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Fragilisation par hydrogène des arlatures de précontrainte en présence d'une protection électrochimique : étude des paramètres influents

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Fragilisation par hydrogène des arlatures de précontrainte en présence d'une protection électrochimique : étude des paramètres influents

  1. 1. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Fragilisation par hydrogène des armatures de précontrainte en présence dune protection électrochimique : étude des paramètres influents Sourdun Mercredi 9 et Jeudi 10 mai F. AUDER, L. GAILLET, T. CHAUSSADENT, V. BOUTEILLER : IFSTTAR J.P. BALAYSSAC : LMDE Toulouse 09/05/12Florian Auder
  2. 2. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Sommaire • Contexte • Méthodes de protection électrochimiques • Fragilisation par hydrogène • Objectifs et paramètres étudiés • Paramètres étudiés • Essais en solution sans contrainte mécanique • Essais en solution sous contrainte • ConclusionFlorian Auder
  3. 3. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Contexte Ouvrages en béton Problématique : La présence de précontraint avec protection électrochimique sur armatures passives armatures de précontrainte générant corrodées une production d’hydrogène, peut elle entraîner une fragilisation par hydrogène? Nécessité de ralentir ou stopper le phénomène de Production Traitement se propage sur corrosion dhydrogène en le réseau d’armatures surface de lacier actives Liaisons électriques entre Utilisation de techniques de protection armatures passives et électrochimique sur armatures passives activesFlorian Auder
  4. 4. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Méthodes de protection électrochimique Protection cathodique - Abaissement du potentiel de l’acier jusqu’à un niveau permettant de ralentir ou stopper la corrosion - Densité de courant : <20mA/m² Déchloruration - Extraire les chlorures depuis l’armatures vers l’extérieur du parement béton - Densité de courant : 1 à 4A/m² Réalcalinisation - Augmenter le pH du béton autour de l’armature - Densité de courant : 1 à 4A/m² Bouteiller V.Florian Auder
  5. 5. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Fragilisation par hydrogène Sources d’hydrogène : -Formation de l’hydrogène par réaction de corrosion -Formation de l’hydrogène par polarisation cathodique Processus d’absorption : -Adsorption à la surface de l’acier : H+ + e- → Hads Recombinaison et dégagement sous forme gazeuse : Hads + Hads → H2(g) (1-ɛ) ; ɛ<<1 Ou pénétration dans le métal : M + Hads → Habs ɛ Accumulation dans les zones les plus sollicités (piégeage) ou diffusion. Contrainte + Hydrogène ==> Dégradation par fragilisation selon différents mécanismes (décohésion, interactions hydrogène- dislocations)Florian Auder
  6. 6. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Objectifs et paramètres étudiés • Objectifs : Reproduire en laboratoire l’application d’un traitement électrochimique de protection contre la corrosion sur ouvrage en béton précontraint afin de déterminer les conditions de développement du phénomène de fragilisation par hydrogène • Paramètres étudiés : - Densité de courant appliquée - L’environnement autour de l’armature de précontrainte (solution synthétique) - L’état de surface de l’armature de précontrainte - La contrainte mécanique appliquée sur l’armature - La durée de traitementFlorian Auder
  7. 7. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Paramètres étudiés • Environnement et état de surface de l’armature Différents états de dégradations du milieu cimentaire autour de l’armature de précontrainte entraineront différents états de surface de l’acier : - Milieu sain Acier non corrodé - Milieu chloruré - Milieu carbonaté Acier corrodé - Milieu carbonaté et chloruré Equivalence pour les essais : Utilisation de solution électrolytiques simulant la solution interstitielle du béton Solution pH Béton + ajout d’un anti-recombinant de lhydrogène = thiocyanate 1 ≈ 13 sain d’ammonium (NH4SCN) 2 ≈ 13 chloruré 3 ≈8 carbonaté Favorise la pénétration 4 ≈8 carbonaté chloruré d’hydrogène dans l’acier 5 ≈8 carbonaté chloruré + poisonFlorian Auder
  8. 8. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Paramètres étudiés • Densité de courant appliquée Deux états possibles pour chaque traitement électrochimique en fonction de la densité de courant Protection normale : la densité de courant ne Surprotection : la densité de courant dépasse dépasse pas les valeurs recommandées les valeurs recommandées J < 20 mA/m² Protection cathodique J > 20 mA/m² J < 4 A/m² Déchloruration J > 4 A/m² J < 4 A/m² Réalcalinisation J > 4 A/m² 0.01 A/m² 20 A/m² 0.1 A/m² Densités de courant 100 A/m² 1 A/m² étudiées : 500 A/m² 4 A/m² 1000 A/m²Florian Auder
