AUSCULTATION DES GAINES DE POST-TENSION
Méthode non destructive par radar dans le béton précontraint
Mémoire
Lucie Charotte
Maîtrise en génie civil
Maître ès Sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
Résumé
Ce projet porte sur l’auscultation des gaines de précontrainte dans les ouvrages en béton précontraint. Après une mise en contexte présentant la précontrainte à l’aide de la post-tension, une étude bibliographique a été menée afin de trouver la méthode d’auscultation la plus appropriée à la détection des vides de coulis.
La méthode d’auscultation par ondes radar a été retenue puis étudiée afin d’en dégager les limites et ainsi de concevoir un processus d’essais et de mesures concluant. Cette orienta-tion du projet résulte de l’étude des méthodes d’auscultaorienta-tion mais aussi du choix des gaines de précontrainte en plastique qui ont été jusqu’ici peu étudiées en regard de leur ausculta-tion et dont le marché est en plein développement. Aux termes de cette première phase d’étude, il a été choisi de réaliser 7 corps d’épreuve en béton identiques contenant 2 gaines de précontrainte présentant des remplissages variables de coulis de ciment et des positions diverses au sein des échantillons de béton.
Ce projet a permis l’acquisition de connaissances nouvelles sur la localisation par ondes radar des gaines de précontrainte plastique. La profondeur limite à laquelle les gaines peu-vent être détectées en fonction de la fréquence de l’antenne a pu être déterminée à l’aide de mesures sur les échantillons. L’impact de la variation du diamètre, de la présence d’armature passive et de la proximité de deux gaines de précontraintes sur la détection des gaines a également été étudié.
L’étude du remplissage des gaines donne des perspectives de recherche pour d’améliorer la performance de l’analyse de la mesure radar et de son utilisation pour la détection des vides de coulis souvent responsables de la dégradation des câbles de post-tension. En effet, quatre cas de remplissage ont pu être étudiés : gaines vides, gaines remplies de coulis, gaines con-tenant des torons et gaines concon-tenant du coulis et des torons avec plusieurs niveaux de rem-plissage.
Abstract
This project focuses on auscultation of post-tensioning ducts in prestressed concrete struc-tures. After some background on prestressing, a literature review was conducted to select a non-destructive assessment method that would be most appropriate for detecting grout voids.
Following the review, the auscultation radar method has been selected and examined in detail in order to identify its limitations and to propose and implement an appropriate ex-perimental testing program. The selection of the method was not solely based on the littera-ture review but was also dictated by the choice to concentrate the study on plastic ducts. Althougth these ducts are relatively new on the market, it is expected that, in a near future, they will become commonly used in high aggressive environment
Seven concrete block samples containing 14 identical prestressing plastic ducts were inject-ed with cimentious grout with different filling degree (no grout to entirely fill duct) and were installed at different locations within the concrete samples.
This project is a first step towards improving our detection knowledge of plastic prestress-ing ducts by the radar method. Nevertheless, the study of the influence of ciment grout (degree of filling) gave good research perspectives to improve the performance of the radar measurement analysis and its use for the detection of grout voids often associated with the degradation of post-tensioning cables by corrosion.
Table des matières
Résumé ... III Abstract ... V Table des matières ... VII Liste des tableaux ... IX Liste des figures ... XI Liste des symboles ... XV Remerciements ... XXI
1 Introduction ... 1
2 Revue de la documentation ... 3
2.1 Structures en béton précontraint ... 3
2.1.1 Avantages et inconvénients des structures en béton précontraint ... 3
2.1.2 Pré-tension et post-tension ... 4
2.1.3 Matériaux de construction ... 5
2.2 Méthodes d’auscultation ... 10
2.2.1 Enjeux de l’évaluation des ouvrages ... 10
2.2.2 Programme d’inspection et d’évaluation des ouvrages ... 12
2.2.3 Les méthodes d’auscultation non destructives ... 14
2.2.4 Évaluation des structures ... 47
3 Méthodologie ... 49
3.1 Choix de la méthode radar ... 49
3.2 Étude et expérimentation préliminaires à l’aide de l’appareil radar ... 53
3.2.1 Concepts relatifs à l’analyse du champ électromagnétique produit par l’antenne 54 3.2.2 Couplage de l’antenne avec le milieu de propagation de l’onde ... 54
3.2.3 Mesure du temps de propagation ... 63
3.2.4 Étude de la polarité de l’onde ... 72
3.2.5 Dérive de l’antenne dans le temps ... 73
3.2.6 Dérive de la batterie ... 80
3.2.7 Influence de la fréquence d’acquisition du signal ... 82
3.2.8 Utilisation du système de mesure ... 85
3.3 Conception et dimensionnement des échantillons ... 86
3.3.1 Distance entre les gaines placées dans les échantillons ... 86
3.3.2 Epaisseur de recouvrement ... 87
3.3.3 Influence de l’armature passive ... 89
3.3.4 Comparaison de différents diamètres de gaine ... 89
3.3.5 Remplissage des gaines ... 90
3.3.6 Dimensions générales des échantillons ... 93
3.3.7 Échantillon de référence ... 95
3.4 Réalisation des échantillons ... 101
3.4.1 Remplissage des gaines ... 101
