Le patrimoine archéologique ferreux est mis en danger dès lors qu'il est extrait de son milieu d'enfouissement. En effet, la modification des conditions environnementales (pH, accès à l'oxygène, etc.) induit des processus d'évolution de la couche de produits de corrosion combinés à des reprises de corrosion menant à l'altération de l'objet archéologique. Afin de stabiliser ce dernier sur le long terme, il est nécessaire d'extraire les ions chlorure piégés au sein du système de corrosion. Les traitements par immersion, notamment en bain de soude, sont parmi les plus utilisés en France. Or, à ce jour, peu d'études ont été consacrées à la détermination des processus physico-chimiques mis en jeu lors de ceux-ci. C'est pourquoi, dans le cadre de cette thèse, un corpus expérimental corrodé en milieu marin (lingots en fer forgé provenant d'épaves gallo-romaines - IIeme siècle av. J.-C. au Ier siècle ap. J.-C. -, Saintes-Maries-de-la-Mer, Bouches du- Rhône, France) a été traité par immersion en bain de soude et les faciès de corrosion caractérisés avant, pendant et après ces traitements. Le système de corrosion des objets fraîchement sortis de fouille s'est avéré principalement composé de l'hydroxychlorure de fer β-Fe2(OH)3Cl, phase extrêmement réactive lors de son exposition en milieu oxydant. La mise en place d'une cellule expérimentale a permis le suivi in situ, par microdiffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron, de l'évolution de la couche de produits de corrosion lors de l'étape de traitement par une solution de NaOH aérée ou désaérée par bullage de N2. Des dosages réguliers de cette dernière ainsi que la caractérisation ex situ, par un ensemble de techniques micro-faisceau, du système de corrosion à l'issue des étapes de rinçage et de séchage ont également été réalisés. Appréhendé selon une démarche conjuguant des considérations thermodynamique et cinétique, l'ensemble de ces données met en lumière que le phénomène de déchloruration est majoritairement contrôlé par des processus de diffusion des espèces OH et Cl associés à des transformations locales de phases. La dissolution de β-Fe2(OH)3Cl implique la formation de Fe(OH)2 et Fe3O4 en solution désaérée mais également lors d'un traitement en milieu aéré. Ceci pourrait être dû à une consommation massive de l'O2 dissous provenant de la solution par les ions Fe2+ libérés au sein de la couche de produits de corrosion. La présence locale de α-FeOOH, GR(Cl) et β-FeOOH est attestée uniquement en milieu aéré. Ces évolutions structurales peuvent induire une augmentation de la porosité de la couche de produits de corrosion. De ce fait, les courbes de teneur en chlorures relâchés en solution ne peuvent être directement modélisées par une loi de diffusion du chlore dans un milieu poreux. Ce travail ouvre plusieurs perspectives parmi lesquelles la possibilité d'étendre la méthodologie analytique de suivi in situ à divers traitements de déchloruration et d'affiner les modèles d'extraction des chlorures proposés dans la littérature.

Les systèmes de corrosion du mobilier archéologique ferreux sous-marin et terrestre présentent des phases réactives et chlorurées. Leurs transformations au contact de l'air impliquent des dégradations majeures de l'objet en sortie de fouilles. Afin d'extraire le chlore en conservant l'intégrité des objets, des processus de stabilisation sont utilisés. Le traitement subcritique (NaOH, 180°C, 35 bars) accélère la déchloruration. Pour comprendre les transformations physico-chimiques induites un corpus d'objets archéologiques est étudié avant et après traitement par des techniques d'analyses complémentaires. La description multi-échelles de faciès de corrosion hétérogènes et complexes montre que la phase formée en milieu subcritique, dépend du degré d'oxydation de la phase d'origine. L'étude de systèmes modèles (oxyhydroxydes de fer synthétiques et archéologiques) montre que les tailles et formes de particules, les surfaces spécifiques, la composition chimique influencent leurs réactivités. Par ailleurs l'application d'une rampe de chauffe progressive conduit à un mélange goethite/hématite en-dessous de 150°C et d'hématite au-delà. L'étude de l'akaganéite, au taux de chlore variable, à différentes étapes de sa transformation, montre que le chlore adsorbé et une partie du chlore de structure est tout d'abord retiré. Ce phénomène, ajouté à une déshydroxylation sous l'effet de la température conduit dans un second temps, à la dissolution de la phase. Ces résultats permettent d'identifier la nature des transformations de phases et de proposer des mécanismes en vue d'améliorer les protocoles de stabilisation subcritique selon le type d'objet archéologique. / Iron archaeological artefacts from submarine and terrestrial origins have developed reactive and chlorinated corrosion systems. After excavation, their transformations in contact with air involve severe damages to the artefacts. In order to extract the chlorine and to maintain the artefacts’ integrity, stabilization processes are used. The subcritical treatment (NaOH, 180°C, 35 bars) accelerates the dechlorination process. Several artefacts are studied before and after treatment with subcritical techniques. The multi-scale description of heterogeneous and complex corrosion system shows that the phase precipitation in subcritical conditions depends on the precursor chemistry. The study of model systems (synthetic and archaeological iron oxyhydroxides) shows that particle sizes and shapes, specific surface area, chemical composition change their reactivity. The application of a heating ramp leads to the precipitation of goethite/hematite below 150°C and hematite above. The study of akaganeite at various stages of its treatment shows that the adsorbed chlorides and part of the structure ones are first removed. Then, a dehydroxylation under the effect of temperature leads to the phase dissolution. These results allowed to identify the nature of phase transformations and to propose mechanisms in order to improve stabilization protocols of archaeological artefacts by subcritical treatment.

