Caractéristiques de l’utilisation de l’acier Cor-Ten dans la construction

Les aciers résistants à la corrosion atmosphérique sont des aciers de construction ordinaires, alliés au cuivre et au phosphore. Cet acier crée une couche protectrice d’oxyde qui ralentit le processus de corrosion dans des conditions où l’acier peut se mouiller et sécher librement à l’air libre. Autrefois, ces types d’acier étaient principalement utilisés dans les constructions industrielles. Cependant, leur popularité a considérablement augmenté ces dernières années, notamment dans les solutions de bardage et le design paysager, les architectes trouvant la couleur du Cor-Ten particulièrement attrayante. De plus, l’acier Cor-Ten est un matériau écologique, car il ne nécessite pas de traitement anticorrosion supplémentaire.

Informations générales sur l’acier Cor-Ten

Histoire de la création de l’acier Cor-Ten

Les aciers résistants à la corrosion ont été développés aux États-Unis au début du XXe siècle, lorsqu’on a observé que les feuilles d’acier alliées au cuivre étaient beaucoup plus résistantes à la corrosion atmosphérique que les feuilles d’acier au carbone ordinaires. La société U.S. Steel a mené de vastes recherches pour tester les propriétés physiques et la résistance à la corrosion atmosphérique de nombreuses feuilles d’acier avec différentes compositions chimiques, ce qui a abouti à la création de l’acier Cor-Ten, breveté en 1933.

Au départ, l’acier Cor-Ten était utilisé comme matériau pour les structures de bunkers dans les wagons à charbon, car il est plus résistant aux charges mécaniques et à la corrosion que l’acier au carbone ordinaire.

Plus tard, l’acier Cor-Ten a trouvé une large application dans les structures métalliques où l’acier au carbone ordinaire était soumis à une corrosion prématurée en raison de l’influence combinée du temps, de l’eau et des impuretés issues de la production industrielle.

Pont Shanks Millennium, Royaume-Uni

Aujourd’hui, l’acier Cor-Ten est utilisé dans les conteneurs de transport, les structures de ponts et divers équipements technologiques dans les industries chimique et pétrochimique. L’acier Cor-Ten est également fréquemment utilisé dans les supports de lignes électriques, les poteaux d’éclairage ou les équipements de chargement et de déchargement, les châssis de camions, les réservoirs d’eau, les cheminées et dans l’industrie de la construction.

Selon l’application, l’acier Cor-Ten peut être utilisé tel quel ou peint. Lorsqu’il est utilisé correctement, l’acier Cor-Ten non traité forme rapidement une couche d’oxyde dense et rigide qui empêche la rouille progressive. En revanche, les structures Cor-Ten peintes nécessitent des intervalles de peinture plus longs pendant l’entretien, car la couche rigide d’oxyde se forme sur toutes les zones endommagées du revêtement, empêchant ainsi la corrosion de progresser sous la peinture, ce qui se produit généralement avec l’acier au carbone peint.

Propriétés de l’acier Cor-Ten

L’acier au carbone est un métal très réactif par rapport, par exemple, à l’acier inoxydable ou au cuivre. C’est pourquoi toute humidité ou oxygène atmosphérique qui entre en contact avec la surface de l’acier au carbone non peint entraîne rapidement l’oxydation et la formation d’hydroxyde de fer. Ce processus est généralement appelé corrosion. À mesure que la surface de l’acier est mouillée et séchée à plusieurs reprises, la rouille se forme, ce qui peut dégrader de manière significative les propriétés de la structure métallique. Le Cor-Ten s’oxyde également lorsqu’il entre en contact avec l’air et l’humidité. Cependant, le mécanisme d’oxydation des aciers Cor-Ten diffère de la rouille des aciers de construction. Lorsque le Cor-Ten est mouillé et séché à plusieurs reprises, il forme une couche d’oxyde dense et très rigide à sa surface. Cette couche empêche le développement de la corrosion dans des conditions météorologiques normales, c’est pourquoi les aciers Cor-Ten sont appelés aciers résistants aux intempéries.

Texture de l’acier Cor-Ten

Depuis le brevetage du Cor-Ten, plus de 30 000 tests ont été réalisés pour optimiser la composition chimique de l’acier et atteindre les meilleures performances en matière de résistance aux intempéries. Selon la nuance, l’acier Cor-Ten peut contenir jusqu’à 10 éléments d’alliage. Le chrome, le nickel, le cuivre et le phosphore améliorent la résistance de l’acier à la corrosion atmosphérique. Le silicium, le titane, le molybdène et le vanadium augmentent encore la densité de la couche d’oxyde en interagissant avec le cuivre et le chrome. Aujourd’hui, plusieurs nuances d’acier Cor-Ten sont regroupées sous la marque brevetée Cor-Ten.

