Les techniques électrochimiques de protection Guy TACHE (CEFRACOR)

Matinée d information du STRRES PROTECTION DES BETONS EN ZONE LITTORALE mercredi 27 novembre 2013 Les techniques électrochimiques de protection Guy TACHE (CEFRACOR) 1

Rappels sur les principes de corrosion des armatures en milieu maritime Protection cathodique: courant imposé, anodes galvaniques Extraction des chlorures Conclusions 2

Rappels sur les principes de corrosion des armatures en milieu maritime Protection cathodique: courant imposé, anodes galvaniques Extraction des chlorures Conclusions 3

Comment les armatures sont protégées, et comment elles se corrodent? Comment prévenir la corrosion? 4

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La passivité de l acier - Formation d oxydes protecteurs, stables: la passivité - Nécessité d alcalinité, d oxygène et d eau 19

ph 14 13 12 11 10 9 8 5 h 2j 7j 28j 3 mois 6 mois 13 mois 2 ans 20

Intensity (arbitrary units) Etude de la passivité en laboratoire Exemple: Immersion acier poli dans une solution de 0,1 M NaOH (ph = 12,8) Spectres XPS Fe-2p3/2 après différents temps d immersion 70000 60000 50000 40000 30000 1h= T o 2 days 1 month 3 months 6 months 8 months 20000 10000 0 716 715 714 713 712 711 710 709 708 707 706 705 Binding energy (ev) F. MISERQUE, B. HUET, D. BENDJABALLAH, G. AZOU, V. L HOSTIS, H. IDRISSI, proceedings of the Eurocorr 2005 conference, ISBN 972-95921-2-8. 21

Mais en réalité. L armature s oxyde à l atmosphère avant d être noyée dans le béton. 22

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Etude de la passivité à l aide de «retours d expérience» Exemple: Armatures de la Maison du Brésil (Cité U, Paris) : 50 ans Métal Béton 10 µm V. L HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET, Proceedings of the Eurocorr 2007. 24

Etude de la passivité à l aide de «retours d expérience» Métal Béton 1600 1400 385 a-feooh Goethite 10 µm 1200 1000 800 299 676 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Wave number (cm -1 ) V. L HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET, Proceedings of the Eurocorr 2007. 25

Etude de la passivité à l aide de «retours d expérience» Métal Béton 10 µm 250 200 150 659 Wüstite FeO 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Wave number (cm -1 ) V. L HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET, Proceedings of the Eurocorr 2007. 26

Etude de la passivité à l aide de «retours d expérience» Métal Béton 10 µm 800 700 600 500 670 Magnetite Fe 3 O 4 400 300 200 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 V. L HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET, Proceedings of the Eurocorr 2007. 27

Etude de la passivité à l aide de «retours d expérience» Métal Béton 10 µm 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 293 227 411 Hematite a-fe 2 O 3 1326 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Wave number (cm -1 ) V. L HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET, Proceedings of the Eurocorr 2007. 28

Etude de la passivité à l aide de «retours d expérience» Métal Béton 10 µm Epaisseur 10-50 µm V. L HOSTIS, L. VINCENT, V. PRACA, D. NEFF, L. BELLOT-GURLET, Proceedings of the Eurocorr 2007. 29

DEGRADATION Etat limite de service Défauts détectables Défauts visibles TEMPS Induction de la corrosion Croissance 30

DEGRADATION O 2 Cl - CO 2 H 2 O Etat limite de service Défauts détectables Défauts visibles TEMPS Induction de la corrosion Croissance 31

DEGRADATION O 2 Cl - CO 2 H 2 O Etat limite de service Défauts détectables Défauts visibles TEMPS Induction de la corrosion Croissance Amorçage («initiation») 32

DEGRADATION O 2 Cl - CO 2 H 2 O Etat limite de service Défauts détectables Défauts visibles TEMPS Induction de la corrosion Croissance 33

DEGRADATION O 2 Cl - CO 2 H 2 O Etat limite de service Défauts détectables Défauts visibles TEMPS Induction de la corrosion Diagnostic Croissance 34

