Influence de la fréquence sur la mesure électrique dans les matériaux poreux

Influence de la fréquence sur la mesure électrique dans les matériaux poreux

Domaines d’applications

De nombreux travaux, connus aujourd’hui, sont basés sur la mesure de la résistivité électrique ou de la conductivité électrique, que ce soit pour des sols ou des matériaux à base de ciment.
Il est bien connu que de nombreux paramètres, tels que la composition du liquide interstitiel et sa concentration, la porosité, le niveau de saturation,la minéralogie (dimension et la forme des particules), la structure interne (distribution de pores, de la forme des pores et le degré de cimentation) et la température, peut affecter la résistivité d’un système saturé (Tumidajski, Schumacher et col. 1996; Chrisp, Starrs et col. 2001; Friedman et Jones, 2001; Neithalath, 2007; Khalil et Santos, 2009).
Beaucoup de recherche se concentre sur l’utilisation de la résistivité pour surveiller la corrosion des armatures et quantifier le seuil critique de la quantité de chlorure permettant de déclencher la corrosion sur le béton armé (Poupard, Aït-Mokhtar et col. 2003; Poupard, Aıt- Mokhtar et col. 2004). Dans la même thématique, (Neithalath, 2007) a utilisé ce paramètre pour le suivi de la vitesse de corrosion des armatures dans le béton armé. La CE a été utilisée pour suivre l’évolution de la concentration des chlorures dans la zone d’enrobage des ouvrages en béton (McCarter, Chrisp et col. 2005). Un tableau empirique a été présenté par beaucoup d’auteurs, notamment (McCarter, Chrisp et col. 2005; Bungey, Grantham et col.
2006), mais aussi J.F. Lataste dans l’ouvrage de (Breysse, 2012), qui donne une estimation approximative de la probabilité du taux de corrosion dans le béton armé d’après les valeurs de résistivité ou bien de conductivité électrique mesurée (tableau 1.5).
La conductivité a également été utilisée dans le contrôle de la qualité et la résistance des bétons (McCarter et Starrs, 1997; McCarter, Chrisp et col. 2005), la quantification de la
stabilité des bétons autoplaçants (Mesbah, Yahia et col. 2011), le suivi du processus d’hydratation des ciments à jeûne âge (Neithalath, Persun et col. 2010b), l’évaluation de la salinité et du taux de rendement des sols (Corwin et Lesch, 2005; Friedman, 2005).
La CE a permis aussi la détermination de paramètres de transport du type perméabilité ou coefficient de diffusion (Neithalath, Persun et col. 2010b; Neithalath et Jain, 2010a; Akhavan et Rajabipou,r 2013; Bezzar et Ghomari, 2013). (Wang, Gong et col. 2014) se sont focalisés sur le contrôle de l’effet des températures en utilisant la résistivité sur le béton y compris les cycles de gel-dégel pour mieux comprendre l’impact de ce phénomène sur la dégradation des structures en béton armé.

Avantages et inconvénients

La méthode de la résistivité a montré, d’après ces applications, de nombreux avantages dans la quantification des caractéristiques physico-chimiques des milieux poreux tel que: porosité, tortuosité, coefficient de diffusion…) mais aussi des avantages par rapport à la technique ellemême
dans son utilisation, sa mise en place ou encore l’interprétation des résultats obtenus à partir de ces mesure électriques.
La résistivité du béton est connue pour être influencée par de nombreux facteurs, dont humidité et la teneur en sel, de la température ainsi que les proportions du mélange et le rapport E/C. Parmi les inconvénients de cette méthode :
La présence des armatures en acier à proximité de l’emplacement de la mesure, entraînera une sous-estimation de l’évaluation de la résistivité du béton. La présence de couches de surface en raison de la carbonatation ou la surface de mouillage peut entraîner une sous-estimation significative ou une surestimation de la résistivité du béton.
Prendre des mesures de résistivité sur une section très petite ou près d’un bord de l’échantillon peut donner lieu à une surestimation de la résistivité réelle. Les mesures de résistivité sont fortement influencées par le paramètre température qui fluctue dans le temps (Bungey, Grantham et col. 2006).

