L`acier dans la construction. Partie 1 : Corrosivité des

Transcription

Techniques & pratique
Le secteur de la construction est
le plus grand consommateur d’acier,
celui-ci étant apprécié par les architectes et maîtres d’ouvrage pour sa
légèreté, sa parfaite homogénéité et
son comportement prédictible sur
chantier. Cependant, comme tous les
métaux, l’acier possède un point faible : il se corrode, ce qui entraîne des
conséquences économiques considérables. Evaluer les risques de corrosion et bien choisir la nuance d’acier
et son système de protection sont
la garantie d’une meilleure durabilité
des ouvrages en acier.
1Introduction
L’acier entre dans le bâtiment sous de multiples formes : tôles formées à froid pour les façades, les couvertures et les planchers, profilés
laminés à chaud pour les ossatures, armatures
pour les bétons, tuyaux pour les canalisations
ou encore cornières, châssis, escaliers, gardecorps, ancrages, boulons et quincaillerie (cf.
figure 1). Il constitue l’un des métaux les plus
utilisés car il allie à sa légèreté des propriétés techniques exceptionnelles et des atouts
économiques incontestables. Il possède entre
autres une bonne résistance à la traction, une
excellente aptitude à la déformation et une
bonne soudabilité.
Si l’acier possède incontestablement un certain nombre de qualités, il présente, comme
tous les métaux, l’inconvénient majeur de
s’oxyder au contact des éléments corrosifs qui
l’entourent. Sa corrosion risque alors d’altérer
les performances de l’ouvrage et d’en réduire
la durée de vie.
Les problèmes de corrosion de l’acier ne peuvent donc en aucun cas être négligés. L’évaluation du risque de corrosion du métal dans son
milieu d’utilisation peut permettre de retarder
la corrosion, de limiter son ampleur et, dans le
meilleur des cas, d’éviter son apparition. Ceci
nécessite de prendre connaissance des facteurs
de corrosion présents dans l’environnement
avant la réalisation de l’ouvrage. Une fois la
corrosivité du milieu déterminée sur la base de
ces facteurs, la nuance d’acier et son moyen de
protection peuvent ensuite être choisis en tenant
compte de cette contrainte.
De nouveaux alliages d’acier plus résistants à la
corrosion et de nouvelles techniques de protection de l’acier ont été développés afin de faire
face aux problèmes de corrosion. Le choix du
matériau adéquat permet alors de réduire les
coûts de fonctionnement, difficilement estimables, qui seraient dus à l’entretien, à la réparation
ou au remplacement des éléments corrodés.
L’acier dans la
construction
Partie 1 : Corrosivité des milieux
et nuances d’acier
La première partie du présent article s’intéressera aux principaux facteurs de corrosion
nécessaires à l’évaluation de la corrosivité
des différents milieux d’exposition de l’acier.
Les nuances d’acier et leurs systèmes de désignation seront ensuite décrits et explicités.
Quant aux principaux moyens de protection de
l’acier contre la corrosion, ils feront l’objet de
la seconde partie de cet article.
Ce texte ne fournit pas de règles d’usage de
l’acier dans la construction mais peut servir de
guide en ce qui concerne les facteurs de risque
de corrosion de l’acier et les moyens d’évaluation de ce risque. Il met à disposition des informations permettant d’identifier correctement
les aciers et permet, dans sa seconde partie,
d’en savoir plus sur les systèmes de protection
qui offrent à l’acier une meilleure résistance à
la corrosion.
2Corrosivité des milieux en
contact avec l’acier
La corrosion est une destruction du matériau
par un retour spontané du métal à un état naturel de plus grande stabilité, c’est-à-dire sous
forme d’oxydes et d’hydroxydes. Suivant son
application, l’acier sera exposé aux environnements plus ou moins corrosifs que sont l’atmosphère, l’eau, le sol et le béton. A chacun
de ces milieux correspond toujours une phase
aqueuse qui est manifeste lorsqu’il s’agit de canalisations ou de réservoirs d’eau, mais qui est
plus discrète lorsqu’il s’agit de béton armé.
La présence de deux espèces oxydantes majeures dans cette phase aqueuse, à savoir l’oxygène dissous et les ions H+ ou protons, favorise le
développement de la corrosion par oxydation
du fer, élément principal de l’acier, selon les
réactions électrochimiques suivantes :
• oxydation du fer :
2 Fe  2 Fe2+ + 4e-
(1)
• réduction de l’oxygène :
O2 + 2H2O + 4e-  4OH-
(2)
• réduction des ions H+ :
4 H+ + 4e-  2H2
(3)
Ces réactions aboutissent à la précipitation
d’hydroxyde ferreux Fe(OH)2 qui s’oxyde en-
Fig. 1 Escalier extérieur en acier
suite pour former des oxydes ferriques hydratés tels que la lépidocrocite et la goethite.
Ces produits d’oxydation forment un film à la
surface du métal. Si, par chance, ce film est
imperméable, insoluble et non fragile, il peut
isoler efficacement le métal de son environnement et enrayer le processus de corrosion. On
parlera alors de passivation du métal.
Dans le cas de l’acier, le film d’oxyhydroxyde
de fer n’est protecteur que dans des conditions
très particulières : en milieu acide fortement
oxydant ou en milieu alcalin (pH > 9-10). En
effet, l’acier (non allié) n’est pas un métal dit
‘passivable’, à l’inverse d’alliages d’aluminium ou d’aciers inoxydables dont l’emploi
repose spécifiquement sur cette propriété.
Dès lors que le film n’est pas protecteur, l’oxydation du fer se poursuit et entraîne progressivement la dissolution de l’acier non protégé.
Il s’ensuit une réduction graduelle de son
épaisseur – soit localisée, soit généralisée – se
traduisant par une série de désagréments pas
forcément dangereux, mais souvent préjudiciables et inadmissibles : taches et piqûres des
? P. Steenhoudt, ir., chercheur, laboratoire
‘Chimie du bâtiment’, CSTC
Les Dossiers du CSTC – 2006/4 – Cahier n° 6 – page Techniques & Pratique
tôles et des profilés, éclats et fissures du béton
armé, percements de canalisations, …
En réalité, les réactions électrochimiques qui
conduisent à la corrosion de l’acier sont d’une
grande complexité et dépendent de multiples
facteurs. A chacun des milieux précités correspond une série de paramètres spécifiques à
prendre en compte pour en évaluer la corrosivité. Ces paramètres et les processus qui les
accompagnent sont explicités ci-après pour
chaque milieu en contact avec l’acier.
2.1 Corrosivité
de l’atmosphère
2.1.1 Humidité relative : principal activateur de la corrosion atmosphérique
Si la corrosion sèche existe, sa vitesse de développement dans l’atmosphère est négligeable
et non préoccupante. Elle ne joue un rôle important que pour des appareils fonctionnant à
très haute température.
C’est principalement la teneur en vapeur d’eau
ou l’humidité relative de l’atmosphère qui est
à la base des phénomènes de corrosion atmosphérique de l’acier [9]. Si l’humidité relative
est élevée, il se forme à la surface de l’acier
un film d’eau fortement oxygéné, parfois invisible, d’épaisseur variable, qui constitue une
couche mince d’électrolytes. Si l’humidité relative est faible (inférieure à 60 %), la vitesse
de corrosion de l’acier est négligeable. C’est
notamment le cas à l’intérieur des bâtiments
chauffés, ventilés ou climatisés, à l’exception
des pièces d’eau, des buanderies ou des cuisines qui peuvent présenter temporairement
une humidité relative particulièrement élevée
(jusqu’à 100 %).
Dans les atmosphères ‘normales’ contenant
d’office des agents polluants (SO2, sels marins, suie, particules, ...), on admet que l’acier
ainsi que les autres métaux se corrodent à une
vitesse accélérée lorsque l’humidité relative de
la couche d’air située au-dessus de la surface
excède 70 % [2]. La condensation de l’eau à
des valeurs d’humidité relative inférieures à
100 % se produit notamment lorsque la température de l’air baisse ou si la surface elle-même
est refroidie par rayonnement et que l’air en
contact avec celle-ci commence, lui aussi, à se
refroidir au-dessous de la température du point
de rosée. C’est le cas, par exemple, lorsque la
surface rayonne vers un ciel nocturne dégagé.
Si la rencontre de l’air avec une surface froide
constitue l’une des causes de la formation
d’eau à l’état condensé, il en existe d’autres.
Il peut s’agir de la condensation de l’eau dans
des capillaires ou crevasses de taille moléculaire à la suite de phénomènes de tension
superficielle réduisant la pression saturante
à l’intérieur des capillaires [5]. Ceci met en
évidence l’importance de la rugosité de surface dans les phénomènes de corrosion. L’eau
à l’état condensé dépend aussi de l’hygroscopicité des produits de corrosion solubles dans
l’eau et des poussières de l’atmosphère [2].
Ces produits peuvent favoriser la formation
d’un film électrolytique avant même d’atteindre les 70 % d’humidité relative.
Fig. 3 Corrosion de la toiture d’un
bâtiment en acier.
•
Ajoutons que la géométrie et l’orientation
d’un ouvrage en acier influencent également
la condensation de la vapeur d’eau. C’est ainsi
qu’on peut observer la présence de rosée sur le
toit d’une voiture et non pas sur ses côtés (cf.
figure 2). Il en va de même pour les bâtiments :
la durée d’humidification (durée de mouillage
ou temps de persistance de l’humidité) à la
surface d’un toit en acier peut être deux fois
plus élevée que celle des éléments de façade.
On peut donc s’attendre à une augmentation
proportionnelle du taux de corrosion de la toiture [39] (cf. figure 3).
2.1.2 Polluants gazeux et particulaires
•
Nombre de gaz et de poussières provenant des
activités humaines (industrie, agriculture, circulation automobile, chauffage, …) sont injectés dans l’atmosphère. Ces polluants atmosphériques peuvent se déposer sur les surfaces
qu’ils rencontrent ou bien réagir entre eux ou
avec la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère. Les nouveaux composés formés peuvent à leur tour se déposer sur les surfaces par
voie sèche ou par voie humide (pluie, neige,
brouillard, condensation). Ces polluants sont
plus concentrés en région industrielle ou à forte densité de population qu’en région agricole
ou faiblement peuplée.
Fig. 2 Condensation sur le toit d’un
véhicule.
