Capteurs de corrosion Pour le suivi des ouvrages en béton armé

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1 T. Chaussadent LCPC B. Thauvin LRPC Saint-Brieuc M. Menguy LRPC Saint-Brieuc S. Roux LRPC Saint-Brieuc D. Przybyla LRPC Strasbourg Capteurs de corrosion Pour le suivi des ouvrages en béton armé Ministère de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du territoire

2 Problématique Corrosion = Principale cause de dégradation des structures Dioxyde de en béton Chlorures armé => Carbonatation Dioxyde de carbone CO2 => Pénétration des chlorures Cl- Porosité ouverte Porosité ouverte Porosité fermée 2 Armature

3 Taux de corrosion Pénétration des Cl- et du CO2 Initiation - Corrosion des armatures - Réduction de section - Fissuration - Éclats de béton Incubation Propagation Temps Béton sain Béton altéré Rouille Fissure 3

4 Problématique et contexte Les structures les plus exposées au risque de corrosion (par les chlorures): Les structures exposées aux sels de déverglaçage dans les climats froids (parking, ponts,...) Les infrastructures en environnement marin (quais, ponts...) 4

5 Problématique et contexte Les sources de chlorures: 5

6 Problématique et contexte Les sources de chlorures: 6

7 Les enjeux 7

8 Le gestionnaire d ouvrages en béton armé Anticiper l apparition des dégradations: Evaluer la pénétration des agents agressifs Surveiller des structures en béton armé Pronostiquer l échéance d apparition des dégradations Programmer des actions de maintenance préventive 8 Évaluer l'efficacité des réparations éventuelles

9 Les moyens Pas de méthodes non destructives pour quantifier la pénétration des chlorures et du dioxyde de carbone Coûteuses et à certaines échéances seulement Méthodes d'investigations éprouvées: Difficiles pour certaines parties d'ouvrage Souvent destructives Parfois «semi-destructives» 9

10 Une solution possible 1 0 Capteurs de corrosion (capteurs intégrés) Mis en place dans l enrobage des armatures Installés à la construction de l ouvrage Information : Intérêts : en continu (système d acquisition et de récupération -- Information des données) continue -- Pas de moyens d accès sur la pénétration -- Non destructifs progressive des agents agressifs dans l enrobage

11 Le contexte Les paramètres à suivre 1 1 Armatures du béton (paramètres électrochimiques): potentiel d électrode (E) vitesse de corrosion (i cor ), résistance de polarisation (R p ) courant de réduction de l oxygène courant galvanique Béton (paramètres physico-chimiques): Teneur en chlorures ([Cl-]) ph

12 Les capteurs de corrosion 1 2 Les capteurs électrochimiques Les plus courants... Potentiel d électrode Vitesse de corrosion ou résistance de polarisation Résistivité électrique du béton ph du béton Les capteurs chimiques à fibre optique Les plus récents... Teneur en chlorures ph du béton

13 Capteurs «électro-chimiques» Principe de fonctionnement CO 2 CO 2 Cl - Cl - Électrodes Modification du comportement électrochimique : - Potentiel E (mv) - Courant i cor (µa/cm²) - Résistance de polarisation Rp - Cl - 1 CO 2 Enrobage 1 3 Système d acquisition E (mv), Icor (µa/cm²),

14 Capteurs «électro-chimiques» Principe de fonctionnement Cl - Électrodes temps CO 2 Cl CO 2 Cl E (mv) i cor (µa/cm²) CO 2 1,0 Enrobage 0,5 1 4 Système d acquisition E (mv), Icor (µa/cm²), 0,1 0 temps

15 Capteurs «électro-chimiques» Principe de fonctionnement Interprétations possibles: Potentiel E (mv) (vs > - ECS) à à 500 < -500 Probabilité de corrosion Basse (10% de risque) Initiée Avancée (90% de risque) Très avancée i cor (µa/cm²) < 0,1 0,1 à 0,5 0,5 à 1 > 1 Vitesse de corrosion Négligeable Faible Modérée Elevée 1 5

16 Capteurs «électro-chimiques» Mesure du potentiel d électrode (E) de l armature: Ag/AgCl Ou MnO 2 Graphite Pb V Voltmètre Demi-pile: Electrode Ag/AgCl ou Mn0 2 Capteur 1 6 ERE 20 (Force Technology - Danemark)

17 Capteurs «électro-chimiques» Mesure de la vitesse de corrosion (i cor ): P Potentiostat Capteur 1 7 Acier inox Electrode de travail Electrode de référence Acier inox

18 Capteurs «électro-chimiques» Echelles de corrosion : Mesure du potentiel (E) et/ou de la vitesse de corrosion (Icor) à différentes profondeurs dans l enrobage Système de mesure Électrodes de travail Acier inoxydable Capteur 1 8 SensCore (Roctest Canada, Telemac France, Smartec Suisse)

