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1. Fondamentaux Électrochimiques

1.1 La Pile de Corrosion (Réactions Rédox)

La corrosion est un retour à l'état stable de l'oxyde de fer (thermodynamique). Elle fonctionne comme une pile électrique nécessitant quatre éléments simultanés :

• Anode (Oxydation) : Le fer se dissout : \( Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^- \). C'est ici que la perte de matière se produit.
• Cathode (Réduction) : Les électrons sont consommés. En milieu aéré et neutre/basique : \( O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^- \).
• Conducteur Électronique : L'acier lui-même assure le transport des électrons de l'anode vers la cathode.
• Électrolyte : La solution interstitielle dans les pores du béton, chargée d'ions, assure la continuité ionique.

La circulation des électrons et des ions crée un courant de corrosion \( I_{\text{corr}} \) mesurable en \( \mu A/cm^2 \).

1.2 Passivation Naturelle de l'Acier

Dans un béton sain, l'hydratation du ciment (notamment \( C_3S \) et \( C_2S \)) produit de la portlandite \( Ca(OH)_2 \), maintenant un pH tamponné autour de 12,5-13,5. Dans ce domaine, le fer se couvre spontanément d'oxydes denses et imperméables (\( \gamma-Fe_2O_3 \) et \( Fe_3O_4 \)). Ce film passif, de quelques nanomètres, réduit la vitesse de corrosion à des valeurs négligeables (< 0,1 µm/an).

1.3 Thermodynamique : Diagramme de Pourbaix

Ce diagramme Potentiel-pH est la carte routière de la corrosion. Il délimite trois zones :
Passivité : pH élevé, potentiels oxydants moyens (Béton sain).
Corrosion : pH < 9 (Carbonatation) ou présence de chlorures qui réduisent localement le domaine de passivité. Le fer est soluble (\( Fe^{2+} \)).
Immunité : Potentiel très négatif (< -900 mV vs SHE). Le fer reste à l'état métallique stable. C'est le principe de la protection cathodique.

1.4 Les Visages de la Rouille (Stœchiométrie et Volume)

La nature des oxydes dépend de la disponibilité en oxygène. Le foisonnement volumique est la cause mécanique des dégâts :

• Fe (Acier) : Volume de référence V=1.
• \( Fe_3O_4 \) (Magnétite) : Noir, V=2.0. Stable en milieu pauvre en \( O_2 \).
• \( Fe_2O_3 \) (Hématite) : Rouge/Brun, V=2.2. Rouille commune.
• \( Fe(OH)_3 \) (Hydroxyde) : Orange, V=4.0. Très expansif.

2. Mécanismes d'Initiation

2.1 Carbonatation du Béton : Cinétique et pH

Le \( CO_2 \) atmosphérique diffuse dans le réseau poreux et acidifie la solution interstitielle : \[ Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O \] Cette réaction consomme la réserve alcaline, faisant chuter le pH de 13 à moins de 9.
Cinétique : La profondeur carbonatée \( x_{\text{c}} \) suit une loi parabolique : \( x_{\text{c}}(t) = K_{\text{carb}} \cdot \sqrt{t} \).
Le coefficient \( K_{\text{carb}} \) dépend de la porosité (donc du rapport E/C) et de l'humidité relative (optimum de réaction vers 50-70% HR).

2.2 Physique des Transports (Diffusion vs Convection)

Les ions chlorures pénètrent selon deux modes distincts :
Diffusion Pure : Mouvement sous gradient de concentration (Loi de Fick) dans l'eau interstitielle immobile. Prédominant en immersion permanente. C'est un processus lent.
Absorption Capillaire (Convection) : Aspiration brutale de l'eau salée par les pores secs (tension superficielle). Prédominant en zone de marnage ou éclaboussures. Processus très rapide et destructeur.

2.3 Chlorures : Binding Capacity et Isothermes

Tous les chlorures qui entrent ne sont pas nocifs. On distingue :
Chlorures Liés : Fixés chimiquement par les aluminates (\( C_3A \)) pour former des Sels de Friedel (\( 3CaO \cdot Al_2O_3 \cdot CaCl_2 \cdot 10H_2O \)) ou adsorbés physiquement sur les C-S-H. Ils sont inoffensifs.
Chlorures Libres : Restent en solution. Ce sont eux qui attaquent le film passif.
L'équilibre entre liés et libres est décrit par des isothermes de fixation (type Langmuir ou Freundlich). Les ciments au laitier (CEM III) ont une meilleure capacité de fixation.

