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LA MÉTHODE CORROHM

3 cas d’études

La méthode CORROHM sur 3 cas d’études

La réalité du terrain compte d’innombrables de cas de corrosion extrêmement complexes, pour lesquels plusieurs causes concomitantes peuvent interagir et accentuer le phénomène. Face à cette réalité, les approches génériques classiques de diagnostic corrosion et/ou de maintenance anticorrosion affichent clairement leurs limites. Bien souvent, elles peuvent même générer des conclusions erronées car leur caractère générique intrinsèque empêche justement de tenir compte des spécificités de chaque ouvrage : géométrie, spatialité du système de corrosion, influences environnementales, disponibilité du dioxygène, comportements électrochimiques propres des matériaux dans leur environnement particulier, présence de courants vagabonds…

La volonté affichée de CORROHM est de s’affranchir de toute démarche générique, compte tenu du caractère unique de chaque structure. La maîtrise scientifique, technique et numérique de CORROHM lui permet de traiter chaque problème au cas par cas, de tenir compte de toutes les spécificités de l’ouvrage étudié et ainsi d’apporter des réponses précises, utiles, justifiées et rigoureuses à des situations de corrosion complexes. La démarche d’ingénierie mise en œuvre par CORROHM s’appuie toujours sur le couplage entre données expérimentales de terrain et modèles numériques 3D. Par cette approche unique, CORROHM redéfinit totalement l’ingénierie du diagnostic corrosion et de la maintenance anticorrosion.

GÉNIE CIVIL – RIDEAUX DE PALPLANCHES

Courant vagabond -Évaluation de risque

Diagnostic de corrosion sur palplanches en milieu géologique hétérogène avec risque de courants vagabonds

En partenariat avec l’INSA de Toulouse, CORROHM a élaboré et mis en œuvre un protocole spécifique de diagnostic corrosion sur des rideaux de palplanches constituant les culées de 2 ouvrages autoroutiers (Ouv.1 et Ouv.2). Le risque de corrosion identifié par le maître d’ouvrage portait principalement sur l’existence de canalisations sous protection cathodique à proximité immédiate de l’ouvrage 1 et susceptibles de générer une corrosion par courant vagabond des palplanches. Face à la complexité du problème, une étude précédente réalisée selon une approche classique par un tiers n’avaient pas permis de statuer sur le risque de corrosion. CORROHM a alors élaboré et réalisé un protocole original d’essais in situ, spécifiquement conçu au regard des particularités de ces ouvrages. L’interprétation des mesures in situ s’est basée sur un jumeau numérique (modèle électrochimique 3D) des structures étudiées.

Type d’ouvrage diagnostiqué : rideaux de palplanches (ici Ouv.1)

Compte tenu de la nature des structures, un programme d’investigation électrochimique en profondeur a été mis en œuvre en partenariat avec une entreprise de forage.
Cette opération a permis de collecter un profil de potentiel de l’acier pour chaque ouvrage jusqu’à 14 mètres de profondeur (= profondeur de la fiche) et des prélèvements de sols afin de reconstruire la structure géologique locale. Les prélèvements de sols ont révélé une structure géologique à 3 couches, permettant d’identifier un risque de corrosion additionnel associé à de possibles couplages galvaniques inter-couches.

 

Jumeau numérique

Structure géologique au contact des palplanches

Profils expérimentaux de potentiel en profondeur
(Ouv.1 et Ouv.2)

Malgré des valeurs de potentiel similaires en surface et à grande profondeur, on observe une différence très marquée entre les profils relatifs aux 2 ouvrages testés. Les deux structures étant fondées dans le même environnement géologique, cette différence peut s’expliquer par la présence de canalisations sous protection cathodique à proximité immédiate de l’ouvrage 1, à environ 3 m de profondeur. Afin d’étayer cette hypothèse, deux jumeaux numériques sont construits afin de simuler ces profils de potentiel avec ou sans présence de courants vagabonds (respectivement, Ouv.1 et Ouv.2).

 

Jumeau numérique (Ouv.2)
(lignes de courant de corrosion galvanique et champ de potentiel

La figure ci-contre présente le résultat de la simulation de l’ouvrage 2, caractérisé par l’absence de canalisation protégée à proximité (= pas de courant vagabond) et confronte le profil expérimental collecté in situ et le profil simulé intégrant la structure hétérogène du sol. Le profil expérimental et le profil simulé s’accordent parfaitement. Le jumeau numérique explique ici clairement que la forme particulière du profil de potentiel de l’Ouv.2 est associée à l’hétérogénéité du sol en profondeur. De plus, il permet d’estimer de façon réaliste les vitesses de corrosion galvanique des palplanches au niveau des interfaces géologiques et contribue ainsi pleinement à l’élaboration du diagnostic corrosion.

