Prétest sur formulation similaire

III.3.2.a. Contrôle destructif et observation visuelle

Afin de vérifier l’influence de l’injection d’un courant au travers du béton, deux dallettes sont étudiées. L’éprouvette A ne comportant pas d’injection de courant, correspondant à l’éprouvette témoin et l’éprouvette B sur laquelle une tension de 20V est appliquée entre la contre-électrode et le réseau d’armatures.

Après un peu plus de 70h d’essai, les éprouvettes A et B sont sciées afin de mesurer la profondeur de pénétration des chlorures. Ceci est réalisé en appliquant une solution de nitrate d’argent à 0,1mol/L sur la section préalablement sciée. La formation d’un précipité blanc composé de chlorures d’argent indique la présence de chlorure (Figure III-11). L’éprouvette A comporte une profondeur de pénétration de chlorures de 1,5cm, phénomène induit par la diffusion de ces ions, mais surtout par l’absorption capillaire de la solution. Le spécimen B comporte une pénétration maximale de 5,2cm, ce qui est environ 3 fois la valeur du spécimen témoin. Cette pénétration plus importante est donc induite par l’injection du courant et donc au transport de celui-ci par les ions chlorures via le phénomène de migration.

Figure III-11 : Photos des éprouvettes A (diffusion/absorption) et B

(diffusion/absorption/migration) après l’essai de migration de chlorure, sciage et pulvérisation d’une solution d’AgNO3.

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La Figure III-11 montre que le front de pénétration de chlorure n’atteint pas les armatures de l’éprouvette A mais dépasse bien celles de l’éprouvette B. Afin de vérifier la présence de produits de corrosion, les dallettes sont alors autopsiées en enlevant le béton recouvrant les armatures.

Cette autopsie montre que l’éprouvette A n’a aucune trace de corrosion que ce soit en surface de l’armature (Figure III-12A) ou par empreinte sur le béton (Figure III-12C). En revanche, l’éprouvette B montre une présence importante de produits de corrosion que ce soit à la surface des armatures (Figure III-12B) ou bien par empreinte sur le béton que ce soit en partie supérieure ou inférieure (Figure III-12D et E). La partie supérieure des barres est corrodée sur 20cm en longueur et 14,5cm en largueur et de 19,5cm sur la partie inférieure de la barre supérieure contre 13,5cm sur la barre inférieure.

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Figure III-12 : Photos des autopsies des éprouvettes A (diffusion/absorption) et B

(migration/diffusion/absorption) après extraction des aciers.

III.3.2.b. Suivis durant l’essai

Durant l’essai de migration des ions chlorure, un suivi du pH est réalisé, à l’aide d’un pH-mètre, dans le manchon contenant la solution de chlorure à injecter. Le suivi de l’éprouvette A montre qu’en début d’essai le pH est neutre, puis une évolution importante vers un pH plus basique de 9,5 est constatée après 2h30, ce pH ne variant alors plus jusqu’à la fin de l’essai. Concernant l’éprouvette B, le pH augmente fortement en début d’expérience jusqu’à atteindre une valeur de 12,8 au bout de 6h puis une augmentation moins rapide, mais régulière jusqu’à la fin de l’essai atteignant un pH de 13,1.

Le pH de l’éprouvette A augmente assez peu par rapport à l’éprouvette B, car cette augmentation est uniquement due à une lixiviation superficielle de l’éprouvette libérant des ions calcium et hydroxyles jusqu’à atteindre un certain équilibre. En ce qui concerne l’éprouvette B, un deuxième phénomène apparaît, il s’agit de la formation d’ions hydroxyles induits par la réaction électrochimique de la contre-électrode en acier.

A B

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Figure III-13 : Suivi du pH dans les manchons des éprouvettes A et B.

La Figure III-14 montre le suivi en continu de trois autres grandeurs réalisé à l’aide d’une chaine d’acquisition. Ces grandeurs sont la tension fournie par le générateur, le potentiel de l’armature ainsi que l’intensité électrique délivrée. La tension étant maintenue à 20V, elle n’est pas censée évoluer au cours du temps. C’est bien ce qui est observé, exception faite des chutes de tension dues à des problèmes d’alimentation du générateur, se traduisant aussi par une diminution des deux autres grandeurs.

Au regard du potentiel de l’armature, nous pouvons voir que celui-ci est stable jusqu’à une durée de polarisation de 41h, la valeur diminue brusquement pendant une heure et demie pour atteindre 14,9V. Nous pouvons penser que cela correspond à l'apparition et la détection d’un spot de corrosion puis à son accroissement. La valeur de potentiel de l'armature augmente à nouveau pour atteindre 16,1V puis diminuer à nouveau jusqu’à la fin de l’essai.

Concernant l’évolution de l’intensité, elle peut être découpée en trois phases. La première débute avec une intensité de 46,8mA qui augmente ensuite pendant 6h jusqu'à atteindre environ 59mA pour se stabiliser pendant une durée de 20h. C'est ensuite que l’intensité diminue jusqu’à l’arrêt de l’essai.