La corrosion par chlorures est souvent plus localisée et plus pénétrante que la carbonatation.

3. Facteurs d'Influence

3.1 Microstructure du Béton (Tortuosité)

La résistance à la pénétration dépend de la connectivité des pores. Un faible rapport Eau/Ciment (< 0.45) et l'ajout d'additions minérales (fumée de silice) augmentent la tortuosité du réseau, allongeant le chemin que les ions doivent parcourir.

3.2 Le Paradoxe de l'Humidité

La corrosion nécessite à la fois de l'eau (électrolyte) et de l'oxygène (oxydant).
Béton Sec (HR < 50%) : Résistivité trop élevée, pas de transport d'ions. Pas de corrosion.
Béton Saturé (HR > 95%) : L'oxygène diffuse 10 000 fois moins vite dans l'eau que dans l'air. La cathode est asphyxiée. Corrosion très lente.
Zone Critique (HR 70-90%) : Optimum où les pores contiennent assez d'eau pour conduire le courant et assez d'air pour fournir l'oxygène.

3.3 Effets de Géométrie (Effet de Coin)

Dans les angles sortants (poutres, poteaux carrés), la carbonatation ou les chlorures pénètrent par deux faces simultanément (bidirectionnel). La concentration critique est atteinte beaucoup plus vite au niveau de l'armature de coin qu'en partie courante.

4. Conséquences Structurelles

4.1 Perte de Section et Rupture Fragile

La réduction de la section d'acier (\( A_{\text{s}} \)) augmente la contrainte mécanique (\( \sigma = F/A_{\text{s}} \)). Si la corrosion est localisée (piqûre), elle crée une concentration de contrainte (effet d'entaille) qui peut mener à une rupture brutale sans déformation plastique préalable, ruinant la ductilité de la structure.

4.2 Pression de Gonflement et Fissuration

La formation de rouille génère une pression radiale. Le béton, matériau fragile, rompt en traction lorsque la contrainte tangentielle dépasse sa résistance \( f_{\text{ctm}} \) (environ 3-4 MPa). Cela crée des fissures parallèles aux armatures, accélérant encore la pénétration des agents agressifs (cercle vicieux).

4.3 Dégradation de l'Adhérence (Bond Slip)

L'adhérence acier-béton repose sur le verrouillage mécanique des nervures. Une couche de rouille modérée peut initialement augmenter l'adhérence (rugosité), mais une couche épaisse lubrifie l'interface et détruit les bielles de compression du béton inter-nervures, entraînant le glissement de la barre et la perte d'ancrage.

5. Diagnostic et Auscultation

5.1 Mesure de Potentiel d'Électrode (Cartographie)

Méthode qualitative normalisée (ASTM C876). On mesure la tension entre l'acier et une électrode de référence (\( Cu/CuSO_4 \)) posée en surface.
Interprétation :
\( E > -200 mV \) : Corrosion improbable (< 10%).
\( -350 mV < E < -200 mV \) : Zone incertaine.
\( E < -350 mV \) : Corrosion très probable (> 90%).
Attention : Un béton saturé d'eau sans oxygène peut donner des potentiels très négatifs sans corrosion active.

5.2 Résistivité et Vitesse de Corrosion (LPR)

Résistivité (\( \rho \)) : Mesurée par sonde Wenner (4 pointes). Si \( \rho < 10 k\Omega \cdot cm \), le risque est élevé.
Polarisation Linéaire (LPR) : Technique quantitative. On perturbe légèrement le potentiel de l'acier (\( \pm 10 mV \)) et on mesure le courant résultant. La résistance de polarisation \( R_{\text{p}} \) est inversement proportionnelle au courant de corrosion \( I_{\text{corr}} \) (Loi de Stern-Geary).

5.3 Profilage des Chlorures (Titration)

Méthode semi-destructive de référence. On prélève de la poudre de béton par carottage ou meulage incrémental (ex: 0-10mm, 10-20mm...). Les échantillons sont dissous dans l'acide (pour les chlorures totaux) et titrés au nitrate d'argent. Cela permet de tracer le profil \( C(x) \) et de calculer le coefficient de diffusion apparent \( D_{\text{app}} \).