Composition chimique des aciers Cor-Ten, %

La corrosion à la surface de l’acier peut être décrite par des réactions électrochimiques. Lorsque l’acier devient humide, de petites zones locales se forment à la surface. L’oxydation du fer se produit au point anodique (-), tandis que la réduction se fait au point cathodique (+):

Fe -> Fe₂ + 2e (1)

½O₂ + H₂O + 2e  -> 2OH (2)

La réaction générale d’oxydation du fer est la somme des sous-réactions suivantes:

Fe + ½O₂ + H₂O -> Fe (OH)₂ (3)

L’hydroxyde de fer est ensuite oxydé en oxyhydroxyde de fer, qui est considéré comme la forme la plus courante de rouille:

2Fe (OH)₂ + ½O₂ -> 2FeO(OH) + H₂O (4)

En pratique, la phase humide et la phase sèche alternent à la surface de l’acier. Pendant la phase humide, la rouille est réduite en oxyde de fer (II, III), magnétite (5), et pendant la phase sèche, la magnétite est réduite en oxyhydroxyde de fer, hématite, lépidocrocite (6):

Fe₂ + 8FeO (OH) + 2e -> 3Fe₃O₄ + 4H₂O (5)

2Fe₃O₄ + 3H₂O + ½O₂ -> 6FeO(OH) (6)

Les conditions réductrices qui prévalent à la surface de l’acier se produisent lorsque les pores de la rouille sont remplis d’eau. L’oxydation se produit lorsque la surface externe de la rouille sèche. Cela signifie que la rouille formée par les conditions atmosphériques consiste en plusieurs états du fer, principalement de la magnétite Fe3O4 et de l’oxyhydroxyde de fer FeO (OH).

La corrosion atmosphérique de l’acier est également influencée par les impuretés de l’air, y compris le dioxyde de soufre et le trioxyde de soufre. Lorsque la température de l’air est inférieure au point de rosée acide, les oxydes se dissolvent dans l’eau condensée, produisant de l’acide sulfurique, H₂SO₄:

SO₂ + H₂O + ½O₂ -> H₂SO₄ (7)

SO₃ + H₂O -> H₂SO₄ (8)

L’oxyde de fer (rouille) catalyse la transformation du SO2 en acide sulfurique. L’acide sulfurique réagit avec l’acier pour former du sulfate de fer (FeSO4), qui peut être oxydé en sulfate de fer trivalent, Fe₂(SO₄)³, et en oxyhydroxyde de fer, FeO (OH):

H₂SO₄ + Fe + ½O₂ -> FeSO₄ + H₂O (9)

12 FeSO₄ + 2H₂O + 3O₂ -> 4Fe₂(SO₄)₃ + 4FeO(OH) (10)

Le sulfate de fer peut être hydrolysé en oxyhydroxyde de fer et en acide sulfurique:

Fe₂(SO₄) + 4H₂O -> 2FeO(OH) + 3H₂SO₄ (11)

Théoriquement, l’acide sulfurique peut réapparaître dans les réactions d’oxydation. Cela est également confirmé par le fait que, en présence d’oxydes formant de l’acide, la corrosion de l’acier se produit relativement rapidement. De telles conditions sont les plus probables dans les environnements industriels et urbains.

De nombreuses études sur la résistance à la corrosion menées pendant plus de trois décennies ont montré que la résistance de l’acier Cor-Ten à la corrosion atmosphérique est nettement supérieure à celle des aciers au carbone ordinaires. Cor-Ten présente une résistance particulièrement élevée à la corrosion dans un environnement industriel, où la vitesse de corrosion est seulement un cinquième de celle de l’acier au carbone, voire moins. La différence significative dans les vitesses de corrosion devient plus évidente après 5 à 10 ans d’exploitation, lorsque la surface de l’acier développe une couche d’oxyde dense et très résistante qui protège l’acier contre la corrosion. La vitesse de corrosion dépend fortement des conditions environnementales. Les vitesses de corrosion de référence, calculées sur la base du changement de poids des échantillons après dix ans d’exposition, sont les suivantes:

La couleur de la couche d’oxyde varie du rouge-brun au violet foncé en fonction des conditions environnementales.

Changements de couleur de la couche d’oxyde sur l’acier Cor-Ten au fil du temps dans un environnement industriel

Peinture de l’acier Cor-Ten

L’acier Cor-Ten peut être peint avec n’importe quelle peinture destinée au traitement anticorrosion de l’acier. Les études ont montré que la durabilité des revêtements à base de vernis alkydes sur l’acier Cor-Ten est 1,5 à 2 fois plus longue que celle des aciers au carbone. L’image ci-dessous (à gauche) montre l’apparence des échantillons peints de Cor-Ten et d’acier au carbone après 15 ans d’utilisation dans des conditions climatiques maritimes. À droite de l’image, des échantillons peints exposés à un environnement industriel pendant plusieurs années sont présentés. L’acier Cor-Ten ne montre aucun signe de rouille sous le revêtement de peinture, qui est constitué d’une couche de fond à base de zinc-chromate et de peinture vinyle.

La durée de vie plus longue du revêtement de peinture sur l’acier Cor-Ten s’explique par le fait que, lorsqu’une rayure apparaît à la surface du revêtement, une couche d’oxyde dense se forme, empêchant la rouille de pénétrer sous la peinture, ce qui n’est pas le cas avec l’acier au carbone ordinaire.

Traitement et patine de l’acier Cor-Ten

Les produits en acier Cor-Ten doivent être manipulés avec soin. Il convient d’éviter d’endommager la surface, et les éclaboussures de soudure, ainsi que d’autres contaminations de surface, doivent être éliminées. Les produits en acier Cor-Ten peuvent être stockés en plein air à condition qu’il y ait une libre circulation de l’air entre les feuilles, de sorte que les surfaces susceptibles de se mouiller puissent sécher rapidement. Lors du stockage à long terme en extérieur, les produits doivent être protégés par une couverture, et les feuilles et autres composants doivent être séparés les uns des autres pour assurer une circulation uniforme de l’air entre eux. Cela garantit une patine homogène et évite la formation de taches de corrosion.