La thermographie infrarouge

Introduction

La thermographie infrarouge est une technique de détection non destructive à distance, qui s’est avérée être une méthode efficace, pratique et économique dans les tests sur le béton. Les méthodes d’auscultation par thermographie infrarouge peuvent être classifiées en deux catégories:
• Les méthodes passives, pour lesquelles aucune source de chaleur artificielle supplémentaire n’est utilisée pour effectuer l’auscultation.
• Les méthodes actives, pour lesquelles la diffusion de chaleur est provoquée par des moyens artificiels mis en place pour mener à bien l’auscultation (Defer et Maierhofer, 2012).

Principe et théorie

Le système de balayage thermographique infrarouge permet de mesurer uniquement des températures de surface. Cependant, cette température est affectée par plusieurs facteurs: tout d’abord, la source de chaleur qui doit être peu couteuse et capable de donner à la surface du corps à tester, en l’occurrence le béton, une répartition uniforme de la chaleur (le soleil répond parfaitement à ces deux exigences).
Pour utiliser la thermographie infrarouge, la chaleur doit s’écouler à travers le béton sans pour autant tenir compte de la direction dans laquelle s’écoule le flux qui importe peu ou pas. Le deuxième facteur important à considérer est l’état de surface de la zone de test. Cet état a un effet profond sur la capacité de la surface à transférer l’énergie par rayonnement ; cette capacité d’un matériau à émettre de l’énergie est mesurée par l’émissivité du matériau.
D’une façon générale, la plupart des corps sont de bons émetteurs de rayonnement thermique, c’est-à-dire qu’ils rayonnent facilement de la chaleur sous forme d’énergie radiante infrarouge.
L’émissivité d’un corps mesure son aptitude à émettre un rayonnement thermique. La majorité des matériaux de construction ont par exemple une émissivité de 0,9 environ (tableau 1.6), ce qui signifie qu’ils rayonnent 90% du maximum théorique d’énergie radiante correspondant à une température donnée (Mazria, 1979).
Le dernier facteur qui affecte la mesure de la température d’une surface de béton est l’environnement qui entoure cette surface. Différents paramètres sont à prendre en considération : le rayonnement solaire, la couverture nuageuse, la température ambiante, la vitesse du vent et l’humidité de surface (Weil, 2004).
Planck affirme que tous les objets dont la température est supérieure à zéro, émettent un rayonnement infrarouge (figure 1.11). Cependant, ce rayonnement ne devient visible pour
l’homme qu’à une température supérieur à 500° C.
Un équipement de surveillance infrarouge a été développé (figure 1.12) permettant de détecter l’émission infrarouge et de la visualiser sous forme d’image. La gamme sensible de l’appareil se situe entre 2 – 14 m, pour une température comprise entre 40 – 2000°C. La gamme à utiliser est de 2 – 5,6 m, et pour une température entre –20° C et des températures ambiantes la gamme est de 8 – 14 m. (Defer et Maierhofer 2012) quant à eux disent que le rayonnement infrarouge couvre la gamme spectrale de 0,78 – 1000 m ; mais pour une application standard dans la thermographie infrarouge, la gamme 1,5 – 14 m est utilisée.

