des armatures - Pollution ([Cl-] > 0,4%) limitée à l épaisseur d enrobage

28 3b Déchloruration Limites et vigilance - Introduction d alcalins dans le béton => Attention au risque d alcaliréaction - Enrobage important et/ou très compact => perte d efficacité - Présence de chlorures en grande quantité ou au-delà des armatures => perte d efficacité - Présence d armatures de précontrainte => Risque de fragilisation des armatures du à un dégagment d hydrogène (H 2 ) provoqué par le courant de polarisation * Na + Ca 2+ Na + Cl - OH - H OH - 2 Cl - armature H 2 OH - Cl - H 2 OH - armature * Possibilité de protection des armatures passives sous réserve : - Armatures passives suffisamment éloignées de la précontrainte - Pas de continuité électrique entre les armatures passives et de précontrainte

29 3b Déchloruration Mise en œuvre - Sablage HP du parement béton - Pose des baguettes - Connexion aux armatures Déchloruration de type Régébéton (Freyssinet) (courant galvanique)

30 3b Déchloruration Mise en œuvre - Pâte régébéton - Pose de l anode en aluminium - Système d humidification - Boitiers de contrôles Déchloruration de type Régébéton (Freyssinet) (courant galvanique)

31 3b Déchloruration Contrôles et vérifications préalables Contrôles en cours de travaux Idem Réalcalinisation

32 3b Déchloruration Contrôles de réception Vérification de l efficacité du traitement : Nécessité de faire un point zéro avant traitement - Diminution de la concentration en chlorures dans l enrobage et au niveau des armatures Profil de pénétration des chlorures avant traitement après traitement - Prélèvement au trépan de poudre de béton par tranche - Dosage de [Cl-] (Mode opératoire AFREM-AFPC) 0,035 Position de l armature Profil de pénétration des chlorures dans l enrobage

33 3b Déchloruration Contrôles de réception Vérification de l efficacité du traitement : - Évaluation non destructive Nécessité de faire un point zéro avant traitement Mesure de la résistivité électrique du béton à l aide d un quadripole de type Wener (avant et après traitement) [Cl-] => Résistivité Cartographie de résistivité de l âme d une poutre

34 3b Déchloruration Pour en savoir plus BSI.DD CEN/TS , Norme : Traitements électrochimiques de réalcalinisation et d'extraction de chlorures applicables au béton armé. Extraction de chlorures, Février Téléchargeable sur

35 3c Protections Cathodiques Objectif Prévenir, ralentir, voire stopper la corrosion Principe - Traitement permanent - Abaissement du potentiel électrochimique de l armature jusqu à une valeur seuil : potentiel de protection - Polarisation de l armature dans le béton à l aide d une anode placée en parement ou dans l enrobage + - armature armature # systèmes d anodes Courant de polarisation (de l anode vers la cathode) : 2 à 50mV/m² - Courant imposé : générateur électrique anode / cathode (PCCI) - Courant galvanique : connexion directe anode /cathode (PCCG)

36 3c Protections Cathodiques Niveaux de protection 2 niveaux de protection (selon NF EN 12696) Niveau de protection Prévention cathodique Protection cathodique Description Empêche l apparition de nouveaux sites de corrosion Haut niveau de protection, Arrêt de la corrosion active Densité de courant (ma/m²) 0,25 à 2,0 2 à 20 Protection Cathodique par Courant Imposé Protection Cathodique par Courant Galvaniques

37 3c Protection Cathodique par Courant Imposé PCCI Selon le niveau du courant imposé : - Application en préventif (phase d incubation de la corrosion) - Application en protection (phase de propagation de la corrosion Le niveau de courant est calculé en fonction de la quantité d armatures à traiter Anodes surfaciques - Treillis de titane traité recouvert de béton -Revêtements conducteurs (peintures conductrices, métallisation) -Fibres de carbone Anodes discrètes - Pièces tubulaires en titane enfoncés dans le béton

38 3c Protection Cathodique par Courant Imposé PCCI Mise en oeuvre «treillis anodique» Source : Freyssinet

39 3c Protection Cathodique par Courant Imposé PCCI Mise en oeuvre «Anodes internes» Source : Freyssinet

40 3c Protection Cathodique par Courant Imposé PCCI Mise en oeuvre «Rubans anodiques» Source : Freyssinet

41 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique PCCG Exposition faible (aérien) : 0,5 ma/m² Exposition modérée : 1 ma/m² Exposition forte (marnage, sels) : 2 ma/m² Différence de nature de métal entre l anode et l armature (potentiel redox) => Création d un courant pour la polarisation (pile d oxydo-réduction) E O 2,H 2 O OH - +0,40V Fe 2+ Zn 2+ Fe Zn -0,44V -0,76V Anodes surfaciques - Zinc projeté - Treillis ou bandes collées Anodes discrètes - Anodes isolées ou en réseau

42 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique Mise en oeuvre «Anodes discrètes isolées installées sur armatures» PCCG

43 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique Mise en oeuvre «Anodes discrètes isolées installées sur armatures» PCCG

