Les méthodes d’auscultation non destructives

Il est d’usage de classer les méthodes d’auscultation des ouvrages en deux catégories : les méthodes destructives et les méthodes non destructives. Les méthodes destructives sont invasives et comprennent, entre autres, le carottage et l’ouverture de fenêtres d’observation. Le carottage permet d’évaluer la délamination et certaines caractéristiques mécaniques, de même que de procéder à des analyses électrochimiques sur les matériaux. Pour sa part, l’ouverture de fenêtres est fort utile pour évaluer l’avancement de la corrosion de l’armature passive ou des câbles de précontrainte et pour procéder à l’inspection des an- crages de précontrainte. Toutefois ces méthodes ne donnent qu’un résultat ponctuel sur la structure et demandent généralement du travail de préparation et de réparation.

Pour obtenir une vision globale de l’état de l’ouvrage, les méthodes non destructives sont souvent utilisées, car elles n’occasionnent pas de dommages à la structure. Elles sont géné- ralement plus rapides et plus économiques à l’application. Les méthodes destructives ou semi-destructives comme l’endoscopie permettent de conforter les résultats obtenus. Il est rare de pouvoir utiliser une seule méthode d’auscultation pour évaluer un ouvrage complet.

Les principales méthodes utilisées actuellement sont présentées dans les parties suivantes. Pour chacune de ces méthodes, le principe physique et les applications qui en découlent sont détaillées. Selon les sources, la capacité des appareils en terme de précision, de portée et de résolution est assez différente, mais il a été choisi de considérer des données sources faisant l’objet de consensus entre plusieurs chercheurs comme l’American Concrete Insti- tute (ACI) et l’AFGC.

2.2.3.1 Méthode d'inspection visuelle

La méthode d’inspection visuelle est bien souvent la première étape de l’auscultation d’un ouvrage (Davis, 1998).

L’environnement de l’ouvrage et l’étude des documents depuis sa construction sont à pren- dre en compte. Les zones de dégradations sont notées selon leur nature et leur avancement. L’inspection visuelle doit permettre à l’ingénieur de choisir si nécessaire les méthodes d’investigation les plus adaptées selon le type de défauts, leur localisation et leur étendue. Des photographies sont prises pour aprécier l’évolution des dégradations au fil des inspec- tions.

Les résultats de l’inspection visuelle sont généralement de nature qualitative et reposent en grande partie sur l’expérience de l’inspecteur. Il faut noter également que l’inspection vi- suelle ne repose que sur les conséquences des dégradations visibles en surface.

2.2.3.2 Méthodes par propagation d’ondes mécaniques

Pour caractériser un matériau, il est possible d’y étudier la propagation d’ondes. Pour la caractérisation du béton, plusieurs types d’ondes sont utilisés :

• Les ondes mécaniques sonores et ultrasonores : Ultrason et impact Echo.

• Les ondes électromagnétiques : les rayons X (radiographie), les ondes infrarouges (thermographie) et les ondes hautes fréquences (radar)

2.2.3.2.1 Propagation des ondes mécaniques

Les ondes mécaniques sont créées à la surface des éléments par une vibration mécanique ou par un impact. Elles se composent de trois types d’onde, l’onde de Rayleigh qui se propage essentiellement en surface, l’onde de compression P et l’onde de cisaillement S qui se pro- pagent, toute deux, à travers tout le volume. Certaines méthodes d’auscultation sont basées sur le fait que ces ondes sont réfléchies lorsqu’elles rencontrent un milieu de densité diffé- rente.

Dans un matériau isotrope élastique, la célérité de l’onde P de compression est notée Cp. Cp

est fonction du module d’Young E, du coefficient de Poisson 𝜈 et de la densité 𝜌 selon l’équation :

𝐶𝑃 = �_{𝜌(1 + 𝜈)(1 − 2𝜈) 𝑒𝑛 𝑚/𝑠}𝐸(1 − 𝜈) Eq. 2-1

La célérité de l’onde S est donnée par l’équation :

𝐶𝑆 = �𝐺_{𝜌 𝑒𝑛 𝑚/𝑠} Eq. 2-2

où 𝐺 est le module élastique du matériau.

