Caractérisation électrochimique, microstructurale et minéralogique de l'interface acier-béton dans le béton à base de liants bas CO2

Electrochemical, Microstructural, and Mineralogical Characteristics of Steel-Concrete Interface of Steel Embedded in Concrete with Low Carbon Binders

• Auteur / Autrice : Ananya Ajayan
• Direction : Alexandra Bertron
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Inscription en doctorat le 15/05/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• 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
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)

Mots clés

Mots clés libres

Corrosion

Béton bas-CO2

Durabilité

Microstructure

Durability

Low-CO2 concrete

Corrosion

Microstructure

Résumé

La corrosion des armatures est l'un des principaux mécanismes de détérioration des structures en béton armé (BA). Le rapport d'impact NACE (2016) indique que le coût mondial de la corrosion (CoC) s'élève à ≈4 % du PIB mondial. De plus, de nombreux problèmes de corrosion et réparations associées des systèmes BA ne sont pas signalés. Par conséquent, le CoC peut être nettement supérieur à l'estimation actuelle. Il est donc essentiel d'améliorer la durée de vie des structures BA. La durée de vie des structures en béton armé exposées aux chlorures et au dioxyde de carbone comporte trois phases, à savoir la phase d'initiation de la corrosion, la phase de propagation et la phase de réparation. La phase d'initiation de la corrosion est la plus longue et peut durer plus de 100 ans. Les stratégies suivantes sont adaptées pour favoriser la phase d'initiation de la corrosion : utilisation d'épaisseurs d'enrobage du béton importantes, des bétons à plus faible coefficient de diffusion grâce à l'utilisation d'un faible rapport eau/liant, un compactage renforcé des phases granulaires, le remplacement du ciment par des additions cimentaires (SCM), l'utilisation d'aciers résistants à la corrosion, etc. Cependant, il est rapporté qu'environ 50 % des structures dont la durée de vie prévue est de 100 ans sont réparées dans les 10 ans suivant la construction. Cela indique que la durée de vie cible sans corrosion n'est pas atteinte comme prévu, probablement en raison du manque d'informations sur les caractéristiques de corrosion de l'interface acier-béton (SCI), en particulier lorsque des armatures en acier innovant et des liants bas CO2 sont utilisés. Par exemple, le remplacement partiel du ciment Portland (PC) par des SCM est largement accepté pour améliorer la qualité du béton et augmenter la durée de vie des structures RC. Des études récentes indiquent que le SCI du béton avec laitier est significativement différent et plus complexe que le SCI des systèmes conventionnels. Par exemple, les sulfures et les thiosulfates des laitiers peuvent altérer la passivation de l'acier en raison du manque d'oxygène à l'interface acier-béton, ce qui entraîne une réduction du seuil critique de chlorure (Clth) et une faible résistance à la corrosion de l'acier dans les systèmes basés sur le GGBFS. Des problèmes similaires ont été observés dans le cas d'autres liants bas carbone (LCB). Nos recherches préliminaires indiquent que la détection de l'initiation de la corrosion dans de tels systèmes à l'aide de méthodes de test conventionnelles peut conduire à une détection de l'initiation de la corrosion faussée en raison d'autres réactions électrochimiques en cours. De plus, il a été constaté qu'un durcissement de 28 jours n'est pas suffisant pour obtenir une passivation stable de l'acier dans de tels systèmes. Un durcissement prolongé est donc recommandé, ce qui est difficile à réaliser sur les chantiers de construction. Il est à noter que même sans comprendre la réponse électrochimique de l'acier dans des conditions de « service » (telles qu'une grande couverture de béton, un acier soumis à des contraintes, une concentration d'humidité relative et d'oxygène au SCI, etc.), de nombreuses structures sont construites en utilisant un tel LCB, même à 50-75 % de remplacement du PC par des LCB. Ainsi, l'ambition du projet est de développer un protocole d'essai pour évaluer les caractéristiques de corrosion (c'est-à-dire l'initiation de la corrosion et la vitesse de corrosion) de l'acier dans divers LCB et d'étudier l'effet de diverses conditions de « service » sur les caractéristiques électrochimiques, microstructurales et minéralogiques de l'acier. Le projet vise également à émettre des recommandations pour l'amélioration de la durabilité des structures RC existantes et nouvelles avec de tels LCB.

Corrosion of reinforcement is one of the major deterioration mechanisms in reinforced concrete (RC) structures. NACE Impact Report (2016) states that the global cost of corrosion (CoC) is ≈4% of global GDP. Additionally, many corrosion issues and related repairs of RC systems are not reported. Therefore, the CoC can be significantly higher than the current estimate. Therefore, it is essential to enhance the service life of RC structures. The service life of reinforced concrete (RC) structures exposed to chlorides and carbon dioxide has three phases, namely, the corrosion initiation phase, propagation phase and repair phase. The corrosion initiation phase is the longest and can be designed for 100+ years. The following strategies are adapted to enhance the corrosion initiation phase: use of large concrete cover depths, concrete with a lower diffusion coefficient by using a low water-to-binder ratio, enhanced packing of the granular phases, replacement of cement by supplementary cementitious materials (SCMs), the use of corrosion-resistant steels, etc. However, it is reported that about 50% of structures with an anticipated service life of 100 years hit repair within 10 years from the time of construction. This indicates that the target corrosion-free service life is not realized as expected, probably because of the lack of information on the corrosion characteristics of the steel-concrete interface (SCI), especially when advanced steel reinforcement and cementitious binders are used. For example, a partial replacement of Portland cement (PC) with SCMs has gained wide acceptance to enhance the quality of concrete and increase the service life of RC structures. Recent studies indicate that the SCI for concrete with slag is significantly different and more complicated than the SCI in conventional systems. For example, sulphides and thiosulphates from slag can alter the passivation of steel due to lack of oxygen at the steel-concrete interface – leading to reduced critical chloride threshold (Clth) and low resistance to corrosion of steel in GGBFS-based systems. Similar issues were observed in the case of other low-carbon binders (LCB). Our preliminary research indicates that the detecting initiation of corrosion in such systems using conventional test methods can lead to false detection of the initiation of corrosion due to other ongoing electrochemical reactions. Additionally, it was found that curing for 28 days is not sufficient to achieve stable passivation of steel in such systems, therefore, prolonged curing is recommended, which is difficult to achieve on construction sites. Note that even without understanding the electrochemical response of steel in ‘service' conditions (such as large concrete cover, steel under stress, RH and oxygen concentration at SCI, etc.), many structures are built and are being built using such LCB, even at 50-75% replacement of PC with LCBs. Therefore, the ambition of the project is to develop a test protocol to assess corrosion characteristics (i.e., corrosion initiation and rate of corrosion) of steel in various LCBs and to investigate the effect of various ‘service' conditions on electrochemical, microstructural, and mineralogical characteristics of the SCI in such systems. Also, recommend ways to enhance the durability of existing and new RC structures with such LCBs.