44 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique Mise en oeuvre «Anodes discrètes isolées installées sur armatures» PCCG - Prévention de l apparition de corrosion induite par des réparations ponctuelles - Noyau d alliage enveloppé d un mortier cimentaire (ou matrice hydraulique) - Système de liaison pour fixation et connexion électrique aux armatures

45 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique Mise en oeuvre PCCG Anodes discrètes en réseau «Systèmes en peigne» - Traitement de surfaces plus importantes - Amélioration de l homogénéité de la protection - Posées dans des forages et reliées en peignes - Noyau d alliage sacrificiel (divers formats) enveloppé d un mortier cimentaire spéciale (ou matrice alcaline)

46 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique Mise en oeuvre Anodes discrètes en réseau «Systèmes en peigne» Anodes en ligne : Traitement de zone linéique (Talon de poutre par ex.) Anodes en boucle : Traitement de zone linéique à forte densité PCCG Anodes en quinconce : Traitement de zone surfacique

47 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique Mise en oeuvre Anodes discrètes en réseau «Systèmes en peigne» PCCG Source : Freyssinet

48 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique Mise en oeuvre Anodes discrètes en réseau «Systèmes en peigne» PCCG

49 3d Protection Cathodique par Courant Galvanique Mise en oeuvre Anodes surfaciques PCCG Projection thermique de zinc Bandes de zinc collées

50 3d Protections Cathodiques Référentiel technique Bâtiments, ouvrages d art Structures nouvelles et existantes Structures exposées : - Atmosphère - Enterrées - Immergées - Marnage Armatures en acier non revêtues PCCG PCCI Définition des exigences de performance de la protection Pas de distinction sensible entre PCCI et PCCG

51 3d Protections Cathodiques Référentiel technique Cas de la PCCG : PCCG PCCI Guide pratique à l attention des : - Gestionnaire, - Moe, - Entreprises, - Fournisseurs de procédés, - Laboratoires d études et de contrôles. Donne les éléments de compréhension de la technique : - Principes, - Modes de conception et de dimensionnement - Contrôles à la réception et contrôles de suivi, - Domaines d applications, durabilité, garanties

52 3d + Protections Cathodiques Critères de performance de la protection PCCG PCCI - armature armature - Potentiel des armatures à courant coupé : < -750 mv (rèf. Ag/AgCl) - Dépolarisation à 24h : > 100 mv - Dépolarisation au delà de 24h : > 150 mv Test de dépolarisation

53 3d Protections Cathodiques Conception / dimensionnement - Assurer une distribution homogène et suffisante de la densité de courant en tous points du réseau d armatures (polarisation homogène) - Attention au risque de sous-protection et de surprotection 2 : Zones polarisées 1 : Zones insuffisamment polarisées PCCG PCCI Risque de fragilisation des armatures : Potentiel d armatures > mv (armature) Choix du type d anodes : - Nature de la protection cathodique : PCCI / PCG - Niveau de protection visé, durée de vie : capacité des anodes / répartition - Géométrie et dimensions de la zone à protéger : surfacique, discrète

54 3d Protections Cathodiques Contrôle et suivi de la protection - Épreuve de convenance - Contrôle de réception - Contrôles de suivi PCCG PCCI Prévoir un monitoring dans le marché avec fourniture : - Électrodes de référence - Sondes de températures et d hygrométrie - Boîtier d acquisition + - A Ampèremètre Interrupteur V V Ref1 armature armature Électrode de référence (Mg/MgO2) Ref2 Voltmètres

55 3d Protections Cathodiques Contrôle et suivi de la protection Contrôles préliminaires : - Caractéristiques des anodes (masse, dimensions) - Présence éventuelle de défauts - Numéro de lot et de référence - Continuité électrique des armatures PCCG PCCI Indicateurs à suivre : - Intensité du courant - Dépolarisation à 24h - Potentiel de protection ON/OFF * Mesures in situ sur des surfaces de référence représentatives (accès après replis de l entreprise) * Enregistrement en continu à partir d un système de monitoring (variabilité)

56 3d Protections Cathodiques Contrôle et suivi de la protection Intensité du courant (PCCG) [Monitoring] PCCG PCCI - Suivi du bon fonctionnement des anodes - Calcul de la durée de vie résiduelle des anodes

57 3d Protections Cathodiques Contrôle et suivi de la protection Dépolarisation [Monitoring] PCCG PCCI - Écart entre le potentiel des armatures protégées («On») et le potentiel libre des armatures («Off») - Écart mesuré sur 24h Évaluation de l efficacité de la protection

58 3d Protections Cathodiques Contrôle et suivi de la protection Potentiels On/Off [Mesures in situ] Exemple : Potentiel Off PCCG PCCI Mesure de potentiel d armatures (sonde Cu/CuSO4)

59 3d Protections Cathodiques Contrôle et suivi de la protection Potentiels On/Off [Mesures in situ] Exemple : Potentiel On PCCG PCCI Mesure de potentiel d armatures (sonde Cu/CuSO4) Seuil NF EN12696 (PCCI) : -720 mv / Ag/AgCl

