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Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 20 12
Florian Auder
F. AUDER, L. GAILLET, T. CHAUSSADENT, V. BOUTEILLER : IFSTTAR
J.P. BALAYSSAC : LMDE Toulouse
09/05/12
Fragilisation par hydrogène des armatures de précontrainte en présence d'une protection
électrochimique : étude des paramètres influents
Sourdun
Mercredi 9 et Jeudi 10 mai
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 20 12
Florian Auder
Sommaire
• Contexte
• Méthodes de protection électrochimiques
• Fragilisation par hydrogène
• Objectifs et paramètres étudiés
• Paramètres étudiés
• Essais en solution sans contrainte mécanique
• Essais en solution sous contrainte
• Conclusion
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 20 12
Florian Auder
Contexte
Ouvrages en béton précontraint avec
armatures passives corrodées
Nécessité de ralentir ou stopper le
phénomène de corrosion
Utilisation de techniques de protection électrochimique sur armatures passives
Liaisons électriques entre armatures passives et
actives
Traitement se propage sur le réseau d’armatures
actives
Problématique : La présence de protection électrochimique sur
armatures de précontrainte générant une production d’hydrogène, peut elle
entraîner une fragilisation par hydrogène?
Production d'hydrogène en
surface de l'acier
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Méthodes de protection électrochimique
Protection cathodique
- Abaissement du potentiel de l’acier jusqu’à un niv eau permettant de ralentir ou stopper la corrosion
- Densité de courant : <20mA/m²
Déchloruration
- Extraire les chlorures depuis l’armatures vers l’e xtérieur du parement béton- Densité de courant : 1 à 4A/m²
Réalcalinisation
- Augmenter le pH du béton autour de l’armature- Densité de courant : 1 à 4A/m²
Bouteiller V.
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Fragilisation par hydrogène
Sources d’hydrogène :
-Formation de l’hydrogène par réaction de corrosion
-Formation de l’hydrogène par polarisation cathodique
Processus d’absorption :
-Adsorption à la surface de l’acier : H+ + e- → Hads
Recombinaison et dégagement sous forme gazeuse : Hads + Hads → H2(g) (1-ɛ) ; ɛ<<1Ou pénétration dans le métal : M + Hads → Habs ɛ
Accumulation dans les zones les plus sollicités (pi égeage) ou diffusion.
Contrainte + Hydrogène ==> Dégradation par fragilis ation selon différents mécanismes (décohésion, interactions hyd rogène-dislocations)
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Objectifs et paramètres étudiés
• Objectifs :
• Paramètres étudiés :
Reproduire en laboratoire l’application d’un traitement électrochimique de protection contre la corrosion sur ouvrage en béton précontraint afin de déterminer les conditions de développement du phénomène de fragilisation par hydrogène
- Densité de courant appliquée
- L’environnement autour de l’armature de précontrainte (solution synthétique)
- L’état de surface de l’armature de précontrainte
- La contrainte mécanique appliquée sur l’armature
- La durée de traitement
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Paramètres étudiés
• Environnement et état de surface de l’armatureDifférents états de dégradations du milieu cimentai re autour de l’armature de précontrainte entraineront différents états de s urface de l’acier :
- Milieu sain
- Milieu chloruré- Milieu carbonaté - Milieu carbonaté et chloruré
Acier non corrodé
Acier corrodé
Equivalence pour les essais : Utilisation de soluti on électrolytiques simulant la solution interstitielle du béton
+ ajout d’un anti-recombinant de l'hydrogène = thiocyanate
d’ammonium (NH4SCN)
Solution pH Béton
1 ≈ 13 sain
2 ≈ 13 chloruré
3 ≈ 8 carbonaté
4 ≈ 8 carbonaté chloruré
5 ≈ 8 carbonaté chloruré + poison
Favorise la pénétration d’hydrogène dans l’acier
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Paramètres étudiés
• Densité de courant appliquéeDeux états possibles pour chaque traitement électr ochimique en
fonction de la densité de courant
Protection normale : la densité de courant ne dépasse pas les valeurs recommandées
J < 20 mA/m²
J < 4 A/m²
J < 4 A/m²
Protection cathodique
Déchloruration
Réalcalinisation
Surprotection : la densité de courant dépasse les valeurs recommandées
J > 20 mA/m²
J > 4 A/m²
J > 4 A/m²
Densités de courant étudiées :
