Techniques de contrôle non destructif du béton

Techniques de Contrôle Non Destructif du béton

Les circonstances de dégradation du béton exposées ici occasionnent une diminution conséquente de la durée de vie des structures en béton armé. Il devient dès lors indispensable de contrôler l’état du béton des structures, ainsi que l’interface entre le béton et ses armatures pour déclencher des processus de maintenance et/ou prévoir une durée de vie résiduelle des ouvrages. Il existe des méthodes de laboratoire permettant de déterminer la profondeur de béton d’enrobage attaquée par les agents extérieurs cités précédemment. Un indicateur coloré (la phénolphtaléine dans l’immense majorité des cas) permet par exemple de savoir quelle partie du béton est encore très alcaline (et donc à priori intacte) et quelle partie est plus acide que le pH du milieu interstitiel normal (ce qui indique des réactions défavorables à la tenue du béton). Malheureusement, non seulement ces techniques ne permettent pas de localiser les défauts, mais en plus elles nécessitent le carottage du béton de la structure elle-même afin de pouvoir l’analyser par la suite. Une telle démarche n’étant pas envisageable si l’on souhaite assurer la pérennité de la structure et non l’aggraver, des méthodes de contrôle non destructif ont été proposées au cours des dernières décennies. Ces méthodes ont différents objectifs : certaines méthodes permettent de caractériser le béton (sa porosité, sa perméabilité, son module d’élasticité, sa teneur en eau), d’autres permettent de détecter des défauts (les fissures, la microfissuration, les zones délaminées, les poches d’air).

Différentes échelles de la structure peuvent être examinées par ces méthodes non destructives, c’est pourquoi nous allons les aborder successivement, en commençant par les méthodes permettant d’analyser l’état de surface de la paroi d’une structure, en poursuivant avec les méthodes permettant de détecter et localiser les armatures d’acier présentes généralement au niveau de la peau du béton, en continuant avec les méthodes permettant de caractériser l’état hydrique du béton, puis en terminant avec une présentation des différentes méthodes acoustiques existantes.

Méthodes CND : informations sur l’état de surface

Ces méthodes permettent de détecter des défauts ou anomalies visibles sur l’une des faces d’une structure. Certains défauts détectables en surface sont les signatures d’un développement du défaut beaucoup plus important au sein même du matériau, et alertent sur la durée de vie d’un ouvrage. C’est pourquoi l’une des premières étapes d’auscultation d’ouvrage est en principe l’inspection visuelle de la surface. Une première observation générale de la surface doit pouvoir permettre de détecter des variations dans la topographie de la surface auscultée, pouvant par exemple indiquer un déficit de matière. On peut également détecter visuellement des anomalies de couleur du matériau, comme l’apparition d’une couleur rouille, pouvant indiquer un état de corrosion avancé des armatures les plus proches du point d’inspection. Il est aussi possible de détecter la présence d’une fissure en surface, et de constater sa largeur par exemple.

De manière générale, l’inspection visuelle est utile pour repérer des singularités assez grossières présentes à la surface. Si l’on souhaite connaître les irrégularités de la surface avec plus de précision, il existe d’autres méthodes plus complexes.

La thermographie infrarouge (Larget – 2011) se base sur une imagerie de la surface fait à partir du rayonnement infrarouge de cette surface. Seul un dispositif d’imagerie infrarouge est nécessaire. Un matériau uniforme doit donner une image uniforme, tandis qu’un matériau présentant des défauts directement en surface ou dans une couche de faible épaisseur sous la surface doit donner une image présentant des disparités, dans la mesure où le flux thermique à l’intérieur du matériau sera altéré par les défauts . Utilisée dans les conditions citées, la méthode sera dite passive. On peut également utiliser la thermographie infrarouge active en utilisant une source de chaleur qui va exciter thermiquement le matériau. Une imagerie de la variation relative de rayonnement infrarouge permet ensuite de détecter les défauts avec une plus grande précision que la méthode passive.