Si le mesures de 𝐶𝑆 et 𝐶𝑃 sont possibles, le coefficient de Poisson peut être déduit par la

formule suivante :

𝐶𝑆

𝐶𝑃 = �

1 − 2𝜈

2(1 − 𝜈) Eq. 2-3

Le coefficient de Poisson constitue un indicateur utile de l’état du béton.

La vitesse de propagation des ondes mécaniques est également liée aux dimensions de la pièce étudiée, ce qui pose souvent des problèmes d’interprétation des signaux dans les poutres et notamment celles en béton précontraint (Davis, 1998).

Les émetteurs ultrasonores vibrent sous l’action d’un courant électrique tandis que les ré- cepteurs transforment les vibrations du milieu en un courant électrique. Cette vibration est transmise dans le matériau sous forme d’une onde mécanique. Cette onde provoque tantôt de la traction tantôt de la compression dans son milieu de propagation.

Quand une onde mécanique passe d’un matériau 1 à un matériau 2 avec une incidence nor- male, le coefficient de réflexion est donné par l’équation :

𝑅 =𝑍_𝑍2− 𝑍1

2+ 𝑍1 Eq. 2-4

où 𝑍1 et 𝑍2 sont les impédances acoustiques des matériaux 1 et 2.

L’impédance acoustique est une grandeur qui caractérise la résistance d’un matériau au passage d’une onde sonore. Elle est définie comme le rapport entre la pression acoustique et la vitesse de propagation de l’onde. Elle peut être calculée pour chaque matériau par l’équation suivante :

𝑍 = 𝜌 ∗ 𝑐 𝑒𝑛 𝑃𝑎. 𝑠/𝑚 _{Eq. 2-5}

où 𝜌 est la masse volumique exprimée en kg/m3; 𝑐 est la vitesse du son dans le matériau en m/s;

D’après les valeurs d’impédance acoustique du Tableau 2-1, la réflexion de l’onde à l’interface béton-air est presque totale, ce qui fait le succès de ce type de méthode pour la détection du délaminage dans le béton. Si l’impédance du matériau 2 est plus faible que celle du matériau 1, les ondes P réfléchies changent de signe, c'est-à-dire qu’une compres- sion se transforme en tension et inversement. Cela permet par exemple de distinguer les interfaces béton - air des interfaces béton – acier (Barbara J. Jaeger, 1996).

Tableau 2-1 : Impédance acoustique des matériaux Matériaux Impédance acoustique spécifique kg/(m²s)

Air 0,4

Métal 47*106

Béton 7 à 10*106

2.2.3.2.2 Méthode temporelle par propagation d’ondes ultrasonores

Ces méthodes utilisent un émetteur (T) et un récepteur (R) placés de chaque côté de l’élément étudié afin de mesurer le temps de propagation de l’onde. Si l’onde rencontre des zones de défauts, sa propagation est plus lente. Si elle rencontre un vide, elle est intégrale- ment réfléchie, comme le montre la Figure 2-4.

Figure 2-4 : (a) Effets des défauts sur le temps de propagation d'une onde ultrasonore; (b) schéma du système de transmission (ACI, 1998 p. 7).

Ce type de méthode est utilisé pour la détection des défauts dans le béton tel que le délami- nage et la fissuration. Les zones altérées peuvent être identifiées par comparaison des vi-

tesses de propagation. Il s’agit donc d’une mesure relative, mais qui demeure très efficace (Krishnaiah Chevva, 2007).

L’inconvénient principal de la méthode réside dans le fait qu’elle nécessite l’accès aux deux faces de la pièce.

2.2.3.2.3 Méthode temporelle par réflexion d’ondes ultrasonores

La méthode temporelle par réflexion d’ondes ultrasonores permet de pallier aux difficultés énoncées précédemment puisque, dans ce cas, l’émetteur et le récepteur sont situés sur la même face de l’élément étudié. Les ondes réfléchies par les parois et les défauts présents dans le béton sont mesurées comme le montre la Figure 2-5. Le principe Pulse-Echo utilise un même transducteur pour émettre et recevoir les ondes alors que le principe Pitch-catch utilise deux transducteurs, l’un pour l’émission des ondes et l’autre pour la réception. Dans les deux cas, le signal est analysé à l’aide d’un oscilloscope.

