Comparaison des potentiels de corrosion expérimentaux et numériques

période d’exposition aux cycles de mouillage-séchage de 300 jours. Les résultats expérimentaux et théoriques sont comparés au terme de mouillage de 4 jours et d’une période de séchage de 3 jours respectivement.

Expérimentalement, les relevés de potentiel ont été réalisés selon un quadrillage prédéterminé. Les résultats ont par la suite été traités avec le logiciel Matlab 2017b afin de produire une cartographie du potentiel à la surface des dalles. Les figures présentées excluent donc les portions de la dalle extérieures à ce quadrillage (Fig. 4.21). Par ailleurs, comme les résultats numériques sont illustrés à partir de COMSOL Multiphysics®, le format des illustrations varie légèrement d’un logiciel à l’autre. Afin d’alléger la section, seule la cartographie de la dalle de référence du volet 1 qui a été autopsiée est présentée et comparée aux résultats numériques (Fig. 4.22 et 4.23). La surface de corrosion considérée est de 3,8 cm2, soit la valeur estimée lors de l’autopsie de dalle de référence du volet 1. L’Annexe D rassemble plus spécifiquement les résultats moyens pour toutes les séries de dalles étudiées. Les conclusions tirées suite à cette analyse sont transposables à toutes les séries de dalles.

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a) Résultats expérimentaux obtenus pour la dalle de référence 1 du volet 1

Figure 4.22 : Cartographies expérimentale et théorique du potentiel de corrosion des dalles de référence du volet 1 après 300 jours en cycle de mouillage-séchage (à la

fin d’une période de mouillage de 4 jours)

Bien qu’elles ne soient pas affichées, les valeurs maximales du potentiel de corrosion au centre de la dalle pour les deux cartographies après 4 jours de mouillage sont respectivement de -335 et -344 mV. De manière générale, les résultats présentés sur les deux figures montrent une augmentation du potentiel en surface de la dalle en s’éloignant

-100 -400 [mV] -350 -300 -250 -200 -150 [mV] -100 -400 -350 -300 -250 -200 -150 b) Résultats numériques

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du centre. Ce phénomène est explicable par le fait que ce sont principalement les surfaces cathodiques à proximité de la surface de corrosion qui sont sollicitées : plus on s’éloigne, moins le courant de corrosion est important et, conséquemment, moins le potentiel de corrosion est élevé en valeur absolue. La Figure 4.23 présente, quant à elle, les résultats de cartographie au terme d’une période de séchage de 3 jours.

[mV] -100 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -400 -350 -300 -250 -200 -150 [mV] b) Résultat numérique -400

a) Résultats expérimentaux pour la dalle de référence 1 du volet 1 autopsiée

Figure 4.23 : Cartographie expérimentale et théorique du potentiel de corrosion des dalles de référence du volet 1 après 300 jours en cycle de mouillage-séchage

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Dans ce second cas de figure, les valeurs expérimentale et théorique maximales au centre de la dalle sont de -242 et -368 mV respectivement. Ces résultats traduisent une différence importante du potentiel entre le modèle numérique et les mesures prises expérimentalement. Selon la théorie, en asséchant la dalle, les surfaces cathodiques autour de la zone de corrosion active deviennent davantage sollicitées, car l’augmentation de la résistivité du béton diminue l’influence des surfaces cathodiques plus lointaines. Plus l’intensité du séchage augmente, plus le potentiel de corrosion devrait chuter au site de corrosion. Ce phénomène est d’ailleurs démontré par les résultats numériques, où une chute de 24 mV du potentiel de corrosion au site actif est enregistrée lors du passage d’un état mouillé à sec. D’après les cartographies expérimentales cette fois, il s’agit plutôt d’une augmentation de 93 mV du potentiel de corrosion au centre de la dalle qui est enregistrée lors du passage de l’état mouillé à l’état sec. Cette différence pourrait être expliquée par une sous-estimation de la résistivité du béton dans le modèle qui a pour effet de diminuer les valeurs de potentiel.