19 Capteurs «électro-chimiques» BN ECl-1 ( USA (Virginia Technologies INC Résistance linéaire de polarisation Potentiel de circuit ouvert Résistivité Concentration en ions chlorures Température (Coût: 1195 $) CorroWatch (Force Technology - Danemark) 1 9 Courant de corrosion Potentiel d électrode à différentes profondeur (Coût: 590 $)

20 2 0 Capteurs «chimiques à fibre optique» Principe de fonctionnement: Les capteurs sont composés d un indicateur dont les propriétés optiques (réfraction, absorption, fluorescence) sont sensibles aux changements de conditions dans le béton. Les propriétés optiques de la lumière traversant le dispositif sont alors modifiées (intensité, phase, polarité). L évolution de ces propriétés est mesurable à l aide de système de mesure optoélectronique. Le rôle de la fibre optique se limite au transport de l information. Deux grandes familles de capteurs selon le mode d utilisation de la lumière: - Mode absorption

21 Capteurs «chimiques à fibre optique» En mode absorption : Changement de couleur d un indicateur en présence de chlorures : Le chromate d argent (marron => blanc) 2 1

22 Capteurs «chimiques à fibre optique» En mode absorption : Inconvénients... - Non réversibles - Plage de mesure de concentration en chlorures limitée (non applicable à la gamme de concentration rencontrée en génie civil) => Recherches et développements en cours

23 Capteurs «chimiques à fibre optique» En mode réflexion : Basé sur la fluorescence d un indicateur sensible aux chlorures. A l aide d un spectromètre de fluorescence, les variations de concentration en ions chlorures libres sont déterminées en fonction des fluctuations de l intensité de fluorescence. Source lumineuse 2 3 Spectromètre

24 Capteurs «chimiques à fibre optique» En mode réflexion : 2 4 Indicateurs colorants: - Structure de type aromatique - Dérivés du 6-methoxyquinoline - +/- sensibles selon le niveau de concentration en chlorures

25 Capteurs «chimiques à fibre optique» En mode réflexion : - Système réversible - Plage de fonctionnement: entre 0,05 et 2% de chlorures (en % de la masse de ciment) - Incertitude de mesure: +/- 8% 2 5 Source: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Thèse n 3322, 2005

26 Capteurs «chimiques à fibre optique» En mode réflexion : 2 6 Source: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Thèse n 3322, 2005 Io : Intensité du signal en absence de chlorures I : Intensité du signal en présence de chlorures

27 Actualités, études en cours LNE: Laboratorio Nacional de 400 Engenharia Civil (Portugal) Potencial de corrosão vs Pb (mv) Resistência eléctrica (ohm)

28 Actualités, études en cours LCPC Différentes solutions agressives: -NaCl (3%) -HCl (3,6%) -Na2SO4 (20%) -Sel de déverglaçage -Eau distillée (témoin) 2 8 Différentes électrodes de travail: -Galvanisée Diamètre 1,2 mm -Galvanisée Diamètres 0,65 mm -Inoxydable Diamètre 0,80 mm

29 Actualités, études en cours LRPC (Saint-Brieuc, Strasbourg) Découverte des phénomènes 2 9 Eau Eau de mer HCl

30 Actualités, études en cours LRPC (Saint-Brieuc, Strasbourg) Essais de migration en régime non stationnaire (méthode d essai LPC n 58) 3 0

31 Actualités, études en cours LRPC (Saint-Brieuc, Strasbourg) Essais de migration en régime non stationnaire (méthode d essai LPC n 58) Accélération de la pénétration des chlorures Échantillon équipé d électrodes Profondeur de béton pollué par les chlorures 3 1 Fendage échantillon après essai

32 Actualités, études en cours LRPC (Saint-Brieuc, Strasbourg) Essais de migration en régime non stationnaire (méthode d essai LPC n 58) 3 2

33 Conclusions Des perspectives Anticiper la corrosion des armatures Quantifier la pénétration des chlorures Pronostiquer la durée de vie résiduelle (corrosion) Améliorer la compréhension de l influence des chlorures sur le processus de corrosion Anticiper et programmer les actions de maintenance préventive

34 Conclusions Complémentarité des capteurs... Capteurs «chimiques à fibre optique» => [Cl-] Capteurs «électrochimiques» => Phénomène corrosion 3 4

35 Oui mais... Conclusions Niveau de confiance dans les capteurs (reproductibilité, fiabilité, robustesse, ) Interprétation des mesures (quels critères?, quel seuil?, calibration/étalonnage, ) Problématique de l acquisition des mesures 3 5 Démarche de déploiement des capteurs Type capteurs capteurs Nombre Position

36 Réponses... Conclusions SIPRIEN: Système d Instrumentation pour la Prévention des Risques Environnementaux Partenariat LCPC / LNEC Applications en vraie grandeur... Ouvrages intelligents ou «Smart structures»: Nouvelle génération de structures capables de contrôler en continu et en temps réel son propre comportement. 3 6

37 Merci de votre attention 3 7