corrosion sous contrainte des cables du...

CORROSION SOUS CONTRAINTE CORROSION SOUS CONTRAINTE DES CABLES DU GENIE CIVIL DES CABLES DU GENIE CIVIL

Division MACOA

LCPC

CaractCaractééristiques de la corrosion sous contrainteristiques de la corrosion sous contrainte

� Toutes les structures :� Ponts en précontrainte intérieure et extérieure� Ponts à haubans et suspendus� Tuyaux de large diamètre en béton précontraint

� Aciers de précontrainte :� Aciers faiblement ou pas alliés à haute limite élastique ( Rm de 1200 à 2000 MPa)� Mise en tension > 0.5 Rm� Pré-tension par adhérence : aciers directement enrobé de ciment� Post-tension : aciers enrobés dans un coulis et contenu dans une gaine

plastique ou métallique� Aciers pouvant être revêtus d’une protection (alliages base zinc

ou organique)

CaractCaractééristiques de la corrosion sous contrainteristiques de la corrosion sous contrainte

Câble sigma ovale 40 correctement injecté mais présentant des ruptures par fragilisation

Rupture amorcée sur une fissure de corrosion sous contrainte

� Manifestation : Soudaine rupture fragile ou semi – fragile des acier à haute résistance mécanique en milieu corrosif

� Paramètres à prendre en compte :� Sensibilité du matériau� Type de sollicitation� Niveau de contrainte

� Les facteurs critiques :� Aciers sensibles à la CSC (acier trempé et revenu)� Mise en œuvre incorrecte (gaine mal ou pas injectée)� Matériaux inadaptés� Présence de chlorures, carbonates, sulfates, etc.

Faciès de rupture typique

Caractéristiques de la corrosion sous contrainteCaractéristiques de la corrosion sous contrainte

� Différents modes de rupture :

� CSC (Corrosion sous contrainte) : rupture de la couche passive, compétition entre cinétique de passivation et de dissolution

� FpH ( Fragilisation par Hydrogène) : diffusion interstitielle de H dans le réseau, accumulation dans les zones les plus sollicités, dégradation (phases fragiles,décohésion, recombinaison).

H+ + e- → Hads M + Hads → MHabs , 2 Hads → H2

� Rupture par dépassement du seuil de contrainte (piqûration, corrosion caverneuse)

� Rupture par fatigue-corrosion et fretting-corrosion

Caractéristiques de la corrosion sous contrainteCaractéristiques de la corrosion sous contrainte

Pompe

Fo

Fo

Éprouvette

Aération dif fé rentielle

Eau distillée

Circulation d’eau à débit constant entre les parties basse et ha ute de l’ enceinte

Fo

Fo

Éprouve tt e

Do uble enceinte

Solution thiocyanate d ’amm onium

Circulation d’eau à 5 0 °C à l’ intérieur de la double enceinte

Pompecircuit chauffage

� Norme NF A 05 303 � 200 g NH4SCN dans 800 g d’eau portée à 50°C � Essai rapide de quelques heures� Fragilisation par l’hydrogène seulement

� Norme NF A 05 302� Durées de vies supérieures à 6 mois� Représentatif des conditions réelles

Essais normalisés actuelsEssais normalisés actuels

Essai à l’eau distilléeEssai à l’eau distillée Essai auEssai au thiocyanatethiocyanate d’ammoniumd’ammonium

� Essais en CSC plus représentatifs et rapides par rapport aux essais normalisés

� Essais à déformation constante dans une solution basique contenant plusieurs espèces ioniques telles que SO4

2-, Cl- , etc…

� Influence de différentes conditions mécaniques et électrochimiques sur la corrosion sous contrainte

� Suivi et interprétation les phénomènes corrosifs à l’aide de l’émission acoustique

� L’emploi de solutions corrosives de « terrain »

� Essais en sollicitation dynamique (traction lente puis fatigue-corrosion)

Mise au point de nouveaux essais de CSCMise au point de nouveaux essais de CSC

po tent io stat

E lectrode au calomel

toron 7 fi ls retréfi lé (électr ode de travail)

milieu corrosif

A E Systeme

Con tre-electrode en T i platiné

� Essais électrochimiques à déformation constante jusqu’à rupture d’un fil

� Matériau : toron re tréfilé 7 fils classe 1860

� Caractérisation mécanique et chimique

� Observation des faciès et sur coupe au microscope optique et au MEB

� Suivi CND par émission acoustique

MéthodologieMéthodologie

Mécanique : temps à rupture, déformation plastique à la rupture, réduction de section, déformation et contrainte à rupture.

