L'énigme de la protection cathodique contre la corrosion élucidée

La corrosion est une réaction chimique dont même les structures les plus solides sont victimes : Les métaux comme l'acier réagissent à l'oxygène et à l'eau, rouillent et se désagrègent. Dans la lutte contre la corrosion, la protection cathodique contre la corrosion est une arme importante. Cette méthode protège les structures en acier en ralentissant ou en empêchant les processus qui mènent à la corrosion.

La protection cathodique contre la corrosion a été décrite pour la première fois sur une base scientifique en Angleterre il y a deux siècles et rend depuis lors de précieux services pour la préservation des infrastructures modernes telles que les conduites de gaz enterrées et les constructions en béton armé. "Mais malgré sa large diffusion, le mécanisme de fonctionnement fondamental de la protection cathodique est resté jusqu'à présent peu clair et controversé", explique Ueli Angst, professeur de durabilité des matériaux à l'ETH Zurich.

Une équipe de chercheurs dirigée par Angst a maintenant fait des progrès significatifs dans la clarification du principe d'action, en particulier pour l'acier dans les milieux poreux comme le sol ou le béton.

Leur article publié dans la revue Matériaux de communication du portefeuille Nature paru page externe?tude met en lumière les processus complexes qui se déroulent à l'interface entre le métal et le milieu poreux lors de la protection cathodique contre la corrosion. Pour illustrer l'interaction, il vaut la peine de jeter un coup d'?il sur l'histoire de la méthode.

Le principe est né il y a deux cents ans

La protection cathodique contre la corrosion est due au chimiste et inventeur britannique Sir Humphry Davy, qui en a décrit le principe il y a un peu plus de deux siècles. A l'époque, la Royal Navy était confrontée à un problème : elle avait recouvert les coques en bois de ses navires de t?le de cuivre afin d'éviter les salissures et la pourriture - mais les enveloppes en cuivre étaient rapidement attaquées par la corrosion et décomposées dans l'eau de mer salée. Sir Humphry Davy, alors président de la Royal Society, s'est chargé de trouver une solution au nom de la science.

Dans le nord de l'Italie, Luigi Galvani et Alessandro Volta avaient récemment découvert le phénomène selon lequel un courant électrique circule lorsqu'on combine différents métaux nobles. En laboratoire, Davy a pu montrer que de petites quantités de métaux non nobles comme le zinc ou le fer pouvaient protéger de la corrosion des feuilles de cuivre relativement grandes, notamment en agissant comme anode sacrificielle et en se corrodant elles-mêmes.

En 1824, la Royal Navy appliqua la technique de Davy presque directement du laboratoire à l'ensemble de sa flotte - trop h?tivement, comme il s'avéra. Les coques en cuivre étaient certes protégées contre la corrosion, mais elles perdaient leur efficacité contre la végétation marine : les navires devenaient de plus en plus lourds et difficilement man?uvrables. La Royal Navy a d? retirer la protection cathodique contre la corrosion, et l'épisode de Davy est entré dans l'histoire comme un exemple significatif d'échec d? à une mise en pratique prématurée des connaissances.

"Nous savons aujourd'hui que le courant de protection cathodique a pour effet secondaire de provoquer le dép?t de minéraux sur le cuivre, ce qui permet la prolifération de coquillages et d'autres organismes marins", raconte Angst. Malgré l'échec d'il y a deux siècles, le travail de Davy avait jeté les bases d'applications ultérieures.

Deux hypothèses de fonctionnement

Il a toutefois fallu attendre encore une centaine d'années avant que Robert James Kuhn n'utilise cette technologie aux ?tats-Unis, cette fois pour rendre durables les canalisations enterrées. Les notes de Kuhn montrent que, dès les années 1920, il avait une bien meilleure compréhension des processus de corrosion que celle dont il disposait à l'époque de Davy. En outre, Kuhn a effectué de vastes séries de tests "sur le terrain", c'est-à-dire dans des conditions réelles.