Quelques applications de la méthode

La thermographie infrarouge, qui a été utilisée avec succès aux Etats-Unis dans les applications de génie civil, est de plus en plus appliquée en Europe comme une technique non destructive. L’utilisation fréquente et le développement de cette méthode en ont fait un critère de choix pour l’évaluation de l’isolation thermique des bâtiments.
L’utilisation de la thermographie infrarouge trouve diverses applications dans le génie civil notamment dans : les tabliers de pont en béton, voies de circulation des aéroports, revêtements défectueux sur les bâtiments, perte d’énergie dans les bâtiments (Bin Ibrahim, Bin Ismail et col. 2002).
On peut citer d’autres travaux basés sur l’emploi de cette technique comme : l’identification des zones détachées les unes des autres (délaminées), dans une structure en béton mais aussi étudier la structure interne d’un pont en maçonnerie (Grinzato, Vavilov et col. 1998; Balaras et Argiriou, 2002; Clark, McCann et col. 2003), évaluer et mesurer des flux thermiques dus au phénomène de convection (Carlomagno et Cardone, 2010) et déterminer le coefficient de transfert thermique dans les couches de revêtement des bâtiments (Fokaides et Kalogirou, 2011).
(Theodorakeas, Avdelidis et col. 2014) ont montré expérimentalement et numériquement l’effet du potentiel de refroidissement thermographique dans la caractérisation quantitative des couches de mosaïque en plâtre situées sous différentes couches de couverture en mortier.
De plus, la thermographie infrarouge peut être appliquée comme outil pour le diagnostic précoce des détachements et décollements des couches de plâtre sur les façades des bâtiments (de Freitas, de Freitas et col. 2014).

Avantages et limites

Hormis le principal avantage de la thermographie infrarouge qui se trouve être le caractère non destructif permettant de conserver l’intégrité de la structure auscultée, cette technique présente de nombreux autres avantages, l’équipement est sans danger et totalement sûr car il n’émet aucun rayonnement. Il enregistre uniquement un rayonnement thermique naturellement émis à partir du béton, il présente aussi une large capacité d’évaluation puisqu’une caméra infrarouge est capable de contrôler simultanément la température en plusieurs points à l’intérieur d’une même zone thermique.
L’avantage final et, sans doute, principal de l’auscultation infrarouge est la possibilité de traiter une grande surface, contrairement aux autres méthodes non destructives qui sont pour la plupart ponctuelles ou linéaires. Ainsi, la thermographie infrarouge est capable de former une image en deux dimensions de la surface d’essai, montrant l’étendue des anomalies internes.
Il existe malgré tout, quelques limites ou inconvénients à cette méthode. Tout d’abord, il n’est pas possible de déterminer la profondeur ou l’épaisseur d’un vide. Il faut aussi tenir compte de l’effet de l’état de surface car la caméra infrarouge enregistre un rayonnement provenant d’une surface, ce qui veut dire que la mesure est très sensible à sa qualité. Il est donc recommandé de la nettoyer de tout élément indésirable. Enfin, il n’est pas recommandé d’effectuer des mesures par temps de pluie, sous un vent fort ou encore dans un ouvrage ventilé. Un vent fort peut entrainer des mouvements de convection au dessus de la surface d’un matériau et ainsi diminuer sa température (Bin Ibrahim, Bin Ismail et col. 2002; Bungey, Grantham et col. 2006; Defer et Maierhofer 2012; de Freitas, de Freitas et col. 2014). 1.9

Radiographie

Introduction

L’utilisation de la radiographie aux rayons X ou bien gamma sur les bétons s’est développée très lentement. Les premiers travaux dans ce domaine ont été réalisés en 1949 par (Mullins et Pearson), qui ont utilisé les rayons X pour montrer les variations de densité dans le béton ; mais aussi la localisation des barres d’acier. Une autre étude en 1979, s’est consacrée à l’étude sur la contrainte d’adhérence sur poutres en béton précontraint (Mitchell, 2004). Les méthodes radioactives se sont développées de façon constante au cours des dernières années, et bien que généralement coûteuse avec d’importantes questions de sécurité qui la rendent plus appropriée aux conditions de laboratoire, leurs applications sur le terrain se multiplient. Elles peuvent être utilisées dans l’évaluation des ponts en béton précontraint afin d’établir l’emplacement et l’état des câbles de précontrainte, le contrôle de la qualité de jointoiement du béton ainsi que la localisation et l’étendue des vides dans le béton.