Grâce à la formation d’une couche protectrice homogène (patine) sur la surface, les aciers Cor-Ten peuvent être laissés non peints. Pour obtenir une patine uniforme, lorsqu’une apparence esthétique est primordiale, un nettoyage préalable minutieux des surfaces est nécessaire – décapage, sablage ou polissage. Les taches de graisse et d’huile de protection, ainsi que les scories et les oxydes doivent être enlevées au préalable. Après le sablage, la surface est considérée comme suffisamment propre si sa rugosité est uniforme.

En cas de besoin d’accélérer le processus de formation de la patine, l’acier Cor-Ten peut être soumis à un processus d’oxydation accélérée, qui se déroule en plusieurs étapes:

1. Dégraissage
2. Élimination de la couche d’oxyde
3. Application d’un activateur d’oxydation
4. Application d’un fixateur

Le processus d’accélération de la patine Cor-Ten permet d’obtenir la teinte souhaitée en seulement quelques jours.

Si un maintien de la couleur et l’arrêt du processus naturel de patinage sont nécessaires, l’acier Cor-Ten peut être recouvert d’un vernis de protection brillant ou mat. Il convient de noter que la durabilité de ce revêtement est de seulement quelques années, ce qui entraîne la nécessité d’un renouvellement périodique.

Les contaminations dues à la soudure, telles que les scories et les projections, ralentissent le processus de patine. La norme ISO 8501-1 définit le degré de rouille pour évaluer la propreté de la surface. Le degré de nettoyage de la surface d’un acier au carbone ordinaire devant être peint doit être au minimum Sa 2 1/2, St 2, tandis que pour lа patine de l’acier Cor-Ten, un nettoyage de Sa 2 / St 2 est suffisant.

Soudage de l’acier Cor-Ten

Tous les procédés de soudage courants peuvent être utilisés pour souder l’acier Cor-Ten: soudage à l’arc avec électrode métallique en fusion ou électrode flux, soudage à l’arc sous flux, soudage MIG/MAG et soudage par résistance.

Soudage de l’acier Cor-Ten

Pour garantir la résistance de la soudure aux intempéries, celle-ci doit contenir le même alliage métallique que le métal de base.

Les alliages de métal d’apport les plus couramment utilisés contiennent du nickel et du cuivre. Le métal d’apport non allié peut être utilisé lorsque la soudure présente une forme de rainure ou d’arrondi et, lorsqu’il est utilisé avec le soudage à l’arc sous flux, le processus de diffusion assure un alliage élevé du matériau de soudage avec le métal de base. Le métal d’apport résistant à l’atmosphère doit être utilisé pour réaliser des soudures multi-passages sur les zones superficielles des aciers résistant aux intempéries.

Matériaux de soudage recommandés pour les aciers COR-TEN A et COR-TEN B

Soudage en atmosphère de gaz actif (fil plein)

Soudage à l’arc avec cœur fluxé

Soudage à l’arc avec électrodes revêtues

Soudage à l’arc sous flux avec arc immerge

Assemblages boulonnés

Les assemblages boulonnés des aciers résistants aux intempéries doivent être suffisamment serrés pour éviter la corrosion par fissures à l’intérieur du joint et la corrosion des matériaux assemblés. La distance entre les boulons le long du bord du joint ne doit pas dépasser 14 fois l’épaisseur de l’élément le plus mince à assembler et ne doit pas excéder 20 cm. La distance entre le boulon et le bord du joint ne doit pas dépasser 8 fois l’épaisseur de l’élément le plus mince à assembler et ne doit pas excéder 15 cm.

En tant que matériau pour les boulons, il est recommandé d’utiliser de l’acier Cor-Ten X, car sa résistance à la corrosion est équivalente à celle des aciers assemblés, et la couleur des boulons patinés sera identique à celle du matériau de base. Des boulons avec revêtement en zinc ou en cadmium peuvent également être utilisés, mais cette pratique est généralement déconseillée, car le revêtement s’usera relativement rapidement en raison des réactions électrochimiques entre le revêtement du boulon et l’acier Cor-Ten. Les petits éléments de fixation, les vis, etc., peuvent être fabriqués en acier Cor-Ten A ou en métaux non oxydables, tels que le laiton ou le bronze. Dans ce cas, la corrosion électrochimique ne se manifestera pas, car la surface du métal noble sera beaucoup plus petite que celle de l’acier Cor-Ten.

Application de l’acier Cor-Ten

L’acier Cor-Ten, en tant que matériau unique, est particulièrement adapté dans des conditions où la résistance à la corrosion atmosphérique ou l’apparence distinctive sont des critères essentiels. La patine d’oxyde dense et auto-régénérante sur l’acier Cor-Ten assure une longue durée de vie et un design unique des structures. L’acier Cor-Ten est idéal pour le revêtement des façades, la construction de structures de bâtiments, des compositions architecturales, des clôtures, des ponts, des conteneurs, des réservoirs, des cheminées, etc.

Université Leeds Beckett, Royaume-Uni

L’acier Cor-Ten est relativement résistant à l’usure abrasive causée par des charges et décharges. Toutefois, une usure abrasive prolongée du matériau peut entraîner une réduction de sa durée de vie.

La résistance exceptionnelle à la corrosion et la solidité de l’acier Cor-Ten sont également conservées dans des conditions de températures de travail élevées. L’acier Cor-Ten offre, par exemple, une meilleure résistance à l’oxydation qu’un acier de construction classique. L’acier Cor-Ten peut être utilisé dans des conditions moins critiques pour des réservoirs haute pression, lorsqu’il n’est pas nécessaire d’utiliser des aciers Cr-Mo durcis. La température maximale de travail de l’acier Cor-Ten A est de +540°C. À des températures plus élevées, la fluidité et la résistance à la traction, ainsi que la ténacité aux chocs, se détériorent considérablement. Il est déconseillé d’utiliser l’acier Cor-Ten B dans des structures porteuses lorsque la température de travail dépasse +425°C.