Une autre méthode d’inspection de surface existe : le contrôle par ressuage. Cette méthode est cependant spécifique à la détection de fissures débouchant en surface. Pour cela, on applique un produit appelé produit pénétrant sur toute la surface que l’on souhaite ausculter. On nettoie ensuite la surface afin de se débarrasser du produit qui n’a pas pénétré, puis on applique un révélateur, qui est la plupart du temps une poudre, afin de ne laisser visible que les endroits où le produit a pénétré, permettant ainsi de localiser les fissures débouchantes. Le produit pénétrant utilisé est généralement un produit pétrolier, coloré ou fluorescent suivant que l’on observe la surface sous lumière naturelle ou sous lumière ultraviolette.

Méthodes CND : informations sur les armatures d’acier

Ces méthodes permettent d’obtenir des informations sur l’emplacement des armatures par rapport à la surface, ainsi que la profondeur à laquelle elles sont implantées. Quand bien même ces méthodes ne sont pas considérées comme étant du contrôle non destructif (car donnant uniquement une information sur l’emplacement d’armatures au sein du béton), elles donnent des informations importantes menant au contrôle non destructif avec d’autres méthodes CND.

Le pachomètre est une méthode électromagnétique qui rend accessible l’ensemble de ces informations. Un champ magnétique de basse fréquence variable dans le temps est appliqué à une bobine électromagnétique. Cette bobine est placée sur la surface de béton et est déplacée afin de balayer toute la surface. Lorsqu’elle passe au-dessus d’un matériau conducteur tel qu’une armature, des courants de Foucault sont créés par induction. Ces courants vont eux-mêmes générer un champ magnétique opposé au champ magnétique à l’origine de ces courants. La bobine émettrice va mesurer la variation de champ magnétique et ainsi identifier l’armature. Divers paramètres issus de la variation du champ magnétique mesuré permettent de connaître le diamètre de l’armature et sa profondeur d’implantation. Une autre méthode plutôt polyvalente est l’utilisation de systèmes radars (GPR). Un radar est le plus souvent composé d’une antenne émettrice et d’une antenne réceptrice, même si parfois une antenne joue les 2 rôles.

Ces antennes émettent et reçoivent des ondes électromagnétiques, qui se propagent dans le milieu que l’on souhaite ausculter. Au cours de leur propagation, ces ondes s’atténuent suivant que le milieu qu’elles traversent est plus ou moins atténuant pour ces ondes, et elles se réfléchissent également quand elles rencontrent des obstacles. La permittivité diélectrique d’un matériau est sa capacité à se laisser traverser par un champ électrique. Ainsi quand une onde électromagnétique traverse un milieu, c’est ce paramètre qui déterminera, par exemple, l’atténuation de l’amplitude de l’onde (hors dispersion spatiale de l’onde). De plus, lorsqu’une onde électromagnétique rencontre une interface et que les 2 milieux la composant possèdent des permittivités très différentes, l’onde est réfléchie. L’onde sera également réfléchie si elle rencontre un matériau conducteur.

Ainsi le béton ayant une permittivité relative comprise entre 10 et 20 (suivant son taux d’humidité) et celle de l’air valant 1,0006, l’interface entre le béton et l’air provoque une réflexion de l’onde, de même que l’interface entre le béton et l’acier d’une armature. Ce paramètre affecte également la vitesse de propagation de l’onde, dans la mesure où plus la permittivité relative est élevée, moins l’onde est rapide. L’exploitation de cette propriété permet ainsi de détecter des armatures d’acier et de déterminer leur profondeur d’implantation. Cette technique est bien maîtrisée et est beaucoup employée comme technique CND pour ces usages.

Des ondes électromagnétiques de très hautes fréquences (rayons X ou rayons gamma) peuvent également être utilisées dans le cadre de la radiographie . Ces ondes sont générées par une source (dont on fait changer le niveau d’énergie de ses électrons pour générer les ondes), traversent le matériau à ausculter et sont réceptionnées par un film photographique (sensible aux rayonnements X ou gamma) ou par des technologies plus récentes telles que les écrans radio luminescents à mémoire ou les capteurs plans. Cette technique fera apparaître l’emplacement des armatures d’acier sur l’écran récepteur. Elle nécessite cependant d’avoir accès à chaque face de l’élément que l’on souhaite ausculter.