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Figure III-14 : Suivi de la tension aux bornes du générateur, du potentiel de l’armature et de

l’intensité au cours de l’essai de création accélérée de zones corrodées par migration de chlorures.

L’augmentation de l’intensité de la première phase peut être une conséquence de l’augmentation du pH. En effet, le pH augmente très fortement passant de 7 à 12,8, tout comme l’intensité qui passe de 46,8 à 58,5mA, dans les deux cas au bout de 6h d’essai. Le pH augmentant fortement dans le manchon, la conductivité de la solution augmente elle aussi. Ceci engendre une diminution des chutes ohmiques et donc une augmentation de l’intensité.

La deuxième phase correspondant à une phase de stabilisation des trois grandeurs observées. Puis la troisième phase se déclenche au bout d’environ 26h d’essai au moment où l’intensité commence à décroitre. L’hypothèse est que cette décroissance correspondrait à une dépassivation de l’armature suivie par la production d’oxydes de fer et un accroissement de cette zone corrodée. Néanmoins d’après ce que nous avons montré dans le Chapitre II, une armature corrodée permet un échange d’électrons plus aisé qu’une armature non corrodée. Or nous voyons se produire l’effet inverse. Il est possible que les produits de corrosion aient colmaté la porosité (Figure III-12), induisant alors une augmentation locale de la résistivité du béton et donc une diminution de l’intensité observée.

Ce découpage en trois phases peut être comparé au principe évoqué par [Tuutti, 82] avec un schéma (Figure III-15) qui est adapté de Figure I-3. Ce schéma représente l’évolution du volume de produits de corrosion en fonction du temps. Les phases 1 et 2, se situeraient dans la période d’amorçage de la corrosion où la quantité de produits de corrosion est très faible et où

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la pénétration des agents agressifs dans la porosité du béton est en cours. S’en suit la dépassivation de l’armature lorsque la concentration en agents agressifs est suffisante, engendrant alors une production importante de produits de corrosion. La propagation de la corrosion fait alors entrer le système dans la troisième phase.

Figure III-15 : Schéma de l’évolution du volume de produit de corrosion au cours du temps

adapté de [TUUTTI, 82].

III.3.2.c. Bilan matière

Le Tableau IV-1 est un récapitulatif des grandeurs mesurables dans le manchon afin d’effectuer un bilan matière. Ce bilan matière est effectué sur les ions OH- à l’aide d’un pH-mètre et en Cl- à l’aide d’un dosage redox par titrimètre. Nous pouvons voir que dans les deux cas les volumes de solutions dans le cylindre ont diminué. Cette diminution est de 60mL dans le cas de l’éprouvette A (diffusion) et de 160mL pour l’éprouvette B (diffusion-migration). Ces 100mL supplémentaires peuvent être expliqués par la réaction électrochimique à la contre-électrode qui consomme de l’eau pour produire du dihydrogène et des ions hydroxyles. En ce qui concerne les concentrations en chlorures, elles étaient de 3,77.10-1_{mol/L initialement puis} égales à 2,97.10-1_{mol/L pour l’éprouvette A contre 1,70.10}-1_{mol/L pour l’éprouvette B ; soit} une diminution de respectivement 21 et 55%.

Phase 1 et 2 Phase 3 Dépassivation

Destruction de l’enrobage

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Tableau III-4 : Bilan matière du manchon

A et B initial A final B final

V (mL) 300 240 140

pH 7,2 9,5 13,1

[OH-_{] (mol/L) 1,48.10}-7 _2,95.10-5 _1,12.10-1

[Cl-_{] (mol/L) 3,77.10}-1 _2,97.10-1 _1,70.10-1

Les ions chlorures participent donc bien au transport du courant via la migration depuis le manchon jusqu’aux armatures. Dans le cas de l’éprouvette A, correspondant à un effet de diffusion sans migration, 37% des ions chlorures ont été consommés contre 79% pour l’éprouvette B (Tableau III-5). Ces chiffres divergent des pourcentages de diminution des concentrations. Cela s’explique par la différence de volume dans le manchon entre les deux éprouvettes puisque l’éprouvette A contient un volume de solution plus important que l’éprouvette B.

À l’aide de la relation suivante, il est possible de connaitre le pourcentage du courant transporté par une espèce lors d’un essai de migration (Eq III-9). Cette relation permet d’obtenir le nombre de transport t_𝑖, représentant le pourcentage de courant transporté par l’espèce i ; elle fait intervenir la concentration des ions présents dans la solution (𝐶_𝑖), mais aussi la charge électrique de ces ions (𝑧_𝑖) et pour finir leur mobilité ionique à dilution infinie (𝜇_𝑖0).

t_𝑖 = 𝐶𝑖. 𝜇𝑖 0_{. |𝑧}

𝑖|

∑(𝐶_𝑖. 𝜇_𝑖0. |𝑧_𝑖|). 100

Eq III-9

Mais comme nous ne connaissons pas les concentrations de toutes les espèces, il n’est donc pas possible de déterminer ce nombre de transport. En revanche, il est possible de calculer un rapport entre les nombres de transport des ions chlorures et des ions hydroxyles (Eq III-10). Ces deux anions sont les principaux ions en compétition afin de transporter le courant depuis la contre-électrode vers les armatures. L’observation de ce paramètre devrait permettre de vérifier que la concentration initiale en ions chlorures est suffisante et qu’elle permet une bonne pénétration de ces derniers dans la porosité du béton.

