Soutenance mémoire
L’Homme est confronté à la corrosion métallique depuis qu’il a appris à transformer les minerais (sols riches en oxydes métalliques) en métaux pour la confection d’armes et d’outils [1]. La corrosion est un phénomène spontané au cours duquel un métal tend à retrouver son état naturel oxydé, comme un retour à sa forme originelle. Depuis la Préhistoire, l’Homme a su s’adapter et faire preuve d’ingéniosité pour diminuer les effets destructeurs de ce phénomène naturel. La lutte contre la corrosion est de ce fait une discipline scientifique et technique en perpétuelle évolution, qui doit se réinventer pour faire face aux mutations permanentes des technologies de construction.
Les Romains furent vraisemblablement les premiers témoins des phénomènes électrochimiques impliquant des métaux [2]. Dans la construction de leurs navires, ils remarquèrent que les clous en fer utilisés pour fixer les éléments en bois de la coque se retrouvaient couverts d’une couche de rouille lorsqu’ils étaient plantés à travers des rondelles en cuivre. Bien avant la découverte du concept de pile galvanique par Alessandro Volta, les Romains avaient ainsi déjà mis en évidence ce phénomène de corrosion entre deux métaux de natures différentes ; le fer des clous, moins noble, s’oxydait au bénéfice des rondelles d’appui en cuivre. Pour remédier à ce problème, les Romains comprirent empiriquement qu’ils devaient utiliser des clous et des rondelles confectionnés à partir du même métal pour éviter une dégradation prématurée des fixations. Les archéologues ont pu observer cette évolution de la technique d’assemblage mise en œuvre par les Romains pour lutter contre la corrosion.
Le hasard a fait que les Romains ont également découvert le phénomène pouzzolanique, à l’origine des premiers liants hydrauliques et leur ayant permis d’édifier les premières grandes structures en béton telles que la coupole du Panthéon à Rome. Il a cependant fallu attendre le XXe siècle pour que les hommes aient l’idée de placer des armatures en acier dans le béton afin de pallier son déficit de résistance à la traction. Au moment du coulage, le caractère fortement alcalin de la solution interstitielle du béton conduit à la formation d’une couche d’oxydes protectrice à la surface de l’acier conférant aux armatures une bonne résistance chimique. Cette couche dite de passivation ralentit considérablement la vitesse de dissolution du métal, l’amenant à un niveau négligeable au regard des durées de vie usuelles des ouvrages de génie civil. Le phénomène de passivation est une des clés du succès rencontré par le béton armé dans l’histoire de la construction. Malgré de nombreux avantages associés au béton armé (rapidité et facilité de fabrication et de mise en œuvre, coût limité), l’usage de ce nouveau matériau de construction s’est cependant accompagné de nouvelles pathologies, survenant à plus ou moins longue échéance. Sous l’action d’agents agressifs exogènes (dioxyde de carbone, chlorures), le film passif protecteur de l’acier est susceptible de se détériorer localement, initiant ainsi un état de corrosion active des armatures.
Le défi sociétal de la corrosion des infrastructures
Enjeu économique
De nombreuses études ont mis en évidence l’importance de la qualité des infrastructures d’un pays comme facteur clef de sa compétitivité économique. Le manque de maintenance et d’entretien des infrastructures a notamment été souligné comme une des principales causes du ralentissement économique des pays industrialisés [8]. Une étude américaine a estimé à 3,1% du PIB le coût directement imputable à la corrosion des métaux aux États-Unis [9] ; ces dépenses directes correspondent essentiellement à la surveillance, à la maintenance et aux réparations des infrastructures soumises à la corrosion. À ces coûts directs, il convient d’ajouter les coûts indirects plus difficilement quantifiables comme les pertes d’exploitation liées à l’immobilisation de l’infrastructure ou encore les assurances en cas de sinistre. Comme évoqué, le coût total de la corrosion, tous secteurs industriels confondus, est globalement estimé à environ 4% du produit intérieur brut dans les pays développés à économie de marché (PDEM) [3], [4]. La moitié de ces coûts est directement imputée à la corrosion des infrastructures au sens large [9]. On peut dresser une liste non exhaustive des infrastructures couramment touchées par la corrosion : bâtiments, ponts routiers, infrastructures portuaires, centrales nucléaires, plateformes off-shore, réseaux d’assainissement, oléoducs et gazoducs…Ces ouvrages diffèrent notamment par les matériaux de construction utilisés (béton armé, structure métallique…), par l’environnement agressif auquel ils sont soumis (aérien, immergée dans l’eau de mer, enterrée dans le sol…) ou encore par leur secteur d’activité (concession routière, immobilier, production et transport d’énergie…). L’autre moitié du coût global de la corrosion correspond essentiellement aux dégradations des véhicules motorisés (avions, navires, automobiles…) et des installations de fabrication industrielle.