Par ailleurs, il est intéressant de voir que pour une valeur de -242 mV à l’état sec au centre de la dalle, la norme ASTM C876 suggère une activité de corrosion incertaine, alors qu’en condition de mouillage la valeur de -335 mV indiquait une possibilité de corrosion à 90 %.

En analysant maintenant les mesures du potentiel aux extrémités droite et gauche de la dalle en période de mouillage et séchage, il est possible de constater une augmentation de 73 mV pour les cartographies expérimentales et de 35 mV pour les cartographies numériques. Cette augmentation était attendue puisque l’accroissement de la disponibilité en oxygène lors du passage de l’état mouillé à l’état sec entraîne une augmentation du potentiel mesuré, comme démontré par la Figure 1.19. Ces résultats de la cartographie des potentiels montrent à quel point l’état hydrique joue un rôle primordial dans la lecture du potentiel de corrosion à la surface du béton. En règle générale, plus le béton est saturé, moins le gradient de potentiel autour de la zone de corrosion active est important. Les résultats ont montré que certaines zones pourraient être considérées actives à une probabilité de 90 % selon la norme ASTM C876 après une période de mouillage de 4 jours, alors qu’après seulement 3 jours de séchage à 23 °C et 50 % H.R. ces zones sont à la limite d’être classifiées à une probabilité de corrosion de 10 %.

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En analysant les relevés de potentiel de certaines dalles d’essai, les résultats ont montré la présence de surfaces de corrosion actives à l’interface entre la barre d’armature et la section recouverte d’époxy. Les résultats de la dalle de référence 2 du volet 1 sont présentés à la Figure 4.24 pour les périodes de mouillage et de séchage.

Figure 4.24 : Cartographie expérimentale et théorique du potentiel de corrosion de la dalle de référence 2 du volet 1 après 300 jours en cycle de mouillage-séchage

-100 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -250 -200 -150 [mV] [mV] -400 -350 -300 -400

b) Dalle de référence 2 du volet 1 à la fin d’une période de 3 jours de séchage a) Dalle de référence 2 du volet 1 à la fin d’une période de 4 jours de mouillage

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Alors que la mesure réalisée après la période de mouillage ne semble indiquer aucune zone anodique exceptée celle se trouvant au centre de la dalle, la mesure réalisée après la période de séchage suggère une probabilité de corrosion à 90 %. Ce phénomène, déjà évoqué, est dû à l’augmentation de la sollicitation des surfaces passives autour des zones de corrosion lors de l’augmentation de la résistivité du béton, mais est également attribuable à la faible activité de corrosion à l’interface acier/époxy.

Il est connu que l’époxy, en raison de son acidité, entraîne la dépassivation de l’acier. Comme les échanges ioniques sont bloqués entre les sites actifs se trouvant sous l’époxy et les surfaces cathodiques extérieures, aucune activité électrochimique résultante ne devrait être observée. Cependant, dans certains cas, les produits de corrosion sous cette couche peuvent entraîner le décollement de l’époxy et donc permettre aux échanges ioniques de survenir. Dans le cas présent, bien qu’un relevé de potentiel indique une surface de corrosion active aux extrémités des barres, le potentiel de corrosion au centre de la dalle ainsi que les mesures de résistance à la polarisation linéaire ne sont pas influencés. En effet, aucune différence notable n’est observée pour les essais du suivi expérimental de l’activité électrochimique entre les dalles qui présentent une corrosion à l’interface acier/époxy et celles qui n’en présentent aucune. C’est donc dire que les activités de corrosion sont suffisamment éloignées l’une de l’autre pour ne pas avoir interféré les mesures du suivi de l’activité électrochimique. Cette conclusion est d’ailleurs supportée par le modèle numérique. Des zones de corrosion actives ont été introduites dans le modèle aux extrémités des barres d’armature et aucune influence sur la mesure du potentiel de corrosion au centre de la dalle ainsi que la résistance à la polarisation linéaire n’a été enregistrée.