L’auscultation par propagation ou réflexion d’ondes ultrasonores offre de bons résultats qualitatifs mais les résultats quantitatifs sont généralement peu fiables car basés sur l’étalonnage de la vitesse de propagation.

2.2.3.2.4 Méthode Impact Écho

Ici, l’onde ultrasonore est produite par l’impact d’une bille métallique, comme le montre la Figure 2-6 a), dont le diamètre est choisi en fonction de la profondeur d’analyse et de la résolution souhaitées. Le choix de la source de l’impact est capital car elle détermine la durée de l’impact et donc la fréquence de l’onde produite. Selon sa fréquence, l’onde n’aura pas la même profondeur de pénétration. Le récepteur enregistre l’amplitude des ondes ré- fléchies.

Figure 2-6 : (a) Schéma du dispositif de mesure par impact écho; (b) Amplitude du signal pour un échantillon sans défaut; (c) Amplitude du signal pour un échantillon avec un défaut

(ACI, 1998).

L’analyse fréquentielle du signal permet de déterminer la profondeur du défaut dans la pièce. En effet, le spectre obtenu par transformation de Fourier laisse apparaitre des pics d’amplitude qui correspondent aux fréquences des allers et retours de l’onde entre le défaut

et la surface de la pièce comme le montre la Figure 2-6 b) et c). Une équation pour le calcul de la profondeur est proposée par l’AFGC et l’ACI :

𝑝 = 𝛽 _{𝑛. 𝑓 𝑒𝑛 𝑚}𝐶𝑃 _{Eq. 2-6} Où 𝑓 𝑒𝑛 𝐻𝑧 est la fréquence de résonnance du pic d’amplitude

𝐶𝑃 𝑒𝑛 𝑚/𝑠 est la vitesse de propagation des ondes P dans le matériau ‘elle peut être

obtenue par calibrage sur une zone d’épaisseur connue); 𝑛 est un coefficient d’interface :

n = 2 si 𝑍2 ≤ 𝑍1 (ex : béton - air);

n = 4 si 𝑍2 ≥ 𝑍1 (béton-acier).

𝛽 est un facteur de forme (𝛽 = 0,96 pour la mesure de l’épaisseur d’une dalle) cf. (AFGC, 2005) et (ACI, 1998)

En utilisant le rapport entre la fréquence des pics dus aux limites de la pièce et la fréquence des pics dus aux défauts, la profondeur 𝑝𝑑é𝑓𝑎𝑢𝑡 des défauts peut être connue.

𝑝𝑑é𝑓𝑎𝑢𝑡 =𝑓𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒_𝑓 ∗ 𝑝𝑝𝑖è𝑐𝑒

𝑑é𝑓𝑎𝑢𝑡 Eq. 2-7

Cette méthode proposé par l’ACI permet de s’affranchir de la vitesse de propagation des ondes dans le matériau étudié. Par exemple, la profondeur du défaut sur la Figure 2-6 peut être déduite par le calcul suivant :

𝑝𝑑é𝑓𝑎𝑢𝑡 = 3,42 𝑘𝐻𝑧 ∗ 0,5 𝑚_{7,32 𝑘𝐻𝑧} = 0,234 𝑚 Eq. 2-8

La méthode impact écho a été jugée efficace dans de nombreux articles pour la détection du délaminage et le contrôle de la qualité du béton (Krishnaiah Chevva, 2007).

Pour la détection des vides de coulis, les études n’apportent pas de résultats concluants. Le fait qu’une gaine soit vide de coulis devrait provoquer une très grande résonnance de l’onde et le temps de propagation devrait être plus court. Dans l’article Comparison of NDT tech- niques on a post-tensioned beam before its autopsy (X. Dérobert, 2002), la fréquence de

résonnance de la poutre contenant une gaine vide de coulis est différente de celle contenant une gaine pleine mais il n’y a pas de pic d’amplitude à l’interface avec la gaine vide, con- trairement à ce qui était attendu. Des études complémentaires sont nécessaires pour obtenir une meilleure compréhension du phénomène.

Un des inconvénients de la méthode par impact écho est la limitation de la taille du défaut détectable par rapport à la profondeur de détection comme indiqué sur la Figure 2-7.