Scène de concert en plein air avec revêtement Cor-Ten, Crystal Palace Park, Royaume-Uni

La résistance exceptionnelle du revêtement peint sur l’acier Cor-Ten permet de réaliser des économies substantielles sur les coûts d’exploitation, car les intervalles entre les peintures de maintenance sont plus longs que pour l’acier au carbone.

Cette performance est due à la capacité de l’acier Cor-Ten à former une couche d’oxyde dense et rigide sur toute zone de dommage du revêtement, empêchant ainsi la corrosion de l’acier sous le revêtement final. Par exemple, selon l’une des plus grandes entreprises de location de conteneurs, les coûts de maintenance et de réparation des conteneurs peints en acier au carbone sont quatre fois plus élevés que ceux des conteneurs en acier Cor-Ten.

Sculpture LOVE, États-Unis

Application de l’acier Cor-Ten dans l’architecture

Lors du choix de l’acier Cor-Ten comme matériau de revêtement, il est important de prendre en compte que, suite au processus de patinisation, l’eau en contact avec l’acier Cor-Ten deviendra rouillée au cours des deux premières années. L’eau «rouillée» doit être collectée et évacuée de manière à ne pas contaminer d’autres matériaux utilisés. Les matériaux qui peuvent être facilement nettoyés en cas de faible contamination par l’eau «rouillée» incluent:

• Revêtement émaillé semi-mat ou brillant
• Revêtement organique aéraulique ou thermodurcissable, lavable
• Aluminium anodisé ou simple
• Acier inoxydable
• Néoprène
• Carrelage céramique et émaillé
• Verre

Certains matériaux se peignent facilement, ce qui rend leur nettoyage difficile ou impossible. Pour cette raison, il est important de bien évaluer la pertinence de l’utilisation avec l’acier Cor-Ten des matériaux suivants:

• Béton et mortier
• Acier galvanisé à chaud non peint
• Brique non émaillée
• Émail mat
• Pierre
• Bois

Lors de l’utilisation de l’acier Cor-Ten avec d’autres matériaux, il est nécessaire de s’assurer qu’aucune corrosion par fissures ne se forme aux points de jonction des métaux et que l’eau ou la saleté ne s’y accumule pas.

Les tôles d’acier recouvertes de zinc ou d’autres matériaux avec un revêtement zinc ne doivent pas entrer directement en contact avec l’acier Cor-Ten non peint, car le zinc, étant un métal plus actif, subira des effets de corrosion électrochimique.

Les joints entre les différents matériaux et l’acier Cor-Ten doivent être remplis de mastic. Il est particulièrement important de noter que de nombreux mastics, tels que les mousses polyuréthanes et d’autres substances contenant des retardateurs de flamme, absorbent l’eau. Par conséquent, l’utilisation de tels matériaux avec l’acier Cor-Ten peut entraîner des dommages corrosifs importants.

Éléments architecturaux

Produits de construction en acier Cor-Ten

L’acier Cor-Ten est un matériau naturel qui obtient sa couleur et sa couche de surface protectrice à la suite du processus d’oxydation. Les changements de la surface de l’acier en raison de la lumière, de l’humidité de l’air et du temps rendent ce matériau encore plus intéressant. La patine donne au Cor-Ten une teinte bronze marquée, qui complète parfaitement les surfaces en brique.

Le Cor-Ten se caractérise par une surface mate, qui réduit les reflets typiques des autres métaux et masque les irrégularités possibles de la surface.

Le Cor-Ten est un matériau économique, coûtant seulement 20 à 25% de plus que l’acier au carbone ordinaire. Et comme le Cor-Ten ne nécessite pas de finition de surface, le coût total des produits fabriqués à partir de Cor-Ten est extrêmement attractif.

De plus, l’acier Cor-Ten est un matériau écologique, car entièrement recyclable et ne nécessitant pas de revêtement. Par conséquent, son impact global sur l’environnement est très faible tout au long de son cycle de vie.

Cottage, Tchéquie

Couleur et éclat de la surface

L’acier Cor-Ten forme à sa surface une couche d’oxyde rigide qui empêche la corrosion. Les conditions climatiques locales ainsi que la durée de la patine influencent la couleur de la surface. Celle-ci évolue du brun orange chaud au brun rougeâtre, et enfin au brun foncé.

La capacité à changer de couleur au fil du temps fait de l’acier Cor-Ten l’un des matériaux les plus uniques.

Avant la livraison sur le chantier, il est recommandé de laisser les éléments en acier Cor-Ten se patiner afin que la surface devienne homogène en couleur, sans taches rosées.

Une fois la teinte souhaitée atteinte, il est possible d’arrêter l’évolution de la couleur de l’acier Cor-Ten par un traitement chimique de surface ou l’application d’un revêtement laqué. Cependant, il convient de noter qu’après application du laque, la surface peut perdre son aspect caractéristique et sa matité.

Les  bardages ventilés en acier Cor-Ten peuvent également être montés avant le début du processus de patine. Des délais de construction serrés rendent parfois cette option incontournable, car le choix des matériaux intervient souvent à un stade tardif du projet, laissant peu de temps pour une patine préalable.

Lors de l’utilisation de bardages en acier Cor-Ten non patinés, il faut être prêt à accepter une surface initialement tachetée et l’apparence rouillée du bâtiment.