Parmi ces polluants, on retrouve des activateurs de la corrosion atmosphérique tels que :
• l’oxyde de soufre ou anhydride sulfureux (SO2)
Ce polluant gazeux des plus agressifs provient essentiellement de la combustion du
Les Dossiers du CSTC – 2006/4 – Cahier n° 6 – page •
charbon et du pétrole (combustibles fossiles). Des corrélations entre le niveau de SO2
dans l’air et le niveau d’attaque de l’acier
ont prouvé que le SO2 accélère de façon
sensible le processus de corrosion. Les prévisions de la vitesse de corrosion dans une
région doivent tenir compte de la teneur annuelle en SO2 dans l’atmosphère, mais aussi
de la pollution locale pouvant provenir, par
exemple, de la cheminée d’un bâtiment dégageant du SO2 à proximité [39]
l’ozone
L’ozone (O3) de la troposphère (basses couches de l’atmosphère s’élevant du sol jusqu’à 20 km d’altitude environ) est un gaz
extrêmement irritant et incolore, dangereux
parce que nous le respirons, contrairement à
l’ozone de la stratosphère que nous ne respirons pas et qui nous protège du rayonnement solaire ultraviolet. Ce gaz provient de
la transformation des NOx (oxydes d’azote)
et des COV (composés organiques volatils) sous l’effet des rayons UV. Sa teneur
habituellement faible dans la troposphère
semble augmenter dans l’hémisphère nord
en raison des activités humaines. L’ozone a
un pouvoir oxydant qui le rend, à concentration équivalente, aussi agressif vis-à-vis de
l’acier que l’oxyde de soufre [2]
l’acidité des eaux de condensation
Les ions H+ responsables de l’acidité des
eaux sont des oxydants qui participent aux
réactions d’oxydoréduction de la corrosion.
A l’état naturel, l’eau atmosphérique est légèrement acide (pH 5,6) par dissolution du
dioxyde de carbone (CO2 + H2O  HCO3- +
H+), mais la pollution de l’atmosphère due à
l’industrie et à la circulation automobile rend
cette eau aujourd’hui beaucoup plus acide
(pH 4 couramment observé). Cette acidification de l’atmosphère provient de la transformation dans l’air des NOx en HNO3 et des
SO2 en H2SO3 et H2SO4 [39], acides forts se
dissociant dans l’eau en libérant des protons.
Les NOx (NO + NO2) sont formés au cours de
tout processus de combustion à haute température, soit par oxydation de l’azote de l’air
par l’oxygène, soit par combustion des produits azotés contenus dans les combustibles
les chlorures présents dans l’atmosphère
La salinité atmosphérique due aux chlorures
augmente distinctement les vitesses de corrosion atmosphérique de l’acier, pas seulement
par augmentation de la teneur en électrolytes
de l’eau atmosphérique, mais par l’influence
du chlore sur la concentration de l’eau en ions
H+ (pH) et par la solubilité des complexes de
chlorures de fer formés à la surface de l’acier.
Dans le cas de métaux comme le zinc et le
cuivre, les sels de chlore formés sont moins
solubles et la teneur en chlorures dans l’atmosphère influence donc moins la vitesse de
corrosion de ces métaux. L’impact des chlorures sur la corrosion est surtout à considérer
dans les régions proches de la côte. En effet, à
cet endroit, la concentration en chlorures dans
l’air est d’environ 100 µg/m3 alors qu’en zone
urbaine ou industrielle, elle est de l’ordre de
10 à 30 µg/m3. Dans un environnement atmosphérique maritime, les surfaces abritées de la
pluie, sur lesquelles les chlorures peuvent se
coller, présentent un risque de corrosion supérieur en raison de la présence de ces sels
hygroscopiques. Le dépôt des chlorures en région côtière dépend aussi des facteurs influençant le transport des sels de mer à l’intérieur
des terres, tels que la direction et la vitesse
du vent, la topographie locale ou encore la
distance du front de mer. Les effets extrêmes
des chlorures sont principalement ressentis
dans des zones de très violents embruns et des
bords de mer des régions à climat chaud et
humide mais aussi dans des zones d’éclaboussures affectées par les sels de déverglaçage
• les dépôts de particules (suie, poussières,
cendres volantes) à la surface de l’acier
Les particules présentes dans l’atmosphère
sont de composition, de forme et de dimension très diverses. Les grosses particules proviennent à la fois de sources naturelles, comme la terre ou le sable soufflé par le vent, et
de sources anthropiques, comme la poussière
des ouvrages de construction. Les particules
plus fines peuvent être émises directement
par les procédés de combustion (suie, cendres
volantes, …) ou résulter de la condensation
de gaz ou de réactions chimiques entre gaz,
donnant lieu à la formation d’un solide. Les
particules peuvent aussi s’agglomérer entre
elles. Plus les particules seront lourdes, plus
elles auront tendance à sédimenter et à former
des dépôts sur les surfaces rencontrées. Ces
dépôts peuvent déclencher la corrosion de
l’acier, soit en favorisant les processus d’aération différentielle aux zones de contact (voir
§ 2.2.3), soit en fournissant des électrolytes
hygroscopiques qui participent directement
aux réactions de corrosion.
Enfin, la température, l’intensité et la durée de
l’insolation, les précipitations (pluie et neige)
et la direction des vents constituent des paramètres environnementaux qui s’ajoutent à
ceux déjà cités pour influencer la corrosivité
de l’atmosphère.
Les facteurs cités ci-avant ont été considérés eu
égard aux atmosphères extérieures. Il est évident que, pour les atmosphères intérieures de
bâtiments destinés à une activité spécifique (pis-
Tableau 1 Classification de la durée de persistance de l’humidité sur les surfaces [33].
Classe
Durée de persistance de l’humidité
τ1
τ2
τ3
τ4
τ5
Heures/an
Pourcentage
τ ≤ 10
10 < τ ≤ 250
250 < τ ≤ 2500
2500 < τ ≤ 5500
5500 < τ
τ ≤ 0,1
0,1 < τ ≤ 3
3 < τ ≤ 30
30 < τ ≤ 60
60 < τ
Tableau 2 Classification de la pollution par les substances contenant du soufre [33] (*).
Catégorie
Vitesse de dépôt du
SO2 (par jour) mg/(m2.d)
Concentration de SO2
µg/m3
P0
P1
P2
P3
Pd ≤ 10
10 < Pd ≤ 35
35 < Pd ≤ 80
80 < Pd ≤ 200
Pc ≤ 12
12 < Pc ≤ 40
40 < Pc ≤ 90
90 < Pc ≤ 250
(*) Représenté par le dioxyde de soufre (SO2).
Tableau 3 Classification de la pollution par les sels contenus dans l’air sous
forme de chlorures [33].
Catégorie
Vitesse de dépôt des chlorures (par
jour) mg/(m2.d)
S0
S1
S2
S3
S≤3
3 < S ≤ 60
60 < S ≤ 300
300 < S ≤ 1500
cine, étable, usine de produits chimiques, …), il
faut tenir compte d’autres facteurs, trop nombreux pour être examinés ici. A titre d’exemple,
considérons le cas particulier de l’atmosphère
des bâtiments où logent des animaux et où les
causes de corrosion sont nombreuses. Les animaux expirant un grand volume d’humidité
dans l’air, les risques de condensation s’accroissent si les bâtiments ne sont pas bien ventilés. En même temps, le gaz ammoniac, qu’on
trouve habituellement en milieu d’élevage, se
mélange facilement à cette humidité pour produire de l’ammoniaque liquide, qui attaque la
plupart des surfaces métalliques [14].
2.1.3 Classification de la corrosivité
des atmosphères
Lorsqu’on en vient à considérer la question de
la corrosion d’un métal destiné à être utilisé
dans un lieu donné, on doit d’abord établir l’ensemble ou la moyenne des conditions environnantes. C’est ce que prévoit la norme ISO 9223
[33]. Celle-ci propose un classement de corrosivité des différentes atmosphères en se basant
sur des classes de durée de persistance de l’humidité (tableau 1) et des catégories de pollution
par les chlorures et l’anhydride sulfureux (tableaux 2 et 3). Ces deux substances permettent
en effet, à elles seules, de représenter l’ensemble des atmosphères existantes, à l’exception
des atmosphères extrêmes, telles que celles des
usines chimiques ou métallurgiques.
Comme de nombreux paramètres peuvent influencer la formation d’humidité sur les surfaces métalliques (voir § 2.1.1), la durée de persistance de l’humidité considérée dans la norme
correspond uniquement au laps de temps pendant lequel l’humidité relative dépasse 80 % à
une température supérieure à 0 °C.
Les atmosphères se divisent subséquemment
en 5 classes de corrosivité croissante, décrites
au tableau 4 (p. 4) en fonction des vitesses de
corrosion de l’acier. Les valeurs numériques
renseignées correspondent à la vitesse de corrosion relevée après un an sur des aciers de
référence exposés à des atmosphères de corrosivité déterminée. Les valeurs numériques rlin,
issues de la norme NBN EN ISO 9224 [34],
correspondent à des vitesses stabilisées de corrosion résultant d’une longue exposition dans
ces mêmes atmosphères. La dernière colonne
du tableau 4 (p. 4) décrit les environnements
atmosphériques types correspondant à chaque
classe de corrosivité (NBN EN 12500 [23]).
En fonction de la classe de durée de persistance de l’humidité et des catégories de pollution par les chlorures et l’anhydride sulfureux,
on peut déterminer la classe de corrosivité à
laquelle appartient une atmosphère donnée en
se référant au tableau 5 (p. 5).
Tableau 4 Classes de corrosivité et vitesses de corrosion de l’acier non allié pour une exposition dans les classes de
corrosivité correspondante [6, 8].
Classe
de corrosivité
Corrosivité
C1
Très faible
C2
Vitesse de corrosion de l’acier
rcorr g/(m2.a)
rlin µm/an
Environnements types (exemples)
Intérieur
Extérieur
rcorr ≤ 10
rlin ≤ 0,1
Bâtiments chauffés à faible
humidité relative et pollution
insignifiante (bureaux, écoles, musées, …)
Zone sèche ou froide,
environnement atmosphérique très faiblement pollué
et très peu humide (certains
déserts, centre de l’Antarctique, …)
Faible
10 < rcorr ≤ 200
0,1< rlin ≤ 1,5
Bâtiments non chauffés à
température et humidité relative variables. Faible risque
de condensation et peu de
pollution (stockage, salles de
sports, …)
Zone tempérée, environnement atmosphérique
faiblement pollué (SO2 <
12 µg/m3) (régions rurales,
petites villes, …)
Zone sèche ou froide,
environnement atmosphérique peu humide (déserts,
régions subarctiques, …)
C3
Moyenne
200 < rcorr ≤ 400
1,5 < rlin ≤ 6
Volumes à fréquence
modérée de condensation
et pollution modérée due à
un procédé de fabrication
(usines agroalimentaires,
laveries, brasseries, laiteries, …)
Zone tempérée, environnement atmosphérique moyennement pollué (SO2 :12 à
40 µg/m3) ou moyennement
affecté par les chlorures
(régions urbaines, régions
côtières à faible dépôt de
chlorures, …)
Zone tropicale, environnement atmosphérique faiblement pollué
C4
Forte
400 < rcorr ≤ 650
6 < rlin ≤ 20
Volumes à fréquence élevée
de condensation et à forte
pollution due à un procédé
de fabrication (usines, piscines, …)
Zone tempérée, environnement atmosphérique
fortement pollué (SO2 : 40
à 80 µg/m3) ou substantiellement affecté par les
chlorures (régions urbaines
polluées, régions industrielles, régions côtières sans
embruns salins, régions
fortement affectées par les
sels de déverglaçage, …)
Zone tropicale, environnement atmosphérique moyennement pollué
C5
Très forte
650 < rcorr ≤ 1500
20 < rlin ≤ 90
Volumes où la condensation est quasi permanente
et/ou la pollution due à un
procédé de fabrication est
très élevée (mines, grottes
pour installations industrielles, hangars non ventilés en
région tropicale humide, …)
Zone tempérée, environnement atmosphérique très
fortement pollué (SO2 : 80
à 250 µg/m3) et/ou très
fortement affecté par les
chlorures (régions industrielles, régions côtières,
atmosphères marines avec
embruns salins, …)
Zone tropicale, environnement atmosphérique fortement pollué et/ou affecté par
les chlorures
Lorsqu’il faut décider d’une protection à appliquer contre la corrosion, l’étude du microenvironnement, c’est-à-dire des conditions
prévalant autour de la construction, est particulièrement déterminante puisqu’elle permet
de connaître avec une plus grande précision les
conditions auxquelles sera soumis l’ouvrage.