Métallographique : examens métallographiques, faciès de rupture, zone de striction, rapport surfaces fragile/ductile.

Chimique : vitesse de corrosion, sensibilité au réactif, domaine de corrosion, nature des produits de corrosion.

Puis corrélation de ces types de données pour étude du phénomène desynergie structure-corrosion-mécanique

MéthodologieMéthodologie

Cycle journalier entre 0.7 et 0.8 Fr:� Durées de vie des éprouvettes soumises au cyclage plus faibles

� Ruptures représentatives de celles rencontrées sur ouvrages

Faciès de rupture et morphologie de surface lors d’un essai à charge constante

Essai Durée de vie

Charge constante 80 %, eau + NH4SCN (20°C) 30 jours

Charge variable 40/50 % FR, eau + NH4SCN (20°C) 69 jours

Charge variable 70/80 % FR, eau + NH4SCN (20°C) 22 et 12 jours

Charge variable 70/80 % FR, eau seule (20°C) 45 et 150 jours

Influence de la contrainte externeInfluence de la contrainte externe

� Propriétés mécaniques dégradées en présence de corrosion sous contrainte

� Faciès de rupture semi-fragile

� Solutions basiques en présence d ’air �� durée de vie faible

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Déformation

Con

train

te (M

Pa)

corrosion T émoin

0

20

40

60

80

1 00

1 20

1 40

1 60

1 80

2 00

Ch arge ma x. (k N ) l imit e é la s . 0 ,1 ( k N) A llo n ge m e n t ( %) S t ric t io n Z (%)

Corrosion

Témoins

Influence de la contrainte externeInfluence de la contrainte externe

� Solution corrosive : KCl (78g/l), K2SO4 (9g/l), KSCN (1.7g/l) -/+ KOH (0.8 g/l)� Influence de l’oxygène dissous, piles d’aération différentielle

� Durées de vie plus faibles par rapport aux essais à l’eau distillée

Faciès de rupture lors d’un essai H2O

Essai Durée de vieSolution testée, charge constante,

Cellule occluse 98 jours

Solution testée, charge constante,Circulation air 18 jours

H2O, selon la norme > 3 mois

Faciès de rupture lors d’un essai avec injection d’air

Influence de la solution corrosiveInfluence de la solution corrosive

6

7

8

9

10

11

12

13

28/06/03 18/07/03 07/08/03 27/08/03 16 /09/03 06/10/03 26/10/03 15/11/03

Jour

PH

sans air

sans air

injection air

injection air

� Évolution du pH par pénétration du CO2 vers des valeurs propices à la CSC

Influence de la solution corrosiveInfluence de la solution corrosive

�CHLORURES : attaque intense et rapide localisée sur la surface (piqûres ou crevasses)

FeCl2 + 2H20 ↔ Fe(OH)2 + HCl HCl ↔ H+ + Cl-

� Temps à rupture accéléré de ~ 20 %� Taille des fissures différente

�Temps à rupture intermédiaire par rapport aux essais normalisés

Influence de la présence de chloruresInfluence de la présence de chlorures

Analyse métallographique (Potentiel libre de corrosion) :

Avec Chlorures Sans Chlorures

Plans de clivage isolés Zones à cupules

Fissures transversales à partir de piqûres

Fissures superficielles

Faciès typique

de rupture

Influence de la présence de chloruresInfluence de la présence de chlorures

(E = -1300 mV/ECS)

Rupture à l’interfaceVastes plans de clivages

(E = - 400 mV/ECS)

Rupture en partie courantepiqûres très profondes

� Domaine cathodique Domaine cathodique : fragilisation par hydrogène

� Domaine anodique Domaine anodique : corrosion caverneuse (perte de section due à la dissolution)

� Potentiel librePotentiel libre : mécanisme mixte avec localisation de la corrosion.

Analyse métallographique (Régimes cathodique et anodique) :

Influence de lInfluence de l ’imposition d’imposition d ’un potentiel’un potentiel

ÉMISSION ACOUSTIQUE :

� contrôle non destructifs des défauts

� Détection d’ondes élastiques transitoires

� Émission discrète (salves) : comptages, évènements, amplitude maximale, temps de montée, durée, énergie, spectres de fréquence.

� EA et corrosion : Détection des différentes phases de la corrosion

� En polarisation imposée :

� E = -1300 mV/ECS : EA au début faible. Après amorçage à l’interface, soudaine montée discontinue à cause de la fragilisation par hydrogène

� E = -400 mV ECS: Attaque uniforme trop intense, on ne détecte que la rupture mécanique finale

SuiviSuivi des essais de CSC par EAdes essais de CSC par EA

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 50 100 150 200 250 300 350

durée (h)

com

ptag

es c

umu

lés

Ecorr Ecorr (sans Cl)E = -1300 mV ECSE = -400 mV ECS

� Interface solution – air et bullage

� Potentiels : Ecorr, -1300 mV, - 400 mV

� Seuil : 39 dB, données filtrées !