Cottage, Slovaquie

Particularités de l’utilisation de l’acier Cor-Ten

Le Cor-Ten est un matériau actif par nature. Il est important de noter que le processus de patine réduit son épaisseur, il convient donc d’éviter l’utilisation de ce matériau avec une épaisseur inférieure à 0,5 mm. Par ailleurs, pour garantir une haute qualité dans la fabrication des profils, une grande précision dimensionnelle est essentielle.

Le processus de patine nécessite impérativement un cycle d’humidification et de séchage de la surface. Si la surface reste humide pendant une période prolongée, elle continuera à rouiller. Les parties les plus vulnérables sont les surfaces horizontales des structures ainsi que les surfaces situées très près les unes des autres. Au début du processus de patine, l’eau qui s’écoule sur la structure peut s’accumuler sur les surfaces horizontales. La rouille contenue dans cette eau maintiendra la surface humide, ce qui perpétuera le processus de corrosion. Lorsque deux surfaces sont trop proches l’une de l’autre, l’humidité peut rester emprisonnée entre les matériaux, entraînant une corrosion par fissuration.

Par conséquent, lors de la conception de bardages en acier Cor-Ten, il est nécessaire de prévoir un drainage contrôlé de l’eau ainsi qu’une ventilation suffisante des structures. L’eau ne doit en aucun cas stagner sur les surfaces. L’espace de ventilation doit être suffisamment large, avec un minimum de 30 mm. Toutes les jonctions avec les soubassements, les irrégularités, ainsi que les structures adjacentes (balcons, auvents, etc.) doivent être conçues de manière à ce que l’espace de ventilation reste ouvert. Les couvre-joints inclinés et allongés aux jonctions doivent empêcher l’eau ruisselant sur la façade de toucher les surfaces d’autres matériaux. L’eau provenant des corniches et des toits doit être évacuée de manière centralisée, de préférence par un système de drainage dissimulé, afin d’éviter les salissures causées par l’eau de ruissellement.

Dans le processus de patine, il est conseillé d’éviter la conception de grandes structures en surplomb. À l’ombre, après l’installation du bardage en acier Cor-Ten, la formation de la patine est plus lente.

La compatibilité électrochimique et les particularités liées à l’écoulement de l’eau sont des facteurs qui limitent le choix des matériaux utilisés avec l’acier Cor-Ten. Il est recommandé d’utiliser de l’acier inoxydable pour les fixations. Lorsqu’on combine différents matériaux, il est impératif d’assurer une isolation minutieuse des points de contact. Les matériaux adjacents les plus sûrs sont ceux qui possèdent une surface lisse et dure, sont chimiquement compatibles et ne se tachent pas au contact de l’eau s’écoulant sur les structures en acier Cor-Ten.

Patine préliminaire du Cor-Ten

Dans le cas d’un bardage en acier Cor-Ten avec vitrage extérieur ou lorsque les conditions ne permettent pas un cycle d’humidification et de séchage, il est recommandé de recourir à un patinage préliminaire.

La patine préliminaire permet d’obtenir un matériau avec une apparence esthétique aboutie et d’éviter la plupart des problèmes liés à l’écoulement de l’eau depuis les structures en Cor-Ten vers des matériaux voisins.

Si la patine préliminaire n’est pas possible, l’acier Cor-Ten doit être soigneusement nettoyé des écailles, huiles et autres contaminants. Après l’installation, il convient de rincer l’acier pour amorcer un processus de patine uniforme.

Baltic Square Office Building, Finlande

Aspects écologiques

La valeur écologique de l’acier Cor-Ten sera encore plus mise en avant à l’avenir, car les critères de classification environnementale deviendront plus stricts. Certains matériaux de revêtement pourraient être totalement interdits en tant que matériaux de construction, entraînant des difficultés de maintenance ou de rénovation des surfaces. Ce risque ne concerne pas le Cor-Ten. Comme aucun revêtement n’est nécessaire, l’acier Cor-Ten peut être refondu et réutilisé.

Conception avec l’acier Cor-Ten

Exigences générales

Les propriétés spécifiques de l’acier Cor-Ten permettent de l’utiliser dans des structures durables nécessitant peu ou pas d’entretien. Cependant, certaines exigences spécifiques doivent être prises en compte lors de la conception. Il est crucial de soigner la conception des joints et des assemblages pour faciliter le processus de patine et prévenir la corrosion électrochimique et par fissure. En outre, il est essentiel de choisir une qualité d’acier Cor-Ten adaptée à l’application, car les propriétés peuvent varier considérablement selon les nuances.

Particularités de la conception

Il convient d’éviter la création de surfaces horizontales lors de la conception et de l’installation, car les produits d’oxydation qui se détachent, en particulier du côté arrière de la feuille, ont tendance à s’accumuler dans les zones de flexion, où ils retiennent l’humidité, ce qui peut entraîner une corrosion incontrôlée. Si la création de surfaces horizontales est inévitable, il est nécessaire de garantir un drainage efficace de l’eau, par exemple en installant des ouvertures de drainage. De plus, les joints de connexion doivent être conçus de manière à éviter la formation de surfaces susceptibles de retenir l’eau.

La caractéristique principale de la connexion des éléments est la prévention minutieuse de la corrosion par fissures et électrochimique. L’aménagement d’un écart d’au moins 1 mm entre les panneaux connectés prévient la corrosion par fissures, causée par l’effet capillaire de l’eau. Avec un écart plus petit, les forces capillaires peuvent aspirer l’eau dans l’écart et provoquer la corrosion. La méthode la plus simple pour éviter la formation de couples électrochimiques consiste à utiliser des plaques de séparation entre les parties à connecter.

