CHAPITRE III PCCI par revêtements électro-conducteurs autonomes :
III.3. Distribution spatiale du courant imposé sur un système à un lit d’armatures passives
III.3.4. Efficacité vis-à-vis des systèmes existants
Cette partie consiste à comparer les systèmes anodiques développés avec revêtements électro-conducteurs aux systèmes anodiques déjà existant (avec anodes primaires). Un système anodique innovant avec deux revêtements en bicouche est proposé comme solution pour améliorer l’efficacité des systèmes sans anodes primaires. Les études sont réalisées sur la poutre 𝑃𝐶1 de dimensions 10 × 10 × 1000 𝑐𝑚.
III.3.4.a) Courant de prévention/protection et chute du potentiel du revêtement
Comme on a évoqué précédemment, la variation du courant de prévention/protection dépend de la résistance du revêtement et de la géométrie du spécimen. Le but est d’étudier la variation du courant dans les systèmes développés avec et sans anode primaire. Pour cette raison, un premier essai est réalisé en imposant une tension de 4 𝑉 au niveau de la poutre 𝑃𝐶1 pendant 90 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒𝑠. La période l’essai est relativement courte (1.5 ℎ) de façon à ne pas modifier les conditions au niveau de la poutre (température, quantité d’eau présente…).
Après la fin de ce premier essai, un fil solide en cuivre de section 1.5 𝑚𝑚2 est dénudé et posé au milieu de la face revêtue de la poutre. Ce fil est utilisé comme anode primaire qui facilite le passage du courant à la surface du revêtement. Pour assurer un bon contact avec le revêtement, le fil est fixé à l’aide d’adhésif. Les détails de la mise en place sont présentés dans la figure III.34-a. La même expérience est réalisée, mais la tension n’est pas imposée au niveau de la pointe 𝐴 mais à l’aide d’un fil électrique connecté à l’anode primaire (Fig.III.34-b). Un suivi du courant circulant dans le circuit a été réalisé lors des deux expériences (Fig.III.35) : on remarque que le courant au
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niveau du système avec anode primaire est beaucoup plus important que celui avec le revêtement uniquement. L’effet est visible même à l’instant 𝑡 = 0 c’est-à-dire juste après la mise en tension du système.
Fig.III. 34- Installation de l'anode primaire
Fig.III. 35- Suivi du courant de la poutre 𝑷𝑪𝟏 avec et sans anode primaire
Après avoir déterminé l’effet de l’anode primaire sur le courant de prévention/protection, il est nécessaire de vérifier si l’ajout d’une anode primaire influe aussi sur la distribution du courant au niveau des tronçons d’acier. Pour cette raison, la distribution du courant à 𝑡 = 1ℎ pour les deux
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𝑖
comparer qualitativement la distribution du courant pour les systèmes avec et sans anode primaire. Une différence est observée au niveau de la distribution des deux systèmes : dans un système sans anodes primaires, les tronçons les plus proches du point d’injection 𝐴 (tronçons 1,2,3…) reçoivent le plus de courant. Cet inconvénient peut se transformer en un avantage lors du dimensionnement d’un système de prévention/protection cathodique : si on désire protéger certaines zones plus que d’autre (par exemple les zones les plus exposées à la pénétration des chlorures ou à la carbonatation…), alors les points d’injection sont alors fixés d’une façon qu’ils soient le plus proche de ces zones. Par contre, dans le cas d’un système avec anode primaire, il est clair que l’influence de la position où la tension est imposée sur la distribution du courant est moins forte que dans le cas précèdent. La distribution du courant est impactée aussi par les réactions anodiques et cathodiques au niveau du revêtement et au niveau de l’acier. Ces réactions dépendent des interfaces acier-béton et béton-revêtement. Dans les deux cas (avec et sans anode primaire), la polarisation de tous les tronçons est assurée. L’ajout de l’anode primaire modifie la distribution du courant mais n’assure pas une uniformité complète de la distribution.
Fig.III. 36-Distribution du courant au niveau de la Poutre 𝑷𝑪𝟏avec et sans anode primaire
Pour montrer l’influence de l’anode primaire, un autre paramètre est étudié : la différence de potentiel au niveau du revêtement ∆𝑉𝑟. Vu que la tension est imposée par le fil et non pas par le point 𝐴, le point de référence (fixe) pour la mesure de ∆𝑉𝑟sera le point 𝐶 situé à l’extrémité de la poutre. Le point C est un point qui appartient la surface du revêtement et il est connecté à la borne
" + " du voltmètre 𝐹𝑙𝑢𝑘𝑒 175. La borne "𝒄𝒐𝒎" est connectée au point 𝐷 (mobile) qui désigne
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au moment de la polarisation (𝑡 = 1ℎ) et de la même façon pour les deux systèmes (avec et sans anode primaire).
Fig.III. 37- Poutre 𝑷𝑪𝟏 : mesure de ∆𝑽𝒓
Les résultats présentés dans la figure III.38 montrent une valeur de ∆𝑉𝑟 très importante au niveau du système sans anode primaire : sur une distance de 10 𝑚 une différence de potentiel de 1.5 𝑉
est atteinte. Donc 37.5 % de la tension imposée (4𝑉) est perdue à travers le revêtement ce qui pénalise le courant circulant dans le système. Par contre, dans le cas d’un système avec anode primaire, ∆𝑉𝑟 est très négligeable (< 10 𝑚𝑉). Alors la perte de la tension imposée est faible (<
0.25%) et par conséquence le courant dans le système est plus important en comparaison avec le
système sans anode primaire.
