Essais de rebondissement

L'essai au marteau est destiné à mesurer la dureté superficielle du béton et il existe une corrélation empirique entre la résistance et l'indice sclérométrique qui est un code composé d’une lettre (donnant une indication sur la qualité du béton) et d’un nombre (donnant une indication sur sa résistance à la pression). Le marteau de Schmidt (voir figure 1) est le seul instrument connu qui utilise le principe du rebondissement pour les essais sur le béton. Ce marteau a une masse approximative de 1,8 kg et convient aux essais en laboratoire comme aux essais sur le chantier. Une masse commandée par un ressort se déplace sur un plongeur dans un tube de protection. La masse est projetée contre la surface de béton par le ressort, et l'indice sclérométrique est mesuré sur une échelle. La surface sur laquelle l'essai est effectué peut être horizontale, verticale ou à tout autre angle, mais l'appareil doit être étalonné à la position où il sera utilisé.

Figure 1 : Type de marteau Proceq N de béton

L'étalonnage peut être effectué avec des éprouvettes cylindriques de 15 x 30 cm² constituées du même ciment et des mêmes granulats que ceux utilisés pour l'ouvrage. Les éprouvettes cylindriques doivent être recouvertes d'un chapeau, et être fermement retenues par compression. Il faut effectuer plusieurs lectures bien réparties et

15 reproductibles, la moyenne représentant l'indice sclérométrique de l'éprouvette. Ces opérations doivent être répétées avec plusieurs éprouvettes cylindriques pour déterminer la résistance à la compression.

Des scléromètres pré étalonnés, à usage facile, pour de simple estimation de la résistance de l’objet testé, comme le PCE-HT 225A sur la figure 2 sont actuellement disponibles sur le marché. Ce scléromètre pour vérifier le béton est basé sur le principe de Schmidt. La vérification s’effectue toujours sous une énergie de test de 2207J.

Figure 2 : Scléromètre pour le béton PCE-225A

L’énergie cinétique de rebond est donnée dans le scléromètre comme mesure de la dureté du béton, de la pression sur la surface ou de la résistance à la pression (kgf/cm² ou sa conversion en N/mm²). La qualité du béton est évaluée sur la base de sa résistance à la pression, puisqu’il s’agit d’une valeur d’orientation pour vérifier la capacité de charge et la durabilité des constructions en béton. La résistance à la pression est donnée sous forme d’une série de chiffres et de lettres. Par exemple B25 signifie qu’il s’agit d’un béton normal avec une résistance à la pression de 25 N/mm². D’autres indices intermédiaires s’étalant jusqu’à la classe supérieure de résistance B55 existent comme l’indique le tableau de la figure 2.

Avantages et limites

Le marteau de Schmidt est une méthode peu coûteuse, simple et rapide pour connaître la résistance du béton, mais une précision entre ±15 et ±20% n’est possible qu’avec des éprouvettes qui ont été coulées et soumises à un traitement de cure et à des essais dans les conditions pour lesquelles les courbes d’étalonnages ont été établies. Les résultats sont influencés par des facteurs tels que l’état de surface, la grosseur et la forme de l’éprouvette, le degré d’humidité du béton, le type de ciment et la grosseur des granulats ainsi que le degré de carbonatation de la surface.

Tableau de la partie postérieure

16 1.4 Essais d’arrachement

Un essai d'arrachement permet de mesurer, à l'aide d'un instrument spécial, la force nécessaire pour extraire du béton une tige d'acier spécialement profilée et dont l'extrémité élargie, a été noyée dans le béton à une profondeur de 7,6 cm. Le béton est soumis simultanément à un effort de traction et de cisaillement, mais la force nécessaire pour provoquer l'arrachement peut être fonction de sa résistance à la compression. L'essai d'arrachement permet ainsi de mesurer quantitativement la résistance du béton coulé sur place lorsque des corrélations appropriées ont été effectuées. Il est constaté que, dans bon nombre de cas, la résistance à l'arrachement a un coefficient de variation comparable à celui de la résistance à la compression [6].