À la lumière des résultats obtenus par les cartographies expérimentales et théoriques du potentiel de corrosion, les observations confirment l’importance de mesurer l’activité de corrosion du béton armé en évaluant le potentiel de corrosion des zones actives et passives pour différentes conditions environnementales. En effet, tel qu’il a été démontré par les résultats expérimentaux et théoriques, l’humidité interne du béton joue un rôle primordial dans les résultats du potentiel de corrosion.

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Conclusion

Ce projet de recherche avait pour objectif général d’évaluer la performance de deux types de traitements de mitigation de la corrosion ainsi que d’un troisième au rôle de mitigation secondaire dans des dalles de béton affectées par la corrosion de l’acier d’armature suite à la pénétration d’ions chlorure. Les traitements visés consistaient en l’application d’agents inhibiteurs de corrosion de type migrateur, la protection cathodique par anode sacrificielle noyée ainsi que le chemisage par tissu de fibres de carbone. Des essais électrochimiques devaient par la suite permettre de suivre l’influence de chaque traitement sur la cinétique de corrosion par rapport au comportement de corps d’épreuve de référence. Conjointement, un modèle électrochimique par éléments finis incorporant le module de transport de STADIUM® a été utilisé afin de prédire l’évolution de l’activité de corrosion pour les corps d’épreuve de référence, ainsi que ceux traités avec une anode sacrificielle et par technique de chemisage par tissu de fibres de carbone. Les traitements au moyen d’inhibiteurs de corrosion de type migrateur n’ont pu être étudiés avec le modèle, car la migration et l’interaction du produit dans la matrice cimentaire est toujours sujet à débat au sein de la communauté scientifique.

Inhibiteur de corrosion migrateur

Deux agents inhibiteurs de corrosion de type migrateur ont été étudiés dans le cadre de ces travaux, soit un inhibiteur à base d’aminoalcool et un inhibiteur à base d’aminoalcool et d’acide carboxylique. Le mode d’action (action mixte) de ces deux inhibiteurs est de migrer au travers de la matrice cimentaire jusqu’aux barres d’armature et d’inhiber les réactions anodique et cathodique qui s’y opèrent. Dans l’industrie, un engouement existe pour les produits à base d’aminoalcool en raison de leur pouvoir migrateur qui serait plus efficace, alors que la fonction carboxylique provoquerait la formation d’un gel hydrophobe dans le réseau capillaire, bloquant partiellement la pénétration d’humidité depuis l’extérieur.

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Les résultats expérimentaux indiquent qu’aucun des deux traitements de ce type n’a permis de diminuer la cinétique de corrosion des dalles traitées. Toutefois, les résultats ont permis de mettre en lumière la capacité des produits à réduire l’absorption en eau dans les dalles, et ce, avec ou sans la présence d’un acide carboxylique.

Anode sacrificielle noyée

La protection cathodique par anode sacrificielle noyée a été étudiée à trois positions distinctes dans les dalles de béton armé. L’objectif spécifique était de déterminer l’influence de la distance entre l’anode et la zone de corrosion active au sein de la dalle sur la cinétique de corrosion.

Les résultats expérimentaux et numériques ont mis en évidence le fait que la résistivité électrique du béton, malgré un degré de saturation élevé, joue un rôle crucial dans le rendement de la protection cathodique par anode sacrificielle. Si les résultats expérimentaux ne révèlent toujours pas un ralentissement de la corrosion en comparaison avec l’activité mesurée dans les corps d’épreuve de référence, les simulations ont quant à elles permis d’évaluer une diminution de 29 % de la cinétique de corrosion pour la l’anode sacrificielle positionnée à 120 mm. Dans une situation idéale où l’anode sacrificielle est déposée directement sous la surface de corrosion active, la diminution théorique du courant de corrosion a été évaluée à 63 %.

À la lumière de ces résultats, le système étudié dans le cadre de ces travaux était sous- dimensionné par rapport à l’activité de corrosion initiale dans les corps d’épreuve. En effet, le type, la quantité et la disposition des anodes sacrificielles n’étaient pas en mesure de produire une réponse significative de diminution de l’activité de corrosion.

