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Les méthodes électromAagnétiques
Le pachomètre
Le Pachomètre est utilisé pour la détection, la localisation et la détermination de la profondeur des armatures dans le béton et la maçonnerie. Il peut aussi être utilisé pour déterminer le diamètre des aciers de renforcement lorsque l’épaisseur de l’enrobage est connue. L’appareil applique un champ magnétique de basse fréquence à la surface du matériau, la présence d’acier perturbe le champ magnétique ce qui induit des courants de Foucault et ainsi une variation de tension aux bornes de la bobine d’induction qui est détectée et affichée par le dispositif. Le signal reçu diminue avec l’augmentation de la couche d’enrobage et il augmente lorsque le diamètre de l’acier est important (IAEA 2002).
Le radar
Un système radar est composé d’antennes émettrice et réceptrice dont le nombre peut varier suivant la configuration de mesures, d’une unité de commande, d’un dispositif de stockage et d’affichage des données. Ce dispositif peut émettre des impulsions électromagnétiques qui se propagent en s’atténuant dans les milieux, réceptionner et enregistrer les réflexions produites par les obstacles qu’elles rencontrent. L’enregistrement se fait pendant un intervalle de temps prédéfini par l’opérateur ce qui permet de constituer un radargramme représentant l’amplitude du signal reçu en fonction du temps. Pour convertir ce temps en profondeur, il est nécessaire de connaitre la vitesse de propagation des ondes EM dans le matériau investigué (ASTM D6432 – 11).
Il existe deux modes de configuration des antennes radar :
• La configuration bistatique (Figure 1.1.a): c’est la configuration la plus courante.
Deux antennes distinctes sont utilisées, l’une pour l’émission des ondes EM et l’autre pour la réception.
• La configuration monostatique (Figure 1.1.b) : utilisation d’une seule antenne qui aura pour fonction l’émission et la réception d’ondes EM, cette configuration étant toutefois de moins en moins utilisée.
Suivant l’application souhaitée, les antennes du radar sont de différentes natures :
• Antennes couplées à l’air (Figure 1.2.a) : celles-ci se trouvent à une certaine distance (élévation) de la surface du matériau à ausculter comme le sol ou la chaussée. Elles sont utilisées dans le cas d’investigation à très grand rendement.
• Antennes couplées au sol ou au matériau (Figure 1.2.b) : les antennes sont en contact direct avec la surface du matériau ausculté.
• Antennes de forage (Figure 1.2.c) : celles-ci sont de forme cylindrique adaptées pour être insérées dans un puit de forage.
L’impact-écho
Le principe de la méthode impact-écho est fondé sur l’analyse fréquentielle de la réponse générée par une onde de choc qui se propage dans le matériau, cette onde de choc étant produite à la surface du matériau par le biais d’une bille métallique. L’onde se propage dans le béton ou la maçonnerie et se réfléchit sur les défauts internes et les surfaces externes. Cette méthode est utilisée pour détecter les défauts dans le matériau et les épaisseurs des éléments en béton ou en maçonnerie (Sansalone et Carino 1986), mais aussi pour l’évaluation des propriétés mécaniques d’un béton endommagé par un incendie (Krzemień et Hager 2015).
Les ondes de surface (Onde de Rayleigh)
C’est en 1950 que les ondes de surface ont été utilisées pour déterminer l’épaisseur et la rigidité élastique (qui est fonction du module d’Young) des chaussées en béton et des couches sous-jacentes (Davis 1998). Les ondes de surface (Ondes de Rayleigh) permettent d’obtenir des informations sur les caractéristiques mécaniques du matériau en profondeur. Les avantages de l’utilisation de la méthode des ondes de surface se trouvent dans le fait que les mesures ne nécessitent un accès qu’à une seule face de l’ouvrage à ausculter, et que les ondes de surface sont les plus sensibles aux modifications des propriétés mécaniques du béton (SENSO 2009). L’inconvénient des ondes de Rayleigh est qu’elles s’atténuent fortement en profondeur. L’amplitude de cette onde diminue exponentiellement en fonction de la profondeur du matériau (Ould Naffa 2004).
