Le mystère de la protection cathodique contre la corrosion éclairci

La corrosion est une réaction chimique dont sont victimes même les structures les plus solides. Les métaux tels que l'acier réagissent à l'oxygène et à l'eau, puis rouillent et se dégradent. La protection cathodique joue un rôle clé dans la lutte contre la corrosion. Elle protège les structures en acier en ralentissant ou en empêchant les processus qui conduisent à la corrosion.

La protection cathodique a été décrite pour la première fois dans un contexte scientifique en Angleterre il y a deux siècles et a depuis joué un rôle précieux dans l'entretien des infrastructures modernes telles que les gazoducs enterrés et les structures en béton armé. «Cependant, malgré son utilisation répandue, le principe de fonctionnement sous-jacent de la protection cathodique est resté flou et controversé», explique Ueli Angst, professeur de durabilité des matériaux à l'ETH Zurich.

Une équipe de recherche qu'il dirige a réalisé des progrès significatifs dans la clarification du principe sous-jacent, en particulier dans le cas de l'acier dans des milieux poreux tels que le sol ou le béton.

Leur étude, publiée dans la revue Communications Materials du portefeuille Nature, met en lumière les processus complexes impliqués dans la protection contre la corrosion cathodique à l'interface entre le métal et le milieu poreux. Pour illustrer cette interaction, il convient de se pencher sur l'histoire de cette méthode.

Deux siècles de développement technologique

La protection contre la corrosion cathodique remonte au chimiste et inventeur britannique Sir Humphry Davy, qui en a décrit le principe il y a un peu plus de deux cents ans. À l'époque, la Royal Navy était confrontée à un problème : elle avait recouvert les coques en bois de ses navires de feuilles de cuivre pour éviter l'encrassement et le pourrissement, mais les coques en cuivre étaient rapidement attaquées et soumises à la corrosion dans l'eau de mer salée. Sir Humphry Davy, alors président de la Royal Society, se lance dans la recherche d'une solution au nom de la science.

Dans le nord de l'Italie, Luigi Galvani et Alessandro Volta viennent de découvrir le phénomène selon lequel un courant électrique circule lorsque différents métaux précieux sont assemblés. S'inspirant de cette découverte, Humphry Davy a pu démontrer en laboratoire que de petits échantillons de métaux communs tels que le zinc ou le fer peuvent protéger de la corrosion des feuilles de cuivre relativement grandes, notamment en jouant le rôle d'anode sacrificielle et en se corrodant elles-mêmes.

En 1824, la Royal Navy a transposé cette technique presque directement du laboratoire à l'ensemble de sa flotte - trop hâtivement, d'ailleurs. Si les coques en cuivre sont désormais protégées contre la corrosion, elles perdent leur efficacité contre les salissures marines : les navires deviennent de plus en plus lourds et difficilement manœuvrables. La Royal Navy dut à nouveau supprimer la protection cathodique contre la corrosion, et l'épisode d'Humphry Davy est entré dans l'histoire comme une leçon importante d'échec dû à un transfert prématuré de connaissances dans la pratique.

«Nous savons aujourd'hui que le courant de protection cathodique a pour effet secondaire de favoriser le dépôt de minéraux sur le métal, ce qui permet la croissance de moules et d'autres organismes marins», explique Ueli Angst. Malgré l'échec d'il y a deux siècles, les travaux d'Humphry Davy ont jeté les bases d'applications ultérieures.

Deux hypothèses sur son fonctionnement

Cependant, il a fallu attendre une centaine d'années avant que Robert James Kuhn ne relance la technologie aux États-Unis, cette fois pour rendre les canalisations enterrées durables. Ses notes montrent que, dans les années 1920, il comprenait déjà beaucoup mieux les processus de corrosion qu'à l'époque d'Humphry Davy. Robert James Kuhn a également réalisé de nombreuses séries d'essais sur le terrain, c'est-à-dire dans des conditions réelles.