Dans le cas de l’utilisation de structures en acier Cor-Ten pour le bardage, il est nécessaire d’assurer une ventilation suffisante pour le processus de patinage, qui repose sur un cycle de mouillage et de séchage de l’acier. Un espace ventilé doit être aménagé sur toute la longueur de la façade et avoir une largeur d’au moins 30 mm.

Dureté à l’impact

Le type de rupture de l’acier est un facteur important dans les structures porteuses, en particulier pour leur utilisation extérieure. Une dureté à l’impact suffisante du matériau garantit une rupture ductile au lieu d’une rupture fragile.

L’utilisation du phosphore comme élément d’alliage améliore la résistance aux intempéries de l’acier, mais une haute dureté à l’impact ne peut être atteinte si la teneur en phosphore dépasse 0,025% ou si la teneur en soufre est supérieure à 0,020%.

La teneur en phosphore dans toutes les nuances d’acier Cor-Ten, à l’exception de Cor-Ten B-D, varie de 0,07 à 0,15%. Pour cette raison, le COR-TEN B-D satisfait aux exigences minimales de dureté à l’impact selon la norme EN 10025.

Le concepteur détermine la dureté à l’impact (classe de qualité) de l’acier conformément à l’Eurocode ENV 1993-1-1:1992, annexe C. Grade d’acier D (J2) est généralement utilisé dans les structures porteuses extérieures. Les facteurs contribuant à la rupture fragile incluent les faibles températures et les charges d’impact.

Soudage

La dureté à l’impact des soudures dans les structures porteuses extérieures doit être confirmée.

La limite d’élasticité des aciers Cor-Ten ne dépasse pas 350 N/mm², de sorte qu’aucune mesure spéciale n’est nécessaire pour assurer la soudabilité. Cependant, si l’épaisseur de la plaque à souder dépasse 25 mm, une vérification est requise.

La soudabilité des aciers Cor-Ten est pratiquement identique à celle des aciers de construction de la même classe de résistance. Pour le soudage de l’acier Cor-Ten (tant entre aciers Cor-Ten qu’avec d’autres aciers de construction), toutes les méthodes de soudage habituelles peuvent être utilisées: soudage à l’arc avec électrode enrobée ou électrode à flux, soudage sous flux, soudage MIG/MAG et soudage par points.

Fil et électrodes de soudage recommandés (ESAB)

* *ne contient pas de cuivre

Avant le soudage, il est nécessaire d’éliminer le film oxydé de la surface de la feuille sur une largeur de 10 à 20 mm. Lors de l’utilisation de soudage continu et par points, la soudure doit être remplie avec un mastic de peinture.

La résistance à la corrosion est assurée par l’utilisation d’une base résistante aux intempéries du métal déposé, dont la composition est similaire à celle du métal de base, par exemple, un fil et des électrodes contenant un alliage cuivre-nickel. La limite d’élasticité du métal déposé doit généralement être supérieure de 5% à la limite d’élasticité du métal de base. Dans les joints de soudure d’angle avec une crête de soudure jusqu’à 4 mm, ainsi que pour les soudures bout à bout dont la largeur est inférieure à 4 mm, le métal de la soudure devient généralement suffisamment allié avec le métal de base, et aucun ajout d’éléments d’alliage n’est nécessaire. Les soudures multi-pass peuvent être partiellement effectuées avec des matériaux de soudage en acier au carbone et terminées avec des électrodes en acier faiblement allié, possédant des caractéristiques de résistance aux intempéries.

Les aciers modérément résistants aux intempéries contiennent des éléments d’alliage tels que le chrome, le cuivre et le nickel, ce qui augmente la résistance de l’acier. Pour cette raison, lorsqu’une grande épaisseur de feuille est utilisée, un préchauffage légèrement plus important est nécessaire par rapport aux aciers de construction ordinaires. La température de travail et le besoin de préchauffage sont établis en fonction de l’épaisseur totale de la feuille, qui est déterminée comme étant l’épaisseur totale de la feuille composée. Les joints soudés doivent être vérifiés conformément à la norme EN 3834, en respectant les exigences spécifiées sur les dessins.

Besoins en préchauffage / température de travail des aciers Cor-Ten B et B-D

Formabilité

L’acier Cor-Ten est sujet à la découpe et au pliage de manière similaire aux aciers de construction ordinaires. L’acier résistant aux intempéries avec la meilleure capacité de pliage est le Cor-Ten AF. Le rayon de pliage des profilés ouverts est de (2-3) x l’épaisseur de la feuille, en fonction de l’épaisseur. La largeur minimale de la pièce qui peut être pliée est de 50 mm. Le rayon de pliage des profilés tubulaires est de 2,5 x l’épaisseur de la paroi. Toutefois, il convient de noter que des difficultés peuvent survenir lors de la fabrication de tuyaux si le rapport entre le diamètre et l’épaisseur de la paroi est faible (D / t <10).

Le rayon de pliage interne minimal des aciers Cor-Ten en fonction de l’épaisseur de la feuille, mm

Pont piétonnier, États-Unis

Caractéristiques de résistance

Propriétés mécaniques des aciers Cor-Ten

La limite inférieure d’élasticité des aciers Cor-Ten est R_el = 345 N/mm², et la résistance à la traction est R_m = 485 N/mm². Dans ce cas, la corrosion peut avoir un impact significatif sur les tôles de faible épaisseur. Dans un environnement industriel, la corrosion réduit l’épaisseur de la feuille Cor-Ten B d’environ 0,16 mm sur une période de dix ans, tandis que pour la Cor-Ten A, cette réduction est de 0,12 mm. Cela signifie que la résistance des tôles fines diminue considérablement, en particulier si les deux faces de la feuille sont exposées à la corrosion.