Limites et avantages

Quoique les essais d'arrachement ne permettent pas de mesurer la résistance intérieure du béton de masse, ils fournissent des indications sur la maturation et le développement de la résistance dans une partie représentative du béton de masse. De tels essais ont l'avantage de donner une mesure quantitative de la résistance du béton coulé sur place. Le principal désavantage de ces essais est qu'ils exigent une préparation, et que l'ensemble nécessaire à l'arrachement doit être mis en place dans le coffrage avant que le béton soit coulé.

L'arrachement cause bien sûr quelques dommages mineurs. Cet essai peut toutefois être non destructif si l'application de la force minimale d'arrachement est arrêtée avant la rupture, mais il faut s'assurer qu'une résistance minimale a été atteinte. Ces renseignements sont d'une grande valeur pour savoir à quel moment les coffrages peuvent être enlevés sans danger.

1.5 Méthodes radioactives par les rayons et

Les rayons et sont des ondes électromagnétiques comme les faisceaux lumineux ordinaires, mais ils ont une longueur d’onde sensiblement inférieure et une énergie de rayonnement supérieure aux rayons lumineux. L’énergie de rayonnement élevée confère aux rayons et la propriété de pouvoir pénétrer et de traverser des corps opaques à la lumière ordinaire. A l’intérieur de la matière, l’intensité diminue selon la loi d’absorption de Berr

(4)

17 et sont respectivement l’intensité incidente et l’intensité émergente, est le chemin effectivement parcouru dans la matière, sans tenir compte des cavités présentes, et est le coefficient d’absorption.

Ces méthodes d’essais radioactifs sur le béton, peuvent être utilisées pour détecter l’emplacement des armatures, pour mesurer la densité du béton et pour déceler la présence de nids de gravier dans des éléments porteurs. En effet, le coefficient d’absorption dépend de la densité des composants traversés ; il croît avec la densité. Ces essais sont de plus en plus acceptés en Europe. L’équipement est assez simple et les coûts d’exploitation peu élevés quoique le coût de l’équipement de base peut être élevé. Le béton dont l’épaisseur ne dépasse pas 45 cm peut être examiné sans difficultés.

Remarque :

Les équations 1 et 4 découlent de la même loi de Berr. Mais dans le cadre de l’utilisation des rayons et , elles sont plus appropriées à l’étude des variations de densité.

D’autres méthodes de CND, d’apparition récente, comme la technologie Radar ou la mesure de Résistivité peuvent également être mentionnées.

1.6 La technologie Radar

Le RADAR (Radio Detecting And Ranging) est une application de l’électromagnétisme. Le dispositif émet de l’énergie électromagnétique (EM) qui se propage dans le milieu et se réfléchit sur des interfaces présentant un contraste de propriétés EM. L’analyse du signal enregistré (vitesse et atténuation) peut donner des informations pertinentes comme la position de la cible ou les caractéristiques EM du milieu de propagation. De plus, le radar présente de nombreux avantages. En effet, la technique est simple d’utilisation, rapide et permet l’auscultation de grandes surfaces. En outre, le système de mesure est portable, léger et peu encombrant.

La sensibilité des ondes radar à l’état d’humidité des matériaux (sol, béton) a été rapportée par de nombreux auteurs [7–10]. L’augmentation de la teneur en eau du béton conduit à une forte variation des paramètres du signal radar. Ceci est généralement dû à l’augmentation de la permittivité et de la conductivité du béton. Ainsi, la présence d’humidité et/ou de fissures remplies d’eau peut affecter le comportement du signal radar.

Du plus, ce signal radar nécessite la présence d’un réflecteur (armatures, interface) dans la structure [11]. Ce qui limite donc les investigations à des structures en béton très ferraillé.

18 1.7 La méthode de mesure par résistivité électrique

Elle est utilisée notamment pour localiser des zones présentant une probabilité de corrosion des barres d’armatures [12], mais aussi pour caractériser la fissuration dans le béton [13].

La méthode de mesure par résistivité électrique consiste en une auscultation du béton à partir de la surface. A cet effet, le Centre de Développement en Géosciences Appliquées de l’Université de Bordeaux 1 a développé un dispositif carré comportant quatre électrodes (voir figure 3). Deux électrodes permettent d’injecter une intensité de courant connue dans la structure. Puis, la différence de potentiel créée par le passage du courant dans le béton est mesurée par les deux autres électrodes.

