Relevé de potentiel sur des conduites en béton précontraint

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Annales du bâtiment et des travaux publics, novembre 5, pp. 47-56, 1997-11-01

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Relevé de potentiel sur des conduites en béton précontraint

Brousseau, Rejean; Chagnon, Nathalie; Baldock, Bruce

http://www.nrc-cnrc.gc.ca/irc

Re le vé de pot e nt ie l sur de s c onduit e s e n bé t on pré c ont ra int

N R C C - 4 0 1 3 0

B r o u s s e a u , R . J . ; C h a g n o n , N . ; B a l d o c k , B .

N o v e m b e r 1 9 9 7

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Annales du Bâtiment et des Travaux Publics, (5), November, pp. 47-56,

November 01, 1997

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maintenance - diagnostic - reparation

#

RELEVE DE POTENTIEL

SUR DES CONDUITES

# #

EN BETON PRECONTRAINT

Reiean BROUSSEAU,

Agent de recherche -

Nathalie CHAGNON,

Agent technique

Bruce BALDOCK,

Agent technique

Institut

de Recherche en

Construction, Conseil National

de Recherches

du Canada

INTRODUCTION

L

es conduites de Mton precontraint sont couranunent uti-lisees comme conduites maitresses des reseaux d' aque-dues depuis de nombreuses annees. Ce sont des conduites

qui sont normalement tres flables avec une excellente dura-bilite. Ce type de conduites est habituellement peu suscep-tible de se corroder car l'alcaliuitfS de l'enrobage de Mton engendre la formation d'un film d'oxyde protecteur sur racier de l' arne et des fils precontraints. Cependant, l' epan-dage important de sels de deglacement 11 base de chlorure entraine frequemment des problemes de corrosion des conduites. En effet, la migration des ions chlorures prove-nant des sels de deglacement dans Ie sol et 11 l'interieur du reton a pour effet de briser Ie film protecteur qui rend passif norrnalement l' acier dans Ie Mton [I].

Lacorrosion des conduites en Mton precontraint peut arne-ner les sections 11 se deteriorer prematurement et produit par-tois des ruptures imprevisibles. En effet, etant donne que les fils precontraints sont soumis 11 des tensions correspondant 11 70-75 %de leur contrainte nltime, !'etat de rupture est Ires \ite alteint. Une reduction de 20 11 30%du diarnetre des fils par la corrosion arnene souvent ces demiers 11 se rompre. Suite 11 la rupture d'une certaine quantite de fils precontraints, la resistance de la conduite diminue. Lorsque la pression de l'cau dans la conduite devient superieure 11 la resistance du renforcement d'acier, une rupture pouvant occasionner des dommages importants peut se produire [2, 3].

La possibitite d'etre en mesure de detecter I'etat des conduites avant qu'une rupture ne se produise est donc tres attrayante. Diverses techniques de diagnostic non destruc-tives existent presentement, dont celles basees sur des lec-tures de potentiet. Un des avantages des techniques basees sur des releves de potentiel provient du fait que les mesures peuvent etre prises 11 partir de la surface du sot.

Le but de cet article est d'evaluer la possibilite d'utiliser les releves de potentiel pour localiser les zones endomma-gees par la corrosion. Sachant que Ie potentiel electrochi-mique d'une section corrodee est normalement plus negatif que celui d'une section qni n'a pas subi de corrosion appre-ciable, it semble possible en theorie de detecter ces zones endommagees. D'ailleurs, la technique de la mesure des potentiels est couramment utilisee pour determiner la cor-rosion du Mton arme des ponts et des garages de station-nement. Celle-ci consiste 11 evaluer 11 l'aide d'un voltmetre la difference de potentiel entre une electrode de reference cuivre-sulfate de cuivre et !'acier de la conduite ma1tresse. Selon la norme, un potentiel moins fort que -200 mV indique une probabilite superieure 11 90 % que l' acier de renforcement ne se corrode pas. Par contre, un potentiel plus fort que -350 mV denote une probabilite superieure 11 90 % que les fils precontraints se corrodent [4]. Une mesure des potentiels peut donc nous informer de la pre-sence ou de l' abpre-sence de corrosion sur les renforcements d'acier. Cependant, d'autres phenomenes comme la

