Caractérisation de l’endommagement du béton base polymère

Grace à ses qualités de durabilité, de résistance mécanique et environnementale, le matériau granulaire de type béton est aujourd’hui le matériau le plus utilisé dans le monde. Le matériau granulaire base polymère fait l’objet d’un intérêt croissant, du fait de sa large gamme d’applications possibles, notamment dans le génie civil. Les applications initiales du béton polymère, vers la fin des années 50, concernaient la production de revêtement de bâtiment, la confection de mortier pour sols industriels résistant aux agressions physiques ou chimiques, de revêtement antidérapant pour routes, d’enduit pour murs extérieurs (panneaux de granulats apparents, etc.) et de matériau de réfection pour des surfaces endommagées. Le béton polymère armé de fibres de verre, de carbone ou de bore sert à la fabrication de panneaux translucides.

En raison du coût généralement élevé des matériaux composites, un effort particulier est fait en direction d’une réduction des coûts de fabrication afin, d’optimiser les processus d’élaboration et les propriétés d’usage. Un autre point important est le comportement à long terme de ces matériaux. Un effort important a été fait ces dernières années pour prolonger la durée de vie des structures en matériaux composites et prévoir dans le cas échéant leur rupture. D’une façon générale, la durabilité de ces matériaux fortement hétérogènes et d’une grande complexité structurale n’est pas encore maîtrisée alors qu’elle est au cœur des problèmes de sécurité des grandes structures technologiques. Plus particulièrement, ces matériaux subissent au cours de leur fabrication et de leur vie plusieurs contraintes pouvant les fragiliser : elles sont soumises aux variations de température (contrainte-dilatation), à la corrosion, aux séismes, etc. La présence de l’endommagement dans ces structures pourrait conduire à des catastrophes écologiques. Les réparations post fabrication et après mise en fonctionnement, conduisent à des pertes financières importantes. Il est donc nécessaire de pouvoir contrôler ces pièces, de préférence, lors de leur fabrication mais aussi in situ afin, de dépister et de localiser la présence de l’endommagement sans détruire la pièce.

Les techniques de caractérisation non destructive du béton sont nombreuses et ne sont pas toutes sensibles aux mêmes paramètres. Parmi celles-ci, les techniques ultrasonores semblent être les plus adaptées. En effet, les mécanismes de propagation des ondes sont directement dépendants du milieu traversé et leur facilité de mise en œuvre sur les structures déjà existantes rend ces techniques particulièrement attractives pour des mesures in situ.

Béton cimentaire 

La fabrication du béton nécessite deux ingrédients de base : D’une part, les granulats, qui vont constituer le squelette granulaire et représentent environ les deux tiers du béton en volume. Ils sont considérés comme un renfort mécanique. D’autre part, la pâte de ciment considérée comme matrice, qui va coller ou consolider les granulats entre eux [TORR 14].
• Les granulats sont les plus gros constituants du béton et peuvent provenir de différentes roches inertes [DREU 98] (Silico-calcaires, basaltes, granites,…etc.). Ils représentent environ 50% en masse du béton complet. Ils peuvent être « roulés » (Granulats issus du lit des rivières) et avoir alors une forme arrondie ou « concassée» (issues des carrières) et avoir des formes angulaires. Leurs dimensions sont déterminées par criblage sur des tamis à mailles carrées. Classiquement, leur granulométrie peut varier de 5 mm à 20 mm voire plus [CHEK 08].
• Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme d’une poudre minérale fine s’hydratant en présence d’eau et forme une matrice solide qui lie les granulats entre eux. Il est formé d’une structure complexe poreuse, source d’échanges internes et externes.

Lorsqu’on s’intéresse à la microstructure (mélange de granulats et de pâte de ciment) d’un béton bien formulé , on observe un matériau relativement isotrope, dans le sens où il n’y a pas d’orientation privilégiée comme sur un matériau à fibre longues par exemple [CHAM 09].

Dès le début du processus de durcissement, des efforts internes sont induits par les propriétés mécaniques des différents granulats et de la matrice au cours de durcissement. Ces efforts internes favorisent l’apparition de ruptures internes que l’on peut qualifier de microfissures. Ces microfissures font partie intégrante de la structure interne des matériaux granulaires consolidés au même titre que les inclusions et les porosités [BERB 10].

Béton polymère 

Le béton polymère est constitué de charges minérales (granulat, sable, etc.) et d’un liant en polymère. On l’appelle aussi béton de résine synthétique ou béton de résine plastique. Avec le développement des nouvelles technologies de conception et de réalisation, l’heure est à la construction d’habitation à structures légères. C’est pourquoi, depuis plusieurs années, les bétons à base de granulats légers, connaissent un véritable regain d’intérêt à travers le monde [CISS 96, BERR 99, PATE 91, GAYE 01, KONG 82, MARM 95]. Beaucoup d’économies peuvent en résulter. En effet, le poids des structures en béton normal est très élevé comparé à la charge normale qu’elles peuvent supporter. Une réduction relativement modeste en poids peut assurer une économie considérable en argent et en main d’œuvre. Ces matériaux résistent bien à l’abrasion et possèdent une grande stabilité aux cycles gel-dégel. En outre, comme ils ont une plus grande résistance mécanique que le béton de ciment portland, ils concurrencent le béton conventionnel. La résistance aux agents chimiques et les caractéristiques mécaniques dépendent essentiellement de la nature du polymère utilisé et de la quantité de charge. Lorsque la charge est de sable, le composite obtenu est appelé mortier de résine. Parmi les autres matériaux de charge, on trouve : la pierre concassée, le gravier, le calcaire, la craie [BERB 10].

