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Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012




              Fragilisation par hydrogène des armatures de
               précontrainte en présence d'une protection
            électrochimique : étude des paramètres influents


                                                 Sourdun
                                         Mercredi 9 et Jeudi 10 mai

         F. AUDER, L. GAILLET, T.
         CHAUSSADENT, V. BOUTEILLER :
         IFSTTAR

         J.P. BALAYSSAC : LMDE Toulouse

         09/05/12



Florian Auder
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012




     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




Florian Auder
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012




     Contexte

         Ouvrages en béton                                 Problématique : La présence de
          précontraint avec                                protection électrochimique sur
         armatures passives                              armatures de précontrainte générant
             corrodées                                  une production d’hydrogène, peut elle
                                                            entraîner une fragilisation par
                                                                     hydrogène?

        Nécessité de ralentir
           ou stopper le
          phénomène de                                Production           Traitement se propage sur
            corrosion                               d'hydrogène en           le réseau d’armatures
                                                   surface de l'acier                actives



                                                                           Liaisons électriques entre
           Utilisation de techniques de protection                           armatures passives et
          électrochimique sur armatures passives                                    actives




Florian Auder
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012



     Méthodes de protection
     électrochimique
                                                 Protection cathodique

              - Abaissement du potentiel de l’acier jusqu’à un niveau permettant de ralentir
                                        ou stopper la corrosion
                                   - Densité de courant : <20mA/m²
                                                        Déchloruration

             - Extraire les chlorures depuis l’armatures vers l’extérieur 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.
Florian Auder
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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<<1
          Ou pénétration dans le métal : M + Hads → Habs                                ɛ


           Accumulation dans les zones les plus sollicités (piégeage) ou
           diffusion.

           Contrainte + Hydrogène ==> Dégradation par fragilisation selon
           différents mécanismes (décohésion, interactions hydrogène-
           dislocations)

Florian Auder
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012




     Objectifs et paramètres étudiés

     • Objectifs :
            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
     • Paramètres étudiés :

            - 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
Florian Auder
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     Paramètres étudiés
     • Environnement et état de surface de l’armature
             Différents états de dégradations du milieu cimentaire autour de l’armature
             de précontrainte entraineront différents états de surface de l’acier :

             - Milieu sain                                                 Acier non corrodé

             - Milieu chloruré
             - Milieu carbonaté                                            Acier corrodé
             - Milieu carbonaté et chloruré

             Equivalence pour les essais : Utilisation de solution électrolytiques simulant la
             solution interstitielle du béton

                Solution         pH                      Béton                  + ajout d’un anti-recombinant
                                                                                de l'hydrogène = thiocyanate
                   1            ≈ 13                      sain
                                                                                   d’ammonium (NH4SCN)
                   2            ≈ 13                    chloruré

                   3             ≈8                     carbonaté
                                                                                     Favorise la pénétration
                   4             ≈8               carbonaté chloruré                d’hydrogène dans l’acier
                   5             ≈8          carbonaté chloruré + poison
Florian Auder
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     Paramètres étudiés

     • Densité de courant appliquée
                Deux états possibles pour chaque traitement électrochimique en
                               fonction de la densité de courant


 Protection normale : la densité de courant ne                   Surprotection : la densité de courant dépasse
   dépasse pas les valeurs recommandées                                  les valeurs recommandées
                      J < 20 mA/m²                 Protection cathodique         J > 20 mA/m²
                         J < 4 A/m²                     Déchloruration            J > 4 A/m²
                         J < 4 A/m²                     Réalcalinisation          J > 4 A/m²


                         0.01 A/m²                                                 20 A/m²
                          0.1 A/m²                 Densités de courant             100 A/m²
                           1 A/m²                      étudiées :                  500 A/m²
                           4 A/m²                                                 1000 A/m²

Florian Auder
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012



     Essais en solution sans contrainte
     mécanique
     • Déroulement d’un essai :
                1 Polarisation cathodique de l’acier pendant une durée déterminée