Principe de la méthode

La radiographie en génie civil peut concerner un grand nombre de structures. Théoriquement, les limites sont uniquement liées à la profondeur de pénétration des rayons et à la vitesse d’exposition de l’émetteur. Elle peut être utilisée sur le béton armé ou précontraint, la pierre,le mortier et l’acier. Etant une technique de transmission, il est donc nécessaire d’accéder aux deux faces opposées de la structure. Une face est mise en évidence par la source et le film sensible est placé sur l’autre face (Bungey, Grantham et col. 2006).
En radiographie, le rayonnement est soit de rayons X ou rayon gamma. Les rayons gamma sont émis par une source artificielle (Cobalt 60 ou Iridium 192). La figure 1.13 illustre un exemple des sources citées (Balayssac, 2012). Dans le cas des rayons X, des accélérateurs sont utilisés pour obtenir une énergie plus élevée. Pour les applications habituelles, l’atténuation du rayonnement à travers le matériau est mesurée avec un film sensible situé sur la face opposée (figure 1.14) (Mitchell, 2004).
Généralement, la radiographie industrielle est en mesure d’observer: La présence de cavités à l’intérieur du béton, localisation de tendons, localisation de l’armature ainsi que le diamètre des barres d’armature, détection des câbles cassés dans certains cas.
La source radiographique est choisie en fonction du champ de l’enquête (taille de la cible, épaisseur de l’élément en béton, conditions de mise en oeuvre et de la radioprotection). Le poids de la source est lié à sa capacité de pénétration à travers le matériau. Le tableau 1.7 présente quelques exemples des caractéristiques des sources radioactives.
Pour les récepteurs, l’utilisation de films photographiques (émulsion) est très habituelle et les différentes catégories de films sont définies par les normes. Le film est toujours associé à un filtre et un écran de renforcement.
Le choix du film est fait en fonction de l’épaisseur de l’élément, la sensibilité requise ainsi que le temps d’exposition. La qualité d’image dépend de l’émetteur, la distance entre la source et le film, l’incidence des rayons, le type du film, l’écran de renfort et le filtre. La distance entre la source et le film photographique dépend de l’épaisseur de l’élément mesuré.

Avantages et limites

L’important avantage de cette technique est sans doute son large éventail d’application puisqu’elle peur être utilisée pour localiser la position des armatures dans le béton mais aussi estimer le diamètre ainsi que la profondeur à laquelle se trouvent ces armatures. Elle peut également révéler la présence de vides, les fissures et les matières étrangères ; elle reste très utilisée dans l’évaluation des constructions en béton précontraint.

Quelques inconvénients de la radiographie

Une section relativement épaisse nécessite une grande énergie et représente un réel danger pour la santé de l’utilisateur. Le matériel est assez lourd et lent à mettre en place, le coût est extrêmement élevé et la forme complexe des structures, peut rendre difficile l’accès aux deux faces pour effectuer l’auscultation (Bin Ibrahim, Bin Ismail et col. 2002; Mitchell 2004).