 

Un deuxième jumeau numérique est ensuite construit restituer l’effet de courants vagabonds sur le profil de potentiel de l’ouvrage 1 (Figure ci-dessous). Ce jumeau numérique intègre la présence d’une canalisation avoisinantes sous protection cathodique. Ici aussi, le profil expérimental et le profil numérique s’accordent, montrant que le caractère singulier du profil de potentiel de l’ouvrage 1 est compatible avec l’existence d’une sortie de courant vagabond sur le rideau de palplanches à proximité du forage.

 

Le concept de jumeau numérique électrochimique a permis ici :

– d’éclairer de façon théorique les relevés de terrain ;
– d’identifier et de quantifier un risque de corrosion additionnel des palplanches associé au caractère hétérogène du sol en profondeur ;
– de valider l’existence de courants vagabonds traversant la structure métallique Ouv.1 et accélérant localement la vitesse de corrosion de l’acier.

En outre, à l’aide de la simulation numérique 3D, la compréhension de la spatialité du problème a montré que le risque de corrosion n’était pas distribué de façon uniforme sur la surface enterrée des palplanches, mais était relativement localisé au niveau de zones singulières. La précision du diagnostic a ainsi conduit à préconiser ici des solutions de protection cathodique ciblées sur ces zones singulières dans le but d’optimiser l’efficacité et de minimiser le coût d’une installation de protection adaptée à ces ouvrages particuliers.

VIADUC – PROTECTION CATHODIQUE

Étude numérique – Évaluation des performances

Simulation numérique 3D d’une installation de protection cathodique par courant galvanique

Les règles usuelles de dimensionnement des systèmes de protection cathodique reposent sur des choix et hypothèses arbitraires. De fait, elles ne permettent pas de justifier (au sens strict) que toute partie de la structure métallique recevra une intensité de courant de protection suffisante. Pour ce faire, un modèle électrochimique 3D (jumeau numérique) de la structure sous protection est nécessaire.

A titre d’exemple, on modélise ici a posteriori un système de protection cathodique galvanique (i.e. sacrificielle) à base de feuilles de zinc collées (ZLA®) mis en œuvre sur un ouvrage d’art réel afin de protéger les longrines d’ancrage des barrières de sécurité (BN4). Le dimensionnement par un tiers de la solution de protection a été construit sur deux hypothèses arbitraires préalables :
– Hypothèse 1 : seul le lit supérieur d’acier (en rouge sur le modèle 3D) sera supposément protégé par l’anode sacrificielle en zinc ;
– Hypothèse 2 : le système sacrificiel est supposé délivrer environ 32 mA par zone anodique (hypothèse arbitraire, i.e. non justifiée) .

Dans ce cas précis, un jumeau numérique utilisé en amont, c’est-à-dire en phase de dimensionnement, aurait permis de s’affranchir de ces deux hypothèses arbitraires et de prédire de façon plus réaliste le comportement du système de protection cathodique. La simulation numérique permet en effet d’appréhender de façon fine la distribution spatiale du courant de protection cathodique à l’intérieur de l’élément de béton armé et ainsi de mieux définir les zones d’acier réellement protégées.

La figure ci-contre présente un exemple de simulation de lignes de courant de protection au sein de l’élément de béton armé protégé. On note immédiatement qu’une fraction importante du courant de protection franchit le premier lit (lit supérieur).

L’intégralité du réseau d’acier reçoit du courant de protection, remettant ainsi en question la validité de l’hypothèse arbitraire 1. A noter que cette simulation intègre l’effet de la disponibilité en oxygène qui ne peut être pris en compte selon l’approche classique de dimensionnement.

Par ailleurs, le fait que la totalité du réseau d’armature soit polarisée implique une demande en courant beaucoup plus forte que prévue lors du dimensionnement. Le jumeau numérique a permis de prédire une demande en courant de l’ordre de 60 mA par zone anodique, prévision validée par les observations in situ après la mise en service du système de protection sur l’ouvrage qui ont révélé une demande en courant du même ordre.

L’hypothèse arbitraire 2 a ainsi été invalidée par le jumeau numérique et par les données de terrain.

La sous-estimation du besoin en courant sur cette installation pénalise la durée de vie du système de protection mis en œuvre. Un besoin en courant deux fois supérieur à l’hypothèse de dimensionnement implique une durée de vie deux fois inférieure du système de protection. En effet, s’agissant d’une protection sacrificielle, la demande en courant effective conditionne directement la vitesse de consommation du système anodique. L’intérêt du jumeau numérique en phase de dimensionnement apparait alors nettement sur cet exemple, car il permet de mieux évaluer la demande en courant et de dimensionner une installation de protection galvanique respectant la durée de vie ciblée.

Par ailleurs, le jumeau numérique est utile pour quantifier localement et globalement le rendement d’un système anodique (figure ci-contre). Contrairement à bon nombre d’idées reçues, le rendement d’un système anodique n’est pas uniforme, certaines zones de l’anode sacrificielle étant consommées plus rapidement que d’autres en raison d’effets géométriques. Ici encore, le jumeau numérique permet d’appréhender ces effets géométriques, de mieux dimensionner la quantité de métal sacrificiel nécessaire et d’optimiser la disposition spatiale du système anodique dans le but de maximiser son efficacité et son rendement.