L’exploitation des résultats dans cette technique est basée sur l’analyse de l’atténuation et les vitesses de propagation (vitesse de phase et vitesse apparente) des ondes de surface. Ces paramètres sont suivis en fonction de la longueur d’onde et de la fréquence, ce qui constitue un des avantages des ondes de surface, car elles permettent d’envisager une estimation de la variation des propriétés du matériau avec la profondeur. La profondeur d’investigation avec les ondes de surface est approximativement égale à la moitié de la longueur d’onde (Abraham 2012).
Il existe de nombreux dispositifs utilisant les ondes de Rayleigh appliqués pour l’auscultation du béton. À la base, cette méthode présentait certaines difficultés pour l’auscultation de grandes surfaces, liées en particulier au temps nécessaire pour faire les mesures qui est considérablement long, la nécessité d’appliquer un gel couplant qui peut laisser des traces sur le matériau et même altérer le béton.
Afin d’éviter ces difficultés, les dispositifs ont été améliorés en utilisant des transducteurs sans contact montés sur un support mobile permettant d’effectuer des mesures automatiquement, le positionnement et la mobilité des capteurs étant contrôlés par un ordinateur (Liu et al. 2014).
Les méthodes thermiques
Le principe des techniques d’investigation par thermographie infrarouge se base sur la mesure de gradient de température provoqué par les défauts ou anomalies (vides, nids d’abeille ou infiltration de d’eau) présents dans le matériau. Les variations du flux de chaleur engendrent des différences localisées de la température de surface, de ce fait, en mesurant les températures à la surface du matériau on peut déterminer la présence des anomalies et défauts sous-jacents et les localiser sur la surface investiguée.
Les techniques d’investigation par thermographie infrarouge mesurent seulement la température de la surface du matériau qui est influencée par trois facteurs :
• la configuration de la subsurface du béton (présence de vides, fissures, nid d’abeilles …),
• les conditions à la surface du béton (état de la surface et sa couleur, irrégularité, propreté …),
• l’environnement entourant la surface investiguée (conditions climatiques : vent, température ambiante, couverture nuageuse…), (Weil 2004).
Les techniques d’auscultation par thermographie infrarouge sont classées dans deux catégories : les méthodes passives sont celles qui ne nécessitent pas de source de chaleur artificielle, on mesure par exemple les gradients de température induits par les sollicitations naturelles comme le soleil. Les méthodes actives sont celles dans lesquelles sont utilisées les sources thermiques artificielles pour la mesure de variations de température.
La thermographie infrarouge passive
Lorsque la surface du béton est exposée au soleil ou aux variations de la température ambiante, les contrastes de températures relevés via des caméras thermiques peuvent indiquer la présence d’anomalies sous la surface du matériau (Figure 1.5). La variation de température dans l’environnement de la surface à ausculter engendre une diffusion de la chaleur à l’intérieur du béton. Les défauts et anomalies présents dans le matériau changent les propriétés thermiques qui modifient le transfert de chaleur (Breysse 2012).
La thermographie infrarouge active
Cette catégorie se distingue de la précédente par son recours à une source thermique artificielle. La source thermique utilisée est contrôlée pour faire ressortir les gradients de température entre les parties du béton en bon état et celles présentant des défauts ou anomalies. Les différentes techniques de cette catégorie (thermographie pulsée, thermographie modulée, thermographie de phase pulsée, la vibro-thermographie stimulée par ultrasons et enfin le chauffage interne et détection externe par thermographie infrarouge) sont principalement utilisées en laboratoire puisque les dispositifs de chauffage sont difficiles à mettre en œuvre in situ, mais certaines sont pertinentes pour déterminer la profondeur d’un défaut (Larget 2011).
Les méthodes radiographiques
Les méthodes radiographiques pour l’inspection du matériau de construction (béton, béton armé, béton précontraint, métaux …) comprennent la radiographie par rayons X, la gammagraphie et la radioscopie aux rayons X. Ces méthodes utilisent des matériaux radioactifs (Iridium 192 et Cobalt 60) et impliquent des rayonnements dangereux. L’image radiographique est prise sur un élément afin d’obtenir une image représentant l’intérieur de l’élément.
Ces techniques sont fiables pour voir à travers un élément en béton, elles peuvent détecter les défauts internes comme les vides dans les gaines de câbles de post-tension, et localiser les aciers des armatures du béton.