3.4.2 Fabrication des corps d’épreuve ... 103
3.5 Protocole de réalisation des essais ... 104
3.6 Traitement du signal ... 106
4.1 La détection des gaines – Analyse qualitative ... 109
4.1.1 Épaisseur de recouvrement ... 110
4.1.2 Diamètre des gaines ... 115
4.1.3 Influence de l’armature passive ... 119
4.1.4 Écartement des gaines ... 123
4.1.5 Synthèse des résultats ... 125
4.2 La détection des vides de coulis ... 126
4.2.1 Comparaison gaine vide/gaine remplie de coulis ... 127
4.2.2 Gaines comportant des torons ... 133
4.2.3 Inversion du sens de déplacement de l’antenne ... 159
4.2.4 Synthèse des résultats ... 161
5 Conclusion ... 163
Liste des tableaux
Tableau 2-1 : Impédance acoustique des matériaux ... 18
Tableau 2-2 : Atténuation et permittivité diélectrique des matériaux. (Daniels, 2004) ... 27
Tableau 2-3: Temps d'exposition selon l'épaisseur de la pièce et le type de rayonnements utilisés (M. Girard, 2008). ... 37
Tableau 3-1 : Paramètres observables selon les technologies d’auscultation ... 51
Tableau 3-2 : Mesures de l’influence du couplage sur l’onde directe ... 63
Tableau3-3 : Dimensions des éléments pour la calibration ... 66
Tableau3-4 : Coefficients de réflexion théoriques ... 72
Tableau3-5 : Fréquences d’échantillonnage ... 83
Tableau 3-6 : Extrait du tableau 8.5 de la norme S6-06 (Association canadienne de normalisation, 2006) ... 88
Tableau 3-7 : Dimensions des gaines utilisées ... 90
Tableau 3-8 : Configurations des corps d’épreuve ... 100
Tableau 3-9 : Caractérisation du coulis utilisés ... 103
Tableau 4-1 : Mesure de l’influence de l’épaisseur de recouvrement ... 112
Tableau 4-2 : Notes moyennes pour différents recouvrement ... 115
Tableau 4-3 : Influence du diamètre des gaines sur la capacité de détection de la méthode radar ... 116
Tableau 4-4: Notes moyennes pour deux diamètres différents ... 118
Tableau 4-5 : Notes obtenues lors des mesures de l’influence de l’armature passive ... 120
Tableau 4-6 : Influence de l’armature passive ... 121
Tableau 4-7 : Influence de l’écartement ... 123
Tableau 4-8 : Notes moyennes pour des écartements différents ... 125
Tableau 4-9 : Influence de la profondeur des gaines ... 126
Tableau 4-10 : Influence de la présence d’armature métallique passive au dessus des gaines ... 126
Tableau 4-11 : Influence de l’écartement des gaines ... 126
Tableau 4-12 : Récapitulatif des résultats obtenus à partir des A-Scans ... 130
Tableau 4-13 : Comparaison des réflexions entre le coulis frais et le coulis durci ... 132
Tableau 4-14– Face 1 – Antenne 1,2 GHz ... 137
Tableau 4-15 : B-Scans – Face 1 – Antenne 2,3 GHz ... 139
Tableau 4-16 : A-Scans – Face 1 – Antenne 1,2 GHz ... 145
Tableau 4-17 : A-Scans – Face 1 – Antenne 2,3 GHz ... 147
Tableau 4-18 : Analyse des résultats par critères – Face 1 ... 149
Tableau 4-19 : B-Scans – Face 2 – Antenne 1,2 GHz ... 152
Tableau 4-20 : B-Scans – Face 2 – Antenne 2,3 GHz ... 154
Tableau 4-21 : Mesure de remplissage sur la face 2, A-Scanns ... 156
Tableau 4-22 : Mesure de remplissage sur la face 2 réalisée à 115 jours ... 157
Liste des figures
Figure 2-1 : Précontrainte par post-tension (intérieure) ... 5
Figure 2-2 : Gaines métalliques en place avant la coulée du béton (Dywidag-Systems International, 2006) ... 7
Figure 2-3 : Distribution en valeur des structures du Québec par décennies de construction (Ministère des Transports du Québec, 2005 p. 10) ... 11
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). ... 18
Figure 2-5 : Schéma des méthodes par réflexion d'ondes ultrasonores (ACI, 1998 p. 8)... 19
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). ... 20
Figure 2-7 : Zone de détection des défauts en fonction de leur profondeur p et de leur dimension d (Carino, 2001) ... 22
Figure 2-8 : Schéma du principe de fonctionnement d’un Pachomètre (ACI, 1998). ... 24
Figure 2-9 : Schéma du principe de fonctionnement d’un pachomètre utilisant les courants de Foucault (ACI, 1998) ... 25
Figure 2-10 : Mesure de la vitesse de propagation par réflexion du signal sur un élément ponctuel ... 29
Figure 2-11 : Parabole formée par la réflexion d’un élément ponctuel (Daniels, 2004 p. 25) ... 29
Figure 2-12 : Effet de l’atténuation du milieu sur une pulsation de Ricker issue de (Daniels, 2004 p. 30) ... 31
Figure 2-13 : Réflexions de l’onde sur plusieurs interfaces (Daniels, 2004) ... 32
Figure 2-14 : Effet des défauts internes sur la température à la surface de la pièce : a) Phase de réchauffement, b) Phase de refroidissement (ACI, 1998). ... 33
Figure 2-15 : a) Image infra-rouge de la pseudo-température de surface étudiée (Pointillés : défauts cachés et ligne continue : défauts dans les zones réparées) b) Photographie de la zone étudiée (Koichi Kurita, 2009). ... 34
Figure 2-16 : (a) Schéma de la méthode radiographique ; ... 35
Figure 2-17 : Domaines d'utilisation des différents rayonnements selon l'épaisseur de béton ausculté (M. Girard, 2008) ... 36
Figure 2-18 : Films radiographiques : à gauche : câbles de précontrainte sans coulis, à droite : câble de précontrainte avec coulis. Issue de (X. Dérobert, 2002). ... 37
Figure 2-19 : (a) Schémas de la méthode de contrôle du béton d'enrobage (M. Girard, 2008); (b) Schéma de la méthode de contrôle du béton en surface; (c) Dispositif de Wenner (D. Breysse, 2005) ... 39
Figure 2-20 : Réaction de corrosion de l’armature métallique dans le béton (ACI, 1998) .. 41
