Anti-corrosion

Responsable : Virginie Roche (MdC UGA)
 

Armatures métalliques dans les milieux bétons

Nous travaillons également sur la résistance à la corrosion des armatures métalliques dans les bétons soit par l’étude de la « passivation » d’acier bas carbone utilisé comme renfort de béton à base de nouveaux liants hydrauliques à empreinte carbone réduite ou pour de nouvelles nuances d’aciers (inoxydables). De par son volume, le béton est le matériau le plus utilisé dans le monde. Ses performances mécaniques, sa facilité de mise en œuvre, sa disponibilité dans le monde et son faible coût en font un matériau couramment utilisé pour la réalisation d’ouvrages résidentiels et d’infrastructures. C’est le ciment Portland qui est le constituant-clé des bétons. Le ciment Portland, qui a donc de nombreux avantages à l’utilisation, présente l’inconvénient d’avoir une empreinte carbone relativement élevée. Des solutions alternatives sont donc recherchées et par exemple l’utilisation de nouveaux liants. Le « béton armé » permet la construction de structures de grandes dimensions. Pour rappel, le béton est très performant lorsqu’il est sollicité en compression, mais moins en traction ou flexion. Des renforts en acier sont noyés dans le béton lors du coulage des éléments pour améliorer le comportement en traction. Le milieu régnant dans les bétons à base de ciment classique est très basique (pH supérieur à 13), et permet la formation d’une couche passivante d’oxydes. Nous nous intéressons plus particulièrement à l’utilisation de ces nouveaux liants pour faire du béton armé.
Un autre volet de ces études se concentre sur l’utilisation des aciers inoxydables comme renfort du béton dans les constructions marines et côtières, afin de prévenir la corrosion induite par les ions chlorures qui pénètrent dans le béton poreux. Dans ces milieux très agressifs, les aciers inoxydables commencent à être largement employés en raison de leur résistance à la corrosion très élevées et de leur tenue mécanique. L’ajout d’éléments d’alliage dans les aciers inox contribue à augmenter leur résistance à la corrosion et plus particulièrement à la corrosion localisée par piqure lorsqu’ils sont utilisés dans des environnements acides et neutres. Cependant, le rôle de ces éléments d’alliage sur la corrosion par piqûre des aciers en milieu alcalin chloruré reste à ce jour flou. Par conséquence, la compréhension de l’action de ces éléments d’addition sur la résistance à la corrosion en milieu alcalin est donc d'une importance majeure. Cela permettra l'optimisation de la composition finale des alliages inoxydables en vue des applications potentiels comme renfort dans le béton.

Corrosion sous contrainte

(collaboration STRMTG - Service Technique des Remontées Mécaniques et des Transports Guidés)

Nous travaillons actuellement à la mise en place d’anneaux de contrainte (Figure 1) pour la mesure de la corrosion sous contrainte dans le cadre des applications aux transports câblés. En effet, des retours d'expériences mettent en évidence le développement de phénomènes de corrosion sous contrainte dans les câbles. Difficilement prévisibles, ces phénomènes amènent à une propagation rapide des fissures, de nature à modifier sensiblement les propriétés mécaniques des câbles et menacer leur tenue aux sollicitations, et leur durée de vie. Les sollicitations évaluées simuleront la présence d'accumulation de contraintes. Plusieurs échelles seront examinées: échelle du fil ou système multifilaire.

Figure 1 : Photographie d’une coupe d’un câble utilisé pour le transport de passagers et d’un anneau de contrainte.
 

Fonctionnalisation de surface et modélisation de l’impédance électrochimique de surfaces complexes

Un autre volet de ces activités de recherche concerne les surfaces et interfaces ainsi que leur interaction avec les milieux de service. La connaissance approfondie de ces interactions sont un enjeu majeur en vue de la fonctionnalisation ou structuration de nouveaux matériaux. Dans ce cadre, nous nous intéressons d'une part à la formation et structure de couches de nanotubes de TiO₂ qui peuvent être considérées comme des surfaces modèles étant donné la forte structuration topologique (voir photo ci-dessous – figure 2) et qui sont élaborées sur du titane pur. D'autre part nous procédons à leur analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique de façon à permettre le croisement entre les informations topologiques et électrochimiques. Nous avons récemment montré que l’évolution topologique des couches de nanotubes de TiO₂ associée à une représentation alternative des diagrammes d'impédance met en évidence des comportements plus complexes que ceux aujourd'hui répertoriés dans la littérature, avec notamment la mise en évidence d'une troisième constante de temps non identifiable par des traitements conventionnels des diagrammes d'impédance.