Le principe de fonctionnement de ces techniques est basé sur l’émission de rayonnement (X ou gamma) par une source (Iridium 192 ou Cobalt 60) qui traversent le matériau ausculté. Le degré de radiation traversant le matériau est relevé par un film sensible aux rayonnements qui est placé sur la face opposée de la source de radiation.
Du fait de l’utilisation de radiations dangereuses pour la santé, il est nécessaire de prendre certaines précautions de sécurité, comme boucler un périmètre de sécurité autour de la structure ou de l’élément à radier, et il faut que la mesure soit réalisée par une personne qualifiée. Les normes en vigueur doivent être suivies et respectées NF A 09-202 « Principes généraux de l’examen radiographique, à l’aide de rayons X et gamma, des matériaux béton, béton armé et béton précontraint ».
Les méthodes électriques
La résistivité électrique
La mesure de la résistivité électrique est employée en génie civil en complément d’autres techniques d’auscultation, notamment pour la localisation des zones à haut risque de corrosion (Morris et al. 2004), ou encore pour la description de variations de porosité ou de microfissurations (Lataste et al. 2003), mais aussi pour la mesure de gradients de teneur en eau (Nguyen 2016). Dans le béton, les mécanismes de conduction ionique (électrolytique) constituent le principal mode de transport du courant, par conséquent le degré de saturation de la porosité influe sur la valeur de la résistivité électrique du béton.
Durant les études menées sur des roches sédimentaires saturées, Archie établit en 1942 une loi empirique (eq. 1.4) reliant la résistivité de la roche consolidée et non consolidée saturée, (Ohm.m), la résistivité du fluide de saturation (Ohm.m), la porosité Ø et la fraction des pores contenant le fluide S (Archie, 1942). Les paramètres a, m et n sont des constantes dépendantes du matériau considéré telles que : , , .
La technique de mesure de la résistivité la plus utilisée est celle à quatre pointes (Figure 1.6) en configuration Wenner caractérisée par un espacement (a) constant entre les quatre électrodes (Figure 1.7).
Le principe consiste à injecter un courant électrique (I) par une électrode d’extrémité, le récupérer par la seconde pointe d’extrémité et à mesurer une différence de potentiel (V) entre les deux électrodes internes.
HISTORIQUE SUR LA TECHNOLOGIE RADAR
Le mot radar est un nom de code officiellement adopté par la marine nationale des États-Unis en 1940, il représente l’acronyme de l’expression : RAdio Detection And Ranging, signifiant détection et estimation de la distance par ondes radioélectriques, ou simplement radiorepérage.
Le radar est une application de la théorie de l’électromagnétisme. Il émet une onde électromagnétique (EM) à une fréquence donnée qui se propage dans le milieu et se réfléchit sur les interfaces de différentes propriétés EM.
C’est dans le domaine des télécommunications et radionavigation qu’est utilisée pour la première fois la radioélectricité, mais déjà au début du XXe siècle des innovateurs pensèrent à la possibilité d’utiliser les ondes électromagnétiques pour détecter des objets métalliques (Darricau 2012). La technique a vraiment connu une grande innovation entre 1930 et 1945, car pendant cette période elle a été reprise et utilisée à des fins militaires, notamment de défense, dans plusieurs pays comme l’Italie, la France, le Royaume-Uni, les USA, la Russie, etc. Depuis, l’utilisation des ondes EM n’a cessé d’être développée, améliorée et se retrouve de nos jours dans plusieurs domaines civils : ingénierie, gestion de l’environnement, géologie, etc.
Dans les années 1950, le système radar a commencé à être utilisé pour l’auscultation non destructive des matériaux en géophysique afin de reconstituer des structures du sous-sol à partir des réflexions générées par la présence de contrastes diélectriques. Par la suite, le développement des radars s’est poursuivi et l’invention de radar de type GPR (Ground Penetrating Radar) a vu le jour. Ce dernier a été très utilisé en géophysique, notamment pour la mesure d’épaisseurs des glaciers (Arcone 2009), en archéologie comme la détection de cavités souterraines et d’objets enfouis (Daniels 2004). L’inconvénient des ondes radar lors des explorations géophysiques est qu’elles sont rapidement atténuées dans les sols à forte conductivité, ce qui limite la profondeur investiguée. Afin de remédier à ce problème, des antennes à basse fréquence ont été utilisées, car elles permettent des investigations à de grandes profondeurs. Cependant, cette solution n’est pas adaptée lorsqu’il s’agit de la localisation d’objets enfouis, car la résolution de l’appareil est limitée lors de l’utilisation de basse fréquence, puisque la longueur d’onde est souvent plus grande que les dimensions de l’objet à détecter, rendant ainsi l’interprétation et le traitement des données compliqués.
