La corrosion

La rouille est un véritable fléau. Si vous ne prenez pas soin, par exemple, de votre matériel de jardinage ou de bricolage, celui-ci peut se retrouver fichu et inutilisable car vous n'aurez pas nettoyé, graissé et correctement rangé votre matériel qui sera alors rongé par la rouille.

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.

La corrosion de l'acier : le cas du béton armé

Les causes

Le béton armé est utilisé pour la construction de bâtiments afin de les rendre plus résistants par rapport à une construction au béton simple.

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.

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 conséquences

La carbonatation du béton correspond à une carbonatation qui va provoquer la dégradation des bétons armés. En effet, cette réaction est la première responsable de la mise à nu des armatures en acier des bétons armés.

Lorsque l’on parle de carbonatation, on y associe un phénomène de retrait que l’on appelle retrait de carbonatation. Cette réaction entraîne alors des problèmes de durabilité puis de résistance sur les structures construites avec du béton armé. En effet, les barres d’acier qui permettent de garantir la résistance de la structure vont se mettre à gonfler sous l’effet de la corrosion et vont provoquer l’éclatement de l’enrobage. En plus de cela, le matériau va subir un retrait causé par la carbonatation. On peut alors observer une mise à nu de l’acier qui va commencer à se corroder.

La corrosion du zinc

Tout le monde possède du zinc chez soi. Il suffit tout simplement d'observer ses gouttière et vous en trouverez. Mais vous pouvez également en trouver à d'autres endroits. Savez-vous où ?

Le zinc est un métal ayant la propriété de ne pas souffrir de la corrosion lorsqu'il se trouve dans un milieu froid et sec. En effet, en présence d'une humidité relative, ce métal peut se ternir à cause de la présence de dioxyde de carbone ainsi que de vapeur d'eau. Lorsque le zinc réagit avec la vapeur d'eau, l'humidité, un condensat aqueux, de l'oxygène, du dioxyde de carbone ou encore un carbonate basique issu d'un milieu aqueux, il va former une patine de couleur blanche qui va recouvrir sa surface. Cette patine, qui est insoluble, adhérente et protectrice, correspond alors à l'un des principaux constituant du carbonate basique de zinc.

Cette patine, anciennement appelée hydrocarbonate d'oxyde de zinc, permet alors de limiter de façon drastique la corrosion superficielle provoqué par l'humidité de l'air.

Ce sont grâce à ses propriétés stables dans les milieux salés et acide tout en gardant un coefficient de dilatation proche du métal que le zinc est utilisé sous la forme de feuille mince pour la couverture des toits ou encore afin de former des gouttières destiner à évacuer les eaux.

Lorsque le zinc est mis en contact direct avec de l'eau stagnante, celui-ci va subir la formation de taches blanche, essentiellement constituées d'hydroxyde et d'oxyde de zinc. Contrairement à la patine blanche, ces taches sont peu adhérentes et ne permettent pas la protection du métal. On les appelle alors parfois "rouille blanche".

Protéger les métaux par électrolyse

Il est indispensable de protéger correctement les objets métalliques afin de les préserver de la corrosion et ainsi prolonger leur durée de vie.

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.

Exercice : la rapidité corrosive sur le métal Zinc

  • Donner l’allure de la courbe densité de courant-potentiel (j,E) pour l’oxydation et la réduction du couple Zn2+ / Zn sachant que ce système est rapide.

On prendra la concentration initiale d’ions zinc(II) égale à 1 mol.L-1.

  • La courbe intensité-potentiel du couple H/ H2(g) dépend-elle du métal de l’électrode ?
  • On envisage l’oxydation du zinc par les ions H+. Ecrire l’équation de la réaction. Que peut-on dire de cette oxydation par des considérations thermodynamiques ?

Pour des valeurs suffisamment importantes de la valeur absolue de la densité de courant anodique I ja I (respectivement de la valeur absolue de la densité de courant cathodique I jc I), on peut écrire :

    \[ j _ { a } = A _ { a } \times \exp \left( b _ { a } \times E \right) \]

    \[ j _ { c } = - A _ { c } \times \exp \left( b _ { c } \times E \right) \]

La constante  ba (resp.  b) est positive et caractéristique de l’oxydant (resp. du réducteur). Les constantes Aet  Ac sont positives et dépendent en outre des activités de l’oxydant et du réducteur.

  • Quelle est la relation entre les intensités anodiques et cathodiques ? Que peut-on en conclure pour les densités de courant anodique et cathodique ?
  • Une étude expérimentale a permis d’obtenir les lois suivantes, reliant la densité de courant (en A.cm-2) et le potentiel d’électrode E (en V) mesuré par rapport à l’ESH :
    • oxydation du zinc : E = 0,0774 log (ja) - 0,1956
    • réduction de H+ sur zinc : E = - 0,0780 log (jc) - 0,778
    • Calculer la densité de courant de corrosion  jcorr et le potentiel de corrosion  Ecorr .
  • La vitesse de corrosion  vcorr de la pièce métallique est mesurée en μm par année.

Exprimer littéralement  vcorr en fonction de jcorr , de la constante de FARADAY F, de la masse molaire MZn du zinc et sa masse volumique ρ.

Calculer  vcorr.

Données à 298 K

  • Potentiels standard : E°(Zn2+ / Zn(s)) = -1,44 V ; E°(H+ / H2(g)) = 0,00 V
  • Constante de Faraday : F = 96 490 C.mol-1.
  • Masse molaire : MZn = 65,4.10-3 Kg.mol-1.
  • Masse volumique du zinc : ρ = 7140 Kg.m-3.

Exercice : la corrosion du fer

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.

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) (1,00/ 5 pour 1 votes)
Loading...

Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !

Vous avez aimé
cette ressource ?

Bravo !

Téléchargez-là au format pdf en ajoutant simplement votre e-mail !

{{ downloadEmailSaved }}

Votre email est invalide