Si ces conditions ne sont pas toujours connues
au stade de projet, le nécessaire doit toutefois
être fait pour les identifier le plus exactement
possible.
2.2 Corrosivité
des eaux
L’eau étant l’un des principaux éléments nécessaires à la corrosion, les ouvrages en acier
constamment ou temporairement immergés
Les Dossiers du CSTC – 2006/4 – Cahier n° 6 – page dans une eau aérée ou véhiculant cette dernière subiront une corrosion plus importante
que ceux exposés à l’atmosphère et seulement
occasionnellement en contact avec l’eau de
condensation, la pluie ou la neige [3].
Si, pour certains ouvrages, des métaux peuvent
être immergés dans l’eau (ouvrages portuaires,
stations de forage en mer, pipelines, …), les
Tableau 5 Classe de corrosivité de l’atmosphère en fonction des catégories de pollution et de la durée de persistance de
l’humidité [33].
Durée de
persistance
τ1
τ2
τ3
τ4
τ5
S0-S1
S2
S3
S0-S1
S2
S3
S0-S1
S2
S3
S0-S1
S2
S3
S0-S1
S2
S3
P0-P1
C1
C1
C1
ou
C2
C1
C2
C3
ou
C4
C2
ou
C3
C3
ou
C4
C4
C3
C4
C5
C3
ou
C4
C5
C5
P2
C2
C1
C1
ou
C2
C1
ou
C2
C2
ou
C3
C3
ou
C4
C3
ou
C4
C3
ou
C4
C4
ou
C5
C4
C4
C5
C4
ou
C5
C5
C5
P3
C1
ou
C2
C1
ou
C2
C2
C2
C3
C4
C4
C4
ou
C5
C5
C5
C5
C5
C5
C5
C5
cas les plus fréquents de corrosion des métaux
par l’eau concernent les canalisations des installations sanitaires et de chauffage ainsi que
les canalisations d’évacuation [9].
La nature de l’eau et sa chimie varient selon
son origine (eau souterraine, eau de pluie, eau
d’évacuation, eau de ruissellement, eau industrielle, eau de ville, …) et selon son utilisation
(véhiculée ou stockée, aérée ou non aérée,
chauffée, surchauffée ou refroidie, …).
La série de normes NBN EN 12502 (parties 1 à 5)
[26] fournit des recommandations pour l’évaluation du risque de corrosion interne des matériaux
métalliques (dont les aciers) dans les installations
de distribution et de stockage de l’eau. Outre la
conception de l’installation, sa mise en service
et ses conditions de fonctionnement, ces normes
considèrent l’influence des caractéristiques de
l’eau sur le risque de corrosion.
L’eau en contact avec l’acier des canalisations,
des cuves ou des citernes peut contenir, en
quantités variables, des sels minéraux dissous,
des gaz dissous, des matières organiques ou
minérales en suspension (sable, limon, argile,
matières végétales, …) et des microorganismes (bactéries, amibes, virus, …) qui constituent autant d’agents influençant la corrosivité
de l’eau.
2.2.1 Sels minéraux dissous
Les sels minéraux dissous (Na+, Ca2+, Cl-,
Mg2+, SO42-, CO32-, SiO32) ou électrolytes augmentent la conductivité de l’eau, qui favorisera les échanges de charges, permettant une
dissolution plus facile des métaux.
Une eau ‘naturelle’ qui ruisselle sur le sol à la
suite de précipitations atmosphériques se charge
en sels par action physique et chimique sur son
parcours aérien et souterrain. Si le sol traversé
est gypseux, l’eau sera chargée en Ca2+ et en
SO42-. Si c’est un sol calcaire, elle sera chargée
en Ca2+ et en CO32-. Cette eau reste cependant
moins minéralisée qu’une eau de mer riche en
ions Na+ et Cl- et donc plus corrosive.
Une eau de ville considérée comme potable est
par contre traitée pour satisfaire aux exigences
de la directive européenne 98/83/CE relative à
la qualité des eaux destinées à la consommation
humaine (chaque Région ayant édité un règlement basé sur cette directive) [8]. Ces exigences définissent notamment des valeurs limites
de concentration en sels tels que les chlorures,
les sulfates, les nitrates, les fluorures ou le sodium. La directive impose également une limite en matière de conductivité de l’eau.
A priori, on ne doit pas vraiment s’inquiéter
des sels dissous dans l’eau en contact avec
l’acier lorsqu’on s’intéresse à la corrosion
de celui-ci, sauf en cas de pollution par les
chlorures ou les sulfates, encore appelés ions
remarquables, ou si l’eau est trop faiblement
concentrée en ions Ca2+ et CO32- nécessaires à
la formation d’un film protecteur adhérant à la
surface de l’acier (voir § 2.2.2).
sous-jacent accessible aux autres agents corrosifs. De plus, ils participent au cycle des
bactéries sulfatoréductrices et, partant, au développement des corrosions bactériennes (voir
§ 2.2.4). L’origine des sulfates dans l’eau peut
être naturelle (altération des minerais sulfurés
tels que la pyrite ou le gypse, décomposition
de la végétation et de la faune avoisinante) ou
anthropique (infiltrations d’eau superficielle
contaminées par les émissions de soufre provenant des combustibles fossiles, par les sulfatages agricoles, par les rejets ménagers et
industrielles).
D’autres facteurs, tels que l’altération des
matériaux métalliques constitutifs des canalisations, des cuves et des appareils, peuvent
encore accroître la minéralisation de l’eau.
Cette altération entraîne un enrichissement de
l’eau en éléments chimiques indésirables (fer,
cuivre, zinc, plomb, …), ce qui pourrait nous
amener à dire que la corrosion est, dans un certain sens, un processus autocatalytique.
2.2.2 Gaz dissous
Les chlorures sont des ions particulièrement
mobiles, ils se concentrent facilement dans les
microfissures de la surface de l’acier. Ils entraînent alors localement une chute importante du pH et favorisent une corrosion acide de
l’acier. De plus, ils s’adsorbent à la surface de
celui-ci et rendent poreux les dépôts formés.
Dans une eau de distribution, des chlorures en
concentration supérieure à la normale peuvent
provenir d’une défaillance d’un traitement de
désinfection de l’eau (les chlorures sont des
sous-produits de la désinfection au dioxyde de
chlore) ou du mauvais fonctionnement d’un
adoucisseur à résine échangeuse d’ions. Dans
une eau ‘naturelle’, l’origine des chlorures est
multiple : terrains salés, urines des animaux,
salage des routes, rejets de stations d’épuration, rejets industriels et agricoles, …
A l’instar des chlorures, les sulfates rendent
les dépôts poreux et donc la surface de l’acier
L’eau contient également des gaz dissous
(oxygène, anhydride carbonique, azote, …)
en quantités variables selon la température et
la pression. Parmi ces gaz, l’oxygène, qui se
dissout sans dissociation, constitue un initiateur et un activateur essentiel de la corrosion
de l’acier par l’eau. La teneur en oxygène dissous peut atteindre 4 mg/l dans une eau aérée
et bien plus dans une eau saturée en oxygène
(environ 10 mg/l à 15 °C et à pression atmosphérique).
Une eau en contact permanent ou occasionnel
avec l’air sera plus corrosive qu’une eau isolée
de l’atmosphère. Cela permet d’expliquer les
différences de comportement de l’acier en milieu ouvert et fermé. Les conduites d’une installation sanitaire dans laquelle l’eau est sans
cesse renouvelée (apport continu d’oxygène)
seront plus souvent sujettes à des problèmes
de corrosion que les conduites d’une installation de chauffage dans laquelle l’eau n’est
renouvelée que dans le cas exceptionnel d’une
vidange pour entretien ou réparation.
Par contre, si la teneur en oxygène dissous est
très faible, c’est l’ion H+ ou proton qui prendra le relais et qui contribuera au processus de
corrosion du fer (voir réaction (3), p. 1). Les
protons présents dans l’eau proviennent moins
de la dissociation de l’eau en protons et en ions
hydroxyles que de l’acide carbonique (H2CO3)
issu de la dissolution dans l’eau du CO2 atmosphérique. Ce second gaz dissous intervient
donc dans le développement
��
de la corrosion
en formant des protons selon les trois réactions
suivantes :
• CO2 + H2O  H2CO3
(4)
• H2CO3  H+ + HCO3-
(5)
• HCO3-  H+ + CO32-
(6)
Le pH d’une eau, autrement dit sa concentration en protons, est réglé par l’équilibre calcocarbonique. ��
Il s’agit de l’équilibre des hydrogénocarbonates qui sont peu stables et se
transforment en carbonates selon la réaction
globale suivante :
• 2 HCO3-  CO32- + CO2 + H2O
(7)
Les carbonates formés réagissent avec les ions
calcium présents dans l’eau pour former le carbonate de calcium (CaCO3), très peu soluble,
qui précipite pour produire ce qu’on appelle
communément le tartre. Les hydrogénocarbonates ne resteront stables dans l’eau que si la
teneur en CO2 est suffisante. La concentration
en CO2 nécessaire à cette stabilité est appelée
CO2 équilibrant et est donnée pour une température et une concentration en HCO3- déterminées. Si la concentration en CO2 dans l’eau
(appelé CO2 libre) est supérieure à la concentration d’équilibre, le CO2 en excès (appelé
CO2 agressif) peut dissoudre le CaCO3. L’eau
est alors considérée comme agressive. Dans le
cas contraire, elle est considérée comme incrustante ou entartrante et elle déposera une
couche de carbonate de calcium adhérente qui
empêchera les agents corrosifs tels que l’oxygène et les protons d’atteindre la surface de
l’acier. La figure 4 ci-contre représente graphiquement les trois cas de figure possible de la
répartition du CO2 dans l’eau [35].