La première étude utilisant le GPR en génie civil a été faite en 1974 dans le but d’inspecter les chaussées (détection de cavités) dans les aérodromes (Clemena 2004). En raison des faibles épaisseurs des éléments et structures en génie civil comparées aux grandeurs des éléments en géophysique, il a fallu développer des antennes hautes fréquences. Grâce au développement de ces antennes la résolution du radar a été améliorée, le traitement et l’interprétation des résultats simplifiés.
Les applications du radar en génie civil peuvent être classées en deux groupes principaux :
• La caractérisation géométrique. Nous retrouvons dans cette catégorie : la détection des armatures, des gaines de précontrainte, des canalisations, des fissures, des vides, des délaminations, etc. L’estimation des épaisseurs des dalles en béton, de la profondeur des armatures, de la couche de roulement, etc.
• La caractérisation physique. Dans celle-ci nous retrouvons : l’estimation des paramètres physiques du béton comme la teneur en eau et en chlorures.
Il existe trois types principaux de radars :
• Le radar impulsionnel : il émet un signal temporel caractérisé par un spectre de fréquence centrale fc adapté au type d’investigation, de largeur de bande approximativement égale à fc. Les signaux reçus sont enregistrés en fonction du temps.
• Le radar à saut de fréquence : il est composé d’un analyseur de réseaux qui génère une succession d’ondes monochromatiques de différentes fréquences sur une plage donnée (la bande de fréquence pouvant varier de 10MHz à 20GHz). À chaque fréquence, une onde est émise de l’antenne émettrice vers le milieu. L’analyseur enregistre la réponse du milieu via l’antenne réceptrice. Le cycle se répète jusqu’à ce que toute la bande de fréquences ait été balayée, avec un pas donné (défini par le nombre de points de fréquence et la largeur de bande). Pour chaque cycle effectué, une transformée de Fourier inverse permet de reconstituer le signal dans le domaine temporel. On obtient ainsi un scan équivalent au signal temporel obtenu avec les radars impulsionnels. Plus la bande de fréquence est large, et plus la résolution temporelle est fine.
• Le radar à onde continue modulée en fréquence (FM-CW, Frequency Modulated-Continuous Wave) a pour spécificité de produire un signal dont le spectre varie dans le temps, et ainsi d’adapter de manière dynamique la résolution pour différents types de cibles à différentes profondeurs.
Relaxation diélectrique
Lors de l’application d’un champ électromagnétique sur un matériau, les dipôles s’alignent suivant la direction du champ électrique, lorsque celui-ci est brusquement supprimé le matériau a besoin d’un temps dit de relaxation, noté , afin de revenir à son état initial.
À basse fréquence, le mouvement imposé aux molécules polarisées est lent et celles-ci ont le temps de se synchroniser avec le champ électrique. Cependant, lorsque la fréquence d’excitation augmente jusqu’à une fréquence critique, les pertes diélectriques passent par un maximum. Cette fréquence critique appelée fréquence de résonance ou fréquence de relaxation est égale à . Dans une plage située autour de la fréquence de résonance, il existe un déphasage entre le champ et les dipôles. Cette plage est dite plage de relaxation et le déphasage appelé angle de polarité . C’est dans cette plage de fréquence que le matériau consomme l’énergie du champ électrique et la dissipe en chaleur.
En général, la fréquence de relaxation dépend de l’état physique du matériau et de la présence d’autres matériaux. Plus la matière est condensée, structurée ou liée, plus la fréquence de relaxation est basse.
ATTÉNUATION DES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES
Différents phénomènes réduisent l’amplitude de l’onde radar lors de sa propagation.