DEGRADATION Etat limite de service Défauts détectables Défauts visibles TEMPS Induction de la corrosion Croissance Réparation, méthodes électrochimiques 35

DEGRADATION Etat limite de service Défauts détectables Défauts visibles TEMPS Induction de la corrosion Croissance? 36

Comment prévenir la corrosion Augmenter l enrobage (Eurocode 2) Améliorer la qualité du béton (EN 206) Revêtements sur béton Armatures galvanisées Armatures acier inox Armatures revêtues (époxy) 37

DEPASSIVATION 1) Carbonatation 2) Chlorures 38

Carbonatation Mécanisme connu Propagation = f(t) : complexe (t ½) Détermination de la profondeur de carbonatation in situ On ne sait pas: Mesurer le ph in situ, de manière non destructive Rapporter toujours à des enrobages 39

Chlorures Origine : milieu marin et sels de déverglaçage Pénétration : plusieurs modèles Dépassivation : complexe (pas seulement «pitting») Existe-t-il une teneur limite en chlorures? Probablement pas de valeur unique Signification? 40

Chlorures: aspect macroscopique Formation d interstices, ou cellules occluses Echange de matière réduit entre l intérieur de la cellule et l extérieur, Modification de la chimie locale Formation de rouille verte (GRII) Dissolution des armatures 41

Chlorures: paramètres influant sur la teneur limite [OH - ] : nature du ciment, teneur en K, dosage, additions, rapport [Cl - ]/[OH - ] Conditions rédox : teneur en O 2 à l interface acier/béton (porosité, humidité,...) 350 300 250 200 150 100 50 0 Composition de la solution interstitielle mmoles / kg CaO Sulfates K2O Na2O 5 h 2j 7j 28j 3 mois 6 mois 13 mois 2 ans Effet physique : présence de vides ou cavités 42

Les processus de corrosion e- Na+ H O 2 Cl- Cl- OH - H+ i a anode 43

Les processus de corrosion e- Na+ H O 2 OH - H+ e- Cl- Cl- Cl- Cl- q-1 Red Ox q H O 2 Cl- Cl- Cl- Cl- i a i c anode cathode 44

Les processus de corrosion e- Na+ H O 2 OH - H+ e- Cl- Cl- Cl- Cl- q-1 Red Ox q H O 2 Cl- Cl- Cl- Cl- i a i c anode Courant de corrosion cathode 45

Les processus de corrosion e- Na+ H O 2 OH - H+ e- Cl- Cl- Cl- Cl- q-1 Red Ox q H O 2 Cl- Cl- Cl- Cl- i a i c anode Courant de corrosion cathode Variation du potentiel: polarisation (électrochimie: étude des relations E=f(i) 46

Le béton Raupach 1994 47

Cas courant d un béton soumis à la pluie, aux éclaboussures, aux sels de déverglaçage,.. 48

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Rappels sur les principes de corrosion des armatures en milieu maritime Protection cathodique: courant imposé, anodes galvaniques Extraction des chlorures Conclusions 52

e- Na+ H O 2 OH - H+ e- Cl- Cl- Cl- Cl- q-1 Red Ox q H O 2 Cl- Cl- Cl- Cl- anode Courant de corrosion i a cathode i c 53

e- anode Na+ H O 2 OH - H+ Courant de corrosion e- i a Clcathode Cl- Cl- Cl- Cl- q-1 Red Ox q H O 2 i c Cl- Cl- Cl- Protection cathodique 54

Historique de la PC appliquée au béton armé 1946 B. HEUZE Canalisations enterrées en BA 1960 D.A. HAUSMAN Premières études fondamentales 1970 R.F. STRATFULL Bases technologiques sur OA 1970-1980 Ouvrages offshore 1980- Bâtiment, génie civil, ouvrages d art 55