Si d _p < 0,33 alors la profondeur p du défaut ne peut pas être déterminée

Si d _p > 1,5 alors la dimension d du défaut ne peut être déterminée, celui-ci est interprété comme étant la limite de la pièce(Carino, 2001).

Néanmoins, il n’est pas précisé quels critères ont permis d’établir ces limites.

Figure 2-7 : Zone de détection des défauts en fonction de leur profondeur p et de leur di- mension d (Carino, 2001)

2.2.3.3 Méthode par propagation d’ondes électromagnétiques

La technique d’investigation par ondes électromagnétiques provient historiquement de l’inspection des sols. Dans de nombreux ouvrages, cette technique est nommée Ground- Penetrating Radar (GPR). Un champ électromagnétique est généré par une antenne en sur- face. Le champ réagit différemment selon les caractéristiques des matériaux environnants. Ses variations sont enregistrées à l’aide d’un récepteur.

Il existe des systèmes utilisant les ondes électromagnétiques à basses fréquences et d’autres utilisant les ondes électromagnétiques à hautes fréquences comme les ondes radars

2.2.3.3.1 Propagation des ondes électromagnétiques

Les matériaux sont caractérisés par leur conductivité 𝜎 en Ω/m, leur permittivité diélec- trique 𝜀 en farad/m et leur perméabilité magnétique 𝜇 en Henry/m. Le fort contraste entre les propriétés diélectriques du béton, de l’air et de l’acier est utilisé pour l’auscultation de l’armature.

Le domaine des ondes électromagnétiques se divise en deux catégories car le comportement des ondes à hautes fréquences n’est pas identique à celui des ondes à basses fréquences. Si 𝜎 ≪ 𝜔𝜀 (𝜔 = 2𝜋𝑓), il est possible de parler de propagation d’onde (cas des ondes à hautes fréquences). Sinon, il est question de diffusion du champ magnétique à travers le matériau (cas des ondes à basses fréquences) (D. Breysse, 2005).

2.2.3.3.2 Méthode par propagation d’ondes électromagnétiques à basses fréquences Un champ magnétique est créé par la circulation d’un courant dans des bobines. Le flux du champ magnétique qui circule entre les deux pôles du circuit peut être comparé par analo- gie à un courant électrique. La capacité d’un matériau à transmettre le flux de champ ma- gnétique est proportionnel à sa perméabilité magnétique. La présence de barre d’armature dont la perméabilité magnétique est très grande, augmente le flux de champ magnétique. Le schéma de principe de ce type d’appareil est donné par la Figure 2-8.

Figure 2-8 : Schéma du principe de fonctionnement d’un Pachomètre (ACI, 1998). Les propriétés ferromagnétiques de l’armature sont exploitées par un autre type d’appareil qui mesure les perturbations du champ magnétique provoqué par les courants de Foucault comme le montre la Figure 2-9.

Figure 2-9 : Schéma du principe de fonctionnement d’un pachomètre utilisant les courants de Foucault (ACI, 1998)

La profondeur de recouvrement, le diamètre de la barre et son orientation ont également de l’influence. Selon l’amplitude du signal, connaissant l’orientation de la barre, la profondeur et le diamètre de la barre peuvent être déterminés. La présence de corrosion peut influencer l’intensité du champ magnétique mesurée.

Les appareils présentés appelés pachomètre (covermeter en anglais) sont essentiellement utilisés pour localiser les barres de renforcement et donner une valeur approximative de leur recouvrement ou de leur diamètre selon les informations disponibles. Si l’espacement entre les barres est réduit (inférieur à 100 mm environ), la mesure peut être rendue très dif- ficile à interpréter. La profondeur de pénétration du champ magnétique varie selon les ap- pareils et se situe généralement dans la plage de 100 mm à 500 mm.

2.2.3.3.3 Méthode par propagation d’onde électromagnétiques hautes-fréquences

La propagation des ondes électromagnétiques à hautes fréquences est comparable à la pro- pagation des ondes mécaniques. L’onde est produite par une antenne qui est couplée avec le milieu examiné. Les antennes utilisées possèdent une fréquence propre qui varie selon les modèles, typiquement de 300 MHz à 3GHz. La désignation internationale de ce type d’onde est UHF (Ultra High Frequency). Cette plage est également utilisée par les réseaux GSM (Global System for Mobile Communications), GPS (Global Positioning System), Wi- Fi et télévision.