Conclusion

Chacune des méthodes, présentées dans ce chapitre, a ses propres caractéristiques selon le principe physique auquel elle obéit. Elles présentent donc toutes des avantages et des inconvénients tant au niveau de leurs sensibilités aux différents facteurs que de leur utilisation sur site, ces caractéristiques sont récapitulées dans le tableau 1.8.
Lors d’une auscultation non destructive d’une structure, le but est de caractériser une pathologie suspectée, pouvant être déclenchée par plusieurs phénomènes. La complexité et l’hétérogénéité du matériau béton ne rendent cette caractérisation que plus difficile, or toutes les méthodes n’offrent pas la possibilité de définir ces phénomène. Ainsi, le choix de la méthode à adopter se fait en premier lieu en fonction des phénomènes recherchés et des paramètres à quantifier. Le plan économique est aussi important lors du choix de la méthode non destructive.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I: METHODES NON DESTRUCTIVES
1.1 Introduction
1.2 Inspection visuelle
1.3 Scléromètre
1.3.1 Introduction
1.3.2 Principe du scléromètre
1.3.3 Application du scléromètre
1.3.4 Fiabilité et limites
1.4 Méthode de transmission ultrasonique
1.4.1 Introduction
1.4.2 Principe de l’ultrason
1.4.3 Corrélation avec les propriétés mécaniques
1.4.4 Domaines d’application
1.4.5 Avantages et inconvénients
1.5 Impact-écho
1.5.1 Introduction
1.5.2 Principe de l’essai
1.5.3 Applications de l’impact-écho
1.5.4 Limites de la méthode de l’impact-écho
1.6 La réflectométrie en domaine temporel
1.6.1 Introduction
1.6.2 Principe de la RDT
1.5.3 Applications
1.5.4 Avantages et inconvénients
1.7 Les méthodes électriques
1.7.1 Introduction
1.7.2 Principe de la méthode
1.7.3 Mesure de la résistivité électrique (RE)
1.7.4 Domaines d’applications
1.6.5 Avantages et inconvénients
1.8 La thermographie infrarouge
1.8.1 Introduction
1.8.2 Principe et théorie
1.8.3 Quelques applications de la méthode
1.8.4 Avantages et limites
1.9 Radiographie
1.9.1 Introduction
1.9.2 Principe de la méthode
1.9.3 Avantages et limites
1.10 Conclusion
CHAPITRE II : PROPRIETES PHYSICO-ELECTRIQUES DES MATERIAUX POREUX
2.1 Introduction
2.2 Conduction électrique dans les matériaux poreux
2.2.1 Introduction
2.2.2 Mesure des paramètres électriques des milieux poreux
2.3 Paramètres influençant la conductivité électrique dans les matériaux poreux
2.3.1 Effet de la fréquence
2.3.2 Effet de la température
2.3.3 Effet de la porosité
2.3.4 Effet de la concentration des chlorures
2.3.5 Effet du degré de saturation
2.2.6 Effet du rapport Eau/Ciment
2.2.7 Effet de la tortuosité
2.4 Phénomène de Diffusion dans les milieux poreux
2.4.1 Mesure du coefficient de diffusion
2.4.2 Détermination du profil de concentration
2.5 Conclusion
CHAPITRE III : PROTOCOLE EXPERIMENTAL
3.1 Introduction
3.2 Choix du circuit
3.3 Montage du circuit
3.4 Principe de la mesure
3.5 Calibrage du circuit (essais préliminaires)
3.6 Essais sur solutions salines en NaCl
3.6.1 Caractéristiques de la cellule
3.6.2 Choix du type d’électrodes
3.7 Détermination de la conductivité (CE)
3.8 Caractéristiques des matériaux utilisés
3.8.1 Billes de verre
3.8.2 Sables
3.8.3 Briques
3.8.4 Matériaux cimentaires
3.9 Influence de la fréquence
3.10 Essais de porosité
3.10.1 Porosité accessible à l’eau
3.10.2 Porosité accessible au mercure
3.11 Relation entre concentration des chlorures et CE
3.12 Essais de variation de la température
3.13 Essais de mesure de la tortuosité
3.14 Essais de diffusion
3.14.1 Préparation des cellules de diffusion
3.14.2 Essais de diffusion
3.15 Titration des chlorures
3.16 Conclusion
CHAPITRE IV : RESULTATS ET DISCUSSIONS
4.1 Introduction
4.2 Calibrage du circuit
4.2.1 Essais préliminaires
4.2.2 Influence de la fréquence
4.2.3 Influence de la tension Vpp
4.3 Essais sur solution et choix du type d’électrodes
4.4 Mesure de la conductivité électrique CE
4.5 Influence de la fréquence sur la mesure électrique dans les matériaux poreux
4.6 Mesure de la porosité
4.6.1 Porosité accessible à l’eau
4.6.2 Porosité accessible au mercure
4.7 Relation entre concentration et conductivité
4.8 Essais de variation de la température
4.9 Essais de mesure de la tortuosité
4.10 Essais de diffusion
4.11 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE

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