Pour cette raison, il est recommandé de prendre en compte un supplément pour la corrosion de l’épaisseur nominale du matériau. Une bonne résistance atmosphérique de l’acier Cor-Ten est assurée par le matériau lui-même, sous condition de son humidification et séchage alternés. Si cela n’est pas possible, la structure nécessite un traitement anticorrosion, comme la peinture.

Tolérance prévue pour la corrosion de l’acier Cor-Ten en application extérieure

Les certificats pour les matériaux en acier résistant aux intempéries sont rédigés conformément aux exigences de la norme EN 10204.

Traitement thermique

L’acier Cor-Ten ne nécessite généralement pas de traitement thermique supplémentaire après le soudage. Toutefois, pour la fabrication de structures porteuses particulièrement critiques en tôles épaisses, lorsque le traitement thermique est demandé par le client, il est recommandé de réaliser:

• Un recuit pour éliminer les contraintes résiduelles à une température de +550…+600°C (objectif +580°C) avec un maintien de 2 minutes par mm d’épaisseur, mais pas moins de 30 minutes, et un refroidissement lent dans le four.
• Une normalisation à une température de +860…+940°C (objectif +910°C) avec un maintien de 1 minute par mm d’épaisseur, mais pas moins de 15 minutes, et un refroidissement à l’air.

Fixations pour Cor-Ten

En général, l’acier résistant aux acides est le matériau le plus fiable pour fixer l’acier Cor-Ten. L’acier inoxydable de type AISI 304 peut également être utilisé pour les vis autotaraudeuses, à condition d’utiliser un joint en caoutchouc. Des fixations avec revêtement réduisant le frottement et la corrosion, comme le Ruspert, peuvent être utilisées. Pour les assemblages boulonnés, de l’acier de type Cor-Ten X est également disponible.

Dans les assemblages boulonnés, il convient d’éviter tout écart entre le boulon et l’élément à assembler. L’étanchéité de l’assemblage peut être assurée en utilisant un joint approprié. Il est recommandé d’utiliser du néoprène avec une dureté d’au moins 65 Shore A et une résistance à la rupture d’au moins 6 N/mm2. Le néoprène est très résistant à l’ozone, aux rayons ultraviolets, aux produits chimiques et à l’usure. Les feuilles de néoprène sont généralement disponibles en épaisseurs de 0,5 à 30 mm, avec possibilité de découpe sur mesure et revêtement autocollant. En cas de nécessité de garantir l’étanchéité aux gaz, le caoutchouc butyle doit être utilisé comme joint. Dans les endroits avec un écart axial, un ruban en téflon (polytétrafluoréthylène, PTFE) doit être utilisé.

Pour le petit montage, tel que les vis autotaraudeuses, des joints en caoutchouc EPDM sont utilisés entre la tête et la rondelle. Des bagues peuvent être utilisées comme éléments d’espacement pour remplir l’espace entre la plaque et l’élément de fixation. Ces bagues sont comprimées des deux côtés du trou préalablement percé et empêchent également la rotation du montage.

Les éléments d’espacement doivent également être utilisés avec d’autres matériaux, car tous les métaux sont également sujets à la corrosion par fissuration. De plus, lors de l’assemblage de métaux différents, il existe un risque de corrosion électrochimique. Dans ce cas, l’épaisseur recommandée du joint doit être d’au moins 1,0 mm.

Types de matériaux pouvant être utilisés entre les aciers Cor-Ten

Fixations des structures en acier Cor-Ten

Résistance au feu du Cor-Ten

En cas d’incendie, l’acier Cor-Ten se comporte de la même manière que l’acier de construction standard. La protection contre l’incendie n’est généralement pas nécessaire pour le Cor-Ten, car l’acier résistant aux intempéries est principalement utilisé dans les structures extérieures.

Dans le cas de l’utilisation du Cor-Ten dans les colonnes porteuses, la méthode la plus appropriée de protection incendie consiste à utiliser une structure composite avec un tube en acier rempli de béton armé. Les dimensions de la structure doivent être choisies de manière à exclure la nécessité d’une quelconque protection contre l’incendie. Les colonnes et les poutres peuvent être utilisées sans aucune ignifugation si elles sont situées à une distance suffisante des fenêtres ou protégées contre la chaleur par d’autres moyens. Cependant, dans ces cas, une vérification séparée est souvent nécessaire.

Peinture du Cor-Ten

La peinture de l’acier Cor-Ten est recommandée si les conditions d’exploitation de la structure peuvent empêcher le développement naturel de la patine ou si la surface reste humide pendant une période prolongée. La durée de vie des aciers Cor-Ten peints est environ deux fois plus longue que celle des aciers au carbone ordinaires.

Solutions de conception

Cette section présente un exemple de l’utilisation de l’acier Cor-Ten en fines feuilles pour les structures de façade du Baltic Square Office Building en Finlande. Le principe de conception principal est d’assurer un processus libre d’humidification et de séchage successifs.

Si la surface reste humide pendant une longue période, le processus de corrosion peut s’accélérer, et le matériau pourrait finalement rouiller complètement. L’eau qui pénètre dans les joints entre les surfaces connectées peut provoquer une corrosion par fissuration.