Figure 2-21 : Illustration de la méthode de mesure par demi-pile (D. Breysse, 2005 p. 285) ... 42
Figure 2-22 : Mesure de la vitesse de corrosion, circuit ouvert (Davis, 1998) ... 44
Figure 2-23 : Mesure de la vitesse de corrosion, circuit fermé (Davis, 1998) ... 44
Figure 2-24 : Niveaux d’évaluation de la sécurité d'une structure (D. Breysse, 2005) ... 47
Figure 3-2 : Diagramme de rayonnement d’un dipôle parfait dans l’air ... 55
Figure 3-3 : Densité de courant du champ magnétique émis par un élément rayonnant dans le champ lointain dans un matériau diélectrique pour différentes valeurs de permittivité diélectrique ε. (Daniels, 2004 p. 136) ... 56
Figure 3-4 : Densité de courant du champ électrique émis par un élément rayonnant dans le champ lointain dans un matériau diélectrique pour différentes valeurs de permittivité diélectrique ε. (Daniels, 2004 p. 136) ... 57
Figure 3-5 : Modélisation du champ magnétique émis par une source ponctuelle dans un milieu diélectrique non parfait homogène. (Daniels, 2004 p. 137) ... 58
Figure 3-6 : Modélisation du champ électromagnétique émis par une source ponctuelle dans un milieu diélectrique non parfait comportant une interface avec l’air. (Daniels, 2004 p. 137) ... 58
Figure 3-7 : Mesure de l’influence du couplage de l’antenne avec le béton. (a) Antenne couplée avec le béton, (b) Antenne émettant dans l’air ... 59
Figure 3-8 : Identification des pics sur les diagrammes ... 60
Figure 3-9 : Couplages de l’antenne 2,3GHz ... 62
Figure 3-10 : Couplage de l’antenne 1,2GHz ... 62
Figure 3-11 : Schéma du montage (ASTM, 1998) ... 64
Figure 3-12 : Mesure de l’intervalle 𝐶𝑇 (ASTM, 1998) ... 64
Figure 3-13 : Support des plaques pour calibration – Représentation 3D ... 65
Figure 3-14 : Montage pour les mesures de calibration ... 65
Figure 3-15 : Résultats des mesures d’ondes radar avec des plaques de différentes épaisseurs. Au dessus : Signal reçu complet, En dessous : Zoom sur les réflexions ... 67
Figure 3-16 : Signaux non corrigés ... 69
Figure 3-17 : Signaux corrigés ... 69
Figure 3-18 : Comparaison de la durée de l’impulsion ... 70
Figure 3-19 : Mesure des temps de propagation du signal ... 71
Figure 3-20 : Échantillons pour les mesures de polarisation à gauche; Mesures sur la dalle A à droite. ... 72
Figure 3-21 : Réflexion de l’onde selon la nature de l’interface ... 73
Figure 3-22: Dérive des deus antennes dans le temps ... 75
Figure 3-23 : Variation du signal en fonction du temps de démarrage de l’appareil ... 76
Figure 3-24 : Décalage du signal dans le temps ... 76
Figure 3-25 : Variations du temps de propagation du signal ... 77
Figure 3-26 : Variation de l’amplitude pic à pic ... 77
Figure 3-27 : Influence de la continuité de l’enregistrement ... 78
Figure 3-28 : Influence de la méthode d’acquisition sur l’amplitude moyenne de la mesure ... 79
Figure 3-29 : Enregistrement après mise hors tension de l’appareil. ... 80
Figure 3-30 : Mesure de l’amplitude moyenne sous alimentation par batterie ... 81
Figure 3-31 : Comparaison des sources d’alimentation ... 82
Figure 3-32 : Influence de la fréquence d’acquisition ... 84
Figure 3-33 : Temps de propagation de l’onde directe en fonction de la fréquence d’acquisition ... 84
Figure 3-34 : Antenne et chariot de déplacement ... 85
Figure 3-37 : Différentes profondeurs de gaines évaluées ... 88
Figure 3-38 : Coffrage pour l’échantillon contenant de l’armature passive et deux gaines. 89 Figure 3-39 : Échantillon « Remplissage » contenant la gaine avec du coulis de mauvaise qualité et la gaine remplie à moitié de coulis. ... 91
Figure 3-40 : Répartition du coulis dans les gaines ... 92
Figure 3-41 : Prise du coulis dans les gaines inclinées ... 92
Figure 3-42 : Répartition du coulis dans une gaine après prise ... 93
Figure 3-43 : Dimensionnement des échantillons ... 94
Figure 3-44 : Exemple de trajectoire de l’antenne radar lors d’une mesure (non à l’échelle) ... 95
Figure 3-45 : Effet de la présence de gaine dans le béton et mesures d’étalonnage ... 96
Figure 3-46 Effet de l’armature passive ... 96
Figure 3-47 Effet de l’épaisseur de recouvrement des gaines ... 97
Figure 3-48 : Effet de la variation de diamètre : 115 mm / 91 mm ... 97
Figure 3-49 : Effet du remplissage de la gaine : Une gaine vide / Une gaine avec du coulis de mauvaise qualité ... 98
Figure 3-50 : Effet de l’écartement entre les gaines : Variations de l’écartement entre 40 et 300 mm ... 98
Figure 3-51 : Paramètres géométriques des corps d’épreuve présentés dans le Tableau 3-8. ... 99
Figure 3-52 : a) Gaines inclinées après la mise en place du coulis et des torons, b) Gaine remplie entièrement de coulis, c) Gaine remplie à moitié de coulis ... 102
Figure 3-53 : a) Coffrage du bloc Armature avant remplissage, b) Remplissage du coffrage et vibration du béton, c) Déplacement des corps d’épreuve placés sur des palettes. .. 103
Figure 3-54 : a) Tests de ressuage, b) Cubes de coulis après les tests de compression, c) Test de compression sur les cylindre de béton. ... 104
Figure 3-55 : Définition des faces des échantillons ... 105
Figure 3-56 : a) Mesure transversale, b) Mesures de remplissage ... 106
Figure 3-57 : Sélection des zones sans réflexion pour le traitement du signal ... 107
Figure 3-58 : a) Sélection des « traces » sur un B-Scan, b) Le tracé d’un A-Scan ... 107
Figure 4-1 : Exemple de mesure: a) Schéma de l’échantillon « Profondeur »; b) Radargramme de la mesure obtenue après le passage de l’antenne. ... 110