5.4 Méthodes END : Radar GPR et Ultrasons

GPR (Ground Penetrating Radar) : Utilise des ondes électromagnétiques pour localiser les aciers, mesurer l'enrobage et détecter les délaminations majeures.
Ultrasons : Détectent les discontinuités internes (fissures, vides) par analyse de la vitesse et de l'atténuation des ondes acoustiques.

6. Stratégies de Protection

6.1 Inhibiteurs de Corrosion

Substances chimiques qui, à faible concentration, réduisent la vitesse de corrosion.
Anodiques (Nitrites) : Favorisent la repassivation en oxydant le fer (risque de piqûres si sous-dosés).
Cathodiques (Amines, Phosphates) : Bloquent l'accès de l'oxygène.
Mixtes/Migrateurs (MCI) : Pénètrent par diffusion gazeuse ou liquide dans le béton durci pour former un film monomoléculaire sur l'armature.

6.2 Protection Cathodique (PC)

Seule technique capable d'arrêter une corrosion active due aux chlorures.
Anode Sacrificielle (GCP) : Zinc, Al-In-Zn. Potentiel naturel < -1000 mV. Durée de vie limitée par la masse de l'anode. Simple, pas de maintenance.
Courant Imposé (ICCP) : Anodes en Titane activé (MMO). Nécessite une source DC externe. Réglable, durée de vie > 50 ans, mais nécessite un monitoring constant.
Critère de protection : Dépolarisation de 100 mV en 24h après coupure du courant.

6.3 Traitements de Surface (Hydrofugation)

Imprégnation par des silanes/siloxanes. Ces molécules se lient à la silice du béton et tapissent les pores de groupes alkyles hydrophobes. L'angle de contact de l'eau dépasse 90°, empêchant l'absorption capillaire de l'eau salée tout en laissant passer la vapeur d'eau (le béton "respire").

7. Réparation des Ouvrages

La norme européenne NF EN 1504 définit les principes de réparation.

7.1 Purge et Passivation (Patch Repair)

Technique classique : 1. Délimitation de la zone par sciage (éviter les bords amincis). 2. Purge du béton jusqu'à dégager l'arrière de la barre (espace > 15mm). 3. Préparation de surface de l'acier (Sa 2.5). 4. Application d'un primaire passivant. 5. Reprofilage au mortier R3/R4 (faible retrait, module adapté).

7.2 Réalcalinisation Électrochimique

Traitement curatif pour bétons carbonatés. Une anode temporaire est posée en surface dans une pâte d'électrolyte alcalin (\( Na_2CO_3 \)). Un courant (~1 A/m²) est appliqué pendant 1-2 semaines. Les réactions cathodiques sur l'armature produisent des ions \( OH^- \), remontant le pH > 12 et repassivant l'acier.

7.3 Désalinisation (Extraction des Chlorures)

Similaire à la réalcalinisation mais pour les chlorures. Le champ électrique force les ions \( Cl^- \) (négatifs) à migrer hors du béton vers l'anode positive externe. Durée : 4 à 8 semaines. Permet de sauver des structures sans purger tout le béton contaminé.

7.4 L'Effet d'Anode Incipiente (Halo Effect)

Danger majeur des réparations par patch. La zone réparée (saine, passivée) devient une cathode puissante par rapport aux zones adjacentes (contaminées mais passives). Cela crée une grande différence de potentiel qui réveille violemment la corrosion en périphérie de la réparation. Solution : Placer des anodes galvaniques discrètes dans le patch pour protéger la périphérie.

8. Métallurgie Avancée

8.1 Aciers Patinables (Corten)

Aciers faiblement alliés (Cu, Cr, Ni, P). En alternance humide/sec, ils forment une couche de rouille compacte et adhérente ("patine") qui auto-bloque la corrosion. Inadaptés en ambiance marine directe ou en humidité permanente.

8.2 Inox : Nuances 304, 316L et Duplex

Leur seuil critique de chlorures est 10 à 20 fois supérieur à l'acier noir.
Austénitique (304, 316) : Standard. Le 316 (avec Molybdène) est requis en bord de mer.
Duplex (2205) : Structure austéno-ferritique. Résistance mécanique et chimique supérieure. Utilisé pour les ouvrages critiques (ponts, barrages) visant 100 ans de durée de vie.