La notion d’agressivité d’une eau est différente
de la notion de corrosivité mais, sous certaines
conditions, une eau agressive pourrait être corrosive vis-à-vis de l’acier non protégé par un
dépôt de carbonate de calcium. C’est pourquoi,
dans le but de protéger les réseaux de distribution, les compagnies donnent généralement à
l’eau un caractère légèrement incrustant afin
qu’un léger dépôt de CaCO3 tapisse les canalisations et limite ainsi le développement de la
corrosion [13]. Il existe aujourd’hui des logiciels, utilisés par les entreprises de traitement
de l’eau, qui permettent de définir les conditions
d’équilibre calcocarbonique d’une eau et l’inci-
Fig. 4 Représentation graphique de la répartition du CO2 dissous [35].
Répartition du CO2 d’une eau agressive
CO2 total
CO2 sous forme
d’hydrogénocarbonate
CO2 libre
CO2 équilibrant
CO2 excédentaire
Répartition du CO2 d’une eau à l’équilibre
CO2 total
CO2 sous forme d’hydrogénocarbonate
CO2 libre
CO2 équilibrant
Répartition du CO2 d’une eau incrustante
CO2 total
CO2 sous forme d’hydrogénocarbonate
CO2 libre
CO2 équilibrant
dence d’un traitement imposé ou de déterminer
la quantité nécessaire de produit traitant pour
atteindre un état donné. Ces logiciels sont basés
sur la méthode française de Legrand, Poirier et
Leroy, mondialement reconnue [29].
En plus du CO2 et de l’oxygène, d’autres gaz
dissous dans l’eau peuvent également avoir
une action corrosive vis-à-vis de l’acier ; citons simplement les cas de corrosion liés à la
formation et l’accumulation d’H2S dans des
eaux usées stagnantes. L’H2S se transforme en
acide sulfurique sous l’influence de bactéries
aérobies (voir § 2.2.4) [9].
2.2.3 Matières minérales ou organiques
en suspension
L’eau véhicule des matières en suspension
qu’elle emporte sur son passage. Ces matières
sont constituées de sable, de limon ou d’argile,
de débris minéraux provenant de roches ou de
métaux, de débris organiques issus de la décom-
position de végétaux, … Si l’eau n’est pas filtrée, les matières qu’elle transporte pourront sédimenter sur l’acier ou s’accrocher aux aspérités
des canalisations, des cuves ou des réservoirs
et générer une corrosion sous dépôt, appelée
corrosion par aération différentielle. Ce type de
corrosion, très couramment observé, résulte de
la création par le dépôt sédimenté de zones de
moindre aération (voir figure 6, p. 7). Les parties faiblement oxygénées sous les dépôts jouent
le rôle d’anode et se corrodent, tandis que les
zones mieux oxygénées serviront de cathodes
et seront donc protégées (voir figure 5). Cette
corrosion de type localisé est la plus dangereuse
puisqu’elle conduit à des piqûres ou des crevasses qui se développent rapidement jusqu’à perforation du métal [4].
Notons que la sédimentation de dépôts métalliques plus nobles que l’acier provoque en outre
une corrosion galvanique de l’acier. C’est nottamment le cas des dépôts de cuivre. Pour cette
raison, il est fortement déconseillé de placer des
éléments en cuivre en amont d’éléments en acier
Fig. 5 Corrosion par aération différentielle.
Corrosion
O2
Cathode
Boue
Acier
e-
Les Dossiers du CSTC – 2006/4 – Cahier n° 6 – page Anode
Fig. 6 Corrosion par aération différentielle dans la partie inférieure d’un
tube en acier.
induit une hétérogénéité de la concentration en
oxygène à l’interface métal/biofilm. Cette hétérogénéité, de même qu’une répartition non
uniforme du biofilm laissant des zones non
couvertes, peut entraîner une corrosion par aération différentielle (voir § 2.2.3) [10].
pendant diverses installations industrielles, le
plus souvent en contact avec de l’eau stagnante ou quasi stagnante (échangeurs de chaleur,
circuits anti-incendie, condenseurs).
2.3 Corrosivité
dans une installation de chauffage ou une installation sanitaire.
2.2.4 Micro-organismes
Les eaux non stériles peuvent contenir une
grande variété de micro-organismes, incluant
les amibes, les algues, les levures, les protozoaires et les bactéries. Ces micro-organismes
peuvent s’adsorber à la surface de l’acier et
générer un biofilm d’aspect gélatineux qui
comprendra aussi des macromolécules organiques (protéines, glycoprotéines, acides humiques, …) et/ou des particules inorganiques.
L’accrochage du biofilm à la surface de l’acier
devient irréversible à partir du moment où les
micro-organismes fixés sécrètent des polymères extracellulaires qui assurent la cohésion du
biofilm. Si les conditions physicochimiques à
l’interface métal/solution sont favorables, la
croissance et la multiplication des bactéries
colonisatrices se poursuivent pour atteindre
un état stationnaire, rythmé par des étapes de
détachement et de nouvelles adhésions [12].
Les micro-organismes peuvent également produire des métabolites corrosifs pour l’acier. Par
exemple, les bactéries sulfo-oxydantes (Thiobacillus thiooxidans et ferroxidans, Thiothrix
et Beggiatoa) entraînent une biocorrosion aérobie acide en diminuant le pH de l’eau par formation d’acide sulfurique à partir des sulfures
ou du soufre utilisés comme donneurs d’électrons. Les bactéries ferro-oxydantes autotrophes (Gallionella ferruginae) ou hétérotrophes (Sphaerotilus, Leptothrix sp, Crenothrix
sp) créent, par contre, des conditions propices
à une corrosion par aération différentielle en
oxydant l’ion ferreux en ion ferrique, conduisant à la formation d’une zone d’anaérobiose
sous un dépôt d’hydroxyde ferrique [4].
En l’absence d’oxygène, en milieu aqueux
non aéré, l’acier peut subir une biocorrosion
anaérobie provoquée par des bactéries dites
sulfatoréductrices (ou sulfurogènes). Ces bactéries se complaisent dans les zones peu aérées (sous des dépôts, par exemple) où elles
favorisent la formation de sulfure d’hydrogène
par réduction de composés soufrés et notamment des sulfates présents dans l’eau. Or, les
propriétés corrosives de l’H2S sur l’acier non
allié, notamment en milieu acide, sont bien
connues. L’hydrogène sulfuré réagit avec les
ions Fe++ pour former un sulfure de fer noir.
La corrosion se manifeste alors sous la forme
de piqûres ouvertes remplies de produits de
corrosion noirs qui réagissent avec de l’acide
pour dégager de l’H2S nauséabond.
La présence de micro-organismes peut constituer un facteur accélérateur ou, plus rarement,
initiateur d’une corrosion. On parlera dans ce
cas de corrosion microbienne, de corrosion
MIC (Microbiologically Induced Corrosion)
ou simplement de biocorrosion. La norme NBN
EN ISO 8044 [27] définit le terme ‘corrosion microbienne’ comme étant une corrosion associée
à l’action de micro-organismes présents dans le
système de corrosion (1) et le terme ‘corrosion
bactérienne’ comme une corrosion microbienne
particulière due à l’action des bactéries. Selon
Chantereau, la corrosion bactérienne rassemble
« tous les phénomènes de corrosion où des bactéries, agissant directement ou par l’intermédiaire
des substances provenant de leur métabolisme,
jouent un rôle primordial, soit en accélérant un
processus déjà établi, soit en créant les conditions favorables à son établissement » [7].
Tous les biofilms ne sont pas corrosifs et
d’aucuns pensent même qu’ils peuvent parfois exercer un effet d’inhibition de la dissolution du métal, notamment parce qu’ils agissent comme barrière limitant la diffusion de
l’oxygène [28]. Cette hypothèse est cependant
contredite par d’autres, qui considèrent que
le biofilm n’est ni résistant ni uniforme [30].
Pour qu’un biofilm soit corrosif (indépendamment du phénomène de corrosion par aération
différentielle qu’il peut entraîner), il faut que
les conditions physicochimiques de l’environnement proche du biofilm soient propices
au développement des bactéries et que les
produits de leur métabolisme soient agressifs
pour le métal concerné. Très souvent, la corrosion des aciers due à des micro-organismes
n’apparait que lorsqu’un processus de corrosion électrochimique est déjà amorcé.
La biocorrosion peut notamment être causée
par l’hétérogénéité biologique du biofilm qui
Les problèmes de corrosion ayant pour origine
la présence de micro-organismes touchent ce-
(1) Le système de corrosion s’entend comme le métal et son environnement.
des sols
Les sols sont toujours humides et l’eau interstitielle qui y circule est chargée de nombreux sels (sulfates, chlorures, nitrates, acides
organiques, …). Ils constituent de ce fait des
milieux électrolytiques propices à la corrosion
des métaux.
Les ouvrages concernés par la corrosivité des
sols sont les éléments métalliques de renforcement de remblai, les parois de palplanches, les canalisations enterrées, les conduits
souterrains, les supports d’ancrage, les buses
métalliques, les réservoirs de stockage, … (cf.
figure 7). Comme ces ouvrages ne peuvent pas
faire l’objet d’un entretien régulier et qu’il est
impossible de modifier la nature des sols, il est
important de bien déterminer la corrosivité de
ces derniers afin de prendre des mesures appropriées de protection de l’acier.
Les paramètres à considérer pour juger de la corrosivité d’un sol et donc de la nécessité d’appliquer ou non une protection à l’acier sont :
• la nature du sol (pH, acidité, alcalinité, …)
• sa texture (perméabilité à l’oxygène)
• sa teneur en eau (présence d’une nappe phréatique à proximité)
• sa résistivité électrique (teneurs en sels dissous)
• la nature des sels présents (chlorures, sulfates, sulfures, …)
• la présence de bactéries, dont les bactéries
sulfato-réductrices qui, en milieu désaéré, accélèrent la corrosion de l’acier (voir § 2.2.4)
• la présence de courants vagabonds (voies
ferrées, lignes à haute tension, protection
cathodique de structures situées à proximité, …)
• les éventuelles hétérogénéités verticales ou
horizontales (veines d’argile dans un terrain
Fig. 7 Palplanche en acier.
Tableau 6 Conditions de sol pouvant suggérer une force corrosive élevée [25].