Figure 4-2 : Coffrage de l’échantillon « Armature » ... 119
Figure 4-3 : Mesures sur le corps d’épreuve remplissage ... 127
Figure 4-4 : Mesure dur le bloc « Remplissage » ... 128
Figure 4-5 : a) A-Scan du signal brut, b) : Zoom sur le A-Scan du signal brut ... 128
Figure 4-6 : A-Scan du signal corrigé pour l’antenne 2,3 GHz ... 129
Figure 4-7 : A-Scan du signal corrigé pour l’antenne 1,2 GHz ... 130
Figure 4-8 a) : Gaine remplie de coulis (gaine sciée pour l’exemple et non utilisée pour les mesures) ... 134
Figure 4-9 : Réflexions sur les gaines de précontrainte selon le remplissage (échelle non respectée) pour des mesures effectuées depuis la Face 1 des corps d’épreuve ... 135
Figure 4-10 : Exemple de mesure de type « remplissage » sur le corps d’épreuve référence ... 136
Figure 4-11 : Exemple de perturbations du signal dues aux variations de l’onde directe .. 142
Figure 4-12 : Critères d’analyse du signal ... 142
Figure 4-14 : Analyse des résultats par critères – Face 1 ... 149 Figure 4-15 : Répartition des torons dans la gaine lors des mesures sur la face 2 ... 151 Figure 4-16 : Analyse des résultats par critères – Face 2 ... 159 Figure 4-17 : Parcours de l’antenne lors des mesures sur les échantillons effectuées de
l’intérieur de l’échantillon vers l’extérieur. ... 160 Figure 4-18 : Mesure prises avec déplacement de l’antenne de l’intérieur vers l’extérieur de l’échantillon a) B-Scan b) A Scan ... 160
Liste des symboles
Symbole NomCp Célérité de l’onde de compression P
Cs Célérité de l’onde S 𝜶 Coefficient d’atténuation n Coefficient d’interface 𝒌 Coefficient de forme 𝝂 Coefficient de poisson R Coefficient de réflexion
𝒓𝒊−𝒋 Coefficient de réflexion de l’onde incidente du matériau I vers le matériau i
𝝈 Conductivité
B Constante
𝑰 Courant
𝝆 Densité du matériau
∆𝒊 Difference de courant
∆𝑬 Différence de tension
a Distance entre les électrodes
𝜷 Facteur de forme
f Fréquence de resonance
Zi Impédance acoustique du matériau i
𝝀𝒎 Longueur d’onde
E/C Masse d’eau / Masse de ciment
E Module d’Young
G Module élastique du matériau
𝝁 Perméabilité magnétique
𝝁𝟎 Perméabilité magnétique du vide
𝜺 Permittivité diélectrique
𝜺𝒓 Permittivité diélectrique relative
𝝎 pulsation
𝑹𝒑 Résistance à la polarisation
𝝆𝒍 Résistivité linéaire du béton 𝜌𝑙
𝒊𝒄𝒐𝒓𝒓 Taux de corrosion
t Temps
∆𝑽 Tension
v Vitesse
𝒄 Vitesse de propagation de la lumière dans le vide
c Vitesse du son
Remerciements
Au CRSNG qui a permis le financement du projet;
À M. Courard et à Mme Van der Wielen de l’université de Liège qui m’ont apporté leurs connaissances et leurs expériences sur les radars ;
À M. LeBoeuf et M. Giraudeau qui ont permis l’échange entre l’université Laval et les Arts et Métiers ;
À mes professeurs Mme Bastien et M. Bissonnette qui m’ont accueilli et guidé dans mon travail;
Aux professionnels du CRIB Mathieu Thomassin, René Malo et Serge Plamondon qui m’ont aidé pour toute la phase expérimentale du projet;
À tous les élèves du CRIB qui m’ont soutenu Benoit Cusson Patrick Power Jean-Daniel Lemay François Pépin François Pissot Nicolas Ginouse Mathieu Fiset Nicolas Rouleau ; À toute ma famille qui a toujours été là pour moi;
À mes amis qui m’ont supporté
Charline, François P., Nicolas, William, Cédric, François J., Audrey, Damien, Véronique, Jean…
À mes amis qui m’ont manqué Yacine, Vincent, Baptiste, Maud, Pierre, Simon, Manon, Matthieu, Elodie, Julien, Martin…
1 Introduction
Les ouvrages utilisant le béton précontraint à l’aide de la post-tension ont connu une grande vague de développement dans les années 1970-1980. Ces ouvrages, conçus pour une durée de vie limitée sont aujourd’hui encore indispensables à la circulation. Étant donné le coût de nouvelles constructions et la valeur patrimoniale de certains ouvrages, il est très souvent souhaité de conserver les infrastructures existantes et de les rénover pour maintenir ou réta-blir leur capacité portante de conception. La principale difficulté rencontrée est d’évaluer de manière objective l’état des structures existantes.
Le projet consiste à développer des connaissances autour d’une technique d’auscultation non destructive qui permettrait d’évaluer l’état de l’acier de précontrainte dans les ponts en béton précontraint par post-tension. Un meilleur diagnostic de l’état de dégradation des câbles de précontrainte en regard de la corrosion permettrait non seulement d’accroite la sécurité des ouvrages mais aussi d’effectuer des réparations plus efficaces et plus écono-miques.
L’objectif premier du projet est de choisir une méthode à fort potentiel de développement parmi les méthodes de mesure déjà sur le marché. Une étude bibliographique a donc été menée afin de choisir le dispositif le plus adapté à la détection des vides de coulis à l’origine de la dégradation des câbles et plus généralement à l’auscultation des ouvrages. Une fois la méthode choisie, le second objectif a été de déterminer ses capacités à la détec-tion des vides de coulis en testant expérimentalement différents cas de figure.
Pour présenter au mieux le travail effectué, le mémoire a été organisé en trois parties : l’étude bibliographique, la méthodologie et l’analyse des résultats obtenus. L’étude biblio-graphique présente la problématique des vides de coulis ainsi que les méthodes les plus courants d’auscultation non destructives des ouvrages.