FONDATIONS – DIAGNOSTIC ET PRÉDICTION

Étude numérique – Évaluation de la durée de vie

Prédiction numérique du temps d’initiation de la corrosion par les chlorures

L’estimation a priori ou a posteriori du temps nécessaire à l’initiation de la corrosion par les chlorures constitue la plupart du temps un problème physique 3D nécessitant le recours à la simulation numérique par éléments finis. Dans l’exemple suivant, CORROHM a été sollicitée pour estimer le temps d’initiation de la corrosion dans le cas de fondations profondes (barrettes) plongées dans une nappe phréatique à forte concentration en chlorures (28 g/l).

Ce genre d’étude est habituellement traitée de façon unidirectionnelle dans le but de simplifier les calculs. Cependant, cette approche simplifiée ne permet pas de rendre compte des effets géométriques pouvant accélérer localement la diffusion des chlorures et diminuer significativement le temps d’apparition de la corrosion. La plus-value apportée par CORROHM dans ce type d’études consiste précisément à tenir compte des aspects tridimensionnels du problème, et ainsi des effets géométriques. Dans le cas d’étude présenté ici, chaque barrette de fondation présente un motif de ferraillage générique répété sur toute la longueur. De plus, les conditions aux limites du problème de diffusion et les propriétés du béton sont considérées comme indépendantes de la profondeur (axe z sur la figure ci-contre). Ces hypothèses de modélisation considèrent ainsi que les effets géométriques s’expriment uniquement dans le plan (x,y). On construit alors un jumeau numérique simplifié basé sur le motif géométrique générique (répété selon la direction z). Bien que plus coûteuse en temps de calcul, une approche intégrant d’éventuelles variations en profondeur des données du problème aurait pu être mise en œuvre sans difficulté particulière à l’aide des outils de simulation numérique 3D développés par CORROHM.

Les calculs réalisés ici par CORROHM font appel aux avancées scientifiques les plus récentes en matière de modélisation du transport des chlorures dans les bétons et de critères d’initiation de la corrosion. Ils s’appuient en effet sur le recul scientifique des membres de CORROHM et sur de nombreuses références bibliographiques.

Les simulations réalisées intègrent ainsi tous les effets de plusieurs facteurs influents de premier plan sur le temps d’initiation de la corrosion :

– Nature du liant, porosité du béton ;

– Coefficient de diffusion des chlorures selon la nature du liant ;

– Distinction entre chlorures libres (impliqués dans la corrosion) et liés (inoffensifs) par la prise en compte d’isothermes de fixation ;

– Épaisseur d’enrobage des aciers ;

– Géométries du ferraillage et de l’élément de béton armé ;

– Température ;

– Critères d’initiation : plusieurs critères peuvent être testés dans l’idée d’étudier des scénarios pessimistes et optimistes ;

– …

La figure ci-contre présente un exemple de post-traitement utile des résultats de la simulation numérique 3D. On représente ici des prédictions spatialisées de la teneur en chlorures au niveau de chaque point du réseau d’acier pour deux échéances : 50 et 100 ans. Ces représentations montrent par exemple un effet géométrique induit au niveau des angles où l’on observe une teneur en chlorures plus élevée.

Les angles de l’élément de béton armé présentent ainsi une vitesse de diffusion des chlorures accélérée par rapport aux zones courantes et donc un temps d’initiation de la corrosion réduit.

Le jumeau numérique permet donc ici de rendre compte des singularités locales du champ de teneur en chlorures induites par la géométrie de l’élément de béton armé. Le pronostic relatif au temps d’initiation est non seulement amélioré, mais également complété par la localisation des zones probables d’amorce de corrosion.

Au-delà du pronostic en lui-même, le jumeau numérique établit ainsi les bases de conception d’une éventuelle solution de protection préventive.

Un autre avantage fondamental du jumeau numérique porte sur la possibilité quasi illimitée de simuler des scénarios de vieillissement paramétriques. Cette approche que l’on peut qualifier d’expérimentation numérique se révèle fort utile :

– Soit en phase de conception pour optimiser certains paramètres de la structure dans une logique de maximisation de la durée de vie (nature du liant, enrobage des aciers, géométrie d’élément à privilégier) ;
– Soit a posteriori, une fois la structure construite, pour identifier les scénarios de vieillissement les plus pessimistes et estimer la durée de vie résiduelle minimale de l’ouvrage.

La figure ci-contre présente un exemple de scénario multi-paramétrique de durée de vie des barrettes de fondation avant initiation de la corrosion.

Après avoir choisi un critère d’initiation (par exemple une teneur maximale en chlorures libres en un point du réseau d’acier), on étudie ici les effets conjugués de l’enrobage et de la température sur la durée de vie estimée avant corrosion.

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