Caractéristiques
Type de sol
Perturbations
électriques
Pollution
Autres
Circonstances
Exemples de critères
Sol naturel
Présence de tourbe, de lignite, de charbon, …
Zones telles que marais, étangs marécageux, …
Zone de marées
Présence d’une nappe phréatique saumâtre ou d’eau de mer
Sols anaérobies (possibilité de corrosion microbienne induite)
Sol artificiel
Sols contenant des cendres, des scories, des sous-produits industriels, des résidus de déchets domestiques, …
Zones remblayées par des sous-produits industriels (tout type)
Matériaux recyclés non contrôlés
Dispositif à courant continu
(CC)
Proximité de chemins de fer à CC, de tramways, de métros, …
Proximité d’une structure à protection cathodique ou d’anodes, ...
Dispositif à courant alternatif
(CA)
Proximité de lignes électriques à CA, de réseaux ferroviaires à CA
Proximité de prises de terre à CA
Sol contaminé
Contamination par des sels de dégivrage, du fumier, des fertilisants, des rejets
industriels ou des effluents d’égouts perméables
Topographie et hydrographie
Présence, sur le chemin d’une canalisation, d’un point bas, d’une traversée de
ruisseau ou de rivière, …
Toponymie
Indications, données par les noms de village, relatives aux caractéristiques particulières de la nature de sol
Interface triple
Nappe phréatique fluctuante
poreux) en raison des cellules de corrosion
qu’elles risquent de former par aération différentielle.
Les facteurs influençant la corrosivité des
sols sont trop nombreux pour être tous analysés lorsqu’on veut déterminer les risques de
corrosion dans un milieu déterminé. Seuls les
paramètres globaux (résistivité, pH, teneur en
eau, …), facilement accessibles, sont généralement pris en compte [9].
La norme NBN EN 12501-1 sert de base à
l’évaluation du risque de corrosion dans les
sols des structures métalliques [24]. Elle définit en effet une méthode d’évaluation des
forces corrosives des sols et énumère en outre
les facteurs les plus défavorables à prendre
en compte. Cette évaluation est effectuée en
considérant le métal nu en contact direct avec
le sol, sans tenir compte d’une éventuelle protection. La norme NBN EN 12501-2 [26] traite
plus spécifiquement de l’évaluation des forces
corrosives dans les sols renfermant des ouvrages
composés de matériaux ferreux faiblement ou
non alliés, dont l’acier.
Cette dernière propose plusieurs niveaux d’enquête conduisant à déterminer de façon plus ou moins
précise la force corrosive d’un sol. Les conditions
de sol telles que présentées au tableau 6 sont examinées par une enquête préliminaire basée sur
une étude géologique, une étude topographique
et une recherche d’informations spécifiques (présence de sources de courant, pollution par des effluents industriels, des sels de déverglaçage, des
engrais, des dépôts ou décharges, …). Si aucune
autre étude n’est réalisée et qu’au moins un des
critères du tableau 6 est rempli, la force corrosive
doit être considérée comme élevée.
Une étude sur site peut ensuite être menée pour
effectuer des mesurages de la résistivité du sol
(ρ) et des gradients de potentiels aux emplacements les plus défavorables et aux périodes de
l’année les plus critiques. Des valeurs de résistivité inférieures à 30 Ωm indiquent un sol de
force corrosive élevée. Si ces valeurs sont supérieures, l’enquête doit être poursuivie par un
prélèvement d’échantillons de sol. Ceux-ci sont
portés en laboratoire pour y mesurer les valeurs
de résistivité et de pH. La connaissance de ces
deux valeurs permet d’évaluer, à l’aide du schéma de la figure 8, la force corrosive de la zone de
prélèvement. En présence d’une nappe phréatique (ouvrage partiellement immergé) ou d’une
large gamme de valeurs de résistivité (ρ max/ρ
min > 3) ou de pH (pH max-pH min > 1,5), un
statut de force corrosive moyenne devra être modifié en statut de force corrosive élevée.
Dans le cas d’un sol composé de matériaux de
remblai, la force corrosive sera faible si les critères du tableau 7 (p. 9) sont remplis.
Fig. 8 Force corrosive d’un échantillon de sol [26].
> 9,5
Signalons que, même dans des sols de force
corrosive faible, le risque de corrosion existe
toujours à l’interface air/sol.
6 – 9,5
Elevée
Moyenne
Faible
pH
2.4 Corrosivité
des bétons
4,5 – 6
2.4.1 Le béton armé : une première association acier-béton intéressante
< 4,5
Le béton, matériau de construction par excellence, possède une grande résistance à la compression (25 à 60 MPa, voire beaucoup plus pour les
nouveaux bétons à hautes performances), mais sa
résistance à la traction est environ dix fois plus
faible que sa résistance en compression. De plus,
le béton de ciment a un comportement fragile. Son
0
10
30
50
100
Résistivité du sol ρ∗ (valeur minimale de résistivité après ajout d'eau déionisée) (Ωm)
Les Dossiers du CSTC – 2006/4 – Cahier n° 6 – page Techniques & pratique
Tableau 7 Critères de corrosivité des matériaux de remblai [26].
Paramètres
Force corrosive faible
Résistivité
ρ* > 100 Ωm
pH (*)
6 < pH < 9
Sulfure
< 10 mg/kg
Carbone
Aucune détection visuelle de charbon, de coke, de graphite ni de
résidus carbonifères
(*) Les matériaux n’entrant pas dans cette gamme de pH, mais présentant toutefois des taux d’acidité ou d’alcalinité faibles peuvent être considérés comme ayant
une force corrosive faible.
utilisation comme matériau de construction, qui
remonte à l’époque romaine, n’a pris son plein
essor qu’avec l’invention du béton armé. Dans
celui-ci, des armatures, c’est-à-dire des barres en
acier (originellement en fer), compensent sa faible
résistance à la traction. En effet, l’acier présente
une résistance à la traction de l’ordre de 500 MPa.
La faisabilité technique du composite acier-béton
repose sur la quasi-équivalence des coefficients
de dilatation thermique du béton et de l’acier.
En outre, le pH basique (pH > 11) d’un béton
sain et celui de la solution interstitielle contenue dans les pores du béton sont favorables à
la formation d’une couche de passivation (produit blanc à base de ferrite de calcium hydraté)
qui protège les armatures contre la corrosion
en éliminant tout contact que pourrait avoir
l’acier avec l’oxygène et l’eau, même si, avant
d’être enrobées par le béton, ces armatures
étaient couvertes de rouille par leur exposition
à l’atmosphère. Le béton assure donc par son
alcalinité une protection des armatures.
2.4.2 Principaux activateurs de la
corrosion dans le béton : les
chlorures et la carbonatation
La corrosion des armatures du béton est cependant le phénomène de dégradation le plus
fréquent des ouvrages en béton armé. En effet,
le béton alcalin évolue en réagissant avec son
environnement. Aucun béton de construction
n’est parfaitement étanche et tous les bétons
subissent des altérations provoquées par des
contraintes mécaniques (déformations dues à
des charges excessives, à des chocs, …), des
contraintes thermiques (variations extrêmes
de température) ou des réactions chimiques
(dissolutions, gonflements, …) qui entraînent
des fissurations.
Au contact de l’atmosphère, de l’eau ou du
sol, certains gaz ou liquides constitutifs de ces
milieux pénètrent dans le béton via les pores
et les fissures, chemins privilégiés vers les armatures. Ces gaz ou liquides peuvent contenir
des agents agressifs pour l’acier, tels que le
gaz carbonique (ou anhydride carbonique) et
les chlorures qui modifient localement la composition chimique du béton et de la solution
interstitielle, provoquant la destruction du film
de passivation des armatures.
Les chlorures présents dans le béton peuvent
provenir du milieu ambiant (milieu marin,
sels de déverglaçage) ou avoir été introduits
lors du gâchage (adjuvants chlorés, granulats
contaminés, eau de mer). Ces ions très solubles dans l’eau sont transportés par diffusion
(gradient de concentration) ou par entraînement (convection) de l’eau qui pénètre dans le
béton par pression ou par capillarité.
A partir d’une certaine concentration, qui
varie en fonction du pH ou plutôt du rapport
(Cl-)/(OH-), les chlorures vont entraîner la
dépassivation des armatures et participer à la
formation d’une rouille verte composée de fer
tri- et divalent incluant les ions chlores [37].
Cette rouille verte est stable en l’absence
d’oxygène.
Cette concentration critique, surtout au droit
des armatures, est comprise entre 0,4 et 1 %
en masse d’ions chlorures par rapport à la
masse de ciment. A cet égard, la norme NBN
EN 206-1 et son complément belge, la norme
NBN B 15-001 [15] spécifient que la teneur en
chlorures d’un béton ne doit pas dépasser :
• 0,4 % lorsque le béton contient des armatures en acier ou des pièces métalliques
noyées
• 0,2 % s’il contient des armatures de précontraintes en acier [1].
Fig. 9 Corrosion d’armatures avec
éclatement du béton.
La pénétration du CO2 provenant du milieu
environnant provoque la carbonatation du béton. Ce gaz réagit avec l’hydroxyde de calcium
Fig. 10 Armature corrodée avec réduction de la section utile.
Ca(OH)2, réserve alcaline du béton, pour former du carbonate de calcium CaCO3. La carbonatation s’accompagne d’une réduction du pH
de la solution interstitielle à des valeurs proches
de 9, alors que les valeurs habituelles de cette
solution sont plutôt de l’ordre de 13 [32]. A de
telles valeurs de pH, la couche passive se dissout et la surface de l’acier n’est plus protégée.
Il se forme également une rouille verte plus stable que celle formée par les chlorures [37].
La dépassivation des armatures est initiée
lorsque la carbonatation ou les chlorures ont
traversé le béton d’enrobage et atteint les armatures. La corrosion se développe ensuite en
présence d’oxygène et d’humidité. La rouille
verte s’oxyde en magnétite noire ou en oxyhydroxyde de fer avec libération de protons.
Ceux-ci acidifient le milieu, qui devient dès
lors plus agressif et amplifie la corrosion.
Il n’y a pas de corrosion lorsque l’atmosphère
est très sèche (humidité relative < 40 %) ou
lorsque le béton est totalement immergé dans
de l’eau désaérée. L’humidité relative la plus
favorable à la corrosion est de l’ordre de 70 à
80 %. Au-delà, la diffusion de l’oxygène nécessaire au développement de la corrosion est
considérablement diminuée.
Les produits de corrosion occupant un volume largement supérieur au volume initial
de l’acier, la formation de rouille exerce une
pression interne dans le béton, ce qui peut
entraîner sa fissuration, voire son éclatement
(voir figure 9). Selon l’état d’oxydation, le fer
métallique peut en effet former des oxydes ou
hydroxydes dont le volume peut être jusqu’à
six fois supérieur au volume initial [9]. La fissuration du béton facilite ensuite le transport
des agents agressifs jusqu’au niveau de l’acier,
ce qui aura pour conséquence une augmentation de la vitesse de corrosion. Deux autres
effets nuisibles de la corrosion sur la stabilité
de l’ouvrage en béton se produisent : la perte
d’adhérence et la réduction de la résistance des
barres d’acier en raison de la diminution de
leur section utile par progression de la corrosion [32] (voir figure 10).