Le choix de l’appareil est détaillé dans la partie méthodologie où sont également présentés les protocoles et les essais mis en œuvre lors de la partie expérimentale du projet. Les résul-tats des essais sont présentés et analysés dans l’avant dernière partie. Pour finir, les conclu-sions et les perspectives de développements futurs sont proposés.
Afin de mieux connaître le sujet et de comprendre les objectifs de ce projet, il est important de prendre connaissance des notions de base en matière de post-tension et de méthodes d’auscultation non destructives des ouvrages. C’est pourquoi une revue de documentation dédiée à la présentation de ces méthodes suit au chapitre 2.
2 Revue de la documentation
La revue de littérature portera dans une première partie sur les structures en béton précon-traint. De l’invention du béton précontraint jusqu’aux dernières recommandations pour améliorer la durée de vie des ouvrages de ce type, les composants et le processus de fabri-cation vont être présentés.
Dans une deuxième partie, les différentes méthodes d’auscultation des ouvrages sont don-nées. Les principes physiques sur lesquels elles s’appuient vont être expliqués. Les apti-tudes de chaque méthode seront détaillées afin d’exposer l’ensemble des solutions qui peu-vent être utilisées pour l’auscultation des éléments en béton précontraint.
2.1 Structures en béton précontraint
Le béton est un matériau anisotrope. Ses caractéristiques mécaniques en traction sont très faibles comparées à sa résistance en compression. Il est donc intéressant de le pré-contraindre à l’aide de renfort métallique afin qu’il soit sollicité en compression unique-ment.
Mis au point par le français Eugène Fresinet en 1925, le béton précontraint n’est couram-ment employé que depuis 50 ans. Auparavant, la qualité de l’acier n’était pas suffisante pour produire des alliages assez résistants et fournir les efforts nécessaires à la compression de masses importantes de béton. La tension appliquée aux câbles en acier doux utilisés dans les premiers prototypes était rapidement perdue. En effet, le raccourcissement des éléments continue après la mise en tension des câbles de précontrainte en raison du retrait de séchage et du fluage du béton. Ce raccourcissement doit être compensé par une réserve de tension appliquée à l’acier de précontrainte, ce qui ne pouvait être le cas auparavant en raison d’une trop faible résistance des câbles en tension.
Afin de mieux comprendre la problématique du projet, le principe de la précontrainte va être expliqué dans ce chapitre. Il sera également question des différents composants et des processus de fabrication des structures en béton précontraint.
2.1.1 Avantages et inconvénients des structures en béton
précon-traint
• une plus grande liberté dans la conception (forme et élancement); • un bon contrôle des déformations;
• la réduction des coûts de la construction ; • la prolongation de la durée de vie des ouvrages.
Les structures en béton précontraint sont plus durables. En effet, elles sont moins sujettes à la fissuration, ce qui limite les problèmes d’infiltration d’eau et d’agents chimiques respon-sables de beaucoup des mécanismes de détérioration (corrosion, gel-dégel). Elles se défor-ment sans atteindre leur limite élastique ce qui engendre peu de déformations permanentes dans la structure. Il est en contrepartie plus difficile d’évaluer leur état d’endommagement en mesurant les déformations.
Les pièces en béton précontraint sont plus légères et plus élancées. Cela permet des écono-mies de matière première importante. Cela permet aussi de pouvoir les pré-fabriquer et de diminuer ainsi les coûts de fabrication en produisant des pièces en série.
Les charges que peuvent supporter les poutres en béton précontraint sont 5 fois plus impor-tantes que les charges supportées par un élément non précontraint de même section grâce à la compensation des charges, aussi appelée la résistance active. (Picard, 2008)
La construction des structures en béton précontraint est plus délicate et demande l’intervention d’équipes spécialisées pour la pose adéquate des équipements.
2.1.2 Pré-tension et post-tension
Deux techniques de mise en œuvre de la précontrainte existent : la pré-tension et la post-tension. La pré-tension est surtout utilisée pour la préfabrication en série. Dans ce cas, les câbles d’acier, dits armature de précontrainte, sont mis en tension à l’aide de cadres rigides avant la mise en place du béton. Une fois la coulée réalisée et le béton durci ayant atteint une résistance suffisante, les câbles sont coupés aux extrémités de la pièce pour ainsi la soumettre à des contraintes de compression qui s’opposeront aux actions des chargements en service. L’armature de précontrainte est alors directement adhérente au béton.
La précontrainte réalisée par post-tension est effectuée après la mise en place du béton. Elle peut être intérieure ou extérieure à la section de béton. Dans le cas de la précontrainte
inté-rieure, les câbles de précontrainte sont introduits dans des gaines puis mis en tension et pro-tégés par du coulis de ciment, de la graisse ou d’un gainage plastique dans le cas de câbles de post-tension non adhérent. Seul le cas des câbles adhérents et protégés par du coulis sera étudié.
Durant l’injection du coulis cimentaire dans les gaines de précontrainte, il peut subsister des poches d’eau et d’air qui deviennent des lieux privilégiés pour la contamination et la dégradation de l’acier sur le long terme. Sans la protection offerte par le coulis cimentaire, l’acier de précontrainte devient plus vulnérable aux agressions chimiques et notamment plus susceptible à la corrosion. L’objectif du projet est donc de détecter ces zones afin de localiser, dans un contexte d’entretien préventif, les zones les plus sensibles à cette corro-sion.
Figure 2-1 : Précontrainte par post-tension (intérieure)
Les différents éléments nécessaires à l’élaboration d’une structure en béton précontraint à l’aide de la post-tension intérieure sont décrits dans les paragraphes suivants.
2.1.3 Matériaux de construction
Par la suite, il sera toujours question de précontrainte par post-tension intérieure comme le montre la Figure 2-1. Les problématiques d’inspection de la précontrainte extérieure ne sont pas les mêmes et ne seront donc pas traitées dans le projet.