Depuis, elle est devenue une méthode standard de protection contre la corrosion et confère aujourd'hui notamment aux conduites d'eau et de gaz, aux réservoirs et aux bateaux, mais aussi aux ponts et aux parkings une vie plus longue et sans corrosion.

Pourtant, malgré sa large diffusion dans la pratique de l'ingénierie, les mécanismes d'action sous-jacents de la protection cathodique contre la corrosion font toujours l'objet de controverses.

Depuis des décennies, deux camps s'affrontent avec des théories opposées : d'un c?té, il y a l'opinion selon laquelle le courant de protection influence directement la vitesse de la corrosion. D'autre part, il existe l'hypothèse selon laquelle le courant de protection entra?ne une augmentation du pH du milieu à l'interface, ce qui protège l'acier de la corrosion - une idée que Kuhn a postulée pour la première fois dès 1928.

Selon Angst, le manque de compréhension scientifique entrave le développement de pratiques d'ingénierie fondées. On peut prendre comme exemple le critère de protection postulé par Kuhn dans les années 1920, qui figure encore aujourd'hui dans les normes et qui exige un potentiel de -850 millivolts par rapport à l'électrode de sulfate de cuivre saturée : "Il s'agit là d'un critère empirique", précise Angst.

L'incohérence de l'état des connaissances a également pour conséquence que les normes se contredisent et qu'il n'est pas toujours possible, dans la pratique, de satisfaire simultanément à toutes les prescriptions pertinentes de la norme. "C'est d'autant plus préoccupant que la protection cathodique contre la corrosion peut être considérée comme une technologie clé pour les infrastructures et qu'elle est utilisée pour des installations importantes en termes de sécurité, comme les conduites de gaz à haute pression", poursuit Ueli Angst.

Un mécanisme unificateur

Pour leur étude, les chercheurs de l'ETH se sont focalisés sur l'interface entre l'acier et l'électrolyte et ont caractérisé en détail les changements spatiaux et temporels.

Ils ont ainsi pu démontrer pour la toute première fois la formation d'un film d'oxyde métallique très fin à la surface de l'acier et montrer que cette couche est une conséquence directe de l'augmentation du pH due aux processus électrochimiques qui se déroulent.

Federico Martinelli-Orlando, premier auteur de l'étude, ajoute : "En outre, nous avons pu montrer que ces modifications chimiques à la surface de l'acier et dans l'électrolyte entra?nent à leur tour des changements dans la vitesse et le déroulement des réactions anodiques et cathodiques".

Les chercheurs de l'ETH proposent un mécanisme d'action qui résout les contradictions apparentes entre les hypothèses précédentes et rapproche les deux théories de manière complémentaire.

"Nous concluons que nous devrions considérer ces deux théories comme complémentaires plut?t que contradictoires pour expliquer complètement le mécanisme d'action de la protection cathodique contre la corrosion", conclut Federico Martinelli-Orlando.

Sur la base des mesures effectuées, les chercheurs ont développé un modèle de fonctionnement qui prend en compte tous les processus électrochimiques.

Des normes non contradictoires

La compréhension cohérente acquise peut contribuer à améliorer les technologies de protection contre la corrosion et à faire fonctionner les infrastructures critiques à base d'acier de manière s?re, économique et respectueuse de l'environnement.

Les résultats peuvent ainsi "valider" a posteriori des concepts empiriques existants et constituer la base d'approches non contradictoires, par exemple pour développer des critères normatifs fondés pour l'efficacité de la protection cathodique contre la corrosion.

Les technologies de protection contre la corrosion basées sur la science jouent actuellement un r?le important, en particulier dans le contexte du vieillissement des infrastructures, car elles peuvent retarder ou empêcher le remplacement d'anciens ouvrages. "Si nous évitons des déconstructions et des remplacements inutiles, cela profite finalement aussi à l'environnement", explique Angst.

La publication actuelle dans Communications Materials fait partie d'un projet plus vaste.Projet de recherche sur la corrosion et le vieillissement des infrastructuresqui s'inscrit dans le cadre du programme de recherche Horizon2020 duConseils européens de la recherche (ERC) a été soutenue (page externeplus d'informations).