1. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012
Fragilisation par hydrogène des armatures de
précontrainte en présence d'une 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
09/05/12
Florian Auder

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
• Conclusion
Florian Auder

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 d'hydrogène en le réseau d’armatures
surface de l'acier actives
Liaisons électriques entre
Utilisation de techniques de protection armatures passives et
électrochimique sur armatures passives actives
Florian Auder

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. 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. 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 traitement
Florian Auder

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 l'hydrogène = 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 + poison
Florian Auder

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/m²
Florian Auder

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 cathodique
Florian Auder

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’hydrogène
Florian Auder

11. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012
Essais en solution sans contrainte
mécanique
• Influence de la solution et de la densité de courant
Florian Auder Durée des essais : 24h

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 l'hydrogène absorbé
Florian Auder

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 rupture
Florian Auder

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’acier
Florian Auder

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 n'influence pas
Florian Auder l'absorption d'hydrogène et donc le type de rupture.

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’acier
Florian Auder

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 fixée
Florian Auder

18. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012
Merci pour votre attention
Florian Auder