2 à 4% du PIB dans les pays industrialisés consacrés à la lutte contre la corrosion. 20% de la production mondiale d'acier (alliage Fe-Cr) consacrée au remplacement des installations dégradées par la corrosion. 40% de la production de zinc en France consacrée à la protection contre la corrosion. Quels sont les mécanismes de corrosion, en particulier du fer et du zinc ? Quelle protection contre la corrosion ?
La corrosion
La corrosion que l'on rencontre le plus souvent est la rouille. En effet, elle touche les éléments métalliques et ferreux en les rendant friables et cassants. La corrosion désigne une réaction chimique entre un matériau et un oxydant. La plupart du temps, cette corrosion intervient la plupart du temps lors de réaction avec des ions H+ et de l'oxygène. De façon générale, la corrosion correspond à l'altération d'un matériau par le biais d'une réaction chimique mettant en jeu un oxydant tels que le dioxygène et le proton. Quand on parle de corrosion, on exclu les altérations ayant un origine purement mécanique telle que la rupture du matériau suite à un effet de choc. Cependant, la notion de corrosion peut englober une combinaison d'effets mécaniques qui va provoquer une corrosion sous contrainte ainsi que de la fatigue-corrosion. On peut également parler de corrosion lorsque l'on évoque l'usure de surface ayant pour origine une cause physicochimique et mécanique à la fois. Les exemple de corrosion les plus connus sont la rouille du fer et de l'acier ainsi que la formation d'une patine de vert-de-gris sur le cuivre et ses différents alliages comme le bronze et le laiton. Mais, de façon plus générale, la corrosion peut toucher toute sorte de matériaux que ce soient des métaux, de la céramique ou encore des polymère et cette corrosion peut avoir lieu dans des milieux très différents comme un milieu aqueux ou encore à milieu présentant une température élevée. Dans l'industrie, la corrosion constitue un problème majeur. En effet, la corrosion peut coûter cher à une entreprise, que ce soit pour protéger les matériaux de la corrosion ou encore pour remplacer les différentes pièces ou ouvrages ayant souffert de cette corrosion. Sans parler des conséquences, qu'elles soient directes ou non, de la corrosion. Ce coût est alors estimé à 2% du produit brut mondial. En effet, toutes les secondes, il y a environ cinq tonnes d'acier qui se retrouvent, par le biais de la corrosion, transformées en oxydes de fer.
Les causes de la corrosion, l'exemple du béton
Pour fabriquer du béton, il est nécessaire d'introduire un certaine quantité d'eau afin d'hydrater le ciment. Or, cette quantité d'eau doit toujours être supérieur à la quantité stœchiométrique nécessaire. C'est pourquoi un ciment hydraté correspondra toujours à un milieu poreux dont les pores sont remplis d'eau. Cela permet alors un transfert d'ion permettant le respect de l'équilibre chimique du matériau avec les hydrates du ciment comme la portlandite. Cependant, lorsque le matériau cimentaire sèche à l'air libre, il y a alors une désaturation en eau et les pores sont donc se remplir partiellement d'air. Lorsque les pores sont remplis d'air, le CO2 présent dans l'atmosphère peut alors diffuser dans le béton via la phase gazeuse présente dans le ciment. En effet, on considère que la diffusion dans la phase liquide est négligeable car il a été constaté que les ciments, lorsqu'ils sont totalement saturés en eau, ne présentent une carbonatation que sur leur couche limite puisqu'il y a un colmatage des pores qui se fait immédiatement grâce à la formation de calcite. La corrosion du béton abîme sa structure et le rend moins solide. Il faut donc faire attention à sa préparation afin qu'il sèche bien et qu'il ne casse pas avec le temps. Ainsi, le CO2 qui est présent dans la phase gazeuse des pores va se dissoudre dans la solution interstitielle ce qui va permettre alors la formation