pro-tection cathodique et les courants vagabonds peuvent don-ner des lectures de potentiel negatives tres fortes [5, 6, 7]. Dans un article publie en 1993, Sylvia C. Hall concluait qu'il est possible de localiser les zones corrodees 11partir d'un releve de potentiel [8]. Par contre, d'autres auteurs croient qu'il peut etre difficile d'identifier specifiquement les regions anodiques sur les conduites en utilisant des techniques de releve de potentiel. En effet, Ronald L. Bianchetti pense qu' un releve de potentiel sur des conduites en beton precontraint Ie long de la surface du sol represente un couplage des potentiels des sites anodiques et cathodiques. Sans en avoir fait l'etude, il croit que I'in-fluence des sites cathodiques sur les regions anodiques peut rectuire et meme masquer I'accroissement des poten-tiels previsibles dans les regions anodiques [3].

Afin de faire Ie point sur ces opinions contradictoires, nous avons effectue des experiences en chantier. Les resultats de Sylvia C. Hall ont ete obtenus en utilisant une anode inerte situee entre Ie beton d'enrobage et Ie renforcement en acier. Dans notre etude, afin de mieux simuler un cas reel, nous avons utilise des conduites precorrodees.

•

MODE EXPERIMENTAL

Dans Ie present projet, les mesures ont ete effectuees sur cinq sections de conduites en beton precontraint de 610 mm de diamNre. Deux de ces sections ont ete precorrodees afin de simuler des conduites en mauvais etat. Pour ce faire, Ie beton d' enrobage a ete detruit par per,age ou sciage jusqu'11

ce que I' acier soit accessible. Du sel a ensuite ete depose directement surI' acier de renforcement expose, pendant une periode de cinq semaines, afin d' accelerer Ie processus de la corrosion. Dans Ie but de faciliter une plus ample penetra-tion de sel dans I'enrobage de beton et une corrosion plus prononcee du renforcement en acier, nous avons impose un courant anodique. Un montage temporaire entre une meche d' acier11la surface du beton et les fils precontraints a donc permis d'imposer un courant anodique de I'ordre de 4,5 amperes durant cinq semaines (figure I).Deux zones corro-dees de I 219.2 mm de long ont ainsi ete creees sur la conduite B11une distance de 609.6 mm de chaque extremite alors qu'une zone centrale de 4 876.8 mm fut produite sur la conduite D. Un schema illustrant les conduites et les zones precorrodees est presente11la figure 2.

Les sections de conduites ont ete enterrees 11 une profon-deur de 2,13 m. Chaque conduite est entouree d'un coussin de pierre 19 mm et remblayee avec Ie terrain naturel soit un melange d'argile et de pierre. La resistivite de ce sol obte-nue 11 l'aide du systeme 11 quatre fiches est de I'ordre de 3 500 ohm-cm. Les cinq sections de la conduite de beton precontraint sont allignees bout11 bout et continues electri-quement entre elles tout en etant distantes de 3 048 mm d'une conduite en fonte ductile grise. Une des extremites des conduites se trouve dans un tunnel d'acces alors que I' autre extremite est accessible par un puisard.

Avant d'enterrer les sections de la conduite, des connec-tions ont ete effectuees afin de relier I'ame d'acier de chaque section

a

un panneau de controle. De plus, une vingtaine d'electrodes de reference permanentes cuivre-sulfate de cuivre ont ete enfouies 11 90 degres de chaque cote de la conduite et ont ete reliees au panneau de controle (figure 3). Celles-ci nous ont permis de determiner

l'in-AO

fluence de la distance entre I'electrode de reference et la conduite lors d'un releve de potentiel.