• Atténuation géométrique : elle résulte de la divergence du front d’onde modifié en fonction du couplage de l’antenne avec le matériau ausculté ;
• Atténuation par absorption : elle est essentiellement liée au facteur de perte et elle augmente avec la fréquence de l’onde;
• Atténuation par multidiffusion : elle est causée par la présence d’inclusions de dimensions comparables à la longueur d’onde qui peuvent diffracter l’énergie dans toutes les directions, engendrant ainsi des pertes par diffusion.
Une onde électromagnétique peut toujours être reconstituée en superposant plusieurs ondes planes progressives monochromatiques (OPPM) de différentes fréquences (considérée comme solution des équations de Maxwell), et lors d’une propagation suivant l’axe x l’OPPM est telle que : i²=-1 ; (eq. 2.14).
pulsation de l’onde ;
: constante de propagation complexe ;
: coefficient d’atténuation ;
: constante de propagation.
RÉFLEXION ET TRANSMISSION DES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES (ANNAN 2009)
La méthode radar dépend de la détection des signaux réfléchis ou dispersés. Les coefficients de réflexion (et de transmission) de Fresnel quantifient la façon dont les amplitudes des champs électromagnétiques varient selon une interface entre deux matériaux.
Les antennes que nous utilisons dans nos mesures sont couplées au matériau. Dans ces mesures nous mesurons le champ électrique polarisé perpendiculairement au plan d’incidence. Une partie de l’énergie du signal incident est réfléchie, tandis que l’énergie restante se propage dans le matériau jusqu’à ce qu’elle soit réfléchie par une autre interface, sinon jusqu’à ce qu’elle soit totalement atténuée. La Figure 2.3 représente la réflexion et la transmission d’une onde plane entre deux milieux ayant des propriétés électromagnétiques différentes.
L’énergie réfléchie est traduite par un coefficient dit de réflexion de l’interface. Par contre la partie d’énergie réfractée ou transmise est traduite par le coefficient de transmission.
APPLICATION DE LA TECHNOLOGIE RADAR
Dans les paragraphes précédents, nous avons rappelé les points principaux de la propagation des ondes électromagnétiques dans le béton, le rayonnement des antennes qui génèrent ces ondes, mais aussi le comportement de celles-ci lorsqu’elles sont en contact ou à proximité de milieux diélectriques.
Nous allons nous intéresser dans ce qui suit au principe de l’auscultation radar ainsi qu’à son application pour la détection d’armatures dans le béton.
Principe de l’auscultation radar en génie civil
Le principe de l’auscultation radar en génie civil a été décrit par de nombreux auteurs (Clemeña 2004, Bungey 2004, Shaw et al. 2005). Dans cette partie, nous ferons une simple description du principe de l’auscultation de structures en béton armé, dans le cas de l’utilisation d’un radar impulsionnel avec antennes couplées au matériau, car c’est le type de matériel que nous avons utilisé dans ce travail.
Un système radar, comme nous l’avons décrit précédemment (paragraphe 1.3.2.2), est composé d’une unité d’acquisition et d’antennes émettrice et réceptrice. Le principe de mesure d’un système radar consiste à émettre des impulsions électromagnétiques de courte durée qui se propagent dans le milieu, et à enregistrer les signaux directs (parvenant directement de l’émetteur au récepteur), en plus des réflexions dues à la présence d’interfaces présentant un contraste diélectrique. La gamme de fréquences utilisée par les systèmes radar s’étend d’environ 100 MHz à 3 GHz.
L’auscultation au radar consiste à réaliser des profils radar sur la structure, ce que nous détaillerons dans paragraphe 2.7.2. Le radar émet, via l’antenne émettrice, une impulsion EM qui se propage dans le milieu en s’atténuant. Les interfaces qui présentent un contraste de propriétés EM réfléchissent une partie de l’énergie émise par la source. Ces réflexions sont enregistrées par l’antenne réceptrice pendant un intervalle de temps, et constituent un radargramme représentant l’amplitude du signal reçu en fonction du temps. Les interfaces susceptibles de présenter des contrastes de propriétés EM suffisamment forts pour être détectés par le radar dans une structure en béton armé sont habituellement air/béton, béton/acier, béton/air voire béton/sol lorsque la partie de la structure auscultée est en contact avec le sol.