Figure 2 : Vue de dessus et dans la tranche de nanotubes de TiO₂ réalisés par voie électrochimique
 

Métaux amorphes

Nous travaillons depuis 2011 à la caractérisation des propriétés de résistance à la corrosion d’alliages verres métalliques dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire SIMaP à Grenoble et l’Université Fédérale de São Carlos (UFSCar) au Brésil. Un verre métallique est un matériau solide dont la structure atomique désordonnée est obtenue quand son état liquide est refroidi sans cristallisation. Il s’agit donc d’un solide qui a un ordre atomique local (à courte échelle), mais pas d'ordre à grande échelle. De façon générale, les métaux sont parmi les matériaux les plus difficiles à vitrifier puisqu’ils ont tendance à se cristalliser facilement lors du refroidissement. Mais avec un contrôle rigoureux de la composition de l’alliage et du traitement, une grande variété d’alliages peut maintenant être produite à l’état vitreux. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l’utilisation des métaux amorphes à base de fer, souvent en tant que revêtement, qui a augmenté ces dernières années à cause de leurs bonnes propriétés de résistance à la corrosion et tribologiques. La grande résistance à la corrosion de ces matériaux est due à leur grande homogénéité de composition, l'absence de défauts cristallins (joints de grains, dislocations) qui peuvent être des zones préférentielles pour la corrosion et à la nécessité de teneurs en éléments passivant moins élevés. La résistance extrêmement élevée à la corrosion de certains alliages amorphes est considérée comme une conséquence de la formation rapide de films passifs minces uniformes sans points faibles et avec une forte concentration d'éléments d'alliages résistants à la corrosion. La possibilité d'obtenir des revêtements amorphes à partir d’alliages à base de fer en utilisant des procédés et des éléments de pureté « moyennes » est intéressante car elle permet entre autre de réduire les coûts.
Par ailleurs, nous travaillons également sur des matériaux verres métalliques à base Fe ou Mg biocompatibles, pour leur propriétés de biodégradation et leurs bonnes propriétés mécaniques, pour des applications dans le domaine biomédicale comme matériaux (ou revêtements) alternatifs aux alliages à base de titane.
 

Alliages de Magnésium

Influence de la microstructure d’alliages de Mg sur la vitesse de corrosion

Dans le cadre de ces travaux sur les alliages de magnésium pour applications biomédicales, l’un des points clés était de ralentir la vitesse de dégradation en milieu physiologique du Mg cristallin. L'ajout de zinc semble être une approche prometteuse, car il a été démontré que ses effets positifs étaient liés à la fois à une mise en forme aisée pour la réalisation de verre métallique et à une passivation au moins partielle de la surface dans des environnements physiologiques. Nous nous sommes donc intéressés à deux compositions d’alliages Mg₆₀Zn₃₄Ca₆ et Mg₇₃Zn₂₃Ca₄ en solution physiologique (SBF). Les propriétés de corrosion des deux compositions ont été étudiées et comparées. Ce travail fait l’objet d’une publication dans Journal of Alloys and Compounds (doi:10.1016/j.jallcom.2018.09.346), le détail des résultats peut donc être consulté dans l’article.


Figure 4 : Microstructure obtenues pour les 2 compositions.

La figure ci-dessus présente les microstructures obtenues pour les 2 compositions d’alliages. Un gradient de microstructure est apparu lors du refroidissement après coulee permettant d’examiner pour chaque taille moyenne de microsctrure les propriétés en corrosion.


Figure 5 : Évaluation de la résistance de corrosion des différentes microstructure pour les 2 compositions

Pour une taille moyenne de microstructure similaire, l’augmentation de la quantité de zinc diminue la vitesse de corrosion et plus la taille moyenne de la microstructure diminue pour une composition, plus la vitesse de corrosion diminue pour les 2 composition étudiées Mg₆₀Zn₃₄Ca₆ et Mg₇₃Zn₂₃Ca₄ en solution physiologique.
.
La figure suivante présente le mécanisme proposé:


Figure 6 : mécanisme proposé pour la dissolution de Mg₆₀Zn₃₄Ca₆ et Mg₇₃Zn₂₃Ca₄ en solution physiologique
 

Influence de la déformation mécanique sur la microstructure d’alliages de magnésium et leurs propriétés en corrosion

Le traitement de certaines fractures osseuses exige la pose d’implants de reconstruction (plaque de liaison au niveau de la fracture, vis…) qui doivent généralement être retirés le moment venu ce qui nécessite une intervention chirurgicale avec un risque d’infection. La pose d’implants osseux bio-résorbables permettrait de s’affranchir de ce risque. Une bio-résorption correcte nécessite des vitesses de dissolution de l'implant telles que sa dégradation, qui s'accompagne d'une perte de d'intégrité mécanique, soit étroitement corrélée au processus de reconstruction osseuse. Les cinétiques de reconstructions osseuses observées dans le corps humain varient de 4 à 24 semaines en fonction du lieu d'implantation. Cette variabilité physiologique des vitesses de reconstruction osseuse se répercute naturellement sur les cinétiques de dissolution de l’implant qui doit donc pouvoir s'adapter à ces contraintes physiologiques. L'autre contrainte physiologique est liée à la capacité de l'implant à transmettre l'effort mécanique pendant la période transitoire de reconstruction osseuse : les alliages biocompatibles et bio-résorbables doivent également avoir des propriétés mécaniques compatibles avec la zone du corps humain implanté. Le but du projet est donc de générer des alliages de Mg à microstructure contrôlée en vue d’obtenir des alliages présentant des cinétiques de corrosion ajustables en fonction des contraintes physiologiques du lieu d'implantation. Ces alliages devront également présenter une évolution des propriétés mécaniques au cours de la dégradation en accord avec les cinétiques de reconstruction des tissus. Ces travaux sont menés en collaboration avec le Simap et l’Université de Louvain la Neuve.