•

•

RESULTATS EXPERIMENTAUX

ET DISCUSSION

Afin d'evaluer la fiabilite des releves de potentielle long de la surface du sol, des mesures de potentiel ont ete prises sur chaque section de la conduite avant de les enterrer. Les figures 4

a

8 presentent les mesures de potentiel obtenues Ie long de l'axe et des deux cotes des sections alors que celles-ci etaient isolees electriquement. Les courbes obte-nues 11 l' aide de ces donnees demontrent bien l'existence de zones corrodees dans les conduites B et D. En effet, on observe que les zones de beton sain ont un potentiel d' en-viron -150 mV alors que les zones corrodees ont un poten-tiel voisinant -600 mV par rapport 11 I'electrode de reference Cu/CuSO•.

La figure 9 presente les resultats obtenus lors des releves de potentiel apres enfouissement des conduites A11E. Les mesures ont ete prises11la surface du sol tous les 609.6 mm Ie long de l' axe de la conduite ainsi qu' avec les electrodes de reference pres des conduites. En analysant les resultats, on constate qu'il est difficile de localiser les sections cor-rodees. Cette difficulte peut etre attribuee au fait qu 'une fois enterree, la conduite est entouree d'un milieu conduc-teur. En effet, Ie sol permet Ie passage d'un courant galva-nique de corrosion entre les regions anodiques et cathodiques comme Ie montre la figure 10.

L' absence de chute de potentiel 11 l' approche des zones anodiques aurait egalement pu s'expliquer par Ie fait que la lecture prise par I'electrode de reference couvre un cone de 120 degres (figure 11). Toutefois, comme on l'expliquera dans Ie paragraphe suivant, une autre raison prectomine dans Ie cas present. On peut cependant avancer que les reieves de potentiel obtenus ne representent pas des valeurs ponctuelles mais plutot une moyenne des potentiels sur une section de la conduite. Ce phenomene devient de plus en plus important 11 mesure que l' electrode de referenc." s' eloigne de la conduite comme Ie montre la figure II. A

cause de la profondeur11laquelle la conduite est enterree, on peut considerer que la zone couverte par les electrodes de reference pres de la conduite est negligeable comparati-vement11 celie per,ue par une electrode de reference 11 la surface du sol.

En examinant la figure 9, on remarque que meme si on diminue de beaucoup la zone per,ue par l'electrode de reference, Ie releve de potentiel ne nOus permet pas d'iden-tifier les sites anodiques. C' est donc que Ie couplage des regions cathodiques avec les sites anodiques attenue consi-derablement les differences de potentiel entre ces zones, rendant ainsi difficile I'identification des sections corro-dees. La difference entre les resultats obtenus11partir d'une electrode de reference 11 la surface du sol et ceux provenant des electrodes de reference pres de la conduite est causee par la resistance du sol entre ces deux points.

Nous avons egalement etudie Ie phenomene de polarisation des conduites en beton par Ie couplage avec des conduites maitresses en fonte ductile. Pour ce faire, nous avons etabli une continuite electrique entre la conduite de beton precon-traint et la conduite de fonte ductile parailele et distante de 3 048 mm (figure 2). Un suivi des releves de potentiel

effec-lUes sur la conduite de beton precontraint nous pennet d' ob-server une diminution des potentiels suite

a

la connection avec la conduite de fonte comme Ie montre les figures 12 et 13. Etant donne que la conduite de fonte ductile

a

un poten-tiel de -600 mV alors que la conduite de beton precontraint a un potentiel de -380 mY, la fonte agit comme anode. La conduite de fonte ductile protege done cathodiquement la conduite en beton precontraint lorsqu' ilya continuite elec-trique entre les deux comme Ie montre la figure 14.

