Décrypter les processus de corrosion

La vitesse à laquelle l'acier se corrode dans le béton ou dans un autre matériau poreux est centrale pour un grand nombre d'applications techniques, par exemple pour les canalisations dans le sol ou les ponts en béton armé. Différentes hypothèses et modèles existent depuis des décennies, mais ils ne permettent généralement pas d'expliquer définitivement les résultats empiriques. Des chercheurs réunis autour d'Ueli Angst, professeur à l'ETH pour la durabilité des matériaux, ont désormais résolu cette énigme et développé un nouveau modèle d'une simplicité séduisante, qui vient d'être publié dans la revue "Nature Materials".

Hypothèse courante réfutée

"Dans la plupart des manuels, la vitesse de corrosion en fonction de l'humidité est représentée par une courbe en U inversé", explique Angst. Ainsi, si le béton est complètement humide, la corrosion se déroule lentement, car l'oxygène a du mal à se diffuser à travers l'eau. En revanche, si le béton est complètement sec, il n'y a pratiquement pas de corrosion non plus, car l'eau fait défaut. Selon ces idées, le processus se déroule donc le plus rapidement en cas d'humidité "moyenne", lorsque les pores du béton contiennent à la fois de l'eau et de l'oxygène.

Mais cette "théorie de l'oxygène" est souvent peu pertinente pour la réalité. Angst fait remarquer que la plupart des constructions sont exposées de manière cyclique : "Tant?t ils sont secs, tant?t ils sont à nouveau mouillés par la pluie. Ainsi, les pores ne se remplissent d'eau que périodiquement, et il y a généralement suffisamment d'oxygène dans le système".

La constatation que la "théorie de l'oxygène" seule ne permet pas de décrire le processus de corrosion n'est pas nouvelle. "Une publication de 1957 indique déjà qu'il doit y avoir un autre facteur en plus de l'oxygène", explique Angst. Pour cette étude à grande échelle, des milliers d'échantillons d'acier ont été enfouis dans le sol dans tous les ?tats-Unis dans les années 1920, puis déterrés et analysés pendant des années. Il s'est avéré que la corrosion était la plus rapide dans les sols les plus humides. Mais la thèse de l'oxygène n'apporte pas de réponse à cette question.

Un simple effet de surface

"Nous avons maintenant une explication qui, au fond, est étonnamment simple", explique Angst. Elle se base sur le fait que le métal se trouve dans un milieu poreux. Cela signifie qu'il est en contact par zones avec des solides tels que la p?te de ciment ou les grains de sable et par zones avec des cavités. Là où le métal est en contact avec les solides, il n'y a pas de corrosion. "En revanche, là où le métal est en contact avec des pores, la corrosion peut se produire si les pores sont remplis d'eau, mais pas s'ils sont remplis d'air", explique Angst. "Donc, plus le matériau est humide, plus les pores se remplissent d'eau, ce qui entra?ne une corrosion plus prononcée". Ce n'est donc pas l'oxygène qui est déterminant, mais la surface en contact avec l'eau.

Les chercheurs ont développé un modèle théorique qui quantifie ces relations. Il est ainsi possible de prédire la vitesse de corrosion sur la base de la structure poreuse du milieu et des conditions d'humidité. "Ce modèle nous permet d'expliquer non seulement nos propres mesures, mais aussi les données expérimentales des 50 dernières années", souligne Angst, "et ce, indépendamment du fait que le milieu poreux soit du béton, du sol ou du bois".

Aider de nouveaux types de ciment à percer

Cette déclaration est particulièrement importante dans la perspective de l'utilisation de types de ciment plus respectueux de l'environnement. Le béton à base de ciment Portland traditionnel présente une alcalinité élevée. C'est précisément cette propriété qui protège l'acier du béton contre la corrosion et qui a ainsi largement contribué au succès de la construction en béton armé. Toutefois, la production de ciment traditionnel implique de grandes quantités de CO₂ libre. On peut mesurer ce que cela signifie pour le climat en constatant que le béton est le matériau le plus utilisé dans le monde, juste après l'eau.

L'industrie du ciment travaille ainsi depuis des années à l'utilisation de matières premières alternatives pour la production de ciment. Dans différents pays, des matériaux très différents sont utilisés, en fonction des matières premières disponibles et des déchets provenant d'autres industries. Si ces efforts sont susceptibles de réduire les émissions de CO₂-Bien qu'elles permettent de réduire les émissions de CO2, les nouvelles variétés de ciment présentent un grave inconvénient : elles disposent d'une réserve alcaline plus faible. "Cela signifie que les bétons modernes respectueux du climat perdent plus rapidement leur effet anticorrosif, c'est-à-dire leur valeur pH élevée", explique Angst.

Selon les normes actuelles, le béton doit garantir pendant toute la durée de vie d'un ouvrage - en général 50 à 100 ans - que l'acier d'armature qui y est noyé ne commence pas à se corroder. Il est difficile de satisfaire à cette exigence avec les nouveaux types de ciment, par exemple en enrobant l'acier d'une couche de béton plus épaisse - ce qui n'est pas non plus écologique.

Si les nouveaux matériaux de construction, plus respectueux de l'environnement dans une vision globale, doivent être davantage utilisés, il faut s'écarter de la pratique actuelle. "La corrosion ne doit pas nécessairement endommager une construction, à condition qu'elle se déroule suffisamment lentement", affirme Angst avec conviction. Il est donc possible d'accepter un certain degré de corrosion des armatures pendant la durée de vie d'un ouvrage. Jusqu'à présent, il n'existait toutefois pas de base scientifique à ce sujet. "Gr?ce à notre modèle, nous pouvons désormais faire des déclarations quantitatives sur la manière dont la corrosion se déroule dans différents types de béton et conditions environnementales", explique Angst. Ces connaissances pourraient ainsi conduire à des constructions plus durables.