Vers une conception plus robuste des systèmes de protection cathodique de l’acier dans le béton armé

Towards a more robust design of cathodic protection systems for steel in reinforced concrete

• Auteur / Autrice : Simon Deharo
• Direction : Raoul François, Stéphane Laurens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 19/05/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Jury : Président / Présidente : Karim Ait-Mokhtar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raoul François, Stéphane Laurens, Benoît Bissonnette, Stéphanie Bonnet, Carl Redon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Bissonnette, Stéphanie Bonnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton armé

Protection cathodique

Conception assistée par ordinateur

Mots clés libres

Conception Assistée par Ordinateur

Modélisation multiphysique

Jumeau numérique

Corrosion de l'acier dans le béton

Protection cathodique

Optimisation du dimensionnement

Computer Assisted Design

Multiphysics modeling

Digital Twin

Corrosion of steel in concrete

Cathodic protection

Design Optimisation

Résumé

La thèse « Vers une conception plus robuste des systèmes de protection cathodique de l’acier dans le béton armé » traite du dimensionnement et de la modélisation de la protection cathodique des structures en béton armé exposées à la corrosion. La prise de conscience des enjeux engendrés par le risque de corrosion a contribué au développement de la protection cathodique des ouvrages en béton armé afin de prévenir les risques associés ou prolonger la durée de vie des structures corrodées. Cependant, la conception de ces systèmes s’appuie sur des règles empiriques simples essentiellement basées sur un retour d’expérience issu d’autres environnements (terre, mer). Or, ces règles ne sont pas réellement étayées par une description physique détaillée des phénomènes mis en jeu.De nombreuses dispositions de conception telles que l'emplacement du système anodique sur la structure, sa zone d'influence, ou la surface d'acier supposée être protégée sont choisies de manière empirique. L’impact de l’environnement – en particulier des conditions climatiques – n’est pas intégré au dimensionnement. Par conséquent, l'approche actuelle de la conception de la protection cathodique ne permet pas une optimisation efficace du système. En effet, le béton armé est un matériau composite hétérogène multi-phases et les ouvrages construits à partir de ce matériau présentent des géométries très variées. La spatialité et les propriétés physiques de ces systèmes varient donc de manière importante : chaque structure est unique. Le dimensionnement des systèmes de protection cathodique représente alors un véritable problème en 3D.Dans ce contexte, une conception assistée par ordinateur (CAO) des systèmes de PC, basée sur la modélisation numérique 3D, est nécessaire pour prendre en compte les paramètres influents prédominants et proposer une offre de dimensionnement adaptatif et robuste. L’intégration des spécificités des ouvrages dans les simulations numériques nécessite plusieurs données d’entrée, dont la nature, les méthodes d’acquisition et l’implémentation sont présentées dans ce document. En particulier, l’impact de la température et du degré de saturation sur la cinétique de corrosion et de protection cathodique sont étudiés. Une revue des systèmes de protection cathodique usuels est réalisée, accompagnée d’une étude expérimentale en laboratoire destinée à mesurer leur comportement électrochimique.Afin d'illustrer l'apport effectif de la modélisation 3D dans le processus de conception de la protection cathodique, une étude de cas est proposée concernant une maquette à taille réelle, en l'occurrence un mur en béton armé de huit mètres carrés équipé d’un système de protection cathodique par courant galvanique surfacique. La structure, spécifiquement conçue pour cette étude, dispose d’une instrumentation électrochimique et climatique. Les données collectées sur site sont complétées par des analyses en laboratoire afin d'alimenter le modèle de calcul. Le modèle numérique ainsi construit, qualifié de jumeau numérique, permet d’évaluer le comportement du système de protection et d’étudier l’influence de l’environnement sur les phénomènes physiques à l’œuvre.La thèse apporte ainsi une contribution utile à l’adaptation de la conception des systèmes de protection cathodique de l’acier dans le béton armé. L'approche n'est pas seulement théorique puisque les lois gouvernant les phénomènes de corrosion et de protection cathodique sont implémentables dans un code de calcul par éléments finis multiphysique. Le bienfondé́ de la démarche est éprouvé́ par des études de cas réels et numériques et des expérimentations de laboratoire.

The thesis "Towards a more robust design of cathodic protection systems for steel in reinforced concrete" deals with the dimensioning and modelling of the cathodic protection of reinforced concrete structures exposed to corrosion. The awareness of the stakes generated by the risk of corrosion has contributed to the development of the cathodic protection of reinforced concrete structures in order to prevent the associated risks or to extend the service life of corroded constructions. However, the design of these systems is based on simple and empirical rules essentially based on feedback from other environments (soil, sea). However, these rules are not really supported by a detailed physical description of the phenomena involved.Many design dispositions such as the location of the anodic system on the structure, its zone of influence, or the steel surface supposed to be protected are chosen empirically. The impact of the environment - in particular climatic conditions - is not integrated into the design. Consequently, the current approach to the design of cathodic protection does not allow an efficient optimisation of the systems. Indeed, reinforced concrete is a heterogeneous multi-phase composite material and the structures built from it material have very varied geometries. The spatiality and the physical properties of these systems therefore vary significantly: each structure is unique. The dimensioning of cathodic protection systems therefore represents a real 3D problem.In this context, a computer-aided design (CAD) of the PC systems, based on 3D digital modelling, is necessary to take into account the predominant influential parameters and to propose an adaptive and robust dimensioning offer. The integration of the specificities of structures in numerical simulations requires several input data, whose nature, acquisition methods and implementation are presented in this document. In particular, the impact of temperature and degree of saturation on corrosion and cathodic protection kinetics are studied. A review of the usual cathodic protection systems is carried out, along with an experimental laboratory study intended to measure their electrochemical behaviour.In order to illustrate the effective contribution of 3D modelling in the design process of cathodic protection, a case study is proposed concerning a full-scale model, in this case an eight square metre reinforced concrete wall equipped with a sacrificial cathodic protection system. The structure, specifically designed for this study, features electrochemical and climatic instrumentation. The data collected on site is supplemented by laboratory analyses to provide input to the numerical simulations. The model thus constructed, described as a digital twin, makes it possible to evaluate the behaviour of the protection system and to study the influence of the environment on the ongoing physical phenomena.The thesis thus makes a useful contribution to the adaptation of the design of cathodic protection systems for steel in reinforced concrete. The approach is not only theoretical since the laws governing the phenomena of corrosion and cathodic protection can be implemented in a multiphysical finite element calculation code. The legitimate basis of the approach is proven by real and digital case studies and laboratory experiments.