2.4.3 Autres associations acier-béton
dans la construction
L’association acier-béton ne se limite pas au
béton armé. Il existe de nombreux éléments de
construction mixtes en acier-béton qui utilisent
le béton pour résister aux efforts de compression
et l’acier pour résister aux efforts de traction et
aux efforts tranchants. Il peut s’agir de planchers de grande portée, de poutres avec coffrage
en acier (coffrage perdu) ou encore de colonnes
en acier enrobées de béton. Cette conception
offre aussi l’avantage d’améliorer sensiblement
la résistance à l’incendie des ouvrages.
Le béton renforcé de fibres d’acier constitue un
autre exemple d’association acier-béton. Les
fibres situées à proximité de la surface peuvent éventuellement se corroder en raison de
la carbonatation ou de la présence de chlorures
dans l’environnement. Les recherches ont cependant démontré qu’il n’y avait pas de risques
de dégradation par éclatement du béton [38].
La corrosion des fibres entraîne uniquement un
problème d’ordre esthétique.
L’encastrement de tuyauteries en acier dans une
chape constitue, quant à lui, un exemple d’association acier-mortier qui connaîtra les mêmes
problèmes de corrosion que les armatures dans
le béton si la chape est trop souvent humide
(infiltrations d’eau, inondations, …) et que les
tuyaux ne sont pas munis d’une protection efficace et continue adhérant aux tuyaux [6].
Qu’il soit au contact de l’atmosphère, immergé
dans l’eau, enterré dans le sol ou enrobé de béton, l’acier doit faire face à l’agression de divers
agents corrosifs inévitablement présents dans
ces milieux. Si l’étude de l’environnement d’un
ouvrage souligne une corrosivité élevée, il faut
s’attendre à la dégradation progressive de l’acier
avec nécessité d’un entretien ou de réparations
pour préserver l’ouvrage, à moins qu’il soit fait
usage d’une nuance d’acier spécifique résistant
à la corrosion ou que des mesures particulières
soient prises pour protéger l’acier de la corrosion.
Ces mesures de protection sont nombreuses et
leur choix dépend de plusieurs facteurs. Il s’agira
par exemple d’augmenter l’épaisseur de l’acier,
d’isoler l’acier de son environnement ou encore
de le protéger par un revêtement spécifique. Ces
mesures et d’autres encore seront étudiées dans
la seconde partie de cet article.
Les nuances d’acier, leurs compositions et leurs
propriétés spécifiques sont décrites ci-après afin
de pouvoir procéder à une sélection judicieuse
d’un acier en fonction de la corrosivité du milieu
d’application.
3 L’acier, un matériau nuancé
à bien choisir
3.1 Fer, carbone
et éléments d’alliage
L’acier est obtenu par transformation du fer
en présence de carbone additionné en quantité variable (jusqu’à environ 2 %). Lorsque la
teneur en carbone est inférieure à 0,10 %, on
parle d’acier ‘à très bas carbone’. Si la teneur
en carbone est de 2 à 6 %, il s’agit de fonte.
La teneur en carbone influence directement les
propriétés de l’acier. Celui-ci sera d’autant plus
plastique et malléable qu’il contient peu de carbone. A l’inverse, il sera plus dur et résistant
s’il en contient beaucoup. Contrairement à la
fonte, l’acier est donc ductile : on le met facilement en forme par des compressions à froid.
L’acier peut également contenir d’autres
éléments chimiques provenant d’impuretés
(soufre, phosphore, …) ou ajoutés intentionnellement (silicium, nickel, chrome, cuivre,
manganèse, …) pour en améliorer les caractéristiques physiques (coefficient de dilatation), chimiques (résistance à la corrosion)
ou mécaniques (limite d’élasticité, résistance
à la traction). On parle d’aciers alliés à partir
d’une certaine teneur en éléments autres que
le carbone, le fer, le soufre, le phosphore et
l’azote. Cette teneur varie pour chaque élément (voir tableau 8). En général, si aucun de
ces éléments d’addition n’atteint 5 %, on dit
que l’acier est faiblement allié; il est fortement
allié dans le cas contraire. Les aciers non alliés
pour lesquels aucune des valeurs du tableau 8
n’est atteinte sont souvent improprement appelés ‘acier au carbone’.
Tableau 8 Teneurs limites en éléments
spécifiques permettant de distinguer
aciers non alliés et aciers alliés [16].
Eléments spécifiques (sauf C, P, S, N)
Teneur limite
en % poids
Al
Aluminium
B
Bore
Bi
Bismuth
Co
Cobalt
Cr
Chrome
Cu
Cuivre
La
Lanthanides
(pris individuellement)
Mn
Manganèse
Mo
Molybdène
Nb
Niobium
Ni
Nickel
Pb
Plomb
Se
Sélénium
Si
Silicium
Te
Tellure
Ti
Titane
V
Vanadium
W
Tungstène
Zr
Zirconium
Autres (pris individuellement)
0,30
0,0008
0,10
0,30
0,30
0,40
0,10
Les Dossiers du CSTC – 2006/4 – Cahier n° 6 – page 10
1,65
0,08
0,06
0,30
0,40
0,10
0,60
0,10
0,05
0,10
0,30
0,05
0,10
Vu le grand nombre d’éléments d’alliage [10]
et le nombre plus élevé encore de combinaisons possibles de ces éléments, il n’existe pas
un seul type d’acier, mais un grand nombre de
nuances d’acier avec des qualités physiques,
mécaniques et chimiques différentes. Il a donc
été jugé utile de trouver des systèmes normalisés pour les identifier et les classer.
3.2 Classement et désignations
nuances d’acier
des
La norme NBN EN 10020 [16] propose une
classification des nuances d’aciers sur la base de
leur composition chimique et de leur principale
classe de qualité. Cette dernière est définie selon les caractéristiques spécifiques des nuances
d’acier leur permettant de répondre aux exigences particulières de certaines applications. Le
tableau 9 (p. 11) fournit les différentes classes
de nuances d’acier, précise les principales prescriptions relatives à chaque classe et renseigne
quelques exemples d’application.
La norme NBN EN 10027-1 [19] reprend ces
deux catégories de classification (selon les caractéristiques et selon la composition chimique) et propose deux systèmes de désignation
symbolique des aciers constitués de caractères
alphanumériques :
• catégorie 1 : les aciers désignés à partir de
leur emploi et de leurs caractéristiques mécaniques ou physiques
• catégorie 2 : les aciers désignés à partir de
leur composition chimique.
3.2.1 Catégorie 1
Les aciers sont désignés aux moyens de symboles principaux qui sont fonction de leur
emploi et de leurs propriétés mécaniques ou
physiques. Des
��
symboles additionnels peuvent
être ajoutés à la désignation de l’acier pour
décrire celui-ci plus complètement. ��
Ils précisent d’autres caractéristiques de l’acier ou du
produit en acier, telles que son énergie de rupture, son état de livraison (normalisé, trempé
et revenu, ...), ses propriétés technologiques
particulières (adéquation à un revêtement,
aptitude au formage à froid, résistance aux
intempéries, …) et le type de revêtement appliqué (galvanisation, électrozingage, ...). La
signification des symboles est précisée en détail au tableau 10 (p. 12). Le tableau 11 (p. 12)
donne quelques exemples de désignation symbolique de différentes nuances d’acier.
3.2.2 Catégorie 2
Les aciers peuvent également être désignés
sur la base de leur composition chimique. Le
tableau 12 (p. 13) fournit la signification des
différents symboles utilisés et le tableau 13
(p. 14) propose quelques exemples de dé-
signation symbolique de diverses nuances
d’acier.
3.3 Prescription
d’acier
La norme précise encore que :
• lorsqu´un acier est spécifié sous la forme
d’une pièce moulée, sa désignation symbolique doit être précédée de la lettre G
• lorsqu’un acier est produit en métallurgie
des poudres, sa désignation symbolique doit
être précédée des lettres PM.
En règle générale, les aciers prescrits dans
les documents contractuels, les cahiers de
charges et autres spécifications de projets
sont désignés par les symboles de la norme
NBN EN 10027‑1, préférée à la norme NBN
EN 10027‑2. Par contre, les très nombreuses
normes de produit publiées identifient les
nuances d’acier applicables aussi bien par
l’une de leurs désignations symboliques que
par leur désignation numérique. Elles laissent
cependant à l’acheteur le choix du système de
désignation.
Enfin, la deuxième partie de la norme NBN
EN 10027 [20] spécifie un système de numérotation pour la désignation des nuances d’acier,
connu sous le nom de numéros des aciers. Ce
système, dénommé système numérique, est
complémentaire des systèmes de désignation
symbolique présentés ci-avant. Un Bureau
européen d’enregistrement est chargé de l’attribution et de la gestion des numéros d’acier.
La structure de ces numéros d’acier est définie
comme schématisé à la figure 11 (p. 14).
et choix de la nuance
Notons encore que la désignation symbolique
des nuances d’acier applicables est spécifiée
dans ces normes de produit selon l’une ou
l’autre des deux catégories précitées en fonction du type de produit et de son application.
Par exemple, pour les tôles et bandes en acier
inoxydable résistant à la corrosion, la norme
NBN EN 10088-2 [22] utilise la désignation
symbolique basée sur la composition chimique,
alors que, pour les produits laminés à chaud en
acier de construction, les six normes de la série
NBN EN 10025 [17] utilisent la désignation
symbolique selon leur emploi et leurs caractéristiques mécaniques ou physiques.
Le choix de la nuance d’acier à prescrire pour
un usage donné doit se faire non seulement sur
la base des exigences de l’application telles
que la résistance mécanique de l’acier, mais
aussi en prenant en compte les propriétés de
mise en œuvre de l’acier (soudabilité, …), sa
disponibilité et son coût. Parmi les exigences
liées à l’application, il y a notamment lieu
d’examiner les résultats de l’évaluation du
risque de corrosion du métal dans son milieu
d’utilisation (voir § 2). Le choix peut être judicieusement orienté vers des nuances d’acier
qui, par leur composition chimique, sont plus
Tableau 9 Classification des nuances d’acier selon la norme NBN EN 10020 [16].