� Détection de la propagation de la fissure43E = -400 mV ECS

3722E = -1300 mV ECS

628Ecorr (sol. sans Cl-)

1749Ecorr (sol. avec Cl-)

Nombre de salves

Essai


0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 30 0

du ré e (h)

com

ptag

es

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

5 0 0 0

6 0 0 0

7 0 0 0

8 0 0 0

du r é e (��s )

co m p t ag esdu ré e

� Émission initiale à cause la formation des piqûres le long de la surface

� EA intense lors de la propagation de la fissure jusqu’à la rupture


Mise au point dMise au point d’’une solution corrosive une solution corrosive «« terrainterrain »»

� Étude de cas pour câble de béton précontraint dans une gaine remplie de coulis de ciment dégradé

� Évaluation de la sévérité du milieu corrosif sur la durée de vie d’acier de précontrainte

� Sélection des solutions corrosives :

Eau de ressuage (pH= 11-12) Coulis ségrégé (pH= 11-12) Béton chloruré (pH= 11-12)

SANS INTERFACE AIR/ LIQUIDE -- T°= ambiant

AVEC INTERFACE AIR/ LIQUIDE -- T°= ambiant

AVEC INTERFACE AIR/ LIQUIDE -- T°= 45°C



� Recherche d’un domaine Ede transition active-passive

Exemple de la solution simulant le béton chloruré

Sans interface air/ liquide

T° = ambiant

Chargemax im aleFm (k N)

L im iteélastique

Fp0,1 (k N)

Allongeme ntAgt(%)

S trictionZ (%)

Toron sain 291 ,2 262,2 4,9 4 4S ans interfac e 29 4,4 25 7,3 5,1 4 5

Av ec interface 27 6,0 26 2,5 1,2 17 ,2

Avec interface air/ liquide

T° = ambiant

Aucune rupture naturelle à 2 mois

Aucun effet

mécaniquePerte de ductilité,

fragilisation


Dissolution et

piquration Piqûres ayant créées la

rupture et la CSC

Corrosion généralisée

Développement de piqûres à la fois de rouille et de magnétite

Rupture par cisaillement à 45°C

dissolution principalement sur la partie externe du fil


Exemple de la solution simulant le béton chloruré

Sans interface air/ liquide

T° = ambiant

Avec interface air/ liquide

T° = ambiant

CARACTERISTIQUES :

� Éprouvettes : Fils et torons de types T6.5 >> T15.7

� Force de traction : 300 kN max

� Vitesses de déformation : De 10-10 à 10-6 s-1

Nouvel essai de CSC : traction lenteNouvel essai de CSC : traction lente

OBJECTIF :� Réaliser un nouveau type d’essai sous contrainte dynamique, s’inscrivant

dans le cadre des essais de corrosion des câbles de précontrainte

PRINCIPE DE L’ESSAI :� Soumettre une éprouvette placée dans une cellule de corrosion à une

traction lente = surface métallique constamment mise à nu

Capteur force

PC de commande

Capteur déplacement

Spider

Micro pompehydraulique


0,00E+00

1,00E-08

2,00E-08

3,00E-08

4,00E-08

5,00E-08

6,00E-08

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Réglage débit pompe (u.a)

Vite

sse

de d

efor

mat

ion

(s-1)

Domaine de vitesse de déformation :- Min : 2.10-10 s-1

- Max : 8.10-7 s-1

Milieu : airTempérature 20 +/- 1 °C


Traction Lente - Essai à rupture

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04

Déformation

Con

trai

nte

(MP

a)

Précharge de 283 MPa

Vitesse de déformation : 5 10-7 s-1

Milieu : airTempérature 20 +/- 1 °C


ConclusionsConclusions

� Plusieurs voies de mise au point de nouveaux essais de CSC ont été explorées :

� Influence de diverses contrainte et milieux corrosifs, notamment les chlorures� Application d’un potentiel électrochimique� Essai de sollicitation dynamique (traction lente)� Milieux plus proches de la réalité sur OA

� Il reste néanmoins à mieux comprendre les mécanismes de CSC et à optimiser tous ces paramètres afin de définir un nouvel essai de CSC à la fois représentatif des ruptures en service et de durée inférieure à 2 mois

� L’EA détecte des signaux différents, dépendant du mécanisme de rupture (corrosion sous contrainte, FPH, corrosion uniforme)

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