Le séchage des surfaces en Cor-Ten et la minimisation des marques causées par l’écoulement de l’eau rouillée depuis le parement extérieur ont été assurés grâce à l’application des principes suivants lors de la conception:

• Toutes les surfaces horizontales sont inclinées pour éviter toute accumulation d’eau.
• Tous les éléments en acier Cor-Ten sont isolés les uns des autres et des autres parties métalliques à l’aide de matériaux isolants, tels que le néoprène. Cela permet une circulation d’air sur chaque face.
• Tous les éléments de fixation sont fabriqués en acier résistant aux acides. Des bagues isolantes sont utilisées entre les fixations et les produits en acier Cor-Ten.
• L’utilisation de l’acier Cor-Ten a été minimisée à proximité immédiate des itinéraires piétonniers en raison de la possibilité d’écoulement de l’eau rouillée depuis les surfaces métalliques. Un système d’évacuation organisé des eaux rouillées depuis les surfaces a été mis en place.
• Une assistance technique a été fournie sur le chantier pour garantir la mise en œuvre des solutions prévues par le projet.

Sur les images 1 à 3, sont présentées les solutions utilisées pour le bardage mural extérieur en cassettes, afin de permettre le séchage des surfaces métalliques. L’image 4 montre des solutions utilisant une tôle ondulée galvanisée sur un bardage ventilé. Le vitrage de la double façade du bâtiment Baltic Square Office Building n’a été réalisé qu’après l’apparition partielle de la patine sur l’acier Cor-Ten. L’image 5 présente des solutions incorrectes qui empêchent le séchage de l’acier, ce qui peut entraîner une corrosion perforante dans les fines feuilles d’acier.

Image 1: Joint horizontal des cassettes de bardage en acier Cor-Ten, coupe verticale (à gauche). Joint vertical des cassettes de bardage en acier Cor-Ten, coupe horizontale (à droite).

Image 2: Bord inférieur de la structure de façade avec cassette en Cor-Ten, raccordement au soubassement et évacuation d’eau (à gauche). Raccordement de la structure de façade avec cassette en Cor-Ten à une fenêtre, coupe verticale au bas de la fenêtre (à droite).

Image 3: Raccordement de la structure de façade avec cassette en Cor-Ten à une fenêtre, coupe verticale au sommet de la fenêtre (à gauche). Bandeau de parapet de la façade en cassettes Cor-Ten, coupe verticale (à droite).

Image 4: Bardage de façade avec une tôle ondulée galvanisée  en acier Cor-Ten, non exposé aux intempéries (par exemple, derrière une double façade), coupe verticale au niveau du raccordement à une fenêtre (à gauche) et coupe verticale au niveau du mur (à droite).

Image 5: Sous-structure incorrecte et joint horizontal des cassettes en acier Cor-Ten.

1. Cassette en acier Cor-Ten A d’une épaisseur de 1,5 mm. Les plis empêchent la formation de surfaces horizontales.

2. Sous-structure en acier Cor-Ten A d’une épaisseur de 1,0 mm. La sous-structure non porteuse avec joint ouvert forme une gouttière. Les jonctions des gouttières sont étanchées, par exemple avec un mastic butyle, permettant à l’eau de s’écouler librement dans la partie inférieure de la structure murale.

3A. Vis de fixation en AISI 316 (par exemple Spedec Sx 3/10 – S16 – 5,5×28) + rondelle en caoutchouc chloroprène.

3B. Vis de fixation en AISI 316 (par exemple Spedec Sx 3/15 – S16 – 5,5×38) + rondelle en caoutchouc chloroprène.

4.Bague sous la vis (par exemple Teknikum 738 720, noire). En son absence, la ventilation libre est interrompue.

5. Si nécessaire, un ruban butyle est utilisé entre le rail et la sous-structure porteuse comme couche d’espacement.

6. Sous-structure (par exemple, plaque de plâtre coupe-vent).

7. Appui extérieur en acier Cor-Ten d’une épaisseur de 1,0 mm.

8. Aux points de raccordement sous l’appui de fenêtre extérieur, des éléments de support en tôle d’acier avec un revêtement Hiarc et un ruban butyle sont installés (couleur RR 32, brun foncé).

9. La couleur sombre du soubassement dissimule les traces de l’eau rouillée. L’évacuation des eaux doit être organisée de manière structurée.

10. Bandeau de parapet en acier Cor-Ten d’une épaisseur de 1,0 mm, avec une pente minimale de 1:20. La fixation se fait sur un contreplaqué hydrofuge à l’aide de vis autotaraudeuses dans le plan vertical. Les bandes de corniche sont isolées avec un ruban butyle.

11. Goutte d’eau en acier avec un revêtement Hiarc.

12. Grille de ventilation en acier Cor-Ten.

13. Une tôle ondulée galvanisée en acier Cor-Ten A d’une épaisseur de 1,0 mm. Les tôles ondulées galvanisées se chevauchent avec une isolation.

14. Sous-structure en acier Cor-Ten A d’une épaisseur de 1,0 mm.

15. Vis de fixation en AISI 316 (par exemple Spedec Sx 3/10 – S16 – 5,5×28) + rondelle en caoutchouc chloroprène.

16. Si nécessaire, un ruban butyle d’espacement est utilisé entre la sous-structure et le mur porteur.

17. Sous-structure (par exemple, plaque de plâtre coupe-vent).

18. Ruban en caoutchouc chloroprène entre la tôle ondulée galvanisée et la sous-structure.