2.1.3.1 Les gaines
Les gaines permettent de conserver l’espace nécessaire à la mise en place les câbles de pré-contrainte après la coulée, la cure et le murissement du béton. Il existe deux grandes caté-gories de gaine de précontraine : les gaines métalliques et les gaines en matière plastique. Les gaines métalliques sont souvent préférées par les entrepreneurs aux gaines plastiques car leur mise en place est moins complexe et leur développement est moins récent. En re-vanche, elles offrent une protection très limitée contre les infiltrations d’eau qui peuvent se produire lors de la fissuration du béton. Les gaines en plastique sont en polyéthylène haute densité. L’étanchéité des gaines plastiques est vérifiée avant la coulée du béton. Une pres-sion minimale de 0,01 MPa permet de s’assurer que tous les éléments ont bien été raccor-dés (Concrete Society, 2002 p. 50). L’un des point fort de ces gaines est qu’elles sont résistante à la corrosion et qu’elles peuvent protèger partiellement les torons de la contamination d’agents agressifs comme les ions chlores. De plus, elles sont potentiellement plus facile à inspecter par NDT, car le plastique est moins perturbateur que l’acier pour la plus part des technologies utilisées d’après un rapport de la FIB (Taerwe, 2001).
Le diamètre de la gaine est fonction du nombre de torons et de leur diamètre. Chaque four-nisseur possède des modèles de gaine différents, mais respectant les mêmes règles de di-mensionnement. La section intérieure de la gaine doit avoir au moins une aire égale au double de celle du câble de précontrainte d’après l’article 8.4.4.5.2 de la norme S6 (Association canadienne de normalisation, 2006).
Les gaines sont en général crénelées pour augmenter leur cohésion avec le béton et per-mettre une transmission homogène de la force de précontrainte.
Les gaines sont mises en place dans le coffrage suivant un profil longitudinal spécifique. Les variations de hauteurs du profil ainsi que la tension du câble vont permettre de créer des efforts interne de la précontrainte qui vont s’opposer dans une certaine mesure aux sol-licitations induites par le champ gravitaire. Les défauts d’injection du coulis cimentaire dans les gaines de précontrainte peuvent entraîner la présence d’eau et d’air en des points spécifiques du profil de la gaine (particulièrement dans les points hauts et derrière les
an-crages) ce qui peut favoriser la corrosion des câbles de précontrainte. Ces points sont à sur-veiller plus attentivement lors des inspections des ouvrages.
Figure 2-2 : Gaines métalliques en place avant la coulée du béton (Dywidag-Systems International, 2006)
La distance libre entre deux gaines est au minimum de 40 mm et de 100 mm entre deux groupes de gaines d’après l’article 8.14.2.2 de la norme S6 (Association canadienne de normalisation, 2006). La distance libre entre les gaines est un paramètre important à pren-dre en compte car pour beaucoup de méthodes d’auscultation, la présence de gaines côte-à-côte peut fausser les résultats.
2.1.3.2 Les câbles de précontrainte
Les câbles sont constitués de torons en acier à haute résistance (en traction) et à basse re-laxation. Le nombre de torons et de câbles nécessaires dépend de l’effort de précontrainte que l’on souhaite appliquer à la structure. Chaque toron est constitué de 7 fils en acier. L’article 8.4.3.1 de la norme S6 préconise un diamètre nominal pour les torons de 9, 13 ou 15 mm et le suivi des spécifications de la norme CSA G279.
La norme ASTM A416 donne les propriétés mécaniques spécifiques aux torons non recou-verts d’époxy, tandis que la norme ASTM A882 spécifie les caractéristiques des torons recouverts d’époxy.
Les câbles de précontraintes sont poussées ou/et tirés à travers les gaines. Lorsque le béton atteint une résistance suffisante pour supporter l’effort dû à la précontrainte, les câbles sont mis sous tension. La force de précontrainte requise tient compte des déformations différées dans le temps, soit le retrait et le fluage du béton et la relaxation de l’acier ainsi que du frot-tement des câbles dans les gaines.
2.1.3.3 La protection des câbles contre la corrosion
Les gaines en plastique font partie du système de protection multicouches contre la corro-sion préconisées dans plusieurs études dont celles de la Concrete Society (Concrete Society, 2002) et de la Fédération Internationale du Béton (FIB) (Taerwe, 2001). Ce sys-tème préconise un nombre de couches de protection en fonction de l’agressivité du milieu ambiant de l’ouvrage. La multiplicité des couches permet de réduire la probabilité de dé-faillance du système d’étanchéité des torons. Ce système comprend notamment :
• le béton qui entoure la gaine;
• la gaine de précontrainte si elle est en plastique;
• le matériau de remplissage (coulis de ciment, graisse ou résine);
• le gainage des torons (fils protégés par un film d’époxy, de plastique ou de graisse); Ces éléments du système multicouches sont présentés dans les paragraphes suivants. Le Code canadien sur le calcul des ponts routiers émet les recommandations suivantes : les gaines qui se trouvent à moins de 100 mm d’une surface exposée à des sels de déglaçage doivent être constituées en matériaux inaltérables et/ou recouvertes d’une couche supplé-mentaire de béton n’ayant pas de rôle structurel. Le recouvrement minimum le plus impor-tant recommandé par l’article 8.11.2.3 de la norme S6-06 et repris dans le Tableau 8.5 est de 130 mm de béton dans le cas d’une exposition aux sels de déglaçage sur les surfaces supérieures. La fib et la Concrete Society préconisent également l’utilisation de gaines en matériaux inaltérables comme le polypropylène (Taerwe, 2001) et (Concrete Society, 2002).
Le gainage des torons avec un film d’époxy ou de plastique est relativement efficace mais est assez couteux. De plus, pour ne pas endommager la couche de protection, la
manipula-tection la plus courante. Elle a pour avantage majeur de transmettre l’effort de manière con-tinue à la structure après durcissement du coulis et peut être utilisé en complément du gai-nage des torons. De plus, si un câble se rompt, la perte de précontrainte est localisée ce qui entraîne des conséquences moindre pour la capacité et la sécurité de l’ouvrage.