La Figure 2.9 représente un exemple de signal temporel qu’on peut obtenir pour une dalle en béton armé possédant un lit d’armature lors d’une auscultation au radar avec des antennes couplées et en mode bistatique.
Le signal incident se propage dans toutes les directions de l’interface air/béton en dessous de l’antenne émettrice. Une partie du signal incident est directement transmise de l’émetteur au récepteur, c’est le signal qui représente l’onde directe émetteur-récepteur. Une partie du signal émis va se réfléchir sur les armatures constituant le signal . Une partie de l’onde incidente est totalement réfléchie par les conducteurs parfaits comme les armatures, ce qui explique la capacité des radars à détecter les objets métalliques. Enfin le signal est partiellement réfléchi par l’interface béton/air, il est alors divisé en une onde réfléchie qui va être rétrodiffusée vers le récepteur et en une onde qui sera réfractée .
L’analyse du temps de parcours de ces signaux permet d’estimer l’épaisseur de la dalle ainsi que la profondeur des armatures, mais pour cela une approximation de la constante diélectrique du béton pour estimer la vitesse de propagation est nécessaire.
Exemple de profils radar : radargrammes
L’acquisition de profils radar consiste à effectuer des mesures sur un matériau, et à enregistrer des signaux avec un pas prédéfini par l’opérateur. Ces signaux enregistrés représentent l’amplitude des ondes réfléchies par les différentes interfaces présentant des contrastes de propriétés diélectriques en fonction du temps. Les signaux radar sont généralement enregistrés sous forme de données à une, deux voire trois dimensions, communément appelées dans le domaine du contrôle non destructif, respectivement, A-scan, B-scan et C-scan.
• A-scan : celui-ci correspond à une seule forme d’onde enregistrée par l’antenne réceptrice du radar à une position émetteur-récepteur donnée (Figure 2.10). La variable temps est liée à la profondeur par la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le milieu.
• B-scan : lorsqu’on déplace les antennes radar sur le matériau le long d’une ligne, on obtient une série de A-scans à des cordonnées x ou y connues qui forment un ensemble de données bidimensionnelles (Figure 2.11.a). La juxtaposition des A-Scans forme un B-scan, appelé aussi radargramme ou aussi coupe-temps.
Lorsqu’on représente l’amplitude du signal reçu avec une échelle de couleurs ou de gris, on obtient une image en 2D représentant une coupe verticale du milieu ausculté (Figure 2.11.b). L’axe temporel (ou l’axe de profondeur) associé est généralement dirigé vers le bas.
La Figure 2.11 représente un radargramme obtenu suite à des mesures effectuées sur une dalle en béton armé. La présence d’un point réflecteur (acier d’armature) est caractérisée par une signature hyperbolique. Cette signature caractéristique d’un point réflecteur est due au rayonnement multidirectionnel des antennes radar, ce qui permet à l’antenne réceptrice de percevoir les ondes réfléchies par l’armature avant d’être à l’aplomb de celui-ci (Che Way Chang et al. 2009).
FONDEMENT DE L’ALGORITHME
Comme nous l’avons cité précédemment, un radar émet une impulsion électromagnétique par une antenne couplée au matériau (par la partie émettrice E). Cette impulsion se propage dans le milieu en s’atténuant et se réfléchit sur les interfaces qui présentent un contraste de propriétés électromagnétiques. Ces réflexions sont enregistrées par la partie réceptrice (R) de l’antenne pendant un intervalle de temps défini par l’opérateur, et constituent un radargramme, appelé aussi A-scan, représentant l’amplitude du signal reçu en fonction du temps. La juxtaposition des radargrammes obtenus par un profil linéaire de mesures constitue une image temporelle en coupe verticale du matériau, nommée coupe-temps et communément appelée B-scan. Ce principe de mesure est illustré sur une dalle en béton armé dans la Figure 3.1.
Sur le radargramme (A-scan), le signal S1 correspond à l’onde directe émetteur-récepteur, le signal S2 à la réflexion sur l’armature et le signal S3 à la réflexion sur le fond de l’élément.