Figure 3 : Principe de la mesure électrique par un dispositif carré Extrait de [13]

Il s’en suit [13], que la résistivité électrique du matériau est proportionnelle à un facteur k dépendant de la géométrie et des dimensions du dispositif. Le dispositif utilisé est un quadripôle carré de 5cm de côté. En première approximation, la profondeur d’investigation correspond à l’écartement des électrodes. Avec l’aide d’un commutateur, deux directions d’injection du courant sont possibles pour chaque mise en place du dispositif porte-électrodes. Il peut ainsi être possible d’étudier l’anisotropie du matériau. La forte présence d’eau dans le béton, la formation de micros et macros fissures et la présence de gel, sont autant de facteurs auxquels la méthode doit être sensible [12]. En conséquence, la nature du défaut et sa localisation précise sont très délicates à obtenir.

Conclusion

De façon générale, on retient qu’une structure de bâtiment est considérée comme constituée d’une partie résistive et d’une partie capacitive. Les méthodes précédemment exposées visent à estimer exclusivement l’un ou l’autre de ces paramètres, ou les deux à la fois. Ces méthodes sont pour la plupart, très faciles à mettre en œuvre in situ. Cependant, les données issues des essais ne sont pas faciles à interpréter et les valeurs chiffrées

19 obtenues ne donnent qu’une indication sur l’état de santé du béton ou de la structure examinée.

2. Les apports des méthodes thermiques au CND des structures de bâtiment

Ces dernières années, d’autres préoccupations d’ordre énergétique son apparues, provoquées par l’accroissement des prix des énergies conventionnelles et les problèmes environnementaux résultant de leur consommation. Le secteur du bâtiment à lui tout seul, dispose de près de 43% de l’énergie produite en France et est responsable d’environ 23%

des émissions de gaz à effet de serre (ADME, programme de mesure 2007-2008). Il devient alors urgent de réduire ses taux au minimum. Les stratégies passent par la création de nouveaux matériaux devant assurer une meilleure isolation des bâtiments, mais aussi par le développement et la mise en œuvre des outils de contrôle et de réduction des déperditions à travers les composants du bâtiment.

Dans les paragraphes suivants, nous aborderons les apports de la thermographie infrarouge à la lutte contre les déperditions d’énergie.

2.1 Thermographie passive

La thermographie est dite passive lorsque, les objets d’une scène thermique visée par une caméra infrarouge sont excités de l’intérieur ou de l’extérieur par des sources thermiques incontrôlées.

2.1.1 Principe

Une caméra infrarouge dont l’objectif est dirigé vers une scène thermique, opère une sélection des objets qui s’y trouvent en fonction de leur température et de leur émissivité respectives. En effet, tout matériau absorbe et émet de l’énergie appelée rayonnement thermique dans la gamme spectrale des infrarouges dépendant de sa température de surface [14]. La caméra infrarouge dont la gamme spectrale couvre les longueurs d’onde d’émission des objets, capte ce rayonnement lié à la luminance et une électronique d’interprétation convertit le rayonnement reçu en signaux électriques. Mais, ce rayonnement reçu n’est pas que l’émission propre de l’objet visé, il comprend aussi, la réflexion sur l’objet de l’énergie d’excitation et l’émission de l’atmosphère séparatrice. La

20 figure 4 montre les phénomènes physiques partie prenante de l’information reçue par la caméra.

Figure 4 : Composition du rayonnement reçu la caméra infrarouge (schéma extrait de [15]) Le bilan des flux thermiques entrant dans la caméra se présente [16] comme suit

(5)

où désigne la luminance reçue par la caméra, la luminance propre de l’objet, la luminance de l’environnement, la luminance de l’atmosphère, le coefficient d’émissivité de l’objet et le coefficient de transmission de l’atmosphère.

