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Digeste de la construction au Canada, 1975-12
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Corrosion atmosphérique des métaux
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 170F
Corrosion atmosphérique des métaux
Publié à l'origine en Décembre 1975. P.J. Sereda
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Dans le Digest de la construction 20F, on a abordé d'une façon générale, le problème de la corrosion des métaux utilisés dans les bâtiments. Chaque métal destiné à une utilisation extérieure devrait faire l'objet d'une étude distincte de corrosion atmosphérique car les éléments particuliers d'un ouvrage peuvent modifier les effets de corrosion. En plus de donner les grandes lignes et les renseignements de base utiles à la reconnaissance et à l'évaluation des effets de la corrosion atmosphérique dans des situations données, le présent digest vise à faciliter le choix et l'application des matériaux.
La Division des recherches sur le bâtiment a publié les résultats d'un programme d'essai sur la corrosion atmosphérique lancé par le Comité associé d'études sur la corrosion1,2. Dans le premier rapport il est question des principaux métaux et alliages de l'aluminium, du magnésium, de l'acier inoxydable, des aciers alliés à faible teneur en carbone, du cuivre et du zinc employés dans le bâtiment. Le deuxième rapport traite des résultats obtenus pour l'acier à revêtement métallique, incluant l'acier recouvert de cadmium et de zinc par galvanoplastie, l'acier galvanisé par immersion à chaud, les échantillons de tôles métallisées de zinc et d'aluminium, l'acier recouvert de métal et l'acier scellé par des revêtements organiques. Les résultats s'appliquent en première instance aux conditions identiques à celles de huit sites d'exposition à la corrosion situés au Canada. Des comités de l'American Society for Testing and Materials ont rassemblé et publié des résultats semblables concernant un grand nombre de métaux et d'alliages exposés à divers sites aux É.-U.
Heureusement, on est parvenu à déterminer d'une façon convenable les conditions d'exposition des huit sites canadiens, en mesurant la température, la durée d'humidité (ou les conditions HR) ainsi que le degré de pollution causé par le SO2. Il serait donc possible de mettre en pratique les résultats de ces études en les appliquant aux ouvrages destinés à être exposés dans des conditions atmosphériques similaires, bien que demeure la difficulté de prédire exactement ces conditions.
Dans les atmosphères normales contenant des agents polluants, les métaux commencent à se corroder à une vitesse accélérée lorsque l'humidité relative de la couche d'air située au-dessus de la surface excède 75 pour cent. Ce phénomène se produit lorsque l'air se refroidit ou quand la surface elle-même est refroidie, par exemple, lorsqu'une surface rayonne vers un ciel clair nocturne. La diminution de la température de surface peut même aller jusqu'à 5°F (2.8°C) au-dessous de la température ambiante. Une telle diminution peut faire baisser la température de surface au-dessous du point de rosée lors d'une humidité relative ambiante d'environ 85 pour cent. Les éléments de l'ouvrage, comme la dimension, l'orientation et les caractéristiques de surface peuvent modifier cette condition; ainsi, on peut remarquer la présence de rosée sur le toit d'une voiture mais non pas sur ses côtés.
La durée d'humidité demeure le facteur le plus important dans la corrosion atmosphérique et peut être la cause de divers écarts inexplicables des résultats observés. On peut la mesurer au moyen d'un instrument mis au point à la DRB/CNR; elle correspondrait à la pellicule d'humidité recouvrant une surface et qui produirait un potentiel de plus de 0.2 volt entre deux électrodes de platine et de zinc.
Le tableau I donne les valeurs calculées de la durée d'humidité d'un nombre de sites, ainsi que la valeur critique de HR obtenue à partir des données météorologiques. La durée de la condition d'humidité relative située au-dessus de cette valeur correspond à la durée d'humidité mesurée. Il s'ensuit qu'il est possible de déterminer la valeur moyenne de la durée d'humidité de n'importe quelle localité dont les relevés de HR ont été rassemblés. On a mesuré ainsi, le temps d'humidité pendant une période de dix années (1957-1966) aux 112 stations météorologiques du Canada. La figure 1 présente un graphique des données choisies et classées en deux catégories: côtière et intérieure. Les durées d'humidité, indiquées par celles d'une gamme d'humidités relatives, révèlent une différence moyenne d'environ 20 pour cent entre les deux genres de localités.
Figure 1. Durée des gammes d'humidité relative atmosphérique.
