The contribution toward understanding of mechanisms of depassivation of steel in concrete exposed to sea water: theory and thermochemical modeling
Contribution à la compréhension des mécanismes de dépassivation des armatures d'un béton exposé à l'eau de mer : théorie et modélisation thermochimique
Résumé
Corrosion is one of the major problems that affect the durability of reinforced concrete structures. Several mechanisms have been proposed in order to explain the corrosion formation. One of them is the chemical reactions of ionic species from outside with the passive rebar layer. Nevertheless, this mechanism is poorly understood and the models are missing. A theoretical and numerical study was conducted to develop a model to simulate the dissolution/precipitation of oxides/hydroxides of the passive layer of concrete steel in the presence of sea water. The dissolution of lepidocrocite with simultaneous precipitation of akaganeite is a first step of depassivation of steel. Other oxides/hydroxides are thermodynamically stable. In addition, threshold concentrations are formulated for initiating this depassivation. The theoretical study demonstrated a theoretical threshold corresponding to the ratio of chemical activities {Cl−}/{OH−} depending on the temperature : it is equal to 0.2 at 25◦C. The model was used to demonstrate a threshold concentration ratio, threshold commonly used in the literature [Cl-]/[OH-] but this threshold has its limits when the temperature increases. Considering all phenomena, the binding of chloride ions in the cementitious matrix was modeled by reactive transport model. The chemical adsorption was first simulated by the formation of Friedel salt but this induces an overestimation of chlorides binding capacity. Using the formation of Kuzel salt, chloride binding capacity is closer to reality. The chemical adsorption of chloride ions is initiated when the concentration of chloride in the pore solution reaches precipitation threshold of Kuzel salt which depends on the temperature. The higher the temperature is, the greater this value is. Nevertheless, precipitated amount remains the same. A calculation time of degradation of the first passive layer was finally made. The numerical results of the chloride profiles were compared with experimental results from the literature and were used to validate the model. Then, the effect of porosity change was studied.
La principale cause de détérioration des infrastructures en béton exposées à l’eau de mer est la corrosion des armatures. Plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer ce processus de corrosion. Un de ceux-là est la dégradation de la couche passive par réactions chimiques avec les agents agressifs provenant de l’extérieur. Or, ce mécanisme est méconnu et sa modélisation, à fiortiori, manquante. Une étude théorique et numérique a été menée afin de développer un modèle permettant de simuler la dissolution/précipitation des oxydes/hydroxydes de la couche
passive des aciers du béton en présence d’eau de mer. La dissolution de la lépidocrocite avec en simultané la précipitation de l’akaganéite est une première étape de la dépassivation des armatures. Les autres oxydes/hydroxydes sont quant à eux thermodynamiquement stables. En outre, des concentrations seuils sont formulées pour l’amorçage de cette dépassivation. L’étude théorique a permis de mettre en évidence un seuil théorique correspondant au ratio des activités chimiques {Cl−}/{OH−} dépendant de la température : il est égal à 0.2 pour une température de 25◦C. Le modèle numérique a mis en exergue un seuil en ratio de concentration, seuil plus
couramment utilisé dans la littérature [Cl−]/[OH−] mais ce seuil trouve ses limites lorsque la température augmente.
Afin de prendre en compte tous les phénomènes, la fixation des ions chlorures avec la matrice cimentaire a été modélisée avec un modèle de transport réactif. L’adsorption chimique est tout d’abord simulée par la formation du sel de Friedel mais celle-ci induit une surestimation de la capacité de fixation des chlorures. En utilisant la formation du sel de Kuzel, la capacité de fixation de chlorure est plus proche de la réalité. La fixation chimique des chlorures s’initie
lorsque leur concentration dans la solution interstitielle atteint le seuil de précipitation du sel de Kuzel qui dépend de la température. Plus la température est élevée, plus cette valeur est grande. Néanmoins la quantité précipitée reste la même. Un calcul du temps de première dégradation de la couche passive a enfin été effectué. Les résultats numériques sur les profils de chlorures ont été comparés avec des résultats expérimentaux de la littérature et ont permis de valider le modèle. L’effet du changement de porosité a ensuite été étudié
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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