La température mesurée par la caméra infrarouge est donc fort logiquement fonction de la température de l’objet, de la température de l’ambiance, de la température de l’atmosphère, de le coefficient d’émissivité de l’objet et de le coefficient de transmission de l’atmosphère.

(6) En résumé, la mesure de température passive a pour objet, l’utilisation du contraste d’émissivité et de température d’un objet avec son environnement pour le détecter et le caractériser.

Flux émis au travers de l’atmosphère Flux émis

par l’objet

Flux réfléchi

par l’objet Flux émis par l’atmosphère

21 2.1.2 Application

La thermographie passive a été mise en œuvre par (Rivard et al.) [16] pour mesurer la température apparente de blocs de béton à des fins de contrôle non-destructif. L’influence de l’environnement et les hypothèses faites sur l’homogénéité du matériau (température et émissivité constantes dans le temps et dans l’espace) ont rendu l’exploitation des valeurs numériques très délicates. En effet, les comportements différentiels ou de contrastes de températures peuvent être tout aussi bien provoqués par l’humidité, la présence de gel, la présence de micro ou macro fissures susceptibles de modifier la diffusivité thermique du béton. Il est donc très difficile d’associer les variations de températures obtenues à un défaut particulier. Les initiateurs de l’essai ont conclu à l’inefficacité de la méthode à la détection d’endommagement dans les structures de génie civil.

2.2 Thermographie active

Pour contourner les difficultés engendrées par l’intervention des sources parasites (émissions environnementales et atmosphériques notamment), contribuant au rayonnement reçu par la caméra infrarouge dans le cas de la thermographie passive, une énergie brève et spatialement homogène est envoyée sur le matériau à examiner et son évolution suivie dans le temps avec une caméra infrarouge: c’est la thermographie active.

Son principe a été développé par Nordal en 1979. Une source lumineuse produit une excitation pouvant être ponctuelle [17], périodique modulée [18], ou aléatoire [19].

L’énergie ainsi produite est absorbée par le matériau de température initiale . Il s’en suit une élévation de température de de sa surface d’émissivité . Il émet alors un flux de chaleur sous la forme d’un rayonnement thermique qui peut être exprimé selon la loi de Stefan-Boltzmann par:

(7) où

(8) d’où

(9) Où :

22 et

avec la constante de Stefan-Boltzmann.

Si la variation de température n’est pas trop grande (quelques Kelvin), la loi de refroidissement de Newton s’applique, et alors:

(10) Ainsi donc la variation de flux de chaleur émise par la surface et proportionnelle à la variation de sa température:

C’est cette grandeur qui est mesurée via les détecteurs de la caméra infrarouge et convertie en signaux électriques par une électronique. De l’évolution de cette variation de température enregistrée par la caméra en face arrière du matériau, il est possible de déduire ses propriétés thermiques. En effet, l’ordre de grandeur du temps caractéristique de diffusion de l’énergie excitatrice est donné par:

(11) où désigne l’épaisseur du matériau et sa diffusivité.

Dans le bâtiment, les épaisseurs des matériaux sont de l’ordre de quelques dizaines de centimètres et les diffusivités relativement faibles, ce qui induit un temps caractéristique extrêmement long.

Toutes les difficultés des méthodes thermiques à s’appliquer au bâtiment et aux ouvrages en général, proviennent des perturbations d’émissions parasites dans le cas de la thermographie passive, ou du temps de diffusion très long dans le cas de la thermographie active.

Dans les applications de la thermographie à la caractérisation et au CND dans le génie civil, l’excitation impulsionnelle dite méthode ‘flash’, et l’excitation aléatoire ne sont que très peu mises en œuvres. Cependant, elles constituent une base théorique difficilement contournable quant on aborde les méthodes thermiques. Nous reviendrons en détail dans le chapitre 3 sur ces formes d’excitation avec quelques résultats obtenus sur des composants de bâtiment et les possibilités de simulation qu’elles offrent. Mais avant, nous exposerons les tentatives de CND et de caractérisation en génie civil basées sur les excitations modulées et ses variantes.