0.01 A/m²
0.1 A/m²
1 A/m²
4 A/m²
20 A/m²
100 A/m²
500 A/m²
1000 A/m²
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Essais en solution sans contrainte mécanique
• Déroulement d’un essai :
Montage trois électrode
Utilisation d’un potentiostat en mode chronopotentiométrie pour
l’application du courant
2 Analyse hydrogène
Détermination de la quantité d’hydrogène absorbée p ar l’acier à l’issue de la polarisation cathodique
1 Polarisation cathodique de l’acier pendant une du rée déterminée
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Essais en solution sans contrainte mécanique
• Influence du temps de chargement Objectif : déterminer la limite d’absorption de l’acier en hydrogène
Conditions expérimentales :
- Solution 5 : carbonaté, chloruré + thiocyanate
- J = 500A/m²
Saturation de la quantité d’hydrogène dans l’acier après 15h de chargement
Traitements longue durée ne favorisent pas l’absorption d’hydrogène
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Essais en solution sans contrainte mécanique
• Influence de la solution et de la densité de courant
Durée des essais : 24h
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Essais en solution sans contrainte mécanique
• Etude de faciès de rupture après traction
Echantillon de référence- Rupture ductile- Forte striction
Echantillon chargé à 500A/m² pendant 24h en solution 5 (NH4SCN)- Rupture semi-fragile- Faible striction
Comportement ductile à semi-fragile ==> Influence de l'hydrogène absorbé
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Essais en solution sous contrainte
• Déroulement des essais
1 Mise en tension de l’acier à 80% de Rm
2 Polarisation cathodique de l’acier pendant une du rée déterminée (si pas de rupture spontanée)
3 Si pas de rupture spontanée : essai de traction e t analyse hydrogène
4 Analyse des faciès de rupture
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Essais en solution sous contrainte
• Influence de la solution
Etat de surface Solution J (A/m²) Durée (sem) H (ppm)
Essai A non corrodé 4 500 1 2,6
Essai B non corrodé 5 500 Rupture en 1h -
Ajout de NH 4SCN ���� nuit fortement à l’intégrité de l’acier
Essai A après traction Essai B après rupture
Striction et amorce au centre �faciès ductile, pas de fragilisation
Pas de striction et de nombreuses fissures en surface � fragilisation de l’acier
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Essais en solution sous contrainte
• Influence de l’état de surface
Etat de surface Solution J (A/m²) Durée (sem) H (ppm)
Essai A non corrodé 4 500 1 2,6
Essai B corrodé 4 500 1 1.5
Essai A après traction Essai B après traction
La présence de piqures en surface de l’acier n'infl uence pas l'absorption d'hydrogène et donc le type de rupture .
Striction et amorce au centre � faciès ductile, pas de fragilisation
Striction et amorce au centre. Faciès accidenté en raison de la corrosion initiale �pas de fragilisation
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Essais en solution sous contrainte
• Influence de la densité de courant imposée
Etat de surface Solution J (A/m²) Durée (sem) H (ppm)
Essai A corrodé 4 4 1 1.2
Essai B corrodé 4 500 1 1.5
Essai A après traction Essai B après traction
Aucune influence de la densité de courant sur l’int égrité de l’acier
Striction et amorce au centre � faciès ductile, pas de fragilisation
Striction et amorce au centre. Faciès accidenté en raison de la corrosion initiale �pas de fragilisation
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Conclusions
• Essais sans contrainte
• Essais sous contrainte
- Phénomène de saturation en hydrogène de l’acier (re mplissage des sites interstitiels/pièges)
- Faible absorption d’hydrogène en condition de prote ction normale
- En surprotection, la quantité d’hydrogène absorbée est complexe, mais atteint des valeurs élevées dans plusieurs conditio ns
- Le chargement en présence de NH 4SCN fragilise l’acier, comme attendu
- La fragilisation est mise en évidence dans le seul cas d’un chargement en présence de NH 4SCN
- Dans les autres cas, ni la surprotection, ni la pré sence de piqûres ne semblent engendrer une quelconque FpH. Les essais o nt tous été menés au bout de la durée fixée
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Florian Auder
Merci pour votre attention