Fig.III. 38- Poutre 𝑷𝑪𝟏avec et sans anode primaire : mesure de ∆𝑽𝒓
A partir de ce qui a été présenté précédemment, on peut aboutir aux conclusions suivantes :
• La polarisation de tous les tronçons d’acier est assurée lors d’une prévention cathodique avec un revêtement électro-conducteur autonome même sur un spécimen de 10 𝑚 de long.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 A B Com Pointe métallique d C D +
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d’anode primaire empêche une perte du potentiel au niveau du revêtement et par conséquence augmente le courant total pour une tension imposée constante. De plus, elle réduit l’écart de polarisation entre les tronçons d’acier les plus proches et les plus éloignés du point ou la tension est imposée.
• La polarisation n’est pas uniforme au niveau de tous les tronçons d’acier (réseau d’armature) même avec l’utilisation de l’anode primaire.
III.3.4.b) Système anodique innovant avec deux revêtements en bicouche
On vient de montrer que le revêtement carbone assure une polarisation au niveau du réseau d’armature sur un spécimen de longueur 10 𝑚 et avec un enrobage non négligeable (4.4 𝑐𝑚). En
revanche, la résistance du revêtement pénalise quantitativement le courant de
prévention/protection lorsque le système est soumis à une tension constante. Donc, une diminution de la résistance du revêtement est nécessaire pour diminuer la chute de potentiel et par conséquence minimiser la chute du courant dans le circuit. Pour cette raison et comme on a vu dans les parties précédentes, la diminution de la résistance du revêtement peut se faire de deux façons : soit par l’augmentation de l’épaisseur du revêtement en appliquant une couche supplémentaire soit en utilisant un revêtement plus conducteur que celui utilisé. A partir de ce constat et pour pouvoir utiliser ces deux propositions en même temps, l’idée est d’appliquer sur la poutre 𝑃𝐶1 un revêtement plus électro-conducteur (𝐹𝐶𝑢−𝐴𝑔) sur le revêtement (𝐹𝐶) déjà existant. Cette deuxième couche est appliquée sous forme d’une bande de 4 𝑐𝑚 de largeur et 170 𝜇𝑚 d’épaisseur (Fig.III.39). Le contact électrique avec le nouveau système anodique se fait par le point 𝐴’ au niveau du revêtement (𝐹𝐶𝑢−𝐴𝑔) au lieu du point 𝐴.
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innovant formé de deux revêtements en bicouche. On commence par le suivi du courant total au niveau du système : la figure III.40 montre que le nouveau système anodique présente un comportement intermédiaire entre les deux systèmes anodiques présentés précédemment. A 𝑡 = 1 ℎ, le courant au niveau du nouveau système est le double (≈ 2.6 𝑚𝐴) de celui sans la couche de
𝐹𝐶𝑢−𝐴𝑔 (≈ 1.3 𝑚𝐴). Donc l’efficacité a doublé juste par l’application d’une couche supplémentaire de revêtement.
Fig.III. 40- Suivi du courant de la Poutre 𝑷𝑪𝟏 avec système anodique innovant
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On s’intéresse également à la distribution du courant au niveau des tronçons d’acier pour vérifier si elle a été modifiée qualitativement ou non. En se référant à la figure III.41, on remarque que pour un système avec deux revêtements (bleu), la distribution du courant au niveau des tronçons les plus proches du point 𝐴’ (𝑡𝑟𝑜𝑛ç𝑜𝑛𝑠 1,2 … 6) se rapproche de celle obtenue dans le cas d’un système anodique avec anode primaire. La différence entre ces deux systèmes est due à la différence de conductivité électrique entre le revêtement 𝐹𝐶𝑢−𝐴𝑔(𝜎 ≈ 23.7 × 103 𝑆 𝑚⁄ ) et le fil de cuivre (𝜎 ≈ 59.6 × 106 𝑆 𝑚⁄ ).
Fig.III. 42- ∆𝑽𝒓 au niveau de la Poutre 𝑷𝑪𝟏 avec système anodique innovant
On mesure la différence de potentiel au niveau de la surface du revêtement carbone 𝐹𝐶 (et non pas sur le revêtement 𝐹𝐶𝑢−𝐴𝑔) de la même façon que celle réalisée précédemment pour comparer les résultats à ceux obtenus précédemment (Fig.III.42). Pour une distance de 10 𝑚, ∆𝑉𝑟 vaut 1500 𝑚𝑉
pour le système avec le revêtement 𝐹𝐶 et 1000 𝑚𝑉 pour le système anodique innovant avec deux revêtements en deux couches : la chute de potentiel est alors réduite de 33% juste en appliquant une bande du revêtement 𝐹𝐶𝑢−𝐴𝑔 de largeur 4 𝑐𝑚 et d’épaisseur 170 𝜇𝑚. Si la largeur et/ou l’épaisseur de la bande étaient plus important, on va se rapprocher de plus en plus vers le cas d’un système anodique avec anode primaire.
On peut conclure donc que le système anodique innovant proposé en appliquant deux revêtements en bicouche a une efficacité qui tend vers celle d’un système avec anode primaire. L’écart entre ces deux systèmes peut être diminué par l’augmentation de l’épaisseur des revêtements appliqués et la largeur d’application du deuxième revêtement (application sur toute la surface au lieu d’une bande).
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III.4. Distribution spatiale du courant imposé sur un système à deux