                                                                           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 par l’acier à l’issue de la
                polarisation cathodique

Florian Auder
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012



     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
Florian Auder
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     Essais en solution sans contrainte
     mécanique
     • Influence de la solution et de la densité de courant




Florian Auder                        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
Florian Auder
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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 durée
                                    déterminée (si pas de rupture spontanée)


                                    3 Si pas de rupture spontanée : essai de traction et
                                    analyse hydrogène


                                    4 Analyse des faciès de rupture




Florian Auder
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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      -


           Essai A après traction                                     Essai B après rupture




  Striction et amorce au centre                         Pas de striction et de nombreuses fissures en
  faciès ductile, pas de fragilisation                  surface    fragilisation de l’acier

                Ajout de NH4SCN                nuit fortement à l’intégrité de l’acier
Florian Auder
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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




       Striction et amorce au centre                  faciès       Striction et amorce au centre. Faciès accidenté
       ductile, pas de fragilisation                               en raison de la corrosion initiale pas de
                                                                   fragilisation

                     La présence de piqures en surface de l’acier n'influence pas
Florian Auder            l'absorption d'hydrogène et donc le type de rupture.
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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




       Striction et amorce au centre                  faciès       Striction et amorce au centre. Faciès accidenté
       ductile, pas de fragilisation                               en raison de la corrosion initiale pas de
                                                                   fragilisation
                      Aucune influence de la densité de courant sur l’intégrité de
                                               l’acier
Florian Auder
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     Conclusions

     • Essais sans contrainte
           - Phénomène de saturation en hydrogène de l’acier (remplissage des sites
           interstitiels/pièges)
           - Faible absorption d’hydrogène en condition de protection normale
           - En surprotection, la quantité d’hydrogène absorbée est complexe, mais
           atteint des valeurs élevées dans plusieurs conditions
           - Le chargement en présence de NH4SCN fragilise l’acier, comme attendu


     • Essais sous contrainte
           - La fragilisation est mise en évidence dans le seul cas d’un chargement
           en présence de NH4SCN
           - Dans les autres cas, ni la surprotection, ni la présence de piqûres ne
           semblent engendrer une quelconque FpH. Les essais ont tous été
           menés au bout de la durée fixée

Florian Auder
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Fragilisation par hydrogène des arlatures de précontrainte en présence d'une protection électrochimique : étude des paramètres influents

