Études de cas pratique

EGC

Analyse des Causes de la Corrosion des Armatures

Analyse de la Corrosion des Armatures dans le Béton

Analyse des Causes de la Corrosion des Armatures

Comprendre la Corrosion des Armatures

La corrosion des armatures est la principale pathologie affectant la durabilité des ouvrages en béton armé. Naturellement, l'acier est protégé de la corrosion par une fine couche passive qui se forme à sa surface grâce au pH très élevé (supérieur à 12.5) de la solution interstitielle du béton. Cependant, cette protection peut être détruite par deux mécanismes principaux : la carbonatation du béton ou la pénétration d'ions chlorure (Cl⁻). L'analyse de ces phénomènes est cruciale pour prédire la durée de vie des structures et planifier leur maintenance. Cet exercice vise à évaluer le risque de corrosion pour une structure donnée en analysant ces deux mécanismes.

Données de l'étude

On analyse un poteau en béton armé situé en bord de mer après 20 ans de service.

Caractéristiques de la structure et de l'environnement :

  • Classe du béton : C30/37
  • Enrobage des armatures : \(c = 30 \, \text{mm}\)
  • Âge de la structure : \(t = 20 \, \text{ans}\)
  • Mesures sur site :
    • Concentration en chlorures à la profondeur des armatures : \( [Cl^-] = 0.5\% \) du poids du ciment.
    • Profondeur de carbonatation mesurée : \(x_c = 12 \, \text{mm}\).

Données et seuils critiques (Eurocode) :

  • Coefficient de carbonatation pour ce type d'environnement : \(K_c = 4 \, \text{mm/an}^{0.5}\).
  • Seuil critique de chlorures pour le déclenchement de la corrosion : \( [Cl^-]_{\text{crit}} = 0.4\% \) du poids du ciment.
Schéma : Mécanismes de Dépassivation de l'Acier
CO₂ xc 1. Carbonatation Cl⁻ 2. Chlorures

Les deux principaux agents, le CO₂ et les ions chlorure, pénètrent dans le béton et peuvent atteindre l'armature, provoquant sa corrosion.

Questions à traiter

  1. Expliquer brièvement le rôle de la couche de passivation et pourquoi un pH élevé est nécessaire pour la maintenir.
  2. Calculer la profondeur de carbonatation théorique (\(x_{\text{c,calc}}\)) après 20 ans en utilisant le coefficient de carbonatation.
  3. Comparer la profondeur de carbonatation théorique (\(x_{\text{c,calc}}\)) à l'enrobage (\(c\)). Le front de carbonatation a-t-il atteint les armatures ?
  4. Comparer la concentration en chlorures mesurée (\([Cl^-]\)) au seuil critique (\([Cl^-]_{\text{crit}}\)). Y a-t-il un risque de corrosion par les chlorures ?
  5. Sur la base de vos calculs, quel est le mécanisme de corrosion le plus probable (ou le premier à se déclencher) dans ce cas ? Justifiez votre réponse.

Correction : Analyse de la Corrosion

Question 1 : Rôle de la Couche de Passivation

Principe :

La protection naturelle de l'acier dans le béton est due à la formation d'une très fine couche d'oxydes de fer (principalement \(\text{Fe}_2\text{O}_3\) et \(\text{Fe}_3\text{O}_4\)), appelée "couche de passivation". Cette couche est stable et imperméable uniquement dans un milieu très alcalin, caractérisé par un pH supérieur à 12.5. Ce pH élevé est assuré par la présence d'hydroxyde de calcium (\(\text{Ca}(\text{OH})_2\)) dans la pâte de ciment hydratée. Cette couche passive isole l'acier de l'oxygène et de l'eau, empêchant ainsi les réactions électrochimiques de la corrosion de se produire.

Résultat Question 1 : La couche passive est une barrière protectrice d'oxydes qui nécessite le pH élevé du béton pour rester stable et empêcher la corrosion.

Question 2 : Profondeur de Carbonatation Théorique (\(x_{\text{c,calc}}\))

Principe :

La progression de la carbonatation dans le béton est souvent modélisée par une loi simplifiée en racine carrée du temps. La profondeur de carbonatation (\(x_c\)) est proportionnelle à la racine carrée du temps (\(t\)), où la constante de proportionnalité (\(K_c\)) dépend de la qualité du béton et des conditions environnementales.