60 3d Protections Cathodiques Comparaison PCCG PCCI Le courant Consommation de l anode Mesure du courant PCCI - Constant dans le temps - Choisi au préalable - Débité par un générateur Non Oui - Fluctue selon de la demande de l armature - Débité par le couple anode/cathode Oui PCCG Uniquement si prévu Critères de performance NF EN Pas vraiment (NF EN 12696)

61 3d Protections Cathodiques Certification Certification : Démonstration de la compétence du personnel par une procédure tierce partie conduisant à la délivrance d un certificat (EN ISO/IEC 17024) Certification en Protection Cathodique : - Prévue dans la norme NF EN12696 PCCG PCCI - «Garantie» pour le donneur d ordre qui peut être demandée dans le CCTP - Concerne : entreprises, bureaux de contrôles, maîtres d ouvrage - Sur la base de la norme NF EN secteurs d application : Terre, Mer, Béton, Internal Surfaces - 4 niveaux de compétences : 1S, 1, 2, 3-1 : mesures de routine simples en PC -1S : mesures de routine simples en PC (subaquatique) -2 : études, conception et réalisation d installation de PC et vérification de leur efficacité -3 : expertise dans le domaine de la PC

62 3d Protections Cathodiques Certification PCCG PCCI Projet de formation et certification en protection cathodique Secteur béton Niveau 1 Lieu et organisation : INSA Toulouse (LMDC) Période prévisionnelle : 1er semestre 2014 Formation théorique basée sur le référentiel : - NF EN NF EN Guide Cefracor «Anodes galvaniques» Durée de la formation : 5 jours Examen à suivre

63 3d Protections Cathodiques Conclusions Diagnostic préalable capital et indispensable Adaptés même pour des bétons très fortement pollués par les Cl- Coût d installation important (mais bilan à faire sur le cycle de vie de l ouvrage) Vigilance : alcali-réaction, fragilisation de la précontrainte Monitoring indispensable Contrôles spécifiques et suivi régulier dans le temps (mesures et enregistrements périodiques => coût à prendre en compte) Large choix de procédés et d anodes Garantie contractuelle : 5 à 10 ans en général (critères?) Prévoir un contrat de maintenance pour 3 ans Compétence du personnel : Certification EN15257 (3 niveaux) Référentiel normatif (critères de performance) adapté pour la PCCI Quid de la PCCG? Plans de récolement indispensable PCCG PCCI

64 Plan de la présentation Mécanismes de la corrosion Enjeux liés aux réparations Réhabilitations électrochimiques Réalcalinisation Déchloruration Protection cathodique par courant imposé Protection cathodique par courant galvanique 4 Choix des techniques

65 4 Choix des techniques Quelle technique de réhabilitation électrochimique? Dégradations Phénomènes visibles à l oeil Seuil de passivité Phénomènes non visibles mais mesurables Pas de dégradations visibles (pénétration CO2 et Cl-) Incubation Amorçage Propagation Ruine Diagnostic Temps

66 4 Choix des techniques Quelle technique de réhabilitation électrochimique? Dégradations Protection de surface - Imprégnation hydrophobe - Revêtement Traitement préventif Objectifs : - Garantir une protection suffisante des armatures vis-à-vis de la pénétration des agents agressifs Seuil de passivité Incubation Amorçage Propagation Ruine Diagnostic

67 4 Choix des techniques Quelle technique de réhabilitation électrochimique? Dégradations - Réalcalinisation - Déchloruration + Protection de surface Traitement préventif/curatif Objectifs : - Stopper la pénétration des agents agressifs - Restaurer le milieu passivant - Extraire les polluants Seuil de passivité Incubation Amorçage Propagation Ruine Diagnostic Temps

68 4 Choix des techniques Quelle technique de réhabilitation électrochimique? Dégradations Seuil de passivité Purge du béton non adhérant + - Protection cathodique par courant imposé (PCCG) - Protection cathodique par courant galvanique (PCCI) Traitement préventif/curatif Objectifs : Placer les armatures dans un domaine d immunité électrochimique Incubation Amorçage Propagation Ruine Diagnostic Temps

69 4 Choix des techniques Quelle technique de réhabilitation électrochimique? Dégradations dues à la corrosion des armatures Phase 1 INCUBATION Phase 2 AMORCAGE Phase 3 PROPAGATION Ralentissement ou arrêt de la pollution dans l enrobage Impr. hydrofuge Revêtement Dépollution de l enrobage Extraction des chlorures Réalcalinisation Protection électrochimiques des aciers PC Courant Galvanique PC Courant Imposé Reconstitution des sections de béton armé Ragréages Béton projeté Béton coulé

70 Merci de votre attention Remerciements à : Véronique BOUTEILLET (Ifsttar) pour un grand nombre de transparents Guy Taché (Consultant) pour ses illustrations Freyssinet, Renofors, LRMH pour certaines illustrations