L’onde émise par l’antenne est une impulsion magnétique dont la longueur d’onde est va- riable. Elle est fonction de la fréquence de l’antenne utilisée et du milieu d’émission. Un récepteur enregistre l’amplitude de l’onde réfléchie sur les différentes interfaces qu’elle a rencontrées en fonction du temps. Des informations peuvent être déduites en tenant compte du temps de propagation, de l’amplitude, de la forme et de la polarité du signal (Davis, 1998).

2.2.3.3.3.1 Propriétés des matériaux

Les matériaux sont caractérisés par leur constante de permittivité relative

𝜀

𝑟 . Dans les ma- tériaux diélectriques à faible perte comme le béton, la permittivité diélectrique quantifie l’énergie électrostatique stockée par unité de volume pour un potentiel électromagnétique donné. La permittivité diélectrique relative

𝜀

𝑟 est le rapport entre la constante diélectrique du matériau

𝜀

et celle du vide

𝜀

₀

.

Elle s’exprime en farad par mètre (F/m).

𝜀

𝑟

=_𝜀𝜀

0 Eq. 2-9

Les métaux possèdent une permittivité diélectrique infinie, tandis que l’eau pure possède une permittivité relative importante. Dans les matériaux poreux comme le béton, la pré- sence d’eau augmente la permittivité relative.

La conductivité 𝜎 et la permittivité

𝜀

permettent de déterminer les pertes d’énergie lors de la propagation de l’onde dans un matériau. Une approximation du coefficient d’atténuation 𝛼 du signal est donnée dans le rapport ACI 228.2R-98 Nondestructive Test Methods for Evaluation of Concrete in Structures (Davis, 1998) :

𝛼 = 1,69 × 103 𝜎

√

𝜀

𝑟 𝑒𝑛 𝑑𝐵/𝑚 Eq. 2-10

Le coefficient d’atténuation de l’eau est plus important que celui du béton. Par conséquent, la présence d’eau dans le béton va augmenter l’atténuation du signal. Cette dispersion de l’énergie est provoquée en grande partie par la relaxation diélectrique de l’eau (Daniels, 2004). La relaxation diélectrique de l’eau est due à la polarisation des molécules d’eau.

Tableau 2-2 : Atténuation et permittivité diélectrique des matériaux. (Daniels, 2004) Matériau Atténuation, dB/m Permittivité relative

Fréquence 100 MHz (me- sure) 1GHz (théorie) 100 MHz (mesure) Air 0 1 Béton humide 10-25 10-20 Béton sec 2-12 5-25 4-10 Eau douce 0,01 81 Eau de mer 100 81 Sable humide 0,5-5 10-30 Sable sec 0,01-1 0,1 - 20 2-6

2.2.3.3.3.2 Vitesse de propagation

Les équations qui régissent le comportement des ondes électromagnétiques sont issues des travaux de Maxwell. Dans un matériau homogène de permittivité diélectrique relative 𝜀𝑟, la

vitesse de propagation relative

_𝑣

_𝑟est donnée par l’équation suivante : 𝑣𝑟 = 𝑐

√𝜀𝑟 𝑒𝑛 𝑚/𝑠 Eq. 2-11

𝑐 est la vitesse de propagation de la lumière dans le vide, 𝑐 = 299 792 458 m/s

𝑣𝑟 = 1

�𝜀𝑟× 𝜀0 × 𝜇0 𝑒𝑛 𝑚/𝑠 Eq. 2-12

où 𝜇0 est la perméabilité magnétique du videet𝜀0 est la permittivité électrique du vide

(Daniels, 2004)

La profondeur

_𝑝

de l’interface entre deux matériaux peut être déduite en appliquant l’équation :

𝑝 = 𝑣𝑟∗_{2 𝑒𝑛 𝑚}𝑡 Eq. 2-13

où

𝑡

est le temps de propagation de l’onde entre l’émission et la réception du signal

Dans la plupart des cas, la permittivité relative des matériaux n’est pas connue sur le ter- rain. Une valeur moyenne de la vitesse de propagation peut être déterminée en mesurant le temps de propagation dans des zones d’épaisseur connue ou en utilisant la réflexion d’un élément considéré ponctuel comme une barre d’armature. Le déplacement de l’antenne provoque une variation du temps de propagation ce qui décale la réflexion de l’interface et se traduit par la formation d’une parabole (cf. Figure 2-10 et Figure 2-11)