Tableau I. Pourcentage de la durée d'humidité aux sites d'exposition canadiens mesuré par le détecteur de rosée
Période Halifax LRA* 1961-1972 Halifax York Redoubt
1962-1968 1961-1970Ottawa 1962-1970Saskatoon 1961-1969Esquimalt Moyenne annuelle 39.1 44.1 35.3 30.3 42.5 E.-T.** 4.9 3.9 4.9 4.5 4.7 Max 48.4 48.9 41.8 39.5 52.8 Min 30.7 37.3 29.6 25.4 35.7 HR équiv*** 1955-1966 89.0 87.0 80.0 83.0 87.0 Mensuelle Moyenne(déc.) 44.4 52.0 51.6 47.5 61.5
E.-T. 11.6 8.5 9.6 18.0 9.5 Max 72.3 67.4 71.5 74.8 71.5 Min 29.1 43.0 38.5 26.2 43.8 Mensuelle Moyenne(juin) 29.5 36.2 26.8 21.4 23.2 E.-T. 6.8 7.6 11.7 7.0 7.4 Max 47.6 50.4 52.2 29.2 29.5 Min 21.6 24.4 13.7 8.6 7.0
*Laboratoire régional de l'Atlantique, DRB/CNR **Ecart-type.
***Valeur HR tirée des données météorologiques (figure 1); la durée de la condition pour laquelle l'humidité relative demeure au-dessus de cette valeur correspond à la durée d'humidité mesurée.
Des mesures prises sur le revêtement métallique mural et le toit d'un édifice d'entreposage ont démontré que la durée d'humidité de l'encorbellement du toit valait deux fois celle des murs verticaux. On s'attend évidemment à ce que le rythme de corrosion de l'encorbellement soit aussi deux fois plus élevé que celui des murs.
On a comparé et découvert que la durée d'humidité de la lame d'air du mur d'un bâtiment de trois étages, derrière les panneaux extérieurs de béton préfabriqué, était similaire, en moyenne, à la durée d'humidité extérieure. Une différence notable existait cependant entre les valeurs de la base et du toit du bâtiment. L'air humide se dégageant du bâtiment et une augmentation d'eau provenant de la pluie près de la toiture contribuent à une augmentation d'environ 10 pour cent de la durée d'humidité de cette zone. Cela démontre la nécessité d'une protection meilleure du métal des hangars métalliques, etc., contre la corrosion, au voisinage du toit que près de la base.
Il est évident que les surfaces qui retiennent et accumulent l'eau ou qui refroidissent par rayonnement de manière que la vapeur d'eau se condense sous forme de rosée peuvent connaître une durée d'humidité deux ou plusieurs fois plus élevée que la moyenne atmosphérique de la localité. Il va de soi que ces surfaces subiront également une augmentation proportionnelle du taux de corrosion. Une conception adéquate peut grandement solutionner ce problème.
La pollution
Il a beaucoup été question de pollution au cours des dernières années, mais en ce qui concerne la corrosion atmosphérique, on a démontré que seul l'anhydride sulfureux accélérait le processus de corrosion de façon prévisible. Bien qu'on n'ait pas réussi à trouver de lien direct entre des agents particuliers comme les sels marins, la suie, les souillures, et le taux de corrosion, on a prouvé que des dépôts de particules sur une surface métallique peuvent déclencher la corrosion.
On a effectué des essais de corrosion sur des métaux employés dans le bâtiment, à huit sites d'exposition, pendant 10 années et l'on a mesuré et enregistré les niveaux de la pollution correspondante, causée par l'anhydride sulfureux.1Depuis 1970, trois paliers de gouvernement ont participé à la mesure de la pollution causée par le SO2 dans la plupart des grandes zones urbaines. I1 en est résulté des renseignements permettant d'évaluer la concentration de SO2 dans les endroits où l'on se propose d'aménager des ouvrages importants. La Direction générale de la lutte contre la pollution atmosphérique, du ministère fédéral de l'Environnement,
publie mensuellement et annuellement le Rapport de surveillance nationale de la pollution atmosphérique.
Quelques-unes des données rassemblées par les organismes chargés de la lutte contre la pollution atmosphérique sont données en parties par million (ppm), en parties par 100 millions ou en µg/m³, lorsque la méthode implique un échantillonnage continuel d'air dans le but d'obtenir une valeur horaire. On peut convertir ces parties en unités de MDJ (milligrammes de SO2/dm²/jour) par les conversions suivantes:
1 MDJ = 0.028 ppm
1 MDJ = 80 µg/m³
Il faut se rappeler que même si le degré de pollution présente une variation horaire, journalière et saisonnière, la corrosion demeure un processus à long terme, prévisible seulement grâce à l'utilisation d'une moyenne mensuelle ou annuelle de valeurs. C'est pourquoi il est préférable d'obtenir les valeurs annuelles des mesures de la teneur en SO2 dans l'atmosphère, calculées mensuellement. On peut maintenant se procurer les données de certaines villes importantes (figure 2).
