Corrosion des métaux sur les bâtiments : la rouille, ça coûte cher
Vom Jahrhundertbauwerk bis zum Strassenschild ist unsere gebaute Umwelt Wind und Wetter ausgesetzt. Doch welche atmosphärischen Einflüsse sind es, vor denen man Neubauten schützen muss? Und wie lässt sich der «Zahn der Zeit» am Weltkulturerbe ausbremsen? Empa-Forschende analysieren die Korrosion von Metall-Bauelementen und arbeiten an einem wirtschaftlichen und nachhaltigen Umgang mit dem grossen Rosten.
Commençons par la bonne nouvelle : aujourd’hui, tout va mieux. Du moins en matière de corrosion. Ce qui rouillait et se désagrégeait encore dans les années 1980 dure désormais plus longtemps. Cependant, les défis à relever pour enrayer la corrosion à grande échelle restent considérables : aujourd'hui encore, plusieurs tonnes d'acier sont perdues chaque seconde dans le monde et doivent être remplacées, ce qui entraîne un gaspillage de matières premières précieuses. On estime que la corrosion coûte entre trois et quatre pour cent du produit intérieur brut d’un pays industrialisé, ce qui représente un préjudice économique de l’ordre de plusieurs milliards pour les ponts, les toitures et les voies ferrées.
Ulrik Hans, chercheur à l'Empa au sein du laboratoire « Technologies d'assemblage et corrosion » de Dübendorf, étudie l'ampleur et les causes de la corrosion et œuvre à rendre l'environnement bâti durable. Et comme la corrosion ne connaît pas de frontières, il s’implique au sein de l«»ICP Materials«, abréviation de »International Co-operative Program on Effects on Materials including Historic and Cultural Monuments«, un réseau comptant plus de 60 sites en Europe et au-delà. Dans son dernier rapport, le réseau a mis en évidence une baisse significative de la corrosion sur la base d’expériences à long terme et a publié les résultats dans la revue spécialisée » Corrosion and Materials Degradation ».
La Suisse, un modèle à suivre
Afin d'étudier les causes de la corrosion et d'assurer une protection durable des bâtiments destinés à perdurer, Ulrik Hans, en collaboration avec l'Office fédéral de l'environnement (OFEV), fournit des données sur la vitesse de corrosion au réseau « ICP Materials ». Ainsi, sur chaque site du réseau, des échantillons de métal standardisés sont exposés aux intempéries, par exemple de l’acier résistant aux intempéries ou du zinc-titane, l’un des principaux matériaux de couverture. « Le zinc-titane est très apprécié dans le secteur du bâtiment car il est entièrement recyclable. Pour la préservation des bâtiments, cela fait une différence considérable que la toiture métallique et les gouttières doivent être remplacées au bout de 40 ans ou seulement au bout de 80 ans », explique M. Hans.
Le site suisse situé sur le Chaumont, la montagne emblématique de la ville de Neuchâtel, est en quelque sorte l'exemple type au sein du réseau « ICP Materials » : les échantillons «mis en liberté» se corrodent pratiquement sans influences néfastes de l’environnement, mais uniquement en raison de la réaction redox purement naturelle entre le métal, l’eau et l’oxygène. À l’autre extrémité de l’échelle se trouvaient, au début des mesures, des sites industriels tels que Bottrop en Allemagne et Kopisty en République tchèque. À Kopisty, les chercheurs en corrosion ont pu, en 1987, gratter un demi-kilo de rouille sur un mètre carré d’acier. Aujourd’hui, la situation s’est toutefois améliorée sur tous les sites. Dans les zones industrielles, on perd entre 100 et 150 grammes d’acier par mètre carré et par an. Sur le Chaumont, la rouille ne représente quant à elle que 30 grammes. Le zinc, qui se corrode moins fortement, perdait encore environ 15 grammes par mètre carré il y a 40 ans sur les sites industriels ; aujourd’hui, ce chiffre n’est plus que d’environ 7 grammes sur tous les sites.
