Corrosion de béton armé : développement d'un essai accéléré par carbonatation et couplage galvanique

Corrosion of steel in concrete : development of an accelerated test by carbonation and galvanic coupling

• Auteur / Autrice : Muazzam Ghous Sohail
• Direction : Jean-Paul Balayssac, Stéphane Laurens, Fabrice Deby
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Anticorrosion

Béton armé -- Carbonatation

Mots clés libres

Corrosion of steel in concrete

Carbonation

Accelerated corrosion test

Concrete corrosion

Macrocell corrosion system

Numerical modeling

Résumé

L'objectif principal de ce travail est de développer un essai accéléré de corrosion dans le béton armé capable de bien représenter les conditions de développement de la corrosion en environnement réel. Le test reproduit les phases d'initiation et de propagation. La phase d'initiation correspond à la période durant laquelle les agents agressifs (le CO2 ou les ions chlorure) pénètrent à travers le béton d'enrobage jusqu'à atteindre l'armature. La phase de propagation se produit une fois que le béton entourant les armatures est totalement pollué par les agents agressifs et les conditions nécessaires étant réunies, la corrosion de l'acier démarre. Dans cette étude la phase d'initiation est accélérée en exposant le béton dans une enceinte avec un taux de CO2 de 50% et une humidité relative de 65%. Dans la phase de propagation la corrosion de type galvanique est accélérée en augmentant le rapport de surface entre cathode et anode. Les échantillons utilisés sont composés de deux cylindres de béton imbriqués. Le cylindre interne contient une seule armature et le béton d'enrobage est entièrement carbonaté. Autour de cette éprouvette un cylindre externe de béton est alors coulé avec quatre armatures régulièrement réparties sur sa périphérie. Le béton du cylindre externe est préservé de la carbonatation. Les barres externes sont donc dans un état passif et la barre interne dans un état actif. La distance entre chaque barre du cylindre externe et la barre du cylindre interne est identique. La connexion entre une ou plusieurs barres passives et la barre active génère un courant galvanique qui va entraîner la corrosion de la barre active. En jouant sur le nombre de barres passives connectées on peut donc faire varier l'intensité du courant galvanique et donc accéléré ou ralentir la corrosion. Pour éviter de réaliser un trop grand nombre d'essais en laboratoire, la conception de l'essai et la définition de sa sensibilité sont effectuées par le biais de simulations numériques à l'aide du logiciel commercial COMSOL Multiphysics(r) qui utilise les éléments finis. La vitesse de corrosion de l'acier dans le béton est déduite de la densité de courant à la surface de l'acier, qui est elle-même reliée au potentiel. La modélisation numérique de la corrosion dans le béton implique la résolution de deux équations simultanément, l'équation du transfert de charge et la loi d'Ohm, avec des conditions aux limites appropriées. Le comportement du système électrochimique est décrit par l'équation de Butler-Volmer pour les aciers actifs et passifs. Les paramètres nécessaires à l'implémentation des équations de Butler-Volmer (constantes de III).

This work presents the results of an experimental and numerical study of an accelerated corrosion test, performed in laboratory. The acceleration of corrosion in reinforced concrete is due to the elimination of initiation phase by an artificial environment technique. The initiation phase takes years to undergo, if it is accelerated, the studies can be focused on the kinetics of steel corrosion in concrete. For acceleration of initiation phase the concrete samples were kept in a carbonation chamber set at 50% CO2 and 65% RH. The geometry used in this test is comprised of two concrete cylinders. The inner concrete cylinder is carbonated and has a steel bar in the center, the bar is depassivated and acts as anode (A). The outer cylinder comprised of non-carbonated concrete, casted around the inner carbonated cylinder. Four steel bars are embedded around centered bar at given distance in non-carbonated concrete; these bars are in passive state and act as cathodes (C). The presence of these passive bars will allow changing the cathode surface and hence C/A ratio, by connecting different number of bars to active bar. The geometry for the test is defined by numerical simulations using COMSOL Multiphysics(r) software, and its sensitivity in particular the effect of C/A ratio, is defined by numerical experiments. In order to provide reliable inputs for the model the corrosion parameters are measured. Once the geometry of the samples is defined an extensive experimental program involving 15 samples is carried out. Despite the higher resistivity of carbonated concrete layer, the measurements of macrocell current revealed high levels of galvanic corrosion rate even in case of low C/A ratio. With the increase in C/A ratio the higher macrocell current levels are achieved in propagation phase. The importance of galvanic coupling in carbonationinduced corrosion is therefore also experimentally demonstrated. The accordance between numerical and experimental results is demonstrated regarding both potential field and C/A influence on macrocell current. This coherence highlights the relevance of the numerical modeling.