De plus, les pays industrialisés doivent faire face au vieillissement continu de leurs infrastructures qui alourdira inévitablement le coût de la corrosion dans les années à venir. En effet, dans les pays développés, le profil d’âge des infrastructures en béton armé, particulièrement sensibles à la corrosion des armatures, reflète une proportion significative des activités de construction entre 1950 et 1970. Compte tenu des matériaux et des techniques de l’époque, la durée de vie moyenne est d’environ 50 ans pour un bâtiment et 70 ans pour un pont. Cette durée de vie théorique peut cependant être significativement réduite lorsque l’ouvrage est soumis à la corrosion. Si l’on cite l’exemple des ponts du réseau routier national (RRN), un quart des ponts gérés par l’État a été construit entre 1951 et 1975 .
De nombreux ouvrages français arrivent ou arriveront donc prochainement en fin de vie et nécessiteront des moyens d’entretien et de remise en état conséquents. La tendance actuelle est davantage à la réhabilitation de ces ouvrages qu’à leurs démolition et reconstruction. Ce changement de mentalité peut s’expliquer par les coûts directs engendrés par la reconstruction (matière première, main d’œuvre…), par les coûts indirects induits notamment par la mise en place de solutions provisoires de remplacement pendant les travaux, mais également par une volonté de conserver plutôt que reconstruire afin de préserver les ressources de la planète et de minimiser le bilan carbone.
Enjeu sociétal
Depuis l’effondrement du pont Morandi, on observe une prise de conscience collective sur l’état vieillissant des infrastructures et la nécessité d’une maintenance appropriée pour garantir la sécurité des usagers. L’enquête réalisée à la suite de cette catastrophe pointe l’inaction du gestionnaire privé et des autorités publiques alors même que la vétusté de l’ouvrage était avérée [6]. L’effondrement a eu un impact traumatisant sur les usagers, nombreux à avoir manifesté un sentiment de vulnérabilité et se déclarant de plus en plus méfiants envers les institutions responsables de la sécurité de ces ouvrages [5].
En plus des problématiques de sécurité évidentes, la dégradation prématurée des infrastructures par la corrosion a des répercussions sur la qualité de vie des usagers (indisponibilité des infrastructures, densification du trafic routier…) [10]. Si l’on s’appuie sur l’exemple précédent, l’effondrement du pont Morandi a généré des perturbations urbaines considérables comme en témoignent ces quelques chiffres : plus d’un demi-million de génois ont été affectés quotidiennement par l’itinéraire de déviation du trafic autoroutier mis en place pendant la durée des travaux de reconstruction et traversant le cœur de la cité ; un million de camions traversant annuellement la frontière italienne devaient faire un détour de 3h30 ; 600 logements ont dû être évacués pendant la durée des travaux. Bien qu’extrême au regard de ses conséquences, cet exemple tragique montre que la maintenance des ouvrages, notamment corrodés, revêt un intérêt sociétal profond.
Enjeu environnemental
Dans le contexte actuel de protection de l’environnement et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, la préservation des ouvrages existants s’inscrit dans une réelle démarche de développement durable. En effet, la reconstruction d’un ouvrage neuf en remplacement d’un ouvrage trop dégradé pose un problème environnemental majeur. Tout d’abord, l’ouvrage corrodé doit être démoli et les déchets générés doivent être traités. La démolition des ouvrages génère des millions de tonnes de déchets par an. Les déchets à traiter proviennent, à hauteur de 49%, des gravats du génie civil selon une récente enquête menée par le ministère de la Transition Écologique [15]. L’effondrement du pont Morandi a par exemple généré 4 500 tonnes de béton et d’acier à traiter.
