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 amplificateur ultrasonique commandé par l’unité lock-in synchronisée avec la caméra qui, eux, sont placées en face avant (voir figure 6 à droite).

Figure 6 : Dispositif expérimental de la thermographie lock-in avec excitation à la lampe halogène (gauche) et excitation ultrasonique (droite)

25 2.2.1.2 Application : Méthode de T. Sakagami et S. Kubo

Le principe du lock-in précédemment décrit, a été adapté au domaine du génie civil par (Sakagami et Kubo) [29], pour tenter de localiser des défauts artificiels de décollement dans un bloc de béton de dimensions (1×1×0,3 m³), dans lequel sont disséminées des feuilles de mousse en polystyrène (10×10 cm²) de différentes épaisseurs t à différentes profondeurs d, pour créer des défauts artificiels (voir figure 7). Le signal de référence est généré par chauffage périodique par des lampes.

Figure 7 : Spécimen de bloc de béton face A (à gauche) face B (à droite) (extrait de [29]) Le dispositif expérimental est composé d’un ordinateur qui commande de façon synchrone une caméra infrarouge et l’unité lock-in. L’unité lock-in est reliée au boîtier de commande du réchauffeur qui commande douze (12) lampes de quartz. Le chauffage périodique est assuré en commutant alternativement, grâce au relais du boîtier, les lampes selon le signal de référence. Des données de rayonnement infrarouge de la surface du spécimen sont mesurées par la caméra infrarouge et transférées à l’ordinateur contenant l’algorithme informatique du lock-in par une carte de capture d’image (voir figure 8).

Figure 8 : Schéma du système de contrôle-non destructif du lock-in thermographique Extrait [29]

26 Après l’application du Lock-in au bloc, et la mise en évidence de la position et de la taille des défauts de décollement par le secteur des changements de contraste des images de retard de phase, les auteurs [29], ont par la suite tenté de localiser précisément ces défauts. A cette fin, la différence de phase est calculée entre la moyenne des amplitudes enregistrées par la caméra infrarouge en chaque zone présentant un contraste dû à un défaut et la moyenne de l’ensemble des amplitudes enregistrées sur le spécimen. Les courbes d’évolution de en fonction des périodes (durées) de chauffage sont représentées sur la figure 9.

Figure 9 : Relation entre la différence de phase et la période (durée d’excitation) obtenue pour différentes profondeurs de défauts (Extrait de [29])

L’observation de ces courbes montre que chacune d’elles passe par un pic à un certain moment au cours de la durée de chauffage . Il est également remarquable que le moment où une courbe passe par son pic est d’autant long que le défaut de décollement est profond.

De plus, pour les défauts situés à 2 cm de profondeur, toutes les courbes passent aux valeurs négatives après 30 min de chauffage.

Les initiateurs de la méthode pensent qu’il est possible d’exploiter ces constats entre la différence de phase est la période de chauffage , pour l’évaluation quantitative des profondeurs de décollement.

2.2.2 Méthode de Maierhofer et al.

Maierhofer propose une estimation quantitative de profondeurs de défauts sous une dalle de béton par méthode inverse. Avant de détailler la méthode, nous présentons d’abord les résultats qualitatifs issus des manipulations expérimentales.

27 Le dispositif expérimental est montré sur la figure 10. Il se compose d’un dispositif de chauffage électrique, d’une caméra infrarouge (Inframétric SC 1000) et d’un système

Figure 10 : A gauche : installation expérimentale pour des mesures de chauffage-thermographie montrant le spécimen d’essais, le radiateur, la caméra infrarouge et l’unité informatique. A droite : spécimen d’essais avec des cubes en polystyrène simulant des vides.

Extrait de [31]

informatique permettant l’enregistrement des données numériques en temps réel. Le dispositif de chauffage thermique contient trois radiateurs infrarouges ayant une puissance de 2400W chacun. Les radiateurs sont disposés verticalement et déplacés perpendiculairement à la surface de la dalle de béton, afin d’assurer un chauffage homogène. La dalle a un volume de 1,5×1,5×0,5m³ au sein duquel huit (8) défauts artificiels de tailles 20×20×10 cm³ et 10×10×10 cm³ sont disséminés à différentes profondeurs.

Pour la recherche sur ce spécimen d’essais, six (6) cycles de chauffage périodiques ont été exécutés avec des temps de chauffage allant de 5 à 60 minutes. Au cours d’un cycle, le processus de diffusion de chaque impulsion de chaleur au sein du spécimen est enregistré, ainsi que le processus de refroidissement au terme d’un cycle. Les données transitoires obtenues sont ensuite analysées par FFT. Il est alors possible de visualiser les images (voir figure 11) de thermogrammes, d’amplitudes et de phases.

28 Figure 11 : Au-dessus : thermogrammes enregistrés après 0 ; 34,5 ; 68,5 ; et 102,8 min de refroidissement après une période de 30 min de chauffage. Milieu : images d’amplitudes à différentes fréquences. En bas : images de phases à différentes fréquences. Extrait de [31]

Dans la figure 11, au-dessus, pour un temps de chauffage de 30 min, quatre thermogrammes sont enregistrés après différents temps de refroidissement entre 0 et 100 min. Dans chaque thermogramme, les couleurs grises sont comptées pour minimum de température et les couleurs blanches pour maximum de température. On peut voir qu’immédiatement après la coupure de la source de chauffage, les vides peu profonds numéros 3 et 4 et les numéros de 5 à 8 sont visibles. Les vides plus profonds apparaissent après un temps de refroidissement de 30 min. Dans les images du milieu et du fond dans la figure 11, sont montrées respectivement, les images d’amplitude et de phase à différentes fréquences. Il est remarquable que, pour les basses fréquences, tous les vides sont visibles. Avec l’augmentation de la fréquence, seuls les vides peu profonds demeurent. Ceux-ci sont plus clairement observés dans les images de phase que d’amplitude aux plus hautes fréquences, preuve que les images de phase sont peu sensibles aux perturbations extérieures.

Nous abordons dans cette partie l’aspect quantitatif de la méthode. Tout d’abord, nous faisons remarquer que, d’après le paragraphe précédent, il existe une certaine corrélation entre les pics de température et un moment assez long pendant chaque période de chauffage et que ces quantités constituent en quelque sorte, une signature de la profondeur d’un défaut particulier. Ce sont ces données expérimentales qui seront exploitées dans la démarche que propose Maierhofer.

29 Un logiciel développé, basé sur un schéma aux différences finies, mis au point par [30], simule une impulsion de chauffage sur la surface du spécimen pendant un temps défini et calcule le transfert de chaleur à l’intérieur. Ce logiciel à l’avantage de prendre en compte l’influence des conditions environnementales ainsi que les paramètres physiques et géométriques du spécimen. Des valeurs optimales de paramètres ont pu être dégagées après une étude systématique de leur influence sur le transfert de chaleur au sein du

29 Un logiciel développé, basé sur un schéma aux différences finies, mis au point par [30], simule une impulsion de chauffage sur la surface du spécimen pendant un temps défini et calcule le transfert de chaleur à l’intérieur. Ce logiciel à l’avantage de prendre en compte l’influence des conditions environnementales ainsi que les paramètres physiques et géométriques du spécimen. Des valeurs optimales de paramètres ont pu être dégagées après une étude systématique de leur influence sur le transfert de chaleur au sein du