Le coulis cimentaire pré-ensaché n’est couramment utilisé que depuis 1996 après qu’un groupe de travail ait pointé les problèmes de qualité de coulis qui était souvent malaxé sur site et dont le dosage était plus ou moins fiable. Pour améliorer la fluidité du coulis, le rap-port E/C était gonflé abusivement, ce qui avait souvent pour conséquence de provoquer du ressuage. L’eau issue du ressuage restait à l’intérieur des gaines et, en présence de vide d’air, favorisait le développement de la corrosion des torons. L’ajout de superplastifiant et d’autres adjuvants dans le coulis pré-ensaché permet d’améliorer les qualités de fluidité du coulis sans augmenter son rapport E/C. Malgré l’utilisation de coulis ensaché, des pré-lèvements et des essais sur le coulis sont réalisés lors de la mise en place pour assurer la qualité du produit fini (Taerwe, 2001).
Le coulis qui protège les torons doit être assez fluide lors de sa mise en place pour bien enrober toute la surface. La réduction du rapport E/C permet également de diminuer la po-rosité du coulis ainsi que le retrait de séchage. Grâce à l’ajout de superplastifiants, le rap-port E/C peut être abaissé à des valeurs aussi faibles que 0,35 à 0,30, ce qui permet de con-trôler le ressuage et la sédimentation; ces deux facteurs sont liés à un excès d’eau et asso-ciés aux principaux problèmes de durabilité des câbles (COST ACTION 534, 2009 ).
Pour transmettre l’effort de précontrainte à la structure sur toute sa longueur, le coulis, le câble et le béton doivent former un ensemble monolithique. Par conséquent il doit donc y avoir un minimum de retrait lors du murissement du coulis. Des agents expansifs sont ajou-tés au mélange afin de compenser le retrait endogène. Un gonflement d’environ 2% permet une meilleure liaison entre l’acier de précontrainte et la gaine (COST ACTION 534, 2009). De plus, plus le coulis et les torons sont solidaires, moins les infiltrations d’eau sont pro-bables.
Le coulis est injecté par des pompes dans les gaines. Le Post-Tensionning Institute et la Concrete Society considèrent que la mise en pression du coulis aux alentours de 500 kPa
minimise les vides de remplissage et offre ainsi une meilleure protection contre la corrosion des torons métalliques (Concrete Society, 2002) ; (Concrete Society, 2002)
Selon le Post-Tensioning Institute, la mise en place du coulis doit être faite dans les 40 jours suivants la mise en tension de l’acier. Dans les environnements plus agressifs, le rem-plissage a lieu dans les 7 jours suivant sa mise en tension (Post-Tensioning Institute, 2006). Le rapport de la Concrete Society recommande une période de 28 jours maximale entre la mise en place et le recouvrement des torons (Concrete Society, 2002).
Des évents permettent à l’air contenu dans la gaine de s’échapper lors du remplissage du coulis. Les rapports de la Concrete Society et de la FIB contiennent des recommendations quand à l’espacement et la taille des évents. Au même titre que les gaines, ils font partie du système de protection des torons. Afin d’éviter la contamination des gaines par de l’eau ou les ions chlores, l’étanchéité des évents devra être contrôlée autant que celle des gaines auxquelles ils sont raccordés. Le remplissage se poursuit jusqu’à ce que du coulis sorte par les évents et l’extrémité de la gaine. La qualité du coulis est observée au droit des évents lors du remplissage afin de vérifier son homogénéité. Après le remplissage du coulis, les évents sont scellés pour permettre le remplissage des autres portions de la gaine et pour empêcher toute contamination ultérieure (Concrete Society, 2002 p. 19).
2.2 Méthodes d’auscultation
2.2.1 Enjeux de l’évaluation des ouvrages
En Europe et en Amérique du Nord, une vague de construction importante a eu lieu pen-dant les années 1950-1980 à la faveur d’une forte croissance économique. Le rapport an-nuel de gestion 2010-2011 du Ministère des transports du Québec (Ministère des Transports du Québec, 2011) signale que plus de 70% des ouvrages québécois datent de la période 1960-1980, comme l’illustre la Figure 2-3. Plusieurs de ces ouvrages ont été conçus pour des durées de vie effectives de l’ordre de 40 ans et arrivent ainsi en fin de période normale d’utilisation. Par conséquent une plus grande attention doit leur être portée car, de façon générale, la vitesse de dégradation augmente avec l’âge d’un ouvrage.
Figure 2-3 : Distribution en valeur des structures du Québec par décennies de construction (Ministère des Transports du Québec, 2005 p. 10)
En 2011, seules 66% des structures du réseau routier supérieur sont en bon état. Les chiffres sont encore plus préoccupants pour le réseau municipal puisque seuls 46% des ponts sont considérés en bon état. Un ouvrage est considéré en « bon état » par le Ministère des Transport du Québec (MTQ) s’il ne nécessite pas de réparation dans les 5 prochaines années (Ministère des Transport du Québec, 2011).
Les ouvrages en béton précontraint ne font pas exception à la situation même si leur déve-loppement est un peu plus récent. En Amérique du Nord, l’utilisation du béton précontraint a quintuplé entre 1965 et 1985 et a connu une croissance de 8,5% par an entre 1986 et 2004 (Post-Tensioning Institute, 2006).