De plus, les processus et les matériaux liés à la reconstruction ont une empreinte carbone particulièrement élevée. En 2018, les émissions mondiales liées aux processus de fabrication du ciment étaient de près 1,50 gigatonnes de ??$, ce qui équivaut à environ 4 % des émissions provenant des combustibles fossiles [16]. Les experts constatent également une pénurie mondiale de sable, composant indispensable du béton [17]. L’extraction de sable des rivages marins accélère l’érosion des côtes et nécessite un processus de lavage afin d’éliminer les chlorures avant utilisation dans la confection des bétons. De même, l’extraction de sable dans les cours d’eau déstabilise leurs berges et les infrastructures qui y sont implantées ; de plus, elle modifie la dynamique des ondes de crues et bouleverse la biodiversité.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
A. LE DEFI SOCIETAL DE LA CORROSION DES INFRASTRUCTURES
B. APPROCHE ACTUELLE DU DIAGNOSTIC DE CORROSION DE L’ACIER DANS LE BETON
C. INTERET DU DIAGNOSTIC DE CORROSION ASSISTE PAR ORDINATEUR ET OBJECTIFS DE LA THESE
I CORPUS THEORIQUE DEDIE A LA SIMULATION NUMERIQUE DE LA CORROSION DE L’ACIER DANS LES STRUCTURES DE GENIE CIVIL
I.1. PHENOMENOLOGIE GENERALE DE LA CORROSION DE L’ACIER DANS UN ELECTROLYTE
I.1.1. THERMODYNAMIQUE DES REACTIONS ELECTROCHIMIQUES
I.1.2. CINETIQUE DES REACTIONS ELECTROCHIMIQUES
I.1.3. SPECIFICITES DE LA CORROSION DE L’ACIER DANS LE BETON
I.2. MODELISATION NUMERIQUE DE LA DISSOLUTION DE L’ACIER ET DE LA PRECIPITATION DES PRODUITS DE CORROSION DANS UNE STRUCTURE EN BETON
I.2.1. TRANSFERT DE CHARGE
I.2.2. TRANSFERT DE MASSE : MODELISATION DE LA DIFFUSION DU DIOXYGENE A TRAVERS LE BETON
I.2.3. TRANSPORT DES PRODUITS DE CORROSION PRIMAIRES
I.2.4. THERMOCHIMIE : CINETIQUE DE PRECIPITATION ET STABILITE DES PRODUITS DE CORROSION (DIAGRAMME DE POURBAIX DE L’ACIER)
II DISCUSSIONS PHENOMENOLOGIQUES SUR LA CORROSION DE L’ACIER DANS LE BETON ARME – CAS D’ETUDES NUMERIQUES 2D
II.1. INFLUENCE DE LA PRODUCTION ET DE LA PRECIPITATION DES IONS FERREUX ET HYDROXYDES SUR L’EQUILIBRE DYNAMIQUE D’UN SYSTEME DE CORROSION GALVANIQUE
II.1.1. INFLUENCE DE LA CORROSION SUR LE PH DE LA SOLUTION INTERSTITIELLE
II.1.2. INFLUENCE DES PHENOMENES DE PRODUCTION-CONSOMMATION DES IONS FERREUX ET HYDROXYDES SUR LE COMPORTEMENT ELECTROCHIMIQUE LOCAL DE L’ACIER
II.1.3. INFLUENCE DES PHENOMENES DE PRODUCTION-CONSOMMATION DES IONS FERREUX ET HYDROXYDES SUR LE MODE DE CROISSANCE DU SITE ACTIF
II.2. INFLUENCE DU DEGRE DE SATURATION SUR L’EQUILIBRE DU SYSTEME DE CORROSION : CINETIQUE ET THERMODYNAMIQUE
II.2.1. IMPLANTATION DU DIAGRAMME DE POURBAIX DANS LA MODELISATION DE LA CORROSION DE L’ACIER DANS LE BETON
II.2.2. INFLUENCE DU DEGRE DE SATURATION SUR LA CINETIQUE DE DISSOLUTION DE L’ACIER (ASPECTS CINETIQUES)
II.2.3. INFLUENCE DU DEGRE DE SATURATION SUR LA STABILITE THERMODYNAMIQUE DES PRODUITS DE CORROSION
II.2.4. DISTRIBUTION SPATIALE DES PRODUITS DE CORROSION (ASPECTS CINETIQUE)
II.3. ÉTUDE DU PHENOMENE DE CORROSION DANS UNE PILE EN BETON ARME PARTIELLEMENT IMMERGEE
II.3.1. PRESENTATION DU MODELE NUMERIQUE
II.3.2. CINETIQUE DE DISSOLUTION DE L’ACIER ET DE PROPAGATION DE LA CORROSION
II.3.3. DETECTABILITE D’UN SITE ACTIF DE CORROSION
II.3.4. ACIDIFICATION DU BETON