Classification selon la
classe de qualité
Classification
selon la composition chimique
Aciers spéciaux
Aciers de qualité
L’ajustement précis de leur composition
chimique et leurs conditions particulières
d’élaboration et de contrôle leur confèrent
des propriétés améliorées permettant de
répondre à des exigences sévères
Aciers répondant à des exigences de
ténacité, de grosseur de grain et/ou de
formabilité
Aciers non alliés spéciaux
- aciers d’une plus grande pureté (teneurs
particulièrement faibles en inclusions
non métalliques)
- aciers généralement destinés à un
traitement de trempe et revenu ou à un
traitement de trempe superficielle
- aciers présentant des valeurs de résistance à la déformation ou de trempabilité élevées ou limitées, parfois associées
à l’aptitude au formage à froid, à la
soudabilité ou à la ténacité
Par ex. : aciers pour armatures de précontrainte
Aciers non alliés
Aucune des valeurs limites du tableau 8
n’est atteinte
Autres aciers alliés
Aciers non inoxydables pour lesquels au
moins une limite du tableau 8 est atteinte
Aciers inoxydables
Aciers contenant au minimum 10,5 % de
chrome et au maximum 1,2 % de carbone
Aciers non alliés de qualité
Autres aciers alliés de qualité; par exemple :
Autres aciers alliés spéciaux; par exemple :
- aciers à grains fins soudables pour
construction
- aciers pour rails, palplanches et cadres
de mine
- aciers pour produits plats laminés à
chaud ou à froid, destinés à des opérations lourdes de formage à froid
aciers alliés pour constructions mécaniques, aciers pour appareils à pression,
pour roulements, pour outils, …
Aciers inoxydables
Aciers subdivisés selon :
• leur teneur en nickel (Ni < 2,5 % ou Ni ≥ 2,5 %)
• leurs caractéristiques particulières :
- résistance à la corrosion
- résistance à l’oxydation à chaud
- résistance au fluage
+ les symboles suivants pour les
aciers à grain fin :
A = durcissement par précipitation
M = laminage thermomécanique
N = normalisé ou laminage normalisant
Q = trempé et revenu
G = autres caractéristiques
Deux symboles du groupe 2 peuvent parfois être nécessaires
Pour les aciers de nuance S :
2 caractères alphanumériques
correspondant à l’énergie de rupture en flexion à une température
d’essai donnée
J -> 27 joules
K -> 40 joules
L -> 60 joules
R -> à 20 °C
0 -> à 0 °C
2 -> à -20 °C
3 -> à -30 °C
4 -> à -40 °C
5 -> à -50 °C
6 -> à -60 °C
Les symboles du groupe 2 peuvent avoir un suffixe numérique
de façon à distinguer différentes
qualités selon la norme de produit
applicable
Pour les aciers de nuances S :
C = formage à froid spécial
D = galvanisation à chaud
E = émaillage
F = forgeage
H = profil creux
L = basse température
M = laminage thermomécanique
N = normalisé ou laminage normalisant
P = palplanche
Q = trempé et revenu
S = construction navale
W = résistant aux intempéries
An = symbole chimique des éléments d’alliage + un chiffre représentant la teneur en cet élément
Groupe 2
Groupe 1
Pour l’acier
Symboles additionnels
Symboles indiquant une condition
de traitement :
+AR = brut de laminage
+N = normalisé ou laminage
normalisant
+P = durci par précipitation
+Q = trempé
+QA = trempé à l’air
Symboles indiquant le type de
revêtement :
+Z = revêtement de zinc par immersion à chaud (galvanisation)
+ZE = revêtement électrolytique
de zinc (électrozingage)
+OC = revêtement organique
Symboles indiquant des exigences
particulières pour les produits en
acier :
+CH = trempabilité à cœur
+H = trempabilité
Les symboles suivants sont séparés des symboles précédents par
le signe « + »
Pour les produits en acier
S275JR
S355K2C
E360
S235J2W+AR
S355J0W+N
S460Q
S620QL
S890QL1
Aciers de construction non alliés
Aciers de construction à résistance améliorée à la corrosion
atmosphérique
Aciers de construction à haute limite d’élasticité à l’état
trempé et revenu
Vérification de la valeur d’énergie de flexion par choc : Qualité Q : à -20 °C
Qualité QL : à -40 °C
Qualité QL1 : à -60 °C
Nuance d’acier
Désignation
NBN EN 10025-6
NBN EN 10025-5
NBN EN 10025-2
Norme de produit applicable [17]
Tableau 11 Exemples de désignation symbolique des nuances d’acier selon leur emploi et leurs caractéristiques mécaniques ou physiques.
Exemples pour les aciers Y :
Y1770, Y1230 (prEN 10138-2 et 4)
Pour les aciers de nuance Y :
nnn = 3 chiffres correspondant à
la résistance nominale à la traction, en MPa
Exemples pour les aciers S :
S185, S235, S275, S355 ou S450
(NBN EN 10025-2)
Pour les aciers de nuance S, P, E,
L ou B :
nnn = 3 chiffres correspondant à
la valeur minimale (spécifiée dans
la norme de produit applicable)
de la limite d’élasticité, en MPa,
pour la gamme d’épaisseur la plus
faible
S acier de construction métallique
P acier pour appareils à pression
E acier de construction mécanique
L acier pour tubes de conduite
B acier pour béton
Y acier pour béton précontraint
D produit plat pour formage à froid
H produit plat à haute résistance
pour formage à froid
S’il s’agit d’une pièce moulée la
désignation est précédée de la
lettre G :
G acier moulé
Caractéristique mécanique
Domaine d’application désigné par
une lettre
Symboles principaux
Tableau 10 : Signification de la désignation symbolique des nuances d’acier selon leur emploi et leurs caractéristiques mécaniques ou physiques [19].
Techniques & Pratique
Symboles additionnels
Symboles principaux
C = formage à froid
D = pour fil pour étirage
E = à teneur maximale en soufre
spécifiée
R = avec une fourchette de teneur en soufre spécifiée
S = pour ressorts
U = pour outils
W = pour fils pour électrodes de
soudage
G = autres
an = symbole chimique de
l’élément d’alliage spécifié + un
chiffre unique représentant 10 x
la moyenne de la fourchette spécifiée de la teneur en cet élément
Groupe 1
Groupe 2
Exemples : +AR = brut de laminage
–
–
Pour les
produits en
acier
Aucune lettre
Aciers non alliés d’une teneur en
manganèse ≥ 1 %, aciers non alliés
de décolletage et aciers alliés (à
l’exclusion des aciers rapides) dont la
teneur en chaque élément est < 5 %
X
Aciers inoxydables et autres
aciers alliés (à l’exclusion des
aciers rapides) dont la teneur
d’au moins un des éléments
d’alliage est ≥ 5 %
+N = normalisé ou laminage normalisant
+P = durci par précipitation
Symboles indiquant une condition de traitement
+Q = trempé
–
+QA = trempé à l’air
a = symbole chimique du ou des éléments
dont la teneur est plus élevée (dans le cas
d’une même nuance d’acier)
n-n = teneurs moyennes en %, arrondies à
l’entier le plus proche, des éléments d’alliage,
séparées par des traits d’union et dans l’ordre
suivant :
• tungstène (W)
• molybdène (Mo)
• vanadium (V)
• cobalt (Co)
–
HS
Aciers rapides (aciers utilisés principalement
pour l’usinage et le formage, qui, de par leur
composition chimique, possèdent la dureté et
la résistance après trempe la plus élevée à
haute température, jusqu’à 600 °C)
Les symboles suivants sont séparés des symboles précédés par le signe « + »
a = symbole chimique séparé
par un trait d’union, indiquant un
élément d’alliage dont la teneur
est comprise entre 0,2 et 1,0 %,
suivi de :
n = 10 x la teneur spécifiée pour
l’élément d’alliage
n-n = teneurs moyennes en %,
arrondies à l’entier le plus proche,
des éléments d’alliage, séparées
par des traits d’union et dans
l’ordre décroissant
Symboles indiquant des exigences particulières pour les produits en acier
Exemples : +CH = trempabilité à cœur +H = trempabilité
–
Facteur 4 : Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
Facteur 10 : Al,
��
Be, Cu, Mo, Nb, Pb,
Ta, Ti, V, Zr
Facteur 100 : Ce, N, P, S
Facteur 1000 : B
n-n = multiples par un facteur entier
de la teneur moyenne, en %, des éléments d’alliage, séparés par des traits
d’union et dans l’ordre décroissant
a = symbole chimique des éléments d’alliage dans l’ordre décroissant de leur
teneur
nnn = 100 x la teneur moyenne spécifiée en carbone, exprimée en %
C
Aciers non alliés (à l’exclusion
des aciers de décolletage) d’une
teneur moyenne en manganèse < 1 %
Eléments
d’alliage
Teneur en
carbone
Nuances de
composition
chimique
Tableau 12 Signification de la désignation symbolique des nuances d’acier selon leur composition chimique [19].
Tableau 13 Exemples de désignation symbolique de nuances d’acier selon leur composition chimique.
Nuance d’acier
Aciers non alliés (nuance C)
Aciers non alliés dont la teneur de chaque
élément est < 5 %
Aciers inoxydables (nuance X)
Aciers rapides (nuance HS)
Désignation
Norme de produit applicable
C20D
C35E
C85S
NBN EN 10016-2
NBN EN 10083-1
NBN EN 10132-4
13CrMo4-5
27MnCrB5-2
EN 10028-2
NBN EN 10083-3
X10CrNi18-8
X5CrNiCuNb16-4
NBN EN 10088-2
NBN EN 10088-2
HS2-9-1-8
HS6-5-2C
NBN EN ISO 4957
NBN EN ISO 4957
Fig. 11 Structure des numéros d’acier [20].
1.
XX
XX
Numéro d’ordre (arbitraire)
Numéro du groupe d’acier correspondant à la classification des
aciers selon la norme NBN EN 10020 et renseigné dans la norme
NBN EN 10027-2
Numéro du groupe matériau (1 = acier, les autres numéros pouvant
être alloués à d’autres matériaux)
Exemples :
désignation numérique
1.4542
1.8959
résistantes aux intempéries, à l’oxydation à
chaud ou à la corrosion. Ces nuances d’acier
spécifiques sont décrites ci-après.
3.4 Usage d’aciers
alliés spécifiques
résistant à la corrosion
3.4.1 Aciers inoxydables
Parmi les aciers alliés, les aciers inoxydables
possèdent la propriété avantageuse de résister à la corrosion. Cette propriété contribue
pour l’essentiel à la réputation de ces aciers
de plus en plus appréciés par les prescripteurs
et les maîtres d’ouvrage. Mais il ne s’agit pas
là du seul avantage des aciers inoxydables.
Leurs multiples aspects (mat, brillant, poli,
gravé, coloré, …) contribuent à l’esthétique
des ouvrages et leurs caractéristiques mécaniques élevées, leur recyclabilité, leurs qualités
sanitaires ainsi que leur longévité offrent une
réponse aux exigences du développement durable [31].
Dans le domaine de la construction, ils sont
couramment utilisés en extérieur pour les façades ou les toitures et sont aussi régulièrement
mis en œuvre en métallerie ou en décoration
intérieure. Ils conviennent également pour les
canalisations d’eau, les installations de chauf-
désignation symbolique
X5CrNiCuNb16-4
S355JOW
fage et de refroidissement, les conduits de fumée, les garde-corps, la serrurerie ou encore
pour les armatures du béton armé.