La position des aciers dans le plan peut être identifiée manuellement par l’opérateur par la visualisation du B-scan. La position d’un acier dans le plan correspond au sommet de l’hyperbole tracée grâce au rayonnement multidirectionnel de l’antenne radar qui permet de voir l’acier avant d’être à la position verticale de celui-ci. Mais, il n’existe aucune méthode précise qui permette de retrouver automatiquement la position de l’acier dans le plan.
De plus, afin de convertir le temps du A-scan en profondeur il est nécessaire de connaitre la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le matériau ausculté (ASTM D 6432 – 11), et le temps zéro (moment d’émission des impulsions électromagnétiques). Étant donné qu’un système radar fournit uniquement l’amplitude et le temps d’arrivée des ondes
EM aux récepteurs (Yelf and Yelf 2004), le temps zéro noté reste inconnu. Pourtant, le temps zéro est nécessaire pour le calcul du temps de vol d’une onde de l’émetteur jusqu’au récepteur pour un point réflecteur dans le matériau (un acier par exemple).
Habituellement la valeur de la vitesse est estimée à partir de données prises de la littérature ou en se basant sur le retour d’expérience. Cette estimation de la vitesse conduit à des estimations de profondeurs qui peuvent être recalées en quelques points par des carottages, mais l’opération est assez fastidieuse. On peut également utiliser une méthode de migration, la migration de Kirchhoff, qui permet de remonter à la vitesse en exploitant la trace hyperbolique sur le B-scan d’une armature. Toutefois cette méthode est assez lente à mettre en place et ne prend pas en compte le diamètre de l’armature, ce qui peut conduire à une erreur sur la vitesse. Le temps zéro est quant à lui très souvent choisi comme étant le temps d’arrivée du premier pic dans le A-scan.
On comprend aisément que la détermination du temps zéro et de la vitesse de propagation des ondes EM dans le béton est indispensable pour obtenir une bonne précision de la localisation des aciers en profondeur.
Afin de remédier aux limites que présentent les systèmes radars et de localiser précisément les armatures dans les éléments en béton armé, nous avons développé un algorithme capable de localiser automatiquement les sommets des hyperboles qui représentent la position des armatures en surface. L’algorithme permet également de retrouver les profondeurs des aciers du premier lit d’armatures lorsque la position de l’acier dans le plan est connue. Cet algorithme est construit en posant l’hypothèse que le trajet de propagation des ondes électromagnétiques est linéaire (hypothèse de l’optique géométrique).
LOCALISATION DES ARMATURES DANS LE PLAN
Le rayonnement multidirectionnel des antennes radar permet de percevoir l’acier avant que l’antenne soit au-dessus de celui-ci. Comme nous l’avons vu, la coupe-temps résultante d’un profil de mesures radar effectué sur un élément en béton armé présente des formes hyperboliques, ces hyperboles sont la signature caractéristique d’un point réflecteur représentant un acier dans notre cas. La formation de cette hyperbole est due au fait que l’onde enregistrée, en déplaçant l’antenne, parcourt de moins en moins de distance en se rapprochant du point réflecteur et inversement de plus en plus de distance en s’en éloignant, ce qui diminue ou augmente respectivement le temps de parcours de l’onde.
3.3.1 Recherche des sommets d’hyperboles correspondant aux aciers (simples et multiples) L’onde directe est une onde qui se propage directement de l’émetteur au récepteur et principalement dans les premiers centimètres du matériau. Dans le béton celle-ci est mélangée avec les réflexions sur les aciers du premier lit ce qui peut parfois brouiller la signature hyperbolique caractéristique d’un point réflecteur, et peut rendre difficile la recherche des aciers. Afin de faire ressortir sur le B-scan la forme des hyperboles formées par les signaux réfléchis par les armatures, le signal moyen (Figure 3.2) de tous les signaux enregistrés dans le matériau est soustrait à chacun des radargrammes enregistrés. Ce premier filtre, appelé réduction du Clutter, permet d’éliminer tous les signaux continus sur le B-scan ce qui est le cas de l’onde directe.