Méthodes CND : informations sur l’état hydrique du matériau

La détection des gradients d’eau présents dans le béton peut être très utile pour le contrôle des structures, car les zones les plus saturées sont les zones dans lesquelles les ions ont le plus de facilité à circuler, et ainsi à provoquer la corrosion. L’indication d’une forte teneur en eau peut également être le signe d’une porosité plus importante et de la présence de microfissuration. La méthode radar citée précédemment est sensible à la teneur en eau par le fait que la permittivité diélectrique l’est, comme le montre le graphe de la figure I-6. Une méthode capacitive existe et, bien que de courte portée, permet d’identifier de tels gradients. Elle repose sur le principe de la mesure de la permittivité diélectrique par l’intermédiaire de la fréquence de résonance d’un circuit oscillant. Le circuit est composé de 2 électrodes placées sur la surface à ausculter, plus ou moins espacées selon que l’on souhaite avoir des informations à plus ou moins grande profondeur, ainsi que le béton qui agit comme conducteur. Cette fréquence de résonance va dépendre de plusieurs facteurs mais elle sera particulièrement sensible à la teneur en eau libre, dans la mesure où la conductivité de l’eau dépasse largement la conductivité de la plupart des constituants du béton, d’autant plus que l’eau présente au contact du béton peut être particulièrement chargée en ions.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Contexte et solution technique adoptée
I.1 Introduction – Pathologies du béton
I.2 Techniques de Contrôle Non Destructif du béton
I.2.1 Méthodes CND : informations sur l’état de surface
I.2.2 Méthodes CND : informations sur les armatures d’acier
I.2.3 Méthodes CND : informations sur l’état hydrique du matériau
I.2.4 Méthodes CND fondées sur l’utilisation des ondes acoustiques
I.3 Généralité sur les ondes acoustiques utilisées
I.3.1 Ondes acoustiques (mécaniques)
I.3.2 Dispersion des ondes de surface
I.3.3 Ondes de plaque
I.4 Solution technique proposée : Scanners à ondes de surface
I.4.1 Principe de fonctionnement du scanner à onde de surfaces hautes fréquences
I.4.2 Déroulement d’une mesure
I.4.3 Forme des signaux utilisés : technique « chirp »
I.4.4 Traitement des données
I.4.5 Solution technique proposée : le scanner à ondes de surface basses fréquences
I.6 Conclusions et contenu de la thèse
Annexes Chapitre I
Références bibliographiques Chapitre I
Chapitre II Détection et caractérisation d’un front de lixiviation
II.1 Introduction
II.2 Démarche expérimentale
II.2.1 Description des échantillons et du matériel utilisés
II.2.2 Protocole expérimental
II.2.3 Description de la campagne expérimentale
II.2.3.1 Indicateur de pH : la phénolphtaléine
II.2.3.2 Perméabilité au gaz – Cellule de perméabilité
II.2.3.3 Module élastique local – Dispositif de micro-indentation
II.2.3.4 Mesure acoustique à l’aide du scanner hautes fréquences
II.3 Présentation des résultats obtenus
II.3.1 Résultats de l’observation visuelle après utilisation de phénolphtaléine
II.3.2 Résultats des mesures de microindentation sur tranches issues de carottages
II.3.3 Résultats des mesures de perméabilité à l’argon sur tranches issues de carottages
II.3.4 Résultats des mesures acoustiques sur dalles lixiviées
II.3.4.1 Résultats sur les vitesses de phase de l’onde de surface
II.3.4.2 Identification de la couche lixivée par l’inversion de la caractéristique de dispersion
II.3.4.3 Résultats sur l’atténuation de l’onde de surface
II.4 Conclusion
Annexes Chapitre II
Références bibliographiques Chapitre II
Chapitre III Identification d’une zone délaminée dans un béton
III.1 Introduction
III.2 Démarche expérimentale
III.2.1 Préparation des échantillons avec la délamination artificielle
III.2.2 Protocole des mesures acoustiques
III.3 Résultats
III.3.1 Interprétation des résultats
III.3.2 Première série de dalles
III.3.3 Deuxième série de dalles
III.3.4 Troisième série de dalles
III.4 Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion générale

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