La mise au jour du mobilier archéologique ferreux s'accompagne de dégradations si ce dernier n'est pas rapidement stocké en atmosphère inerte ou traité. Dans le cas des objets provenant de fouilles sous-marines, la présence de produits de corrosion chlorurés instables au contact de l'air accélère les phénomènes de reprise de corrosion. Afin de limiter ces dégradations et de stabiliser l'objet, il est nécessaire d'extraire les ions chlorure piégés au sein du système de corrosion. Divers traitements de déchloruration ont été développés par les ateliers de conservation (immersion dans des solutions alcalines, polarisation cathodique, plasma d'hydrogène, fluide subcritique…). Ces traitements ont une efficacité certaine mais une meilleure compréhension des mécanismes de déchloruration (évolution des phases chlorurées durant le traitement, phénomènes de transport dans la couche, cinétiques d'extractions des chlorures…) permettrait de les optimiser (temps de traitement, fiabilité, reproductibilité…). Les objectifs de cette thèse sont multiples. En un premier temps la caractérisation fine du système de corrosion développé en milieu marin puis lors de son abandon à l'air a été réalisée à l'aide de techniques multi-échelles sur un corpus expérimental composé de lingots en fer forgé provenant de frégates gallo-romaines découvertes au large des Saintes-Maries-de-la-Mer (Bouches-du-Rhône, France) immergées durant 2000 ans. Il a notamment été mis en évidence que ce faciès de corrosion est principalement composé d'hydroxychlorure de fer (β-Fe2(OH)3Cl), phase chlorurée contenant près de 20% en masse de chlore. En un second temps l'évolution du système de corrosion développé en milieu marin a été suivi lors des étapes constituant un traitement de déchloruration : l'étape de traitement à proprement parlé qui consiste en la circulation d'une solution de NaOH aérée ou désaérée, l'étape de lavage puis l'étape de séchage. Ce second axe s'est déroulé en deux temps. Tout d'abord le suivi in situ de l'évolution de la couche de corrosion lors de l'étape de traitement a été réalisé sous rayonnement synchrotron par diffraction des rayons X. Puis le système de corrosion a été caractérisé à l'ssu des étapes de lavage et de séchage. Ainsi le comportement de la couche de corrosion a pu être appréhendée et une meilleure compréhension des mécanismes de déchloruration proposée. Les objectifs de cette étude sont d'une part de suivre in situ l'évolution du faciès de corrosion d'objets archéologiques lors d'un traitement en solution aérée d'hydroxyde de sodium (NaOH) et d'autre part de caractériser le faciès de corrosion après lavage et séchage de l'objet (…) / The excavation of archaeological iron artefacts are accompanied by degradation if they are not readily stored in an inert atmosphere or treated. In the case of artifacts from underwater excavations, the presence of chlorinated volatile corrosion products on contact with air accelerates the recovery of corrosion phenomena. To limit this degradation and stabilize the object, it is necessary to remove chloride ions trapped in the corrosion pattern. Various dechlorination treatments have been developed by conservation workshops (immersion in alkaline solutions, cathodic polarization, hydrogen plasma, subcritical fluid ...). Despite a genuine efficiency, these treatments need to be optimized (processing time, reliability, reproducibility ...) by a better understanding of dechlorination mechanisms (structural evolution of corrosion pattern during treatment, transport phenomena in the layer, kinetics of extraction of chlorides ...). The objectives of this study are multiple. At first the detailed characterization of the corrosion pattern developed in the marine environment and then when it was abandoned in air was performed using multiscale techniques on an experimental corpus consists of