Deux méthodes la norme NF EN 12696 (2012) 56

Deux méthodes Courant imposé Anodes galvaniques 57

Principales étapes 58

NF EN ISO 12696 Avril 2012 Protection cathodique de l'acier dans le béton Norme internationale spécifiant les exigences de performance pour la protection cathodique de l'acier dans le béton à base de ciment, pour les structures nouvelles comme pour les structures existantes. Elle traite des bâtiments et des ouvrages d'art, y compris les armatures de précontrainte noyées dans le béton. Elle s'applique aux armatures en acier non revêtu et aux armatures en acier recouvert par un revêtement organique. Elle s'applique à l'acier noyé dans des éléments de bâtiments ou de structures qui sont exposés à l'atmosphère, enterrés, immergés ou soumis à la marée. 59

Béton Armature Corrosion active non expansive 60

Préparation du support 61

Vérification de la continuité électrique et connections 62

Installation électrodes de référence 63

Mise en place treillis anodique Bordeaux 4 décembre 2008 64 64

Connections électriques et vérifications courts circuits Bordeaux 4 décembre 2008 65 65

Projection béton ou mortier d enrobage 66

Liaisons électriques et mise en route de la zone 67

Mise en route + - i ΔE 68

NF EN ISO 12696 Principales étapes Evaluation et réparation de la structure Repérage des zones Purge des bétons dégradés Mise en place des électrodes de référence Reconstitution du ferraillage Vérification de la continuité électrique des armatures Réalisation des connections Préparation du support (reconstitution de l enrobage,...) Installation de l ensemble anodique et contrôles courts circuits Recouvrement de l anode par béton ou mortier projeté (contrôles adhérence) Connections et câblage Mise en fonctionnement par zones Contrôles Exploitation et maintenance 69

Réglages et Critères de protection Réglages : densité de courant Critères de protection et d évaluation de la performance : Potentiel à courant coupé plus négatif que - 720mV par rapport à Ag/AgCl Dépolarisation 100 mv/24h Dépolarisation 150 mv au-delà de 24 h 70

Potentiel Potentiel de corrosion Test de dépolarisation Variation de potentiel > 300 mv Dépolarisation > 100 mv en 24h Potentiel off Potentiel de protection t 71

Applications Courant imposé Anodes Treillis titane activé Bandes de titane Fibres de cabone Peintures conductrices Anodes discretes 72

Courant imposé treillis anodique Réservoir de sel Avec l aimable autorisation de Correxco 73

Distribution du courant sur l anode : bandes Rubans de Titane oxyde de Titane soudés et maintenus par chevilles plastiques Document Freyssinet 74

Carbocath Anode en fibres de carbone Avec l aimable autorisation de Maxit 75

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Cahiers techniques du Bâtiment Octobre 2013 Freyssinet 78

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Courant imposé Anodes galvaniques Deux méthodes Principalement zinc ou alliage Zn Al Intensité du courant : débit de la pile Formation de produits de corrosion du zinc 80

Zinc projeté Zinc collé Treillis Anodes discrètes Anodes en réseau Système hybride Anodes galvaniques Surfaciques, discrètes 81

Anodes surfaciques Zinc projeté 300 µm modèle GRILLO-KKS-BETON 82

Zinc projeté Avec l aimable autorisation de R.Palmer 83

Zinc collé Doc CorrPRE 84

Cellules Galvaniques discrètes Avec l aimable autorisation de Parex Lanko 85 85

Anodes en réseau ou en peigne Disposition des anodes en LIGNE pour le traitement de zone type linéique Disposition des anodes en BOUCLE pour le traitement de zone type linéique à forte densité Disposition des anodes en QUINCONCE pour le traitement de zone type surfacique 86

Cellules Galvaniques en réseau Galvashield CC 87

Anodes en peigne 88

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Anodes discrètes Avec l aimable autorisation de Concrete 90

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Système hybride Duoguard 500 1 phase courant imposé 7 jours 1 phase protection galvanique Avec l aimable autorisation de R&G Richard Guérin 92 92

