Système de corrosion galvanique

Dans le cas des structures de génie civil, la corrosion galvanique ou localisée se caractérise par le couplage de deux systèmes de corrosion uniforme spatialement séparés dans un électrolyte résistif. Dans le béton, l’acier localement corrodé présente un comportement électrochimique différent de celui du reste du ferraillage à l’état passif. Les zones actives et passives n’étant que des surfaces différentes d’un même réseau d’armatures métalliques, le transport d’électrons des unes vers les autres est possible via le réseau métallique. Ainsi, les conditions d’une corrosion galvanique entre zones actives et zones passives sont réunies. Les effets ohmiques n’étant pas négligeables dans le béton, les sites anodiques et cathodiques spatialement distants sur la surface de l’armature ne peuvent se rejoindre au même potentiel ; il s’ensuit un gradient de potentiel dans le volume de béton et un courant de corrosion galvanique (parfois qualifié de courant de macrocellule). La résistivité de l’électrolyte constitue donc un des paramètres déterminant l’équilibre dynamique d’un système de corrosion galvanique.

De par les hiérarchies évoquées dans la section précédente concernant les comportements électrochimiques, l’acier actif constitue l’anode et l’acier passif la cathode du système de corrosion galvanique ainsi formé. Les électrons produits par la dissolution du fer au niveau de l’acier actif transitent par le réseau d’armatures pour être consommés par la réduction du dioxygène au niveau des sites passifs. La corrosion galvanique se distingue de la corrosion uniforme par un champ de potentiel non uniforme dans le volume de béton, impliquant l’existence d’un champ électrique, lequel conduisant à l’établissement de lignes de courant ionique entre les sites actifs et les sites passifs.

Un système de corrosion galvanique s’apparente donc à un circuit électrique fermé comportant : - Un site anodique (acier actif)

- Un site cathodique (acier passif)

- Une branche électronique (réseau métallique), dans laquelle les électrons fournis par le site anodique sont acheminés vers le site cathodique ;

- Une branche ionique ou électrolytique (béton, sol…), dans laquelle les espèces ioniques produites ou préexistantes se déplacent sous l’effet d’un champ électrique local et créant le courant de corrosion galvanique dans l’électrolyte (égal en intensité au courant électronique circulant dans le réseau métallique).

Comme évoqué, la résistivité de l’électrolyte constitue donc un des paramètres déterminants de l’équilibre dynamique d’un système de corrosion galvanique. Cette propriété du béton influence directement la cinétique de dissolution locale de l'acier actif de par son effet direct sur l’intensité du courant galvanique circulant dans le béton, mais également sur les amplitudes de polarisation subies par les sites actifs et passifs. A noter ici que les propriétés électriques de l’acier et leur impact sur l’intensité du courant électronique sont systématiquement négligés. En effet, la résistivité de l’acier étant inférieure de plusieurs ordres de grandeur (8 à 10) à celle du béton, son impact sur la résistance globale de la cellule électrochimique globale est insignifiant.

La Figure I-7 représente schématiquement le concept de corrosion galvanique entre acier actif et acier passif et illustre la distribution spatiale des courants de macrocellule (galvanique) et de microcellule (uniforme).

Figure I-7 Illustration de la distribution volumique du courant de macrocellule et de microcellule induit par la dépassivation locale de l’acier

Du fait de la spatialité des phénomènes en jeu, la modélisation de la corrosion galvanique nécessite une représentation tridimensionnelle. La simulation numérique par des méthodes de calcul avancées (éléments finis, volumes finis…) est donc indispensable pour appréhender le fonctionnement d’un système de corrosion galvanique.

Cependant, une représentation monodimensionnelle peut être proposée, à titre pédagogique, pour décrire le principe d’établissement d’un équilibre galvanique entre acier passif et actif. Cela permet de caractériser cet équilibre en associant à l’acier actif un potentiel 𝐸l et à l’acier passif un potentiel 𝐸n. En réalité, le problème étant tridimensionnel, l’équilibre galvanique est défini par un champ de potentiel 𝐸l sur la surface active et un champ de potentiel 𝐸n sur le site passif.

La différence de potentiel libre entre l’acier actif et l’acier passif ¤𝐸_&'((,l< 𝐸&'((,n§ connectés électriquement entraîne leurs polarisations réciproques. L’acier actif subit une polarisation anodique (surtension positive : 𝜂• = 𝐸l− 𝐸&'((,l > 0 ) et voit son potentiel 𝐸• ^{augmenter ; à l’inverse, l’acier}

passif subit une polarisation cathodique (surtension négative : 𝜂& = 𝐸n− 𝐸&'((,n< 0 ) et voit son potentiel 𝐸_n diminuer.

Dans le cas de la corrosion galvanique, l’équilibre est déterminé par l’égalité des intensités de courant anodique et cathodique et non des densités de courant, car les surfaces actives et passives sont généralement différentes.

Lorsque l’équilibre est atteint, le courant anodique 𝐼_• débité par le site actif est contrebalancé par le courant cathodique 𝐼_& reçu par le site passif (Eq. I-66) :

𝐼• = −𝐼& = 𝐼¯•&(' Eq. I-66

L’équilibre galvanique est donc caractérisé par le courant de macrocellule 𝐼¯•&(' qui définit la cinétique globale de dissolution de l’acier actif. Cependant, cette équation est vérifiée par une infinité de couple (𝐸l ; 𝐸n) et est donc insuffisante, à elle seule, pour déterminer l’équilibre galvanique. Pour déterminer la solution de ce problème, une équation complémentaire est donc nécessaire : la loi d’Ohm. Le courant ionique circulant dans la branche électrolytique du circuit galvanique rencontre en effet une résistance ohmique 𝑅M ^{due à la résistivité du milieu entre les sites anodique et cathodique. L’application de la loi}

d’Ohm permet ainsi de déterminer (au sens mathématique) l’équilibre galvanique en reliant la différence de potentiel 𝐸n− 𝐸l au courant de macrocellule 𝐼¯•&(' (Eq. I-67) :

𝐸n− 𝐸l= 𝑅M. 𝐼¯•&(' Eq. I-67

Il existe ainsi un couple unique (𝐸l; 𝐸n) solution des équations (Eq. I-66) et (Eq. I-67). L’équilibre galvanique est donc défini par un système non linéaire à deux équations. Dans un système en trois dimensions, l’équilibre galvanique est défini par une gamme de couples (𝐸l ; 𝐸n) variant dans l’espace, justifiant ainsi l’utilisation de méthodes numériques avancées pour rechercher une solution.

Selon le niveau de polarisation subie par l’acier actif, un courant résiduel de microcellule est possible en plus du courant de corrosion galvanique. L’intensité de ce courant 𝐼_}K&(' dépend de la surtension anodique 𝜂• subie par l’acier actif lors du couplage avec l’acier passif. Cette intensité est cependant d’autant plus faible que la polarisation est forte. Pour une forte polarisation, la contribution de la composante de corrosion uniforme peut être négligée [49].

L’intensité du courant de corrosion total 𝐼&'(( est la somme des composantes de macrocellule 𝐼¯•&(' et de microcellule 𝐼}K&(' (Eq. I-68):

𝐼&'(( = 𝐼¯•&('+ 𝐼}K&(' ^{Eq. I-68}

La Figure I-8 ci-dessous est une représentation de la polarisation mutuelle entre acier actif et acier passif dans un cas simplifié de lignes de courant unidirectionnelles (exemple : une plaque d’acier passif face à une plaque d’acier actif parallèle).

Figure I-8 Polarisations mutuelles de l'acier actif et de l’acier passif dans une représentation 1D de la corrosion galvanique