d'ions carbonates qui vont réagir de façon majoritaire avec les ions calcium Ca2+. Il va donc, par la réaction d'hydroxyde de calcium (également appelé portlandite) de formule Ca(OH)2 - qui sont formés lors du durcissement du béton par l'hydratation des silicates de calcium bicalciques et tricalciques comme (SiO2, 2 CaO) et (SiO2, 3 CaO) - et du dioxyde de carbone y avoir formation de carbonate de calcium de formule CaCO3. En résultera donc une modification de l'équilibre chimique entre les hydrates de la matrice cimentaire et la solution interstitielle qui va entraîner une dissolution des hydrates : le nouvel équilibre chimique instauré correspondra alors à une solution beaucoup plus acide que ce qui était mis en place initialement. En effet, au lieu de la valeur de départ de 13 dans une zone non carbonatée, ce qui permet alors la passivation de l'acier, on se retrouve avec une valeur qui sera inférieure à 9 dans les zones dégradée. La corrosion des armatures en acier commencera alors lorsque la zone de carbonatation va atteindre les armatures en acier, cette corrosion va alors commencer en produisant des espèces qui seront plus volumineuses que les espèces présentes initialement dans le béton armé. On a donc un éclatement du béton qui sa se produire autour des armatures corrodées. Cependant, la carbonatation d'un béton permet d'augmenter l'imperméabilité de celui-ci grâce au colmatage des pores par la carbonates, de ce fait l'absorption capillaire est réduite et la résistance mécanique est meilleure. L'un des facteurs qui influence la vitesse de carbonatation est l'humidité relative de l'air. En effet, pour les bétons les plus courant, la vitesse de carbonatation atteint son maximum lorsque l'humidité relative avoisine les 60% mais est presque nulle lorsque l'atmosphère est sèche ou saturée en eau. De façon logique, la carbonatation touche de façon plus importante les zones exposées à la pluie. Un autre des facteurs influençant la vitesse de carbonatation est la concentration en dioxyde de carbone et donc la température car celui-ci se solubilise plus facilement lorsque la température est basse (c'est pour ça que vous gardez votre limonade ou votre soda au frais pour le conserver après ouverture !). En effet, la cinétique de carbonatation est régie par la concurrence de l'effet thermique sur les transferts hydrique mais aussi sur la solubilité rétrogrades des réactifs. Il y a cependant une température limite aux profondeurs carbonatées correspondant au cas où le facteur rétrograde des réactifs devient un facteur limitant. Il est alors possible de déterminer cette profondeur de carbonatation en effectuant une coupe fraîche de béton. Après un dépoussiérage, on va procéder à la pulvérisation d'un colorant sensible au pH qui est la phénolphtaléine (bien souvent surnommée φφ par les chimiste, mais attention, c'est un colorant cancérigène et mutagène et donc à manipuler avec précautions) ou encore la thymolphtaléine. Ainsi, si la phénolphtaléine devient rouge violacé au contact du béton, cela signifie que la zone présente un pH supérieur ) 9,2 et donc que la zone n'est pas affectée par la carbonatation. Au contraire, si le colorant reste incolore, cela signifie que l'on est en présence du zone carbonaté et donc aux pH à valeurs faibles.
Les risques liés à la corrosion
La corrosion intervient dans de nombreux domaines où elle peut s'avérer dangereuse. En effet, elle peut abîmer les pièces des constructions, les carrosseries des véhicules. La corrosion peut aussi être une cause de pollution, surtout dans les environnements marins. En effet, l'ai marin et l'eau de mer sont très corrosifs et agressent les matériaux en contact avec eux. Ces derniers peuvent alors s'abîmer et se déverser dans les mers et océans. Sur la terre, la corrosion est aussi présente dans les environnements humides et lorsque l'on est en présence de sols acides.