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calcul de dimensionnement 7 points fondamentaux 1 Découpage de la structure en «zones de Protection Galvanique» 2 Etude du ferraillage: calcul du ratio Surface Acier/Surface Béton (par zone), 3 Etude de la répartition des anodes en fonction des spécificités structurelles (répartition des armatures, possibilité de forage,...). 4 Etude pour chaque anode de la répartition du courant suivant le type. 5 Calcul des masses d anode: durée contractuelle de service de l installation, besoin en courant (hypothèse) et de la capacité électrique des anodes (données constructeur), 6 Choix de l anode : répartition géométrique nécessaire, poids unitaire des anodes. 7 Nomenclature: Repérage et numérotation des zones et de la forme des anodes (plan), type et nombre d anodes. 96

Contrôles Contrôles préliminaires Des anodes De la continuité électrique 97

Indicateurs Intensité du courant Dépolarisation Potentiel de protection on/off 98

Cas courant d un béton soumis à la pluie, aux éclaboussures, aux sels de déverglaçage,.. 99

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Essais de convenance 103

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Cellules galvaniques Avantages : ajustement du courant en fonction de la demande (corrosion, humidité, température, ) Inconnues : Polarisation de l anode?, Corrosion du zinc, Durabilité?, Contrôles? Critère de dépolarisation pas adapté? 106

Principales applications de la Protection Cathodique Ouvrages d art : Courant imposé (pont des Favrants, de Noirmoutier), cellules galvaniques sur les tabliers (ouvrages de la SAPRR), zinc projeté (Viaducs de Roissy) Structures en mer : courant imposé (Appontements de Montoir, terminal méthanier de Fos), Parkings, les silos de stockage de sel de déverglaçage (Courant imposé : Saint Aignan), Structures de Génie Civil (piscines d eau de mer), Bâtiments (façades) : courant imposé avec revêtements conducteurs ou fils, cellules galvaniques zinc ) Autres applications dans le monde entier 107

La certification en PC C est une garantie pour le donneur d'ordre. De plus en plus fréquemment, les cahiers des charges imposent une certification de la compétence du personnel intervenant tant en installation qu'en inspection et maintenance. C est une reconnaissance officielle de la compétence des spécialistes et experts en protection cathodique. 108

Certification PC béton armé Elle concerne : Les entreprises (conception, dimensionnement, mise en œuvre) --- organismes professionnels Les bureaux de contrôle Mais aussi les maitres d ouvrages (publics ou privés), car le système doit pouvoir être préconisé, puis être contrôlé pendant sa vie effective Elle est prévue dans la norme NF EN ISO 12696 Le secteur béton prépare actuellement le niveau 1 109

Niveaux de certification Niveau 1S : mesures de routine simples en protection cathodique Niveau 1 : mesures courantes en protection cathodique Niveau 2 : Etude, conception et réalisation d'installations de protection cathodique et vérification de leur efficacité Niveau 3 : Expertise dans le domaine de la protection cathodique L'EN 15257 constitue une méthode appropriée utilisable pour l'évaluation de la compétence du personnel chargé de la protection cathodique. 110

Niveaux de certification Niveau 1S : mesures de routine simples en protection cathodique Niveau 1 : mesures courantes en protection cathodique Niveau 2 : Etude, conception et réalisation d'installations de protection cathodique et vérification de leur efficacité Niveau 3 : Expertise dans le domaine de la protection cathodique L'EN 15257 constitue une méthode appropriée utilisable pour l'évaluation de la compétence du personnel chargé de la protection cathodique. 111

Niveaux de certification Niveau 1S : mesures de routine simples en protection cathodique Niveau 1 : mesures courantes en protection cathodique Niveau 2 : Etude, conception et réalisation d'installations de protection cathodique et vérification de leur efficacité Niveau 3 : Expertise dans le domaine de la protection cathodique L'EN 15257 constitue une méthode appropriée utilisable pour l'évaluation de la compétence du personnel chargé de la protection cathodique. 112

Projet de formation et certification en protection cathodique Niveau 1 Formation d un comité sectoriel Lieu et organisation: INSA Toulouse (LMDC) Formation théorique et pratique basée sur les normes NF EN ISO 12696, NF EN 15257, Guide anodes Cefracor, NF 91-103. Secteur commun sensé être «acquis» Durée de la formation : 5 jours Examen à suivre 113

