Etude des phases d'initiation et de propagation de la corrosion induite par les chlorures dans les structures en béton armé

Study of the initiation and propagation phases of chloride induced corrosion in reinforced concrete structures

• Auteur / Autrice : Chantal Chalhoub
• Direction : Raoul François, Myriam Carcassès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 30/01/2020
• 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-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ueli Angst, Joost Gulikers, Mette Geiker, Lionel Linger, Philippe Turcry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie L'Hostis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrosion

Chlorures

Béton armé -- Fissuration

Mots clés libres

Chlorures

Corrosion induite par les chlorures

Corrosion par macro pil

Corrosion localisée

Béton armé

Chloride induced corrosion

Macrocell corrosion

Localized corrosion

Reinforced concrete

Critical chloride content

Résumé

Il est communément admis que la corrosion des aciers par les chlorures est la cause principale de la détérioration des structures en béton armé. L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'amélioration de la compréhension de la corrosion induite par les chlorures dans le béton pendant la phase de transition entre l'initiation et la propagation et pendant la phase de propagation de la corrosion. Traditionnellement, la corrosion induite par les chlorures est initiée lorsque la teneur en chlorure atteint une valeur critique appelée seuil critique en chlorure ou Ccrit. Malgré de nombreuses recherches dans ce domaine, il n'existe toujours pas d'accord sur une méthode précise pour la détermination de la valeur seuil initiant la corrosion. Le premier objectif de ce travail était de développer un nouveau montage expérimental prenant en compte le caractère localisé de la corrosion initiée par les chlorures. Cette approche se basait sur une séparation physique entre l'anode contaminée par des chlorures et la cathode sans chlorure. Le protocole expérimental permettra de quantifier le courant de corrosion galvanique, permettant ainsi de déterminer, dans un deuxième temps, les valeurs de seuils critiques en chlorure. Le critère d'initiation de la corrosion était un courant de corrosion seuil défini comme un courant indépendant du rapport de surface cathode/anode et, par la suite, indépendant de la surface de l'acier passif. Ce critère a été considéré comme un contrôle anodique de la corrosion pendant la phase de transition de la phase d'initiation à la phase de propagation. Ce protocole d'essai a été appliqué à des formulations de mortier et de béton avec plusieurs types de liants (ciment CEM I, ciment CEM III et CEM I avec fumée de silice), différents rapports eau/liant, incorporant des barres d'acier HA torsadés avec différentes conditions de surface d'acier (tels que reçus, nettoyés chimiquement et nettoyé chimiquement puis oxydé avec humidité ou à haute température). Il a été constaté que le protocole expérimental est rapide et applicable à toutes les formulations. Les résultats expérimentaux permettent de comprendre l'influence du type de liant, du rapport E/L et de la porosité sur la sensibilité de l'acier à l'initiation de la corrosion induite par les chlorures. Il a été constaté que l'état de la surface de l'acier avait un effet global important sur l'initiation de la corrosion, mais cet effet dépend du type de liant utilisé. Plusieurs études de la littérature ont considéré que le déclenchement de la corrosion induite par les chlorures est sous contrôle anodique, ce qui pourrait signifier que la corrosion est contrôlée par les paramètres électrochimiques de l'acier. Les paramètres de l'acier passif peuvent être directement dérivés des mesures expérimentales grâce à l'état passif uniforme des barres d'armature. Cependant, en raison de la nature non uniforme de la corrosion induite par les chlorures dans le béton, il n'est pas possible d'obtenir expérimentalement de l'acier uniformément actif. Dans cette thèse, la détermination des propriétés électrochimiques de l'acier actif a été réalisée sur la base d'une modélisation numérique inverse se concentrant sur la dépendance de ces propriétés vis-à-vis de la contamination par les chlorures. Toutes les observations expérimentales associées à l'approche de modélisation numérique ont mis en évidence la dépendance des propriétés électrochimiques de l'acier actif sur la teneur en chlorure. Lorsqu'il s'agit de la corrosion par macro pile, il est crucial de prendre en compte la géométrie et la taille de la structure, y compris la distance mobilisable cathode-anode et le rapport surfacique cathode/anode. Dans ce travail, la distance mobilisable cathode-anode a été étudiée.

It is commonly accepted that chloride-induced corrosion of steel is one of the most documented causes leading to the deterioration of reinforced concrete structures. The Ph.D. study aimed at the improvement of the understanding of chloride-induced corrosion in concrete during the transition phase between initiation and propagation and during the corrosion propagation phase. Traditionally, chloride-induced corrosion is initiated when the chloride content reaches a threshold value called critical chloride content or Ccrit. In spite of much research invested in this domain, there is still no agreement on an accurate method for the determination of the chloride threshold value initiating corrosion. The first objective of this work was to develop a new test set-up that considers the localized character of corrosion initiated by chlorides. This approach was based on a physical separation between the anode, contaminated with chlorides, and the cathode, which is chloride free. The experimental protocol will allow quantifying the galvanic corrosion current, making it possible to determine, in a second step, the chloride threshold values for corrosion initiation. The criterion for corrosion initiation was a threshold corrosion current defined as a current that is independent of the cathode/anode surface ratio and subsequently independent of the area of passive steel. This criterion was considered as an anodic control of corrosion during the transition stage from the initiation phase to the propagation phase. This test protocol was applied to mortar and concrete formulations with several types of binders (CEM I cement, CEM III cement and CEM I with silica fume) with different water/binder ratios embedding ribbed steel bars with different steel surface conditions (as received, chemically cleaned, chemically cleaned than oxidized with humidity or high temperature). It was found that the test protocol is rapid and applicable to all formulations. The experimental results provide an understanding of the influence of binder type, w/b ratio and porosity on the susceptibility of steel to chloride-induced corrosion initiation. The steel surface condition was found to have an important overall effect on corrosion initiation but this effect is dependent on the type of binder used. Several literature studies considered that chloride-induced corrosion initiation is under anodic control which could mean that corrosion is controlled by the electrochemical parameters of steel. The parameters of passive steel can be directly derived from experimental measurements owing to the uniform passive state of rebars. However, because of the non-uniform nature of chloride-induced corrosion in concrete, it is not possible to experimentally obtain uniformly active steel. In this thesis, the determination of the electrochemical properties of active steel was achieved based on inverse numerical modeling focusing on the dependence of these properties on chloride contamination. All the experimental observations coupled with the numerical modeling approach highlighted the dependency of the electrochemical properties of active steel on chloride content. When dealing with macrocell corrosion, it is crucial to consider the geometry and size of the structure, including the mobilizable cathode-anode distance and the cathode to anode surface ratio.