La protection contre la corrosion
Il existe plusieurs méthodes de protection contre la corrosion. On peut tout d'abord traiter la rouille avec des produits anti-corrosifs. Certaines peintures sont aussi préparées avec de l'anti-rouille afin de protéger les produits. On peut aussi utiliser électrolyse afin de créer une couche protectrice sur un métal qui risque d'être attaqué par la corrosion. Dans l'industrie, on utilise des traitements antirouille, notamment sur les constructions en fer afin d'empêcher la corrosion d'abîmer les structures. Il peut parfois être aussi nécessaire de recommencer le traitement voir de supprimer la rouille si celle-ci à quand même réussi à s'installer malgré les traitements préventifs. Pour obtenir une électrolyse, il faut imposer une tension électrique entre deux électrodes plongées dans une solution dite électrolytique. Ainsi, on peut forcer un transfert d'électron d'un oxydant vers un réducteur. L'électrolyse permet alors de provoquer des transformations dites forcées. Un oxydant, également appelé agent d'oxydation, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique. Un réducteur, également appelé agent de réduction, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, cède un ou plusieurs électrons à une autre espèce chimique. Une réaction d'oxydoréduction, également appelée réaction redox, correspond à une réaction chimique au cours de laquelle à lieu un transfert d'électron. C'est-à-dire une réaction durant laquelle une espèce chimique dite oxydant reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique dite réducteur. Ce procédé est régulièrement utilisé afin de purifier les métaux tels que le cuivre ou encore pour protéger le fer de la corrosion par électrozingage. Vous pouvez également utiliser cette technique pour embellir votre service de couvert en les argentant ou pour récupérer différentes substances telles que de l'aluminium ou du dichlore. L'électrozingage repose sur le dépôt d'électrolyte de zinc sur le fer afin de le protéger grâce à l'obtention d'un revêtement protecteur. On dit alors du fer qu'il est électrozingué. Dans l'industrie, afin d'affiner du cuivre brut, on utilise le cuivre en tant qu'anode dans un bain de sulfate de cuivre afin de procéder à une électrolyse. Ainsi, du cuivre pur jusqu'à un pourcentage de 99,95% se fixera sur la cathode alors que les impuretés resteront dans le bain de sulfate de cuivre.
Analyse
"Rouille" du fer : couleur des ions Fe3+ et de l'oxyde Fe2O3 ( n.o : +III dans les deux cas)
"Vert de gris" du cuivre (Statut de la Liberté) : couleur des ions Cu2+ ( n.o : +II )
-> La corrosion est une oxydation du métal
Un métal peut s'oxyder :
- dans l'atmosphère par l'oxygène de l'air et les polluants Cl2, CO2, SO2 (oxydation par voie sèche)
- dans l'eau ou en présence d'eau par H2O ou par l'oxygène dissout dans l'eau et tout autre agent oxydant dissout.
La corrosion peut être :
- uniforme, sur toute la surface du métal
- différentielle, sur certaines zones du métal
La compréhension du phénomène de corrosion passe par l'étude
- de l'aspect thermodynamique (oxydation possible ou pas)
- de l'aspect cinétique (oxydation lente ou rapide si l'oxydation est possible)
Exercices
La corrosion du fer
La corrosion du fer est un exemple très concret. Suivez ce petit exercice pour comprendre quels éléments entrent en jeu dans cette réaction et savoir un peu mieux à quoi elle est due. Un béton armé contient des armatures internes en acier (alliage fer-carbone qui sera modélisé par le seul fer). Une éventuelle corrosion peut avoir lieu par réaction entre l’armature en fer et l’eau (ou avec le dioxygène dissous). Le diagramme potentiel-pH du fer est donné (en traits gras), pour une concentration de tracé égale à 10-2 mol.L-1 . Il fait intervenir les espèces Fe(s), Fe2+, Fe3+, FeOOH(s) et Fe3O4(s)
Ecrire l’équation-bilan de la réaction concernant le fer métallique en présence d’eau et en absence de dioxygène dissous, dans un milieu fortement basique.
On observe que dans un béton armé sain (non carbonaté) on risque peu la corrosion des armatures métalliques internes. Expliquer et nommer le phénomène ainsi observé.
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Clément
Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.
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29 August 2023∙ 15 minutes de lecture
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