II.3.5. NATURE DES PRODUITS DE CORROSION ET CINETIQUE DE PRECIPITATION
II.3.6. INFLUENCE DE LA POSITION DU SITE DE CORROSION SUR LA CINETIQUE DE DISSOLUTION ET DE PRECIPITATION DES PRODUITS DE CORROSION
III DIAGNOSTIC DE CORROSION ASSISTE PAR ORDINATEUR DES OUVRAGES METALLIQUES ENTERRES – CAS D’ETUDE REEL
III.1. ÉTAT DE L’ART
III.1.1. FACTEURS INFLUENÇANT LA CORROSION DE L’ACIER DANS LE SOL
III.1.2. CORROSION LOCALISEE DES STRUCTURES METALLIQUES ENTERREES
III.1.3. MODELISATION NUMERIQUE DE LA CORROSION DE L’ACIER DANS LE SOL
III.2. DIAGNOSTIC DE CORROSION ASSISTE PAR ORDINATEUR DE 2 OUVRAGES METALLIQUES ENTERRES CONSTITUES DE RIDEAUX DE PALPLANCHES : CAS D’ETUDE REEL
III.2.1. MISE EN EVIDENCE DES DIFFERENTS MECANISMES DE CORROSION
III.2.2. CORROSION UNIFORME DE L’ACIER DANS LE SOL (OUVRAGES 1 ET 2)
III.2.3. CORROSIVITE INTRINSEQUE DES SOLS EN PRESENCE
III.2.4. CORROSION GALVANIQUE DE L’ACIER INDUITE PAR L’HETEROGENEITE DU SOL
III.2.5. CORROSION DE L’ACIER PAR COURANT VAGABOND
III.2.6. DISCUSSION
III.2.7. SCENARIOS DE CORROSION PAR COURANTS VAGABONDS (OUVRAGE 2)
III.2.8. INTERACTION ENTRE LES DIFFERENTS MECANISMES DE CORROSION
III.3. CONCLUSION
IV ÉTUDES EXPERIMENTALES ET NUMERIQUES SUR LA CORROSION LOCALISEE DE L’ACIER INDUITE PAR LES CHLORURES
IV.1. ÉLEMENTS DE THEORIE RELATIFS AU TRANSPORT DES CHLORURES DANS LES BETONS ET A LEUR EFFET SUR L’ETAT DE CORROSION DES ARMATURES
IV.1.1. TYPOLOGIE RELATIVE AUX IONS CHLORURE DANS LE BETON
IV.1.2. MODELISATION DU TRANSPORT DES IONS CHLORURES
IV.1.3. MODELISATION DE L’ACTION DES CHLORURES SUR LA CINETIQUE DE CORROSION
IV.2. DETERMINATION DES PROPRIETES DE TRANSPORT DES IONS CHLORURE PAR ANALYSE INVERSE
IV.2.1. PROTOCOLES DE MESURE RAPPORTES PAR LA LITTERATURE SCIENTIFIQUE
IV.2.2. CHOIX DE L’ALGORITHME D’IDENTIFICATION
IV.2.3. PRESENTATION DU PROTOCOLE EXPERIMENTAL ET DES RESULTATS D’IDENTIFICATION
IV.3. INCIDENCE DU POTENTIEL DE DIFFUSION LORS DU DIAGNOSTIC DE CORROSION D’UNE STRUCTURE EN BETON EXPOSEE AUX CHLORURES
IV.3.1. PHENOMENOLOGIE DU POTENTIEL DE DIFFUSION INDUIT PAR LE TRANSPORT DES IONS CHLORURES A TRAVERS LES MATERIAUX CIMENTAIRES
IV.3.2. MISE EN EVIDENCE EXPERIMENTALE DU POTENTIEL DE DIFFUSION ET SIMULATION NUMERIQUE
IV.3.3. ETUDE NUMERIQUE DE L’INFLUENCE DES PARAMETRES DE FORMULATION DU MORTIER ET D’EXPOSITION SUR LE CHAMP DE POTENTIEL DE DIFFUSION
IV.3.4. CONCLUSION
IV.4. DUREE DE LA PHASE D’INCUBATION DE LA CORROSION DES ARMATURES D’UNE STRUCTURE EN BETON ARME : CAS D’ETUDE NUMERIQUE
IV.4.1. PRESENTATION DU MODELE
IV.4.2. IDENTIFICATION DES ZONES D’INITIATION DE LA CORROSION
IV.4.3. ÉTUDE PARAMETRIQUE
IV.4.4. CONCLUSION
IV.5. ÉTUDE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE DE L’INITIATION DE LA CORROSION
IV.5.1. PRESENTATION DU PROTOCOLE EXPERIMENTAL
IV.5.2. RESULTATS EXPERIMENTAUX ET SIMULATIONS NUMERIQUES
IV.6. ÉTUDE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE DE LA REDISTRIBUTION DES CHLORURES INDUITE PAR LE CHAMP ELECTRIQUE GENERE PAR UN SYSTEME DE CORROSION LOCALISEE DE L’ACIER DANS LE BETON
IV.6.1. PRESENTATION DU PROTOCOLE EXPERIMENTAL
IV.6.2. RESULTATS EXPERIMENTAUX ET SIMULATIONS NUMERIQUES PAR UNE APPROCHE DE MODELISATION MULTI-PHYSIQUE
IV.7. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