wrought iron ingots from Gallo-Roman ships discoveries off the Saintes-Maries-de-la-Mer (Bouches-du-Rhone, France) submerged for over 2000 years. In particular it was shown that the corrosion pattern of an freshly excavated object is mainly composed of the ferrous hydroxychloride β-Fe2(OH)3Cl, chlorinated phase containing about 20 wt% chlorine. In a second time the evolution of the corrosion pattern was followed during the treatment steps constituting dechlorination: the step of processing, strictly speaking, which consists of the circulation of a NaOH solution aerated or deaerated, step then washing the drying step. The second axis was conducted in two stages. First, the in situ monitoring of the corrosion layer's evolution in the step of processing was carried out under synchrotron radiation by X-ray diffraction coupled to the determination of chloride ions in solution extracts. Then the corrosion pattern was characterized ex situ, elementarily and structurally, from the steps of washing and drying. The whole data allowed us firstly to refine processes structural evolution of the corrosion layer at each stage and also discuss models of chloride extraction proposed in the literature

La mise au jour du mobilier archéologique ferreux s'accompagne de dégradations si ce dernier n'est pas rapidement stocké en atmosphère inerte ou traité. Dans le cas des objets provenant de fouilles sous-marines, la présence de produits de corrosion chlorurés instables au contact de l'air accélère les phénomènes de reprise de corrosion. Afin de limiter ces dégradations et de stabiliser l'objet, il est nécessaire d'extraire les ions chlorure piégés au sein du système de corrosion. Divers traitements de déchloruration ont été développés par les ateliers de conservation (immersion dans des solutions alcalines, polarisation cathodique, plasma d'hydrogène, fluide subcritique...). Ces traitements ont une efficacité certaine mais une meilleure compréhension des mécanismes de déchloruration (évolution des phases chlorurées durant le traitement, phénomènes de transport dans la couche, cinétiques d'extractions des chlorures...) permettrait de les optimiser (temps de traitement, fiabilité, reproductibilité...). Les objectifs de cette thèse sont multiples. En un premier temps la caractérisation fine du système de corrosion développé en milieu marin puis lors de son abandon à l'air a été réalisée à l'aide de techniques multi-échelles sur un corpus expérimental composé de lingots en fer forgé provenant de frégates gallo-romaines découvertes au large des Saintes-Maries-de-la-Mer (Bouches-du-Rhône, France) immergées durant 2000 ans. Il a notamment été mis en évidence que ce faciès de corrosion est principalement composé d'hydroxychlorure de fer (β-Fe2(OH)3Cl), phase chlorurée contenant près de 20% en masse de chlore. En un second temps l'évolution du système de corrosion développé en milieu marin a été suivi lors des étapes constituant un traitement de déchloruration : l'étape de traitement à proprement parlé qui consiste en la circulation d'une solution de NaOH aérée ou désaérée, l'étape de lavage puis l'étape de séchage. Ce second axe s'est déroulé en deux temps. Tout d'abord le suivi in situ de l'évolution de la couche de corrosion lors de l'étape de traitement a été réalisé sous rayonnement synchrotron par diffraction des rayons X. Puis le système de corrosion a été caractérisé à l'ssu des étapes de lavage et de séchage. Ainsi le comportement de la couche de corrosion a pu être appréhendée et une meilleure compréhension des mécanismes de déchloruration proposée. Les objectifs de cette étude sont d'une part de suivre in situ l'évolution du faciès de corrosion d'objets archéologiques lors d'un traitement en solution aérée d'hydroxyde de sodium (NaOH) et d'autre part de caractériser le faciès de corrosion après lavage et séchage de l'objet (...)