Identifier les polluants de demain
Les données montrent que cette évolution réjouissante s'est accompagnée, presque simultanément, d'une baisse de la concentration de dioxyde de soufre dans l'air, un polluant qui, au début des mesures dans les années 1980, tombait du ciel sous forme de « pluies acides ». Avec des pics atteignant 460 µg de dioxyde de soufre toxique par mètre cube d’air, le niveau d’alerte maximal au smog a d’ailleurs été déclenché dans la région de la Ruhr. Là où les gaz d’échappement industriels sont filtrés et où les systèmes de chauffage au lignite sont tombés en désuétude, le dioxyde de soufre ne pose plus de problème depuis lors. Dans les zones industrielles, les valeurs sont aujourd’hui inférieures à 10 µg/m³, tandis qu’au Chaumont, elles oscillent depuis déjà 25 ans entre 0 et 1 µg/m³.
Si la corrélation entre la diminution de la corrosion et la baisse des émissions de dioxyde de soufre est évidente, les données recueillies par les chercheurs ne suivent toutefois pas toujours cette corrélation. « La corrosion est un phénomène complexe, influencé par de multiples facteurs, qui n’est pas encore entièrement compris », explique Ulrik Hans. « Nous devons désormais identifier d’autres polluants qui gagneront en importance à l’avenir. » On ne sait par exemple pas encore suffisamment dans quelle mesure les concentrations élevées d’ozone attaquent les matériaux polymères modernes, ni comment les particules fines favorisent la corrosion. Les oxydes d’azote et les hydrocarbures volatils constituent d’autres paramètres qui, associés aux changements climatiques, pourraient influencer la durabilité des infrastructures métalliques.
Prévisions de corrosion à la pointe de la technologie
Une meilleure compréhension de ces mécanismes permet d’utiliser des alliages, des revêtements ou des couches de passivation à l’échelle nanométrique adaptés afin de garantir la durabilité, par exemple, de composants fabriqués par impression 3D ou structurés au laser. À cela s’ajoute un nouveau défi pour le secteur de la construction actuel, qui ne jouait encore aucun rôle lors de la construction de la cathédrale de Cologne ou de l’Acropole : aujourd’hui, il faut veiller à une utilisation respectueuse des ressources existantes.
Afin de garantir que les processus de développement de produits adaptés et durables se déroulent de manière efficace et durable, les chercheurs de l'Empa analysent les nouveaux matériaux dès la phase de développement. Ils utilisent pour cela des techniques d’analyse de surface de pointe, telles que la microscopie à force atomique à sonde de Kelvin ou la spectroscopie photoélectronique à rayons X, ou HAXPES. La seule installation de ce type en Suisse se trouve au laboratoire « Technologies d’assemblage et corrosion » de l’Empa. Grâce à un rayonnement à haute énergie, la technique HAXPES pénètre profondément dans le matériau et permet une caractérisation précise des matériaux et de leurs propriétés de corrosion. « Grâce aux prévisions de corrosion fiables qui en résultent, il sera possible, à l’avenir également, de construire et d’entretenir efficacement des ouvrages durables », affirme avec conviction Hans, chercheur à l’Empa.
Un patrimoine culturel en voie de dégradation
Même le patrimoine mondial est à la merci du temps qui passe. C'est pourquoi, depuis 2010, le réseau « ICP Materials » observe 26 sites classés au patrimoine mondial de l'UNESCO, tels que la vieille ville de Berne et le quartier de l'abbaye de Saint-Gall. Dans le cadre d’études de cas, les chercheurs ont pu démontrer que la pollution atmosphérique – et notamment celle liée au trafic routier – représente jusqu’à 80% des coûts liés à l’entretien des bâtiments. Grâce à des évaluations des risques, il devrait enfin être possible de déterminer où se situe la frontière entre le vieillissement naturel d’un monument culturel et la dégradation imminente, afin de mener les travaux de restauration selon des critères économiques. Pour ce faire, on se base sur des données relatives à la composition des matériaux, à la corrosion des métaux, à l’altération du calcaire et à la pollution de l’environnement.
La corrosion des métaux représente par exemple un risque pour la durée de vie des toits en cuivre des clochers de la cathédrale de Saint-Gall, ont calculé les chercheurs spécialisés dans la corrosion. Mais il faudra d’abord, l’année prochaine, restaurer le toit en tuiles de cette église classée au patrimoine mondial de l’UNESCO. Là aussi, la corrosion a fait des ravages : les clous de la charpente, longue de 100 mètres, sont rouillés. Le coût de ces travaux est estimé à un peu moins de huit millions de francs.
Source : Empa