Planning prévisionnel Mise en ligne du programme d examen septembre 2013 Formations et examen début 2014 114

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Rappels sur les principes de corrosion des armatures en milieu maritime Protection cathodique: courant imposé, anodes galvaniques Extraction des chlorures Conclusions 116

Méthodes électriques Traitements temporaires de réhabilitation Réalcalinisation ph 9 intermed. 13 f inal x initial + _ Déchloruration x f inal [Cl - ] initial + _ 117

Réalcalinisation Documentation Sté Rénofors 118

Déchloruration Objectifs Réhabiliter un élément dégradé par la corrosion du fait des chlorures Conférer à long terme une protection Applications Structures exposée en milieu atmosphérique 119

Principe Migration des chlorures sous l effet d un champ électrique Alcalinisation au droit de l armature (electrolyse) Exclusions Béton précontraint: risques de fragilisation par l hydrogène 120

Déchloruration TS 14038-2-2011 Traitements électrochimiques de réalcalinisation et d extraction des chlorures applicables au béton armé Evaluation et réparation de la structure Vérification de la continuité électrique Installation de câbles électriques et alimentation (40V) Mise en place du dispositif anodique (anode + réservoir électrolytique) Vérifications (courts circits, ) Mise en route Durée 4 à 8 semaines 121

Contrôles Tension et courants (environ 1A/m² d armature) Teneurs en chlorures Charge totale Ah Fin du traitement Teneur en chlorures <0,4%/ciment au voisinage des armatures, cas isolé 0,8% Charge électrique : 200 Ah---2000 Ah par m² d acier Mesures de potentiel (cartographie): disparition des macropiles 122

Déchloruration Documentation Sté Freyssinet 123

Enrobages importants 70 % des points de prélèvements: teneur en chlorures >0,4 %/Ciment 124

Extraction des chlorures Protection cathodique 125

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Matinée d information du STRRES PROTECTION DES BETONS EN ZONE LITTORALE mercredi 27 novembre 2013 Les techniques électrochimiques de protection CONCLUSIONS 127

1. Pas de problèmes théoriques (densité de courant de 0,2 à 20 ma/m² d armature) 2. La corrosion est stoppée dès l application du courant, même en milieu fortement chloruré 3. La technique traite toutes les zones à risque et ne se limite pas aux zones dégradées 4. Recul important (prévention ou protection cathodique) 5. Une norme bien en place (NF EN ISO 12696 revue en 2012) 6. Plusieurs techniques (courant imposé et anodes galvaniques) 7. Critères reconnus et validés (Courant imposé), adaptés (anodes galvaniques) 8. Efficacité évaluée dans de nombreux pays et de nombreuses situations (en France?) 128

9. Activités spécialisées pluridisciplinaires nécessitant des compétences dans les domaines du génie civil / structure / béton, combinée à une expertise de la protection cathodique 10. Gestion de la qualité rigoureuse pour assurer un contrôle adéquat (application des revêtements, délaminations), les tests (ajustement des critère) et la documentation de chaque étape des travaux 11. Suivi nécessaire avec retour opérationnel 12. Durabilité: câbles, connections, électrodes de référence 13. Avantages environnementaux (durée, bruits, matériaux, ) 14. Certification du personnel en marche 15. Coût initial important. Prendre en compte le suivi, la durée de vie. 129

Les techniques électrochimiques de protection Reste à développer Placement des anodes Lignes de courant Polarisation Effets secondaires (armatures de précontrainte) Evaluation des ouvrages existants (groupe d expert?): inspection visuelle, état électrique, tests. 130

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Remerciements Naziha Berramdane Marc Brouxel (Concrete) Christian Tourneur (Freyssinet) Richard Guérin Richard Palmer Gilles Pinganaud (Parex Lanko) Carl Redon (Renofors) 132

Merci de votre attention et bonne journée Je ne suis pas certain que vous avez mis la bonne tension, Albert!!!! 133