La caractérisation non destructive des matériaux granulaire, type béton, par propagation d’ondes ultrasonores permet d’accéder aux constantes élastiques voire, aux atténuations, pour caractériser l’état de santé du matériau granulaire.

Propriétés mécaniques non linéaires classiques

Physique mésoscopique

La propagation dans un milieu désordonné dans le régime de diffusion multiple peut elle même être décrite à trois niveaux ou échelles. Le premier, qui est aussi le plus familier, est le niveau macroscopique. A cette échelle, avec une bonne approximation, l’intensité associée à l’onde a un comportement diffusif interprété comme le résultat d’une marche au hasard. A l’opposé, à l’´echelle microscopique, le comportement de l’onde doit être entièrement décrit par son interaction avec les composantes élémentaires du milieu. A l’echelle mésoscopique, les diffuseurs ne sont pas étudiés de façon individuelle mais les interférences entre les chemins de diffusion sont prises en compte. Deux éléments entrent en jeu : la diffusion de l’onde par un diffuseur et la propagation entre deux diffuseurs [DOMI 08]. Dans ce travail, nous nous plaçons à l’échelle mésoscopique.

Endommagement 

L’endommagement du matériau granulaire consolidé induit une dégradation de ses propriétés mécaniques. Une telle dégradation peut conduire à des événements catastrophiques tels que l’effondrement de la structure (Fig1.2). Afin, de prévenir de telles catastrophes, des protocoles sont mis en œuvre lors des phases de conception (dimensionnement, choix des matériaux, etc.) et de fonctionnement (suivi de l’endommagement, consolidation, etc.) d’un ouvrage. Tous les secteurs utilisant des matériaux de structure, s’intéressent à la restriction des effets indésirables de l’endommagement. Les progrès, dans les domaines de la prévision de l’endommagement et dans la résistance à ce dernier, passent par une meilleure compréhension des mécanismes d’endommagement [CARM 09]. L’endommagement désigne les phénomènes de création de nouvelles surfaces au sein d’un matériau sous l’effet d’une sollicitation. Krajcinovic [KRAJ 00] définit l’endommagement comme une augmentation de la taille ou du nombre de fissures. Ceci engendre une dégradation des caractéristiques mécaniques du système qui mène à sa ruine.

Table des matières

Introduction générale
1. Matériaux & Endommagement
1. 1. Introduction
1. 2. Béton cimentaire
1. 3. Béton polymère
1. 4. Propriétés mécaniques linéaire
1. 5. Propriétés mécaniques non linéaires classiques
1. 5.1. Physique mésoscopique
1. 6. Endommagement
1. 6. 1. Mécanismes d’endommagement
1. 6.2. Essais mécaniques
6.2. 1. Comportement en compression uniaxial
6.2. 2. Comportement en traction
1. 7. Emission Acoustique
1. 7.1. Emission Acoustique discrète
1. 7.2. Emission Acoustique continue
1. 8. Méthode de détection de l’endommagement
Références bibliographiques
2. Méthodes de détection/dimensionnement/localisation
2. 1. Introduction
2. 2. Résonance Non Linéaire
2. 2. 1. Dynamique rapide
2. 2. 2. Dynamique lente
2. 3. Non linéarité classique
2. 3. 1. Définition des paramètres non linéaires classique
2. 3. 2. Non linéarité non classique
2. 3. 3. Définition des paramètres non linéaires hystérétiques
2. 4. Vibration en flexion d’une poutre encastrée-libre
2. 4.1. Equation des poutres
2. 4. Génération d’harmoniques
2. 5. Méthode SSM “Scaling Subtraction Method”
2. 5. Méthode d’interférométrie par onde de Coda
2. 5.1. Théorie de CODA
2. 6. Conclusion
Références bibliographie
3. Caractérisation de l’endommagement du béton base polymère
3. 1. Introduction
3. 2. Matériau et endommagement
3. 2. 1. Elaboration du béton polymère
3. 2. 2. Essai mécanique et endommagement du béton polymère
3. 3. Caractérisation de l’endommagement
3. 3. 1. Caractérisation de l’endommagement par résonance
3. 3. 2. Approche multimodale : motivée par le caractère localisé de l’endommagement.
3. 4. Dispositif expérimental
3. 4.1. Résultats
3. 4.1. 1. Dynamique rapide
3. 4.1. 2. Dynamique lente
3. 5. Caractérisation de l’endommagement par Interférométrie d’Ondes Coda (CWI)
3. 5.1. Approche classique
3. 5.1.1. Dispositif expérimental
3. 5. 1. 2. Coefficient de corrélation
3. 5. 3. Résultats
3. 6. Application simultanée de la CWI et de la résonance non linéaire pour la caractérisation de
l’endommagement
3. 7. CWI en présence d’une résonance non linéaire
3. 8. Localisation d’un défaut mésoscopique dans un béton base polymère
3. 8. 1. Dispositif expérimental pour mettre en évidence la résonance.
3. 8. 2. Résultats
3. 9. CWI en presence d’une résonance linéaire
3. 9. 1. Résultats et discussion
3. 10. Sensibilité des modes à l’endommagement
3. 11. Temps de relaxation et configuration expérimentale
3. 11. 1. Résultats
3. 12. Choix de la fréquence de la coda
3. 12. 1. Résultats expérimentaux
3. 13. Localisation de défaut
3. 13. 1. CWI simultanément avec la résonance linéaire
3. 13. 1. 1. Coefficient de décorrélation K
3. 14. Sensibilité de mode à caractériser le défaut
3. 15. Conclusion
Référence bibliographique
Conclusion générale

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