Beaucoup d’ouvrages arrivent en fin de leur durée de vie utile et les maîtres d’œuvres sou-haitent évaluer le niveau de dégradation des ouvrages pour adopter de meilleures stratégies d’entretien et d’utilisation. Les enjeux sont à la fois sécuritaires et économiques. Il est sou-vent plus avantageux d’un point de vue économique de réhabiliter un ouvrage existant que d’en construire un nouveau. La rénovation est également plus avantageuse d’un point de vue environnemental car elle produit moins de gaz à effet de serre et de déchets solides. L’évaluation de la condition d’une structure demande de nombreuses années d’expérience et des connaissances étendues selon le type de système structural, le mode de construction et les matériaux en cause. Il est reconnu que les résultats d’une inspection visuelle sont de
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 0% 1% 1% 3% 2% 7% 37% 36% 6% 4% 3%
nature subjective. Par conséquent, il est d’usage de procéder à des prélèvements pour com-pléter l’évaluation de l’ouvrage, bien que ceux-ci n’offrent que des informations ponc-tuelles et localisées. À cet égard, l’utilisation de méthodes non destructives (Non Destruc-tives Testing : NDT) permet, d’une part, d’étendre la zone de prélèvements à une portion plus grande de l’ensemble de l’ouvrage et offre, de par l’analyse des mesures effectuées, une plus grande objectivité de l’évaluation.
Le développement des NDT date des années 1970, mais il est encore difficile de les compa-rer les unes aux autres, peu de normes existant dans le domaine. Selon l’environnement de l’ouvrage et les informations recherchées, il peut y avoir différentes méthodes à privilégier pour une seule structure, ce qui rend le choix du processus d’inspection délicat pour le maître d’œuvre (ACI, 1998).
2.2.2 Programme d’inspection et d’évaluation des ouvrages
Les gestionnaires d’infrastructures de transports publiques ou privés possèdent, pour la plupart, leur propre programme d’inspection et d’évaluation. Ces programmes sont caracté-risés par des niveaux et des fréquences d’investigation variables, mais reposent tous sur les mêmes grands principes de fonctionnement présentés ci-après.
Tout d’abord, le gestionnaire du patrimoine peut s’intéresser, selon le cas, à plusieurs types d’informations :
• une évaluation absolue pour un ouvrage unique;
• une évaluation relative à un instant donné (t) dans la vie de l’ouvrage, qui sera com-paré à un autre moment (t+dt);
• une évaluation relative entre différents ouvrages d’un même parc ou différentes par-ties d’un même ouvrage.
L’évaluation, qu’elle soit relative ou absolue, permet de fixer des priorités d’intervention entre différentes parties d’un ouvrage ou entre différents ouvrages (D. Breysse, 2005). L’association Française de Génie Civil (AFGC) propose, dans l’ouvrage Méthodologie d’évaluation non destructives de l’état d’altération des ouvrages en béton (D. Breysse, 2005) de procéder à l’évaluation de la durée de vie d’un ouvrage en suivant 3 niveaux
d’analyse de plus en plus détaillés. Au fur et à mesure du processus d’évaluation, les con-naissances sur l’ouvrage sont approfondies et permettent de diminuer les coefficients de sécurité liés aux incertitudes. Trois niveaux d’analyse sont proposés par l’AFGC :
Niveau 1 :
Évaluation du comportement de la structure par calcul des charges en utilisant les documents généraux associés à l’ouvrage (plans, période de construction, photos). En général, une visite de l’ouvrage est pratiquée et permet de déterminer si une ins-pection plus fine est nécessaire.
Utilisation de méthodes non destructives pour compléter l’inspection visuelle et ob-tenir des données quantitatives, comme par exemple les épaisseurs de recouvre-ments de l’armature métallique.
Niveau 2 :
Observations qualitatives directes par l’ouverture de fenêtres dans le béton (inspec-tion d’armature),
Analyse de prélèvements en laboratoire (acier pour les structures métalliques, cou-lis, béton).
Niveau 3 :
Évaluation quantitative de l’ouvrage par mesure in-situ locale (libération de con-trainte) et globale (flèche sous chargement),
Modélisation numérique affinée avec les nouvelles données.
Plus le processus demande d’investigations, plus il est coûteux en temps et en argent. Le développement de méthodes NDT fiables devrait permettre de réduire le processus d’investigation en fournissant suffisamment d’informations fiables sur l’état de la structure dès le premier niveau d’investigation.
Le MTQ propose, dans le Manuel d’inspection des structures, un programme d’inspection suivant le même principe. Une inspection annuelle est effectuée et consiste en une simple reconnaissance sommaire des éléments principaux de la structure. Elle permet de détecter les défauts les plus apparents et qui peuvent constituer un danger immédiat pour les
usagers. Une inspection générale détaillée doit être effectuée tous les deux à quatre ans, suivant la nature et la condition de l’ouvrage. Cet intervalle est suffisament long pour permettre l’apparition de nouveaux défauts et assez court pour ne pas les laisser se développer et compromettre l’intégrité de la structure. Enfin, des inspections particulières complètent le programme d’inspection, avec l’objectif de quantifier l’état des dégradations constatées lors des deux autres types d’inspection (Ministère des Transports, 2012 p. 26). La fréquence des investigations doit être ajustée en fonction de la vitesse de dégradation estimée des ouvrages. Dans le cas général, plus l’ouvrage est ancien, plus celui-ci aura une vitesse de dégradation importante. Les charges de circulation influencent également la vi-tesse de dégradation. Plus la structure est sollicitée, plus elle va s’abimer rapidement. Si un incident exceptionnel survient sur l’ouvrage, comme une collision ou la rupture d’un élément, il faudra refaire son évaluation afin d’estimer l’impact de la dégradation sur son comportement structural à long terme.
2.2.3 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/𝑠𝐸(1 − 𝜈) Eq. 2-1
La célérité de l’onde S est donnée par l’équation :
𝐶𝑆 = �𝐺𝜌 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 =𝑍𝑍2− 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 tencompres-sion 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 𝑚𝐶𝑃 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 =𝑓𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒𝑓 ∗ 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 𝑚7,32 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 mama-gnétique. 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 relative𝜀
𝑟 est le rapport entre la constante diélectrique du matériau𝜀
et celle du vide𝜀
0.
Elle s’exprime en farad par mètre (F/m).𝜀
𝑟=
𝜀
𝜀
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. 2-10Le 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 𝑚𝑡 Eq. 2-13
où
𝑡
est le temps de propagation de l’onde entre l’émission et la réception du signalDans 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 propagation𝑡
:𝑣 = �
𝑥
𝑛−1² − 𝑥
0²
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.