23 2.2.1 La thermographie du Lock-in

2.2.1.1 Principe

Dans son principe, le lock-in consiste à soumettre la surface du matériau à inspecter à une excitation périodique. Celle-ci se propage à l’intérieur du matériau où elle se réfléchit aux limites de défaut éventuel, puis remonte en surface se superposer à l’onde initiale. Une transformée de Fourier des images thermiques permet, par l’analyse des images d’angle et de phase, de révéler ce défaut.

Etant donné que la longueur de diffusion thermique est un paramètre important relatif à la profondeur de pénétration [20], il s’est avéré très vite que l’imagerie des caractéristiques sous surface d’un matériau nécessite de très basses fréquences et des temps longs correspondants, pour obtenir une image photothermique. Or, les matériaux concernés dans le génie civil sont de quelques dizaines de centimètres d’épaisseur et une image obtenue pixel par pixel dans une gamme de fréquences autour de 1Hz peut facilement prendre plusieurs heures. Une approche permettant de réduire le temps d’inspection est la thermographie du Lock-in où, la basse fréquence d’onde thermique est générée simultanément sur toute la surface du composant inspecté et surveillée partout sur plusieurs périodes par modulation de cycle, dans le but d’obtenir aussi bien une image d’amplitude que de phase par modulation de température [21-24]. Ainsi le temps d’inspection est réduit à quelques modulations de cycles. Il existe en faite deux techniques de thermographie du lock-in. La méthode optique ou thermique et la méthode ultrasonique.

Dans la méthode optique, des ondes thermiques sont envoyées sur toute la surface du matériau à sonder. L’intensité d’absorption par modulation de radiation, génère alors sur toute la surface, une onde thermique qui se propage à l’intérieur où elle est réfléchie aux limites des obstacles que constituent les défauts, puis remonte à la surface se superposer à l’onde initiale (voir figure 5 à gauche). De cette façon, un défaut sous surface est révélé par un changement local d’angle de phase. L’image d’angle de phase obtenue est donc un mélange de celle de la zone saine et celle de la zone défectueuse. Le défaut peut être par conséquent détecté par comparaison de l’image obtenue avec un échantillon de référence ou par confrontation avec les caractéristiques attendues fournies par la théorie.

Quant à la méthode ultrasonique, une onde élastique est envoyée dans tout le volume du matériau observé. Celle-ci se propage à l’intérieur de matériau jusqu’à ce qu’elle se transforme en chaleur. Mais, un défaut cause des pertes localement accentuées dues à sa faiblesse mécanique par rapport à son environnement, et par conséquent une concentration de contraintes sous des charges périodiques. Cet amortissement important au niveau des zones de défaut fait que les ultrasons sont converties en chaleur [25-26]. Ainsi, comme une modulation d’amplitude d’onde se traduit par une génération de chaleur périodique, un

24 défaut est alors transformé en une source locale d’émission d’onde thermique (voir figure 5 à droite).

Figure 5: Principe optical (à gauche) et ultrason lock-in thermographie (à droite) (Extrait de [28]).

Cette émission peut être détectée via la modulation de la température à la surface qui est analysée par la thermographie lock-in synchronisée à la fréquence de modulation d’amplitude d’onde [27]. Les images d’amplitude montrent alors l’ampleur des pertes mécaniques locales, révélant ainsi l’étendue du défaut. La technique est très efficace car elle révèle en même temps tous les défauts puisque ceux-ci émettent des ondes sélectives propres à leurs caractéristiques.

Il est également important de souligner que dans la méthode optique, la caméra synchronisée avec l’unité lock-in, qui commande une lampe halogène générant le signal de référence, sont placées du même côté de l’échantillon (voir figure 6 à gauche). Par contre, dans la méthode ultrasonique, un transducteur situé en face arrière du matériau, génère à partir d’un point fixe des ondes à travers tout le volume du matériau. Il est excité par un

Il est également important de souligner que dans la méthode optique, la caméra synchronisée avec l’unité lock-in, qui commande une lampe halogène générant le signal de référence, sont placées du même côté de l’échantillon (voir figure 6 à gauche). Par contre, dans la méthode ultrasonique, un transducteur situé en face arrière du matériau, génère à partir d’un point fixe des ondes à travers tout le volume du matériau. Il est excité par un