Phase d’initiation et de propagation de la corrosion dans les structures en béton armé et leurs conséquences sur la durée de vie

par Ruijin Zhang

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Raoul François.

Soutenue en 2008

à Toulouse, INSA .


  • Résumé

    The thesis aims to study both initiation and propagation phase of steel corrosion in reinforced concrete structures in chloride environment. Experiments were carried out in order to investigate the initiation period and the beginning of the propagation period in relation with the steel-concrete interface quality. Specific high size reinforced concrete members were cast to create various steel-concrete interface qualities and were stored in a saline environment. Polarisation resistance was measured regularly to assess the corrosion rate. Results show firstly the significant influence of the steel-concrete interface condition on corrosion initiation and propagation. In the propagation period, two different phases were observed: In the first phase, pitting corrosion attacks (local corrosion) lead to concrete cracking characterized by small width cracks propagating along the reinforcing bars and in front the pitting attacks. In the second phase, due to the presence of these cracks, the local corrosion turns to a generalised corrosion propagating all along the reinforcing bars and leading to an important increase of the corrosion cracks width. This last point is totally in connection with the other part of the work carried out on large size reinforced concrete beams, which were 22 years old at the beginning of the thesis and in corrosion propagation phase since many years. The investigations performed on these old beams confirm the results obtained on the high size concrete members experiments (i. E. The propagation period divided into two different phases: local and generalised corrosion). A model was already developed in the past allowing predicting the corrosion state of the reinforcing bars from the cracks width during pitting corrosion period. To generalise the model to the whole corrosion process, a new model is proposed in this thesis linking the generalised corrosion in term of steel cross-section reduction to the corrosion cracking geometry and width. These results are important because representatives of the natural process. Indeed, these two different phases in the corrosion propagation period do not exist in usual accelerated tests under electric current. According to this new approach of the corrosion propagation phase, a new model is proposed for the assessment of reinforced concrete structures serviceability versus corrosion. During the pitting corrosion phase, the serviceability of the structural members is only affected by the steel-concrete bond reduction leading to a global deflection increase. At this stage the steel cross-section reductions are so local that they do no affect the global behaviour. Then, in the second propagation phase, the generalisation of the corrosion, which leads to a homogeneous steel loss all along the reinforcing bars, is taken into account as a coupled effect of the cross-section and bond reduction. At last, experiment performed up to failure on one 23 years old beam confirms the direct correlation between the reduction of the bearing capacity and in steel cross-section. Finally, the long term experiments carried out on the old reinforced concrete beams show that reinforced concrete structures can perfectly ensure a good quality of serviceability for a very long time in corrosion propagation period. Regarding the structural performance reduction, results have shown that the propagation period can be as long as the initiation phase in the service life. Therefore, the propagation period should be considered as a normal step in the service life span.

  • Titre traduit

    Analysis of both initiation and propagation phases of corrosion in Reinforced Concrete structures and their influence on service life


  • Résumé

    Les objectifs de la thèse sont l’étude de la phase d’initiation et de propagation de la corrosion des armatures du béton armé en atmosphère saline. La phase d’initiation et le début de la phase de propagation sont étudiés expérimentalement sur des éprouvettes réalisées spécifiquement pour cette thèse et permettant de faire varier la qualité de l’interface armature-béton en évitant les effets de bords. Le suivi du développement de la corrosion est réalisé par mesures électrochimiques à échéances régulières. L’analyse de l’évolution de la résistance de polarisation en fonction du temps a permis de confirmer l’importance de la qualité de l’interface sur l’initiation de la corrosion ainsi que sur la présence de deux étapes distinctes dans la phase de propagation : un développement de piqûres (corrosion locale) qui conduit à une fissuration coïncidentes avec l’armature puis une généralisation de la corrosion (corrosion généralisée puis homogène) liée à la présence des fissures de corrosion. Ce dernier aspect permet un lien avec l’autre partie du travail de thèse qui utilise des éléments de béton armé âgés de 22 ans au début de la thèse et qui se trouvent en phase de propagation depuis de nombreuses années. L’analyse du vieillissement de ces poutres en fonction du temps a permis de confirmer l’existence les deux étapes de la phase de propagation déjà mentionnées ci-dessus : une corrosion locale conduisant à une fissuration du béton d’enrobage pour laquelle existait un modèle reliant la géométrie des fissures (ouverture) au taux de corrosion; une corrosion généralisée puis homogène qui se développe grâce aux fissures existantes et conduit à une augmentation de l’ouverture de ces fissures mais également à la création de nouvelles fissures. Un nouveau modèle permettant de relier le taux de corrosion à la géométrie des fissures a été proposé dans le cadre de la thèse. Ces résultats sont importants car spécifiques à la corrosion naturelle, en effet on ne retrouve pas ces deux phases dans les essais classiques accélérés sous champ électrique. L’existence de ces étapes de la phase de propagation nécessite également la définition de deux stratégies de modélisation du comportement mécanique en service ; c’est à dire la réponse en déplacement des éléments corrodés. En effet, dans la première étape, il y a une perte d’adhérence entre l’armature et le béton qui modifie le comportement mécanique mais la perte de section qui est locale a un effet négligeable. En revanche, dans la seconde étape, la généralisation et l’homogénéisation de la corrosion conduit à un couplage entre la perte d’adhérence et la perte de section. L’expérimentation à rupture d’un élément âgé de 23 ans a permis de confirmer la corrélation entre la perte de section d’acier et la charge de rupture résiduelle. La modélisation du comportement à rupture des ouvrages corrodés est donc simplement liée à la perte maximale de section dans les zones les plus sollicitées. Cependant dans le cadre d’un diagnostic, l’existence des deux étapes de la phase de propagation pose un problème pour connaître le taux de corrosion des structures corrodées. Les expérimentations font également apparaître que durant la phase de propagation de la corrosion, les éléments en béton armé conservent un comportement mécanique satisfaisant par rapport aux prescriptions réglementaires et qu’il serait donc important pour les maîtres d’ouvrages de prendre en compte cette phase de propagation dans la durée de vie des ouvrages corrodés.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (202 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées. Bibliothèque centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2008/952/ZHA
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