9. Modélisation Prédictive

9.1 Le Modèle de Tuutti (1982)

Modèle conceptuel universel divisant la vie en deux phases :
\( t_{\text{initiation}} \) : Temps pour que le front agressif atteigne l'armature. Phase de conception.
\( t_{\text{propagation}} \) : Temps entre le début de la corrosion et l'atteinte d'un état limite (fissuration, chute de résistance). Phase de gestion.
La durée de vie totale est \( t_{\text{vie}} = t_{\text{ini}} + t_{\text{prop}} \).

9.2 Lois de Diffusion (Fick)

Pour les chlorures, on utilise la solution analytique de la 2ème loi de Fick (milieu semi-infini) : \[ C(x,t) = C_{\text{s}} \left[ 1 - \text{erf}\left( \frac{x}{2\sqrt{D_{\text{app}} \cdot t}} \right) \right] \]
Avec \( C_{\text{s}} \) la concentration de surface, \( D_{\text{app}} \) le coefficient de diffusion, et \( x \) la profondeur.

9.3 Approche Probabiliste (DuraCrete)

L'approche déterministe est remplacée par une approche fiabiliste (Full Probabilistic). Chaque paramètre (\( C_{\text{s}} \), \( D \), épaisseur d'enrobage) est défini par une loi statistique (Normale, Log-Normale). On calcule l'indice de fiabilité \( \beta \) par méthode de Monte-Carlo pour garantir que la probabilité de dépassivation reste inférieure à une cible (ex: 10% sur 50 ans).

10. Monitoring Structurel (SHM)

L'installation de capteurs à demeure permet de passer d'une maintenance curative à prédictive.

• Électrodes Ag/AgCl ou MnO2 : Mesure stable du potentiel dans le temps.
• Sondes à échelles (Anodes Ladder) : Barreaux d'acier placés à différentes profondeurs (ex: 10, 20, 30, 40mm). Ils se corrodent séquentiellement, alertant de l'avancée du front de chlorures avant qu'il n'atteigne l'armature principale.
• Mesure de macro-cellules : Quantification du courant de corrosion en temps réel.

11. Guide de Prévention par Milieu

12. Pathologies Spécifiques

12.1 Corrosion Galvanique (Bimétallisme)

Contact direct entre métaux de potentiels différents. L'acier (\( E \approx -0.6V \)) couplé à l'acier Inox (\( E \approx -0.2V \)) peut se corroder. Cependant, dans le béton, l'inox est un piètre catalyseur cathodique. Le couplage est toléré si le ratio surface anodique/cathodique est favorable (petites vis inox sur grande plaque acier = OK ; Grande plaque inox sur vis acier = DANGER).

12.2 Corrosion par Courants Vagabonds

Courants continus (DC) fuyant des rails de tramway ou de protection cathodique voisine. Le courant entre dans le béton (zone cathodique protégée) et en ressort pour retourner à sa source. Au point de sortie, l'acier se dissout violemment selon la loi de Faraday (9 kg d'acier perdu par Ampère-an). Nécessite une isolation électrique parfaite des rails.

13. Analyse Économique (LCC)

Le Life Cycle Cost Analysis (LCCA) compare les options sur la durée totale (CAPEX + OPEX).
Scénario A (Standard) : Construction peu chère + Réparations majeures tous les 15 ans + Arrêts d'exploitation.
Scénario B (Durable) : Construction chère (Inox/BHP) + Maintenance minime.
Avec un taux d'actualisation faible, le scénario B est quasi-systématiquement gagnant pour les infrastructures critiques.

14. Cadre Normatif International

15. Glossaire Technique

16. Conclusion & Innovations

La maîtrise de la corrosion est passée d'un art empirique à une science prédictive. Les défis actuels portent sur :
Bétons auto-cicatrisants : Inclusion de bactéries ou capsules polymères libérant des agents colmatants lors de la fissuration.
Inhibiteurs verts : Recherche de molécules biosourcées (extraits végétaux) pour remplacer les nitrites toxiques.
Armatures Composites (PRV/PRC) : Remplacement total de l'acier par des fibres de verre ou carbone, éliminant radicalement le risque de corrosion (mais posant d'autres défis de dimensionnement).