Chemisage par tissu de fibres de carbone

Le troisième traitement étudié dans le cadre de ces travaux de recherche était le chemisage externe avec tissu de fibres de carbone. Comme le traitement constitue une barrière

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physique étanche à la diffusion de l’oxygène de l’environnement vers le matériau, l’objectif était de vérifier l’ampleur et l’influence de la diminution de l’oxygène sur la cinétique de corrosion.

Les résultats expérimentaux ont permis de constater que le calendrier pour la réalisation des présents travaux n’était pas suffisant pour permettre d’observer une diminution sensible de la cinétique de corrosion. En effet, bien que le phénomène n’ait pu être démontré par le modèle numérique, le taux effectif de consommation de l’oxygène par l’activité électrochimique ayant cours dans les dalles d’essai n’a pas permis, pendant la période de suivi considérée (plus de 12 mois), d’abaisser suffisamment la réserve pour diminuer les courants de corrosion.

Dans la pratique et contrairement à ce qui a été fait dans la présente étude sur les corps d’épreuve, les ouvrages font rarement l’objet d’un chemisage couvrant l’intégralité de leur surface. C’est donc dire que la consommation du dioxygène par les surfaces cathodiques des barres d’armature doit en plus compenser la pénétration d’oxygène dans le matériau depuis les surfaces non recouvertes. De plus, les éléments chemisés ne sont généralement pas en contact constant avec une source d’eau, ce qui implique que la quantité d’oxygène sera supérieure à celle subsistant dans les corps d’épreuve étudiés dans cette recherche. Il importe ici de rappeler que le rôle premier de ce type d’intervention est le renforcement structural des ouvrages en béton et non la mitigation de la corrosion.

Perspectives de recherche

Les résultats des travaux présentés dans ce mémoire de maîtrise, suggèrent bien sûr des pistes de recherche. Quelques-unes de ces pistes parmi les plus intéressants sont identifiées dans les paragraphes qui suivent.

Un premier point qui n’a pu être étudié dans le cadre de ces travaux est la mesure du profil de concentration en inhibiteur de corrosion dans le béton. Il s’agit d’une tâche relativement complexe étant donné la nature des produits. En effet, les techniques d’analyse quantitative ou semi-quantitative disponibles permettent difficilement de tracer avec précision le

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produit. De plus, le caractère volatile des inhibiteurs de corrosion organiques complique leur récupération dans la solution interstitielle du béton. Il serait utile d’obtenir cette information pour analyser de manière approfondie les résultats obtenus dans le cadre de cette recherche. En parallèle, des essais d’absorption selon la norme ASTM C1585 pour des éprouvettes traitées avec des inhibiteurs de corrosion migrateurs, tels que ceux étudiés dans ce projet, permettraient de déterminer s’il y a effectivement diminution de la teneur en humidité dans les dalles traitées.

Pour ce qui est des perspectives de modélisation, il serait intéressant de réaliser un éventail de simulations numériques pour différents types de béton et conditions d’exposition. Il serait alors possible de procéder à une étude de sensibilité des mesures du suivi de l’activité électrochimique, notamment la cartographie du potentiel de corrosion à la surface des corps d’épreuve. Il serait par ailleurs pertinent de développer le modèle afin d’évaluer de manière temporelle la réduction de la concentration en dioxygène dans les dalles et son impact sur l’intensité du courant de corrosion. Cela permettrait d’estimer le temps de consommation du dioxygène dans les dalles recouvertes de FRP.

Enfin, des démarches sont entreprises avec un groupe de recherche extérieur afin d’évaluer la taille de la surface de corrosion des barres d’armature extraites des dalles autopsiées ainsi que le volume d’acier dissout par la réaction. La méthode utilisée est la tomodensitométrie qui consiste en la mesure de l’absorption des rayons X par les corps d’épreuve. Ces données vont permettre d’apprécier les courants de corrosion du modèle numérique et de prédire l’évolution de la surface de corrosion au cours des prochaines années dans les corps d’épreuve non autopsiés.

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