Cette technologie est devenue une méthode standard de protection contre la corrosion et garantit aujourd'hui que les conduites d'eau et de gaz, les réservoirs et les navires, ainsi que les ponts et les parkings, ont une durée de vie plus longue et exempte de corrosion.

Toutefois, malgré son utilisation répandue dans la pratique de l'ingénierie, les mécanismes d'action sous-jacents de la protection cathodique contre la corrosion font toujours l'objet d'un débat controversé.

Depuis des décennies, deux théories s'opposent : d'une part, le courant de protection influence directement la vitesse de corrosion par un mécanisme purement cinétique ; d'autre part, il entraîne une augmentation de la valeur du pH dans le milieu à l'interface, ce qui protège l'acier de la corrosion - une idée postulée pour la première fois par Robert James Kuhn dès 1928.

Selon Ueli Angst, l'absence d'une compréhension scientifique cohérente entrave le développement de pratiques d'ingénierie saines. Un exemple est le critère de protection postulé par Robert James Kuhn dans les années 1920, qui est toujours utilisé dans les normes aujourd'hui et qui exige un potentiel de -850 millivolts par rapport à l'électrode de sulfate de cuivre saturée : «Il s'agit d'un critère empirique», précise Ueli Angst.

L'état incohérent des connaissances signifie également que les normes sont contradictoires et qu'il n'est pas toujours possible, dans la pratique, de satisfaire simultanément à toutes les spécifications normatives pertinentes. «Il s'agit d'un problème sérieux en ingénierie, d'autant plus préoccupant que la protection cathodique peut être considérée comme une technologie clé pour relever le défi du vieillissement des infrastructures et qu'elle est utilisée dans des systèmes importants pour la sécurité, tels que les gazoducs à haute pression», poursuit Ueli Angst.

Un mécanisme de travail unificateur

Pour leur étude, les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich se sont concentrés sur l'interface entre l'acier et l'électrolyte et ont caractérisé en détail les changements spatiaux et temporels.

Pour la première fois, ils et elles ont pu mettre en évidence la formation d'une fine couche d'oxyde métallique sur la surface de l'acier et montrer que cette couche est le résultat direct de l'augmentation du pH due aux processus électrochimiques en cours.

Federico Martinelli-Orlando, premier auteur de l'étude, ajoute : «Nous avons également pu montrer que ces changements chimiques à la surface de l'acier et dans l'électrolyte entraînent des changements dans la vitesse et la progression des réactions anodiques et cathodiques.»

Les scientifiques proposent un mécanisme d'action qui résout les contradictions apparentes entre les hypothèses précédentes et réunit les deux théories de manière complémentaire.

«Nous concluons que nous devrions considérer les deux théories débattues comme complémentaires plutôt que contradictoires afin d'expliquer pleinement le mécanisme de fonctionnement de la protection cathodique», déclare Federico Martinelli-Orlando.

Sur la base des mesures effectuées, les scientifiques ont développé un modèle mécaniste qui prend en compte tous les processus électrochimiques.

Des normes cohérentes

La compréhension cohérente obtenue peut contribuer à améliorer les technologies de protection contre la corrosion et à exploiter les infrastructures critiques à base d'acier d'une manière sûre, économique et respectueuse de l'environnement.

Les résultats peuvent ensuite valider les concepts empiriques existants et constituer la base d'approches cohérentes, par exemple pour développer des critères standard bien fondés pour l'efficacité de la protection cathodique contre la corrosion.

Les technologies de protection contre la corrosion reposant sur des bases scientifiques jouent actuellement un rôle important, en particulier dans le contexte du vieillissement des infrastructures, car elles peuvent retarder ou empêcher le remplacement des vieilles structures. «Si nous évitons le démantèlement et le remplacement inutiles des structures, cela profite également à l'environnement», explique Ueli Angst.

La publication actuelle fait partie d'un projet de recherche plus vaste sur la corrosion et le vieillissement des infrastructures qui a été soutenu par le programme de recherche Horizon2020 du Conseil européen de la recherche (CER).(https://cordis.europa.eu/project/id/848794)