  9. 9. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sans contrainte mécanique • Déroulement d’un essai : 1 Polarisation cathodique de l’acier pendant une durée déterminée Montage trois électrode Utilisation d’un potentiostat en mode chronopotentiométrie pour l’application du courant 2 Analyse hydrogène Détermination de la quantité d’hydrogène absorbée par l’acier à l’issue de la polarisation cathodiqueFlorian Auder
  10. 10. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sans contrainte mécanique • Influence du temps de chargement Objectif : déterminer la limite d’absorption de l’acier en hydrogène Conditions expérimentales : - Solution 5 : carbonaté, chloruré + thiocyanate - J = 500A/m² Saturation de la quantité d’hydrogène dans l’acier après 15h de chargement Traitements longue durée ne favorisent pas l’absorption d’hydrogèneFlorian Auder
  11. 11. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sans contrainte mécanique • Influence de la solution et de la densité de courantFlorian Auder Durée des essais : 24h
  12. 12. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sans contrainte mécanique • Etude de faciès de rupture après traction Echantillon de référence - Rupture ductile - Forte striction Echantillon chargé à 500A/m² pendant 24h en solution 5 (NH4SCN) - Rupture semi-fragile - Faible striction Comportement ductile à semi-fragile ==> Influence de lhydrogène absorbéFlorian Auder
  13. 13. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sous contrainte • Déroulement des essais 1 Mise en tension de l’acier à 80% de Rm 2 Polarisation cathodique de l’acier pendant une durée déterminée (si pas de rupture spontanée) 3 Si pas de rupture spontanée : essai de traction et analyse hydrogène 4 Analyse des faciès de ruptureFlorian Auder
  14. 14. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sous contrainte • Influence de la solution Etat de surface Solution J (A/m²) Durée (sem) H (ppm) Essai A non corrodé 4 500 1 2,6 Essai B non corrodé 5 500 Rupture en 1h - Essai A après traction Essai B après rupture Striction et amorce au centre Pas de striction et de nombreuses fissures en faciès ductile, pas de fragilisation surface fragilisation de l’acier Ajout de NH4SCN nuit fortement à l’intégrité de l’acierFlorian Auder
  15. 15. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sous contrainte • Influence de l’état de surface Etat de surface Solution J (A/m²) Durée (sem) H (ppm) Essai A non corrodé 4 500 1 2,6 Essai B corrodé 4 500 1 1.5 Essai A après traction Essai B après traction Striction et amorce au centre faciès Striction et amorce au centre. Faciès accidenté ductile, pas de fragilisation en raison de la corrosion initiale pas de fragilisation La présence de piqures en surface de l’acier ninfluence pasFlorian Auder labsorption dhydrogène et donc le type de rupture.
  16. 16. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Essais en solution sous contrainte • Influence de la densité de courant imposée Etat de surface Solution J (A/m²) Durée (sem) H (ppm) Essai A corrodé 4 4 1 1.2 Essai B corrodé 4 500 1 1.5 Essai A après traction Essai B après traction Striction et amorce au centre faciès Striction et amorce au centre. Faciès accidenté ductile, pas de fragilisation en raison de la corrosion initiale pas de fragilisation Aucune influence de la densité de courant sur l’intégrité de l’acierFlorian Auder
  17. 17. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Conclusions • Essais sans contrainte - Phénomène de saturation en hydrogène de l’acier (remplissage des sites interstitiels/pièges) - Faible absorption d’hydrogène en condition de protection normale - En surprotection, la quantité d’hydrogène absorbée est complexe, mais atteint des valeurs élevées dans plusieurs conditions - Le chargement en présence de NH4SCN fragilise l’acier, comme attendu • Essais sous contrainte - La fragilisation est mise en évidence dans le seul cas d’un chargement en présence de NH4SCN - Dans les autres cas, ni la surprotection, ni la présence de piqûres ne semblent engendrer une quelconque FpH. Les essais ont tous été menés au bout de la durée fixéeFlorian Auder
  18. 18. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Merci pour votre attentionFlorian Auder

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