  • 1. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Fragilisation par hydrogène des armatures de précontrainte en présence d'une protection électrochimique : étude des paramètres influents Sourdun Mercredi 9 et Jeudi 10 mai F. AUDER, L. GAILLET, T. CHAUSSADENT, V. BOUTEILLER : IFSTTAR J.P. BALAYSSAC : LMDE Toulouse 09/05/12 Florian Auder
  • 2. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 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 Florian Auder
  • 3. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Contexte Ouvrages en béton Problématique : La présence de précontraint avec protection électrochimique sur armatures passives armatures de précontrainte générant corrodées une production d’hydrogène, peut elle entraîner une fragilisation par hydrogène? Nécessité de ralentir ou stopper le phénomène de Production Traitement se propage sur corrosion d'hydrogène en le réseau d’armatures surface de l'acier actives Liaisons électriques entre Utilisation de techniques de protection armatures passives et électrochimique sur armatures passives actives Florian Auder
  • 4. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Méthodes de protection électrochimique Protection cathodique - Abaissement du potentiel de l’acier jusqu’à un niveau permettant de ralentir ou stopper la corrosion - Densité de courant : <20mA/m² Déchloruration - Extraire les chlorures depuis l’armatures vers l’extérieur 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. Florian Auder
  • 5. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 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<<1 Ou pénétration dans le métal : M + Hads → Habs ɛ Accumulation dans les zones les plus sollicités (piégeage) ou diffusion. Contrainte + Hydrogène ==> Dégradation par fragilisation selon différents mécanismes (décohésion, interactions hydrogène- dislocations) Florian Auder
  • 6. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Objectifs et paramètres étudiés • Objectifs : 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 • Paramètres étudiés : - 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 Florian Auder
  • 7. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Paramètres étudiés • Environnement et état de surface de l’armature Différents états de dégradations du milieu cimentaire autour de l’armature de précontrainte entraineront différents états de surface de l’acier : - Milieu sain Acier non corrodé - Milieu chloruré - Milieu carbonaté Acier corrodé - Milieu carbonaté et chloruré Equivalence pour les essais : Utilisation de solution électrolytiques simulant la solution interstitielle du béton Solution pH Béton + ajout d’un anti-recombinant de l'hydrogène = thiocyanate 1 ≈ 13 sain d’ammonium (NH4SCN) 2 ≈ 13 chloruré 3 ≈8 carbonaté Favorise la pénétration 4 ≈8 carbonaté chloruré d’hydrogène dans l’acier 5 ≈8 carbonaté chloruré + poison Florian Auder
  • 8. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Paramètres étudiés • Densité de courant appliquée Deux états possibles pour chaque traitement électrochimique en fonction de la densité de courant Protection normale : la densité de courant ne Surprotection : la densité de courant dépasse dépasse pas les valeurs recommandées les valeurs recommandées J < 20 mA/m² Protection cathodique J > 20 mA/m² J < 4 A/m² Déchloruration J > 4 A/m² J < 4 A/m² Réalcalinisation J > 4 A/m² 0.01 A/m² 20 A/m² 0.1 A/m² Densités de courant 100 A/m² 1 A/m² étudiées : 500 A/m² 4 A/m² 1000 A/m² Florian Auder
  • 9. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sans contrainte mécanique • Déroulement d’un essai : 1 Polarisation cathodique de l’acier pendant une durée déterminée 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 par l’acier à l’issue de la polarisation cathodique Florian Auder
  • 10. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 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 Florian Auder
  • 11. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sans contrainte mécanique • Influence de la solution et de la densité de courant Florian Auder Durée des essais : 24h
  • 12. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 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 Florian Auder
  • 13. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 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 durée déterminée (si pas de rupture spontanée) 3 Si pas de rupture spontanée : essai de traction et analyse hydrogène 4 Analyse des faciès de rupture Florian Auder
  • 14. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 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 - Essai A après traction Essai B après rupture Striction et amorce au centre Pas de striction et de nombreuses fissures en faciès ductile, pas de fragilisation surface fragilisation de l’acier Ajout de NH4SCN nuit fortement à l’intégrité de l’acier Florian Auder
  • 15. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 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 Striction et amorce au centre faciès Striction et amorce au centre. Faciès accidenté ductile, pas de fragilisation en raison de la corrosion initiale pas de fragilisation La présence de piqures en surface de l’acier n'influence pas Florian Auder l'absorption d'hydrogène et donc le type de rupture.
  • 16. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 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 Striction et amorce au centre faciès Striction et amorce au centre. Faciès accidenté ductile, pas de fragilisation en raison de la corrosion initiale pas de fragilisation Aucune influence de la densité de courant sur l’intégrité de l’acier Florian Auder
  • 17. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Conclusions • Essais sans contrainte - Phénomène de saturation en hydrogène de l’acier (remplissage des sites interstitiels/pièges) - Faible absorption d’hydrogène en condition de protection normale - En surprotection, la quantité d’hydrogène absorbée est complexe, mais atteint des valeurs élevées dans plusieurs conditions - Le chargement en présence de NH4SCN fragilise l’acier, comme attendu • Essais sous contrainte - La fragilisation est mise en évidence dans le seul cas d’un chargement en présence de NH4SCN - Dans les autres cas, ni la surprotection, ni la présence de piqûres ne semblent engendrer une quelconque FpH. Les essais ont tous été menés au bout de la durée fixée Florian Auder
  • 18. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Merci pour votre attention Florian Auder