Études exploratoires dédiées au diagnostic de corrosion assisté par ordinateur des structures de génie civil

Exploratory studies dedicated to computer-assisted corrosion diagnosis of civil engineering structures

• Auteur / Autrice : David Garcia
• Direction : Erick Ringot, Stéphane Laurens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chlorures

Corrosion

Acier

Mots clés libres

Diagnostic assisté par ordinateur

Modélisation multi-physique

Jumeau numérique

Corrosion de l'acier dans le béton

Corrosion initié par les chlorures

Courant vagabond

Computer Assisted Diagnosis

Multiphysics Modeling

Digital Twin

Corrosion of steel in concrete

Chloride-induced corrosion

Stray current

Résumé

La thèse "Études exploratoires dédiées au diagnostic de corrosion assisté par ordinateur des structures de génie civil" traite de la phénoménologie et de la modélisation de la corrosion de l'acier de construction. Le poids sécuritaire, sociétal, environnemental du vieillissement des infrastructures fait de ce thème un enjeu économique majeur de développement de tout pays. Les développements proposés portent principalement sur la corrosion des armatures dans le béton armé. La corrosion des structures métalliques enterrées est également adressée concernant les problématiques relatives aux couplages galvaniques induits par l'hétérogénéité des sols et aux courants vagabonds. Les méthodes d'investigation usuelles (mesures de potentiel des aciers, de résistivité du béton ou de résistance de polarisation), jointes à des hypothèses empiriques consacrées par l'usage, conduisent à des interprétations souvent incertaines ou n'ayant qu'une valeur qualitative. L'ambition de cette thèse, motivée par les enjeux évoqués, est de montrer comment une meilleure compréhension de la physique de la corrosion, conjuguée à la puissance du calcul aux éléments finis, permet de construire des modèles élaborés et robustes, utiles pour poser un diagnostic et/ou un pronostic quantifié et fiable. La thèse est abondamment illustrée par des études de cas réels ou numériques et étayée par des essais originaux conduits en laboratoire. Afin d'améliorer la compréhension des phénomènes prévalant dans le processus de corrosion, les concepts-clés de thermodynamique et de cinétique électrochimique sont rappelés et contextualisés. L'assemblage de différentes lois physiques, chimiques et électrochimiques permet d'élaborer une approche de modélisation avancée, intégrant notamment la diffusion du dioxygène jusqu'aux armatures en contexte insaturé, mais aussi la production et la précipitation des produits de la corrosion et leur influence sur l'équilibre dynamique d'un système de corrosion. Cette approche de modélisation, nécessairement tridimensionnelle ou a minima bidimensionnelle, donne lieu à une transcription dans un code de calcul par éléments finis. Elle est appliquée dans un premier temps à l'étude numérique d'un premier cas typique de corrosion : pile en béton armé partiellement immergée en mer. L'influence du rôle du dioxygène (disponibilité et diffusion) sur la cinétique de dissolution de l'acier et sur la nature des produits de corrosion formés est notamment étudiée. Afin d'illustrer l'apport effectif de la modélisation 3D dans le processus de diagnostic de la corrosion, une étude de cas réelle est proposée concernant un ouvrage métallique enterré, en l'occurrence des palplanches servant au soutènement des culées d'un passage supérieur d'autoroute, situées à proximité d'une conduite enterrée sous protection cathodique. Des mesures effectuées in-situ mais aussi en laboratoire à partir d'échantillons judicieusement choisis, permettent d'alimenter le modèle de calcul. Le modèle numérique ainsi construit, qualifié de jumeau numérique, permet de mettre en évidence l'existence de courants vagabonds circulant dans la structure, mais également le risque de corrosion galvanique induit par l'hétérogénéité du sol. Le jumeau numérique électrochimique constitue alors un outil puissant pour estimer la cinétique et le faciès de corrosion de l'ouvrage et poser un pronostic en termes de durée de vie. [...]

The PhD thesis "Exploratory studies dedicated to computer-assisted corrosion diagnosis of civil engineering structures" deals with the phenomenology and modeling of corrosion of structural steel. The safety, societal and environmental impact of aging infrastructures makes this theme a major economic issue for the development of any country. The proposed developments focus mainly on the corrosion of reinforcements in reinforced concrete. The corrosion of buried metallic structures is also addressed concerning the problems related to galvanic couplings induced by the heterogeneity of soils and stray currents. The usual methods of investigation (measurements of steel potential, concrete resistivity or polarization resistance), combined with empirical hypotheses established by experience, lead to interpretations that are often uncertain or have only a qualitative value. The ambition of this thesis, motivated by the issues at stake, is to show how a better understanding of the physics of corrosion, combined with the power of finite element calculation, allows the construction of elaborate and robust models, useful for a quantified and reliable diagnosis and/or prognosis. The thesis is abundantly illustrated by real or numerical case studies and supported by original laboratory tests. In order to improve the understanding of the phenomena prevailing in the corrosion process, the key concepts of thermodynamics and electrochemical kinetics are recalled and contextualized. The assembly of different physical, chemical and electrochemical laws allows the elaboration of an advanced modeling approach, integrating in particular the diffusion of oxygen to the reinforcement in an unsaturated context, but also the production and precipitation of corrosion products and their influence on the dynamic equilibrium of a corrosion system. This modeling approach, necessarily three-dimensional or at least two-dimensional, gives rise to a transcription in a finite element calculation code. It is first applied to the numerical study of a first typical case of corrosion: a reinforced concrete pile partially submerged in the sea. The influence of the role of oxygen (availability and diffusion) on the dissolution kinetics of the steel and on the nature of the corrosion products formed is studied in particular. In order to illustrate the effective contribution of 3D modeling in the process of corrosion diagnosis, a real case study is proposed concerning a buried steel structure, in this case sheet piles used to support the abutments of a freeway overpass, located near a pipe buried under cathodic protection. Measurements carried out in-situ but also in the laboratory from judiciously chosen samples are used to feed the calculation model. The numerical model thus constructed, qualified as a digital twin, makes it possible to highlight the existence of stray currents circulating in the structure, but also the risk of galvanic corrosion induced by the heterogeneity of the soil. The electrochemical digital twin is then a powerful tool for estimating the kinetics and the corrosion facies of the structure and making a prognosis in terms of service life. Within a concrete structure, the presence of chlorides is associated with various effects, notably associated with the local electric field. If this phenomenon is ignored, the interpretation of field data, for example potential maps, can lead to a biased diagnosis. This thesis addresses the question of corrosion initiation.[...]