Lors d'une protection cathodique, les conduites ont ten-dance

a

se polariser et

a

evoluer vers un potentiel unifonne. Ainsi, suite

a

la continuite electrique entre la conduite de heten precontraint et celle de fonte ductile, il y a deplace-ment des potentiels de l' acier de renforcement vers des valeurs negatives plus grandes. Le couplage des potentiels entre les deux conduites fait qu'il soit impossible de loca-liser les zones precorrodees sur la conduite de beton pre-contraint. Ce pMnomene de couplage est souvent observable en milieu urbain ou il y a interference des conduites de fonte sur les conduites en beton.

CONCLUSIONS

Ce projet de recherche nous a pennis de condure que la technique des releves de potentiel n'est pas en mesure d'identifier de ｦ｡ｾｯｮ fiable les sections corrodees d'une conduite enfouie. Nous avons remarque qu' en presence d'un milieu conducteur comme Ie sol, ilya une attenuation considerable des differences de potentiel entre les regions anodiques et cathodiques. Quelle que soit la distance entre I'electrode de reference et la conduite, nous avons observe aucune chute de potentiel

a

l' approche des zones ano-diques.

II a egalement ete demontre que les releves de potentiel ne peuvent pas etre utilises pour detecter les sections corro-dees lorsqu'il y a une continuite electrique entre une conduite en beton et une conduite en fonte ductile. En effet, dans une telle situation, les conduites ont tendance

a

se polariser et

a

evoluer vers un potentiel unifonne rendant impossible toute detection des zones anodiques.

ｾ Belon precorrode

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Belonsain

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Conduits en fonte ) ductile 152 mm Pulsard

Figure 2 : Vueenplan du site d'essa;.

Panneau de

contrale

Surface du sol

Conduite

609,6mm

Electrode de

reference

Cu/CuS0

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Figure 3 :Installation des electrodes de reference.

Figure4 : Re/evedeporentie' avant enlouissement. Conduite A. Distance ( m )

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Figure 5 : Re/eve de porentiel avant enfouissement.

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Figure 7: Re/eve de potentiel avant enlou;ssement. Conduite D.

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figure8 : Releve de potenfiel avant enlouissement.

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5 10 15 20 25 35- 40 Distance ( m)

Figure 9 : Relevetlepotentielapres･ｲｩｬｯｵｩｾｳ･ｭ･ｮＧＬ

Conduite

de beton

precontralnt

Surface du sol

E

Cathode: 0, + 2H,o + 4e- .... 40W Potentiel avant enfouissement

-150 mV

Electrode de

reference

Anode: Fe .... Fe2++ 2e-Potential avant enfouissement

ｾｏｏｭｖ

ｾ Beton precorrode

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Betonsain

Figure JO:Influence de10zone anod/quesur leszones cothodiques.

Figure rJ :Regionde

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conduiteｰ･ｾｵ･ parI'e/ectrodedereference.

Cathode: 0,+2H,O+40- .... 40W Potential avant enfouissement

-150 mV

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Conduite en｢ｾｴｯｮ ｰｲｾ｣ｯｮｴｲ｡ｩｮｴ

Cathode _{Potentiel initial:}

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Fonte dJctile

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Anode

Potentiel initial:

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mV vs CulCuS04

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Figure J2 :Relevede potentiel apnb enloulssemenf suiteci10 (onnexion

avec les conc/uires de Ionteductile.

Mesures prises avecI'electrode dereferenceci

10 surFace du sol 'e long des conduites A ci E.

Figure 13 : Re/evedepolentiel apnl. enfouissement suitecila(onnexion avec les condvire. de fonte ducrile. Mesuresprises avec Ie. e/ecrrodes

de reMrence

pres

des conduites.

ConduiresAciE. - - 0 JOtl ----4 joll'S ···12Jo.... 30

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Figure J4 :Influencede ta condvilede fonte

Iorsqv'elle est continue electriquement avec 10 conduile de Wton preconfraint.

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