Par définition, les aciers inoxydables sont
des aciers alliés qui contiennent au minimum
10,5 % de chrome et au maximum 1,2 % de
carbone [16]. Ces alliages présentent une résistance élevée à la corrosion à chaud ou à froid
dans de nombreux milieux. Cette résistance
chimique est due à la présence du chrome qui
protège, par passivation, la surface de l’acier
(formation d’une très fine couche d’oxyde de
chrome Cr2O3). L’expression ‘acier inoxydable ‘ est donc abusive, la formule ‘acier passivable’ eut été plus correcte d’un point de vue
scientifique.
Deux autres éléments chimiques participent
également à cette résistance à la corrosion :
le nickel et le molybdène. Ce dernier améliore
plus particulièrement la résistance à la corrosion en milieu chloruré.
Les aciers inoxydables existent aujourd’hui
sous plus de 100 nuances contenant, en plus
des éléments précités, du titane, du cuivre, du
tungstène, du niobium et de l’azote en quantité variable, ce qui leur confère des propriétés
particulières. En effet, l’action conjuguée des
éléments d’alliage a non seulement pour but
norme de produit applicable
NBN EN 10088-2
NBN EN 10025-5
d’accroître la résistance à l’oxydation, mais
aussi celui d’améliorer d’autres caractéristiques telles que la soudabilité ou la résistance
mécanique. Ainsi, le tungstène améliore la tenue des aciers aux températures élevées et le
titane évite l’altération des structures lors des
travaux de soudure.
3.4.1.1 Cinq familles de microstructure
La norme NBN EN 10088-1 [21], qui remplace actuellement un grand nombre de normes
nationales, subdivise les aciers inoxydables
suivant leur microstructure en cinq familles :
• les aciers ferritiques et semi-ferritiques :
aciers résistants à l’oxydation atmosphérique et aux solutions oxydantes, adaptables
aux applications à température élevée. Ils
sont magnétiques, non durcissables et ont
une faible soudabilité
• les aciers martensitiques : aciers pouvant
subir un traitement thermique (trempe, recuit, revenu) qui leur confère des caractéristiques de résistance mécanique intéressantes. Ils sont magnétiques, très rigides,
résistants mais fragiles aux chocs et difficiles à souder. Ces aciers sont surtout utilisés
dans l’outillage, les outils de coupe et les
ressorts. Ils sont en général moins résistants
à la corrosion que les aciers ferritiques
• les aciers à durcissement par précipitation : aciers austénitiques et martensitiques
comportant des additions particulières et
présentant des caractéristiques mécaniques
accrues par la précipitation de composés
durcissants. Ils possèdent aussi une bonne
résistance à la corrosion
• les aciers austénitiques : de loin les plus
nombreux (70 % de la production mondiale) en raison de leur excellente résistance
à la corrosion, de leur très grande ductilité
(proche de celle du cuivre) et de leurs très
bonnes caractéristiques de déformabilité et
de soudabilité. Ils ne se trempent pas mais
peuvent acquérir une certaine dureté par
l’usinage à froid. Amagnétiques, ils couvrent plus de 90 % des applications dans le
bâtiment [11]
• les aciers austéno-ferritiques (ou Duplex) :
aciers présentant des propriétés de résistance mécanique plus élevées que les aciers
austénitiques. Ces aciers ont une bonne résistance à la corrosion sous contrainte.
Parmi la catégorie des aciers austénitiques, les
aciers austénitiques sans molybdène sont les
nuances les plus fréquemment utilisées parce
qu’elles représentent un bon compromis entre
le coût et la résistance à la corrosion.
3.4.1.2 Trois classes de propriétés d’utilisation
La norme NBN EN 10088-1 utilise les désignations symboliques et numériques des normes NBN EN 10027-1 [19] et 10027-2 [20]
et classe aussi les aciers selon leurs propriétés
d’utilisation :
• les aciers résistant à la corrosion font partie des six groupes repris au tableau 14. Le
tableau 15 renseigne la gamme de composition chimique des aciers inoxydables résistant à la corrosion selon leur famille de
microstructure
• les aciers réfractaires font partie des groupes d’acier 1.47xx ou 1.48xx. Bien que
tous les aciers inoxydables puissent supporter des températures élevées, les nuances
d’acier réfractaire sont adaptées aux températures les plus hautes. Ces aciers résistent
aux effets des gaz chauds et des produits de
combustion à des températures supérieures
à 550°C
• les aciers résistant au fluage repris dans le
groupe 1.49xx sont des aciers présentant
une bonne résistance à la déformation sous
contrainte mécanique de longue durée à des
températures élevées.
3.4.1.3 Classification américaine :
toujours en usage
Bien qu’ils se révèlent moins précis que la dénomination européenne, les codes établis par
l’American Iron and Steel Institute (AISI) sont
Tableau 14 Groupe des aciers inoxydables résistant à la corrosion.
Groupe
Teneur en Ni
Molybdène
Additions spéciales
1.40xx
< 2,5 %
Sans Mo
Aucune
1.41xx
< 2,5 %
Avec Mo
Aucune
1.43xx
> 2,5 %
Sans Mo
Aucune
1.44xx
> 2,5 %
Avec Mo
Aucune
1.45xx et 1.46xx
–
–
Ti, Nb, Cu, ...
Tableau 15 Composition chimique des aciers inoxydables résistant à la corrosion (gamme des teneurs en % masse).
Familles
Carbone
Chrome
Nickel
Molybdène
Ferritique
0,025 à
0,08 %
10,5 à 30 %
0 à 1,6 %
Jusqu’à
4,5 %
Martensitique +
A durcissement
par précipitations
Jusqu’à
1,2 %
11,5 à 19 %
Jusqu’à
7,8 %
Jusqu’à
2,80 %
Austénitique
Jusqu’à
0,15 %
16,0 à 28 %
3,5 à 35 %
Jusqu’à 8 %
Austéno-ferritique
0,03 à
0,05 %
21 à 28 %
3,5 à 8 %
0,1 à 4,5 %
Tableau 16 Correspondance entre la désignation des aciers inoxydables.
Famille d’aciers
inoxydables
Désignation NBN
EN 10027-1
Désignation NBN
EN 10027-2
Désignation AISI
(US)
Ferritiques
1.4016
1.4510
1.4521
X6Cr17
X3CrTi17
X2CrMoTi18-2
430
439
444
Martensitiques
1.4542
1.4057
1.4034
X5CrNiCuNb16-4
X17CrNi16-2
X46Cr13
630
431
420
Austénitiques
1.4301
1.4307
1.4401
1.4404
1.4571
1.4305
X5CrNi18-10
X2CrNi18-9
X5CrNiMo17-12-2
X2CrNiMo17-12-2
X6CrNiMo17-12-2
X8CrNiS18-9
304
304L
316
316L
316Ti
303
Austéno-ferritiques (Duplex)
1.4362
1.4462
X2CrNiN23-4
X2CrNiMoN22-5-3
323
F51 (329LN)
souvent utilisés. Par exemple, d’après la norme
européenne, un inox AISI 316L (L pour low
carbon) correspond à au moins deux nuances
d’acier (X2CrNiMo 18-14-3 et X2CrNiMo
17-12-2) dont l’une est plus résistante à la
corrosion car plus riche en chrome et en nickel. Le tableau 16 fournit quelques correspondances entre la classification européenne et le
système AISI.
Les nuances d’acier inoxydable les plus utilisées dans le bâtiment sont :
• les aciers austénitiques au chrome-nickel
1.4301 et 14307 (ou 304 et 304L selon le
code AISI) qui ont une résistance améliorée
à la corrosion. Ils sont couramment utilisés
pour l’aménagement extérieur et intérieur
de bâtiments dans un environnement urbain
normal
• les aciers austénitiques au chrome-nickelmolybdène 1.4401 et 1.4404 (ou 316 et 316
L selon le code AISI) pour les milieux plus
agressifs. Similaires aux aciers précédents,
leur teneur en molybdène leur permet de résister aux attaques chimiques des chlorures et
de convenir aux zones côtières, aux zones industrielles et aux soubassements des façades
soumis aux dépôts des sels de déverglaçage
• les aciers ferritiques au chrome 1.4510 et
1.4016 (ou 439 et 430 selon le code AISI).
La première nuance est utilisée pour les toitures et est revêtue d’une couche d’étain. La
deuxième nuance convient pour l’intérieur
dans des assemblages sans soudure [11].
Les nuances d’acier inoxydable utilisées pour
les armatures du béton sont précisées dans un
précédent article de CSTC Contact [36].
3.4.2 Aciers à résistance améliorée à
la corrosion atmosphérique
En matière de résistance à la corrosion, on ne
distingue pas uniquement les aciers inoxydables. Il existe également des ‘aciers à résistance
améliorée à la corrosion atmosphérique’ définis par la norme NBN EN 10025-5 [18]. Ces
aciers sont désignés par la lettre W (symbole
additionnel selon la norme NBN EN 10027‑1).
Il s’agit d’aciers auxquels un certain nombre
d’éléments d’alliage, tels que le chrome et le
cuivre, ont été ajoutés afin d’accroître leur résistance à la corrosion atmosphérique par la
formation, sous l’influence des conditions atmosphériques, d’une couche auto-protectrice
d’oxydes très dense sur le métal de base. Ces
aciers sont aussi appelés ‘aciers patinables’ ou
‘aciers auto-protecteur’. Ils sont choisis non
seulement pour des raisons esthétiques mais
aussi pour des raisons économiques étant donné qu’ils ne nécessitent pas d’entretien.
Cependant, pour ces aciers, la protection apportée dépend directement des conditions
environnementales prévalant sur le chantier.
Une alternance de périodes sèches et humides est favorable à la formation de la couche
auto-protectrice d’oxyde du métal de base.
Ces aciers ne conviennent pas lorsqu’ils sont
totalement immergés ou enterrés, ni pour des
applications intérieures ou lorsqu’ils risquent
d’être en contact fréquent avec des sels de déneigement.
Le choix de la nuance d’acier résistant à la
corrosion dépend principalement des conditions atmosphériques et environnementales,
de la conception architecturale, de l’aspect de
surface à obtenir et de la fréquence des entretiens à effectuer. Ce choix doit véritablement
s’opérer au cas par cas, en tenant compte du
fait que la longévité et le faible taux d’entretien de l’ouvrage peuvent diminuer in fine le
coût global de la construction et permettre de
la sorte de réaliser un investissement initial
plus important.
La seconde partie du présent article, à paraître
prochainement, sera consacrée aux différents
moyens de protection de l’acier contre la corrosion. n
t
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(suite
et fin)
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L`acier dans la construction. Partie 1 : Corrosivité des

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