Formule(s) utilisée(s) :
\[x_{\text{c,calc}}(t) = K_c \cdot \sqrt{t}\]
Calcul :
\[ \begin{aligned} x_{\text{c,calc}} &= 4 \, \frac{\text{mm}}{\text{an}^{0.5}} \times \sqrt{20 \, \text{ans}} \\ &= 4 \times 4.472 \, \text{mm} \\ &\approx 17.89 \, \text{mm} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La profondeur de carbonatation théorique après 20 ans est \(x_{\text{c,calc}} \approx 17.9 \, \text{mm}\).

Question 3 : Comparaison de la Carbonatation à l'Enrobage

Principe :

La corrosion par carbonatation ne peut commencer que si le front de carbonatation, où le pH a chuté, atteint la surface des armatures en acier. On compare donc la profondeur de carbonatation calculée (\(x_{\text{c,calc}}\)) à l'épaisseur d'enrobage (\(c\)).

Comparaison :
\[ x_{\text{c,calc}} (17.9 \, \text{mm}) < c (30 \, \text{mm}) \]

La profondeur de carbonatation calculée est inférieure à l'enrobage des armatures.

Résultat Question 3 : Non, le front de carbonatation n'a pas encore atteint les armatures. La corrosion par carbonatation seule n'est donc pas encore initiée.

Question 4 : Risque de Corrosion par les Chlorures

Principe :

Les ions chlorure, même à pH élevé, peuvent rompre localement la couche de passivation et initier une corrosion par piqûres, très agressive. La corrosion se déclenche lorsque la concentration en chlorures à la surface de l'acier dépasse un seuil critique.

Comparaison :
\[ [Cl^-] (0.5\%) > [Cl^-]_{\text{crit}} (0.4\%) \]

La concentration en chlorures mesurée à la profondeur des armatures est supérieure au seuil critique admis.

Résultat Question 4 : Oui, il y a un risque élevé et immédiat de corrosion due à la pénétration des ions chlorure.

Question 5 : Mécanisme de Corrosion Dominant

Principe :

En comparant les conclusions des questions 3 et 4, on peut déterminer quel mécanisme est responsable du déclenchement de la corrosion dans cette situation spécifique.

Justification :
  • L'analyse de la carbonatation montre que le front carbonaté n'a pas encore atteint les armatures (\(17.9 \, \text{mm} < 30 \, \text{mm}\)). La protection due au pH élevé est donc toujours active vis-à-vis de ce mécanisme.
  • L'analyse des chlorures montre que la concentration critique à la surface de l'acier est dépassée (\(0.5\% > 0.4\%\)). Ce seuil étant atteint, la couche de passivation est rompue localement, initiant la corrosion.
Résultat Question 5 : Le mécanisme le plus probable est la corrosion par les ions chlorure. Même si le béton n'est pas encore totalement carbonaté à la profondeur des aciers, la concentration en chlorures est suffisante pour initier la corrosion.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances

1. La carbonatation du béton provoque une...

2. Pourquoi la corrosion par chlorures est-elle considérée comme particulièrement dangereuse ?

3. Quelle est la meilleure défense contre la corrosion des armatures lors de la conception ?

Glossaire

Passivation
État d'un métal (ici, l'acier) dans lequel sa surface est recouverte d'une fine couche protectrice (couche passive) qui le rend très résistant à la corrosion dans un environnement donné (ici, le béton sain).
Dépassivation
Rupture ou destruction de la couche de passivation, qui expose le métal à l'environnement et permet le déclenchement de la corrosion.
Carbonatation
Réaction chimique entre le dioxyde de carbone (CO₂) de l'air et l'hydroxyde de calcium (\(\text{Ca}(\text{OH})_2\)) du béton. Cette réaction consomme l'alcalinité du béton et fait chuter son pH, provoquant la dépassivation.
Attaque par Chlorures
Processus par lequel les ions chlorure (Cl⁻), provenant de sels de déverglaçage ou d'un environnement marin, pénètrent dans le béton et attaquent localement la couche passive, même si le pH est encore élevé.
Enrobage (\(c\))
Épaisseur de béton recouvrant l'armature la plus proche de la surface. C'est la première ligne de défense physique contre la pénétration des agents agressifs.
Analyse de la Corrosion - Exercice d'Application

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