Figure 2. Niveaux de pollution par SO2dans quelques grandes villes canadiennes.
Enfin, la pollution locale qui peut même provenir de la cheminée du bâtiment en question, peut grandement influencer les niveaux de SO2. Le dégagement de SO2 près du toit d'un immeuble peut nuire considérablement aux solins, aux gouttières, aux toits et parements métalliques. Toute prévision du rythme de corrosion doit tenir compte de situations semblables.
Les sels marins
La corrosion atmosphérique des métaux dans un environnement du type marin s'effectue beaucoup plus rapidement, mais cette condition n'existe que lorsque l'exposition est soumise directement à la pulvérisation marine. On a découvert que l'effet corrosif d'une atmosphère marine se réduit de plusieurs fois lorsque le lieu d'exposition se trouve à 1 ou 2 km (1/2 à 1 mille) à l'intérieur des terres. Un site d'exposition à Kure Beach, N.C., a révélé que le rythme de corrosion de l'acier d'une station située à 80 pi de la mer est 10 fois plus élevé que celui d'une autre station située à 800 pi, démontrant ainsi que la concentration de chlorure diminue rapidement à mesure que l'on s'éloigne de la côte.
Il apparaît que la température constitue un facteur influant sur le processus de la corrosion atmosphérique. Au Canada cependant, la majeure partie de la superficie à population dense se situe dans une bande étroite de latitude pratiquement constante, et la température moyenne annuelle ne varie guère de plus de 10°F (5.5°C). De ce fait, on ne devrait considérer la température en tant que facteur de corrosion que dans le Grand Nord. Le très faible rythme de corrosion relevé à Norman Wells est dû en partie à la basse moyenne de température et au peu de pollution qui y existent.
Comment se servir des renseignements disponibles
Lorsqu'on en vient à considérer la question de la corrosion d'un métal destiné à être utilisé dans une certaine région, on devrait d'abord établir l'ensemble ou la moyenne des conditions environnantes de la durée d'humidité, de la température et de la concentration en SO2 et en chlorures. Durant la deuxième phase de la conception détaillée, on devrait évaluer le rythme de corrosion de chaque métal destiné à être exposé, en relevant les données d'essai d'un site dont les conditions de durée d'humidité et de pollution sont identiques. Si les données disponibles ne correspondent pas à cause des différentes conditions d'expositions, on peut faire une évaluation en supposant une relation linéaire entre la corrosion et la durée d'humidité. Dans le cas de certains métaux comme l'alliage Alcan 57S et le zinc, la relation linéaire semble s'étendre au problème de la pollution causé par le SO2mais en ce qui concerne la majorité des autres métaux aucune corrélation simple ne semble malheureusement exister.
Jusqu'à ce jour, les corrélations ne s'appliquent qu'au problème de la corrosion à court terme, notamment durant le premier mois ou même la première année, mais pas à long terme. Dans la plupart des cas, les produits corrosifs influent sur la corrosion à long terme, mais on n'a pas encore suffisamment réussi à déterminer leur influence pour permettre une prévision quantitative. Parmi tous les métaux éprouvés, seul le zinc a révélé un taux de corrosion constant, indépendamment de la durée d'exposition et ce, aux trois sites d'Ottawa, de Montréal et de Trail. On peut donc prédire son comportement à long terme d'après les essais à court terme. Aux autres sites, le taux de corrosion du zinc a diminué proportionnellement à la durée de l'exposition de sorte qu'une valeur correspondant à dix années équivaut à la moitié de celle d'une année.
Si l'on connaît les taux de corrosion de deux métaux exposés à une station et celui d'un des métaux exposé à une autre, il est impossible de prédire le taux de corrosion du second métal d'après le rapport des deux taux de la première station car ce rapport n'est pas constant. On doit donc conclure que le concepteur devra sérieusement compter sur son expérience dans l'évaluation de la corrosion atmosphérique des métaux. Le présent digest permet de mieux juger; on peut se procurer de plus amples renseignements dans une publication plus détaillée3.
Références bibliographiques
1. Gibbons, E. V. The corrosion behaviour of the Major architectural and structural metals in Canadian atmospheres. Summary of ten- year results of Group I. National Research Council of Canada, Division of Building Research, NRCC 11630, October 1970.
2. Guttman, H. and E. V. Gibbons. Corrosion behaviour of metal-coated panels at eight Canadian locations - Summary of fourteen-year program. National Research Council of Canada, Division of Building Research, NRCC 12230, October 1971.
3. Sereda, P. J. Weather factors affecting the corrosion of metals. American Society for Testing and Materials, STP 558, 1974.