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Table des matières
Introduction générale
i. Problématique du contrôle non destructif en génie civil
ii. Cadre d’étude
iii. Objectifs et plan de la thèse
CHAPITRE 1 : PRINCIPES ET APPLICATIONS DES TECHNIQUES DE CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) EN GENIE CIVIL
1.1 Introduction
1.2 Nécessité et intérÊt de l’auscultation par les techniques de contrÔle non destructif (CND) en génie civil
1.3 Présentation des techniques de CND utilisées en génie civil
1.3.1 L’inspection visuelle
1.3.2 Les méthodes électromagnétiques
1.3.3 Les méthodes basées sur la propagation d’ondes mécaniques
1.3.4 Les méthodes thermiques
1.3.5 Les méthodes radiographiques
1.3.6 Les méthodes électriques
1.4 Avantages et inconvénients des techniques CND utilisées pour la localisation des armatures
1.4.1 Le pachomètre
1.4.2 La thermographie infrarouge
1.4.3 La radiographie
1.4.4 Le radar
1.5 Conclusion
1.6 Références
CHAPITRE 2 : TECHNIQUE RADAR ET NOTIONS DE PROPAGATION DES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES
2.1 Historique sur la technologie radar
2.2 PropriÉTÉs ÉLECTROMAGNÉtiques du bÉton
2.2.1 Permittivité effective
2.2.2 Perméabilité magnétique
2.2.3 Phénomène de polarisation
2.2.4 Relaxation diélectrique
2.3 AttÉnuation des ondes ÉLECTROMAGNÉtiques
2.4 Vitesse de propagation des ondes ÉLECTROMAGNÉtiques
2.5 RÉflexion et transmission des ondes ÉLECTROMAGNÉtiques (Annan 2009)
2.6 Rayonnement d’ondes ÉLECTROMAGNÉtiques par une antenne radar couplÉe au matÉriau
2.6.1 Rayonnement et orientation d’antennes radar
2.6.2 Couplage antenne – milieu diélectrique
2.7 Application de la technologie radar
2.7.1 Principe de l’auscultation radar en génie civil
2.7.2 Exemple de profils radar : radargrammes
2.7.3 Application de la technique radar pour la détection des armatures dans le béton armé
2.8 Conclusion
2.9 Références
CHAPITRE 3 : ALGORITHME DE TRAITEMENT DES SIGNAUX RADAR PERMETTANT DE LOCALISER LES ACIERS DU PREMEIR LIT D’UNE STRUCTURE EN BETON ARME. MISE AU POINT ET VALIDATION EXPÉRIMENTALE
3.1 Introduction
3.2 Fondement de l’algorithme
3.3 Localisation des armatures dans le plan
3.3.1 Recherche des sommets d’hyperboles correspondant aux aciers (simples et multiples)
3.4 Localisation des armatures en profondeur et DÉtermination de la vitesse de propagation des ondes EM dans le bÉton d’enrobage
3.4.1 Évaluation du temps zéro – instant d’émission des ondes électromagnétiques
3.4.2 Recherche de la profondeur des aciers et détermination de la vitesse réelle
3.5 Identification automatique de la transition bÉton / air sur le b-scan
3.6 Validation éxpÉrimentale de l’algorithme
3.6.1 Description de la dalle test
3.6.2 Dispositif expérimental
3.6.3 Procédure de mesures
3.6.4 Étude paramétrique sur l’influence de la taille de la fenêtre temporelle et du nombre de positions E/R sur les écarts de profondeur des aciers
3.6.5 Résultats obtenus pour la dalle test
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 : METHODOLOGIE DE DETERMINATION DE LA TENEUR EN EAU A PARTIR DE LA MESURE DE VITESSE ET MISE EN APPLICATION DE L’ALGORITHME
4.1 Introduction
4.2 Détermination de la teneur en eau a partir de la mesure de vitesse de propagation des ondes électromagnétiques
4.2.1 Plan expérimental
4.2.2 Dispositifs et méthodologie de calibration de la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques pour l’estimation de la teneur en eau du béton
4.2.3 Résultats de la calibration
4.3 Mise en application de l’algorithme sur une maquette d’échelle 1/1
4.3.1 Présentation de la dalle maquette
4.3.2 Paramètres d’acquisitions et disposition des profils de mesures sur la maquette
4.3.3 Cartographie des aciers
4.3.4 Cartographie des vitesses
4.3.5 Cartographie des teneurs en eau
4.4 Conclusion
4.5 Références
Conclusion générale et perspectives
i. Conclusions
ii. Perspectives
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