t_𝐶𝑙− t_𝑂𝐻− = 𝐶_𝐶𝑙−. 𝜇_𝐶𝑙0− 𝐶𝑂𝐻−. 𝜇_𝑂𝐻0 − Eq III-10 Avec : 𝜇_𝐶𝑙0− = 7,910x10-8 m²/s/V et 𝜇_𝑂𝐻0 − = 2.064x10-7 m²/s/V.

Initialement la polarisation permet d’injecter 1 million de fois plus d’ions chlorures que d’ions hydroxyles, la solution étant à pH neutre. Mais durant l’essai le pH augmente jusqu’à 9,5 pour

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l’éprouvette A et 13,1 pour l’éprouvette B, avec une diminution progressive de la concentration en chlorure. La diminution de la concentration en chlorure en parallèle à une augmentation de la concentration en ions hydroxyles va donc induire une forte baisse du rapport de nombres de transport. Concernant l’éprouvette A, ce rapport aurait été de 4000 dans le cas où elle aurait été polarisée après les 73h d’essai. En fin d’essai sur l’éprouvette B, c’est 1,7 fois plus d’ions hydroxyles que de chlorures qui sont injectés. Ces chiffres sont différents du rapport direct des concentrations en chlorures sur hydroxyles, car les ions OH- transportent 2,5 fois plus de courant grâce à leur mobilité plus forte.

Tableau III-5 : Récapitulatif de l’exploitation du bilan matière sur l’efficacité du procédé A et B initial A final B final

nCl- (mol) 11,31.10-2 7,13.10-2 2,38.10-2

[Cl-_]/[OH-_{] 2,55.10}6 _1,01.104 _1,5

tCl-/ tOH- 9,76.105 3,85.103 0,58

Nous pouvons en déduire qu’au-delà d’une durée de 73h le procédé n’est plus efficace. Dans le cas d’une profondeur de pénétration des chlorures, ou d’une taille de corrosion plus importante, il aurait été nécessaire de renouveler la solution du manchon.

III.3.2.d. Dépolarisation

Après l’essai de migration par tension imposée de 20V, un suivi de dépolarisation est effectué afin de connaitre le temps nécessaire à la stabilisation des potentiels suite à cette perturbation. La contre-électrode revient à un potentiel stable au bout 6h, en revanche pour l’armature ce temps est plus long, il est d’environ 18h.

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Figure III-16 : Dépolarisation sur 22h de l’éprouvette B.

Initialement les éprouvettes A et B ont des potentiels d’armature similaires de -46 et -31mV (Tableau III-6). En revanche, les potentiels des contre-électrodes ont une différence de 130mV, cela peut s’expliquer par un état de surface différent entre les deux électrodes. Il s’en suit une différence de tension entre A et B de 120mV.

Par la suite, l’éprouvette A ne subissant pas de polarisation elle conserve en fin d’expérience un potentiel d’armature semblable (augmentation de 9mV). Le potentiel de la contre-électrode est quant à lui remonté à une valeur de -62mV, cela peut s’expliquer par l’augmentation du pH et la légère diminution de la concentration en chlorure.

L’éprouvette B a donc été polarisée pendant 73h et laissée au repos pendant 22h. Suite à cette dépolarisation, les résultats montrent une valeur de potentiel de l’armature de -628mV soit une diminution de près de 600mV. Cette forte diminution s’explique par la présence d’ions chlorures qui ont dépassivé les armatures. Le potentiel à la contre-électrode a lui aussi diminué de presque 200mV en raison de la forte augmentation du pH, de la diminution de la concentration en chlorure, mais aussi de la présence de bulles de dihydrogène et de dihydrogène dissous. Seule la tension finale de l’éprouvette B est négative, c’est-à-dire avec un potentiel d’armature inférieur au potentiel de la contre-électrode. La raison de ce changement de signe est probablement la dépassivation des armatures. Ce changement de signe pourrait permettre de créer une pile galvanique spontanée entre la contre-électrode et la zone corrodée du treillis d'armature.

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Tableau III-6 : Récapitulatif des valeurs des potentiels

Eprouvette Initial Final

A B A B Potentiel de l’armature (mV/ECS) -45.7 -31,4 -36,5 -627,8 Tension à I=0 (mV) 214,8 96,4 25,9 -372,6 Potentiel de la contre- électrode (mV/ECS) -257,5 -127,8 -62,4 -255,2

Ce premier essai a permis de montrer la faisabilité de la création d’une zone corrodée de manière localisée. Il est nécessaire à présent de reproduire un test sur une dallette de mêmes dimensions, dont le béton et les armatures sont identiques à ceux utilisés lors du coulage des dalles de grandes dimensions.