L’équation ci-dessous donne la vitesse de propagation en fonction du déplacement du radar

x

et du temps de propagation

𝑡

:

𝑣 = �𝑥

𝑛−1

² − 𝑥

0

²

Figure 2-10 : Mesure de la vitesse de propagation par réflexion du signal sur un élément ponctuel

Figure 2-11 : Parabole formée par la réflexion d’un élément ponctuel (Daniels, 2004 p. 25) Dans les matériaux contenant de l’eau comme le béton ou le sol, la vitesse de propagation varie en fonction de la fréquence de l’onde émise. Ces matériaux sont dits dispersifs.

2.2.3.3.3.3 Réflexion des ondes

Lorsqu’une onde arrive à l’interface entre deux matériaux, une partie est réfléchie et l’autre partie est transmise. Le coefficient de réflexion 𝑟1−2 d’une onde pour une incidence nor-

male est :

𝑟

1−2

= √𝜀

𝑟1

− √𝜀

𝑟2

√𝜀

𝑟1

+ √𝜀

𝑟2

Eq. 2-15

𝜀

𝑟1 permittivité diélectrique du matériau 1 (onde incidente)

𝜀

𝑟2 permittivité diélectrique du matériau 2

Lorsque le matériau 1 possède une permittivité diélectrique plus petite que le matériau 2, la polarisation de l’onde réfléchie est inversée. Cela se produit à l’interface béton/acier par exemple.

2.2.3.3.3.4 Résolution

La résolution du système radar est inversement proportionnelle à la longueur d’onde du signal. Pour être détectables, deux interfaces doivent être séparées géométriquement d’au moins une demi-fois la longueur d’onde. Si cette valeur n’est pas respectée, il est possible de procéder à un traitement par déconvolution. La longueur d’onde est donnée par l’équation :

𝜆𝑚 =𝑣_{𝑓 =} 𝑐 √𝜀𝑟∗

1

𝑓 Eq. 2-16

Elle dépend de la permittivité diélectrique du milieu. En milieu humide, la résolution aug- mente, car la permittivité diélectrique augmente. Cette amélioration de la résolution est contrée par un autre phénomène : l’atténuation du milieu. Les milieux humides tels que le sol ou le béton se comportent comme des filtres passe-bas : plus l’humidité est importante, plus l’atténuation est importante. L’onde est allongée dans le temps et son amplitude est moins grande.

La Figure 2-12 montre l’effet de cette atténuation sur une pulsation de Ricker. Le signal reçu a été amplifié pour faciliter la visualisation.

Figure 2-12 : Effet de l’atténuation du milieu sur une pulsation de Ricker issue de (Daniels, 2004 p. 30)

Par conséquent, plus une interface se trouve loin de l’antenne, plus la réflexion qu’elle va engendrer sera atténuée et allongée dans le temps comme l’illustre la Figure 2-13.

Figure 2-13 : Réflexions de l’onde sur plusieurs interfaces (Daniels, 2004)

2.2.3.3.3.5 Applications

Les GPR (Ground Penetrating Radar) sont utilisés pour localiser des armatures dans le bé- ton précontraint et le béton armé. Ils permettent également de détecter des défauts structu- rels comme des fissures, des vides ou des délaminations. Leur profondeur de pénétration et leur résolution varient selon la fréquence d’antenne qui est choisie et le milieu étudié. Pour une fréquence de 1 GHz, la profondeur de pénétration dans le béton est estimée à 400 mm. Le rapport de la Fédération Internationale du Béton (fib) (Taerwe, 2001) estime à 300 mm la profondeur maximale de détection des câbles de précontrainte.

2.2.3.4 Méthode thermographique

Selon ses caractéristiques physiques, un matériau absorbe plus ou moins le rayonnement infrarouge. L’absorption du rayonnement fait augmenter la température du matériau et lors- que la source de rayonnement disparait, les zones les plus chaudes se mettent à leur tour à

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