La corrosion des armatures est reconnue comme la première cause de dégradation des structures en béton armé dans les domaines du génie civil et des monuments historiques. La corrosion peut survenir lorsque le béton d'enrobage est carbonaté ou lorsque les ions chlorure sont présents en quantité suffisante au niveau de l'armature.Les objectifs de cette thèse visent à appréhender les processus de corrosion des armatures lorsque le béton est doublement contaminé (carbonatation et ions chlorure) et d'évaluer une solution de réparation de type traitement électrochimique d’extraction des ions chlorure (ECE).Pour répondre à ces objectifs, trois phases ont été programmées : (1) des vieillissements artificiels, (2) un traitement ECE et (3) un suivi de la durabilité du traitement. Pour chacune de ces phases, les évolutions (1) de la corrosion des armatures dans le béton, (2) des produits de corrosion à l'interface armature/béton et (3) de la matrice cimentaire ont été investiguées. L'approche scientifique de l'étude, avec des analyses multiples d'observations à différentes échelles et l'utilisation de techniques non destructives, destructives ou in situ, a permis de rendre compte des processus de corrosion avant et après traitement et de discuter les résultats en fonction de critères d'efficacité proposés.L'étude a été réalisée en prenant en compte deux ciments (CEM I et CEM III/A) et en considérant deux modes de vieillissements artificiels. Trois cent vingt éprouvettes en micro-béton armé répondant à quatre formulations ont ainsi été étudiées. Les techniques principales utilisées sont des caractérisations électrochimiques non destructives, des caractérisations au MEB et EDS, des analyses destructives de déterminations quantitative pour la teneur en ions chlorure et qualitative pour l'évaluation du pH et enfin la microspectrométrie Raman qui permet de déterminer la nature des produits de corrosion in situ.L’exploitation de l’ensemble des résultats a mis en évidence l’évolution des caractéristiques étudiées au cours des phases de l’étude. Avant traitement, l'enrobage béton était entièrement carbonaté et la teneur en ions chlorure libres au voisinage de l'armature était comprise entre 0,9 et 2,1% par rapport à la masse de ciment en fonction des formulations. Les courants de corrosion étaient de l’ordre de 10 µA/cm² et une épaisseur de corrosion homogène de l’ordre de 5-10 µm était observée. Lors des analyses Raman in situ, de la rouille verte chlorurée a été identifiée, synonyme de corrosion active. Après traitement, plus de 90% des ions chlorure ont été extraits et le pH du béton au voisinage de l'armature a augmenté (pH>9) sur une épaisseur d’environ 1 cm. Les courants de corrosion sont devenus inférieurs à 0,1 µA/cm² (niveau de corrosion négligeable). La formation de magnétite a majoritairement été observée avec néanmoins la présence résiduelle très locale de rouille verte. Aucune évolution délétère significative de la matrice cimentaire n’a été identifiée. L’efficacité du traitement a donc été démontrée. L'évaluation de la durabilité du traitement sur une période de 4 à 12 mois a montré que les caractéristiques électrochimiques restaient stables. En revanche, la diminution de l'épaisseur de béton dont le pH avait augmenté pour les éprouvettes fabriquées avec le ciment CEM III/A peut laisser craindre une reprise de corrosion sur du plus long terme. Enfin, le suivi Raman in situ, montre des différences de la durabilité en fonction de la durée du traitement / Reinforcement corrosion is known as the first cause of reinforced concrete degradation in the fields of civil engineering structures and historical monuments. Corrosion occurs when concrete cover is carbonated or when chloride ions are present in sufficient quantity at the reinforcement vicinity.The main objectives of this thesis are to investigate the corrosion processes of the reinforcement when the concrete is contaminated by carbonation as well as chloride ions and to evaluate a cathodic electrochemical treatment as a repair solution.To meet these objectives, three phases were investigated: (1) artificial agings, (2) an electrochemical chloride extraction (ECE) treatment and (3) durability. For each of these phases, the evolutions (1) of the rebar corrosion in concrete, (2) of the corrosion products at the reinforcement/concrete interface and (3) of the cementitious matrix were studied.The scientific approach gathered multiple analyzes at different scales and the use of non-destructive, destructive or in situ technique. It allowed to study the corrosion processes before and after treatment and to discuss results according to efficiency criteria suggested.The study was carried out taking into account two cements (CEM I and CEM III/A) and considering two modes of artificial aging. More than three hundred specimens of reinforced micro-concrete, corresponding to four concrete designs, were therefore studied. The main techniques used were non-destructive electrochemical characterizations, SEM and EDS characterizations, destructive quantitative determinations (chloride ion content) and qualitative determinations (pH evaluation), and finally Raman microspectrometry to determine the nature of the corrosion products.The results highlighted some evolutions of different characteristics studied during the phases of the study. Before treatment, the concrete cover was entirely carbonated and the free chloride content at the reinforcement level was in the range of 0.9-2.1% by weight of cement depending on the concrete design. A 10 μA/cm² average corrosion currents was reported and a homogeneous corrosion layer thickness of about 5-10 μm was observed. During in situ Raman analysis, chloride green rust was identified indicating an active corrosion.After treatment, more than 90% of the chloride ions were extracted and the thickness of the concrete which had a pH value higher than 9 around the reinforcement, was about 1 cm. The corrosion currents became less than 0.1 μA/cm² (negligible corrosion level). The formation of magnetite was mostly observed with nevertheless a local presence of residual green rust. No significant deleterious evolution of the cementitious matrix was identified. The treatment efficiency was therefore demonstrated. The evaluation of the treatment durability over a period of 4 to 12 months showed that the electrochemical characteristics remained stable. On the other hand, a decrease in the concrete area which pH increased during the electrochemical treatment was observed for CEM III/A cement which could lead to a corrosion recovery over the longer term. Finally, the in situ Raman study revealed differences in durability as a function of the treatment duration