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Submitted on 1 Jan 1985
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VIBROTHERMOGRAPHIE INFRAROUGE DU BÉTON
M. Luong
To cite this version:
M. Luong. VIBROTHERMOGRAPHIE INFRAROUGE DU BÉTON. Journal de Physique Colloques,
1985, 46 (C5), pp.C5-529-C5-534. �10.1051/jphyscol:1985568�. �jpa-00224801�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C9, supplément au n08, Tome 46, aoDt 1985 page C5-529
V I B R O T H E R M O G R A P H 1 E 1 N F R A R O U G E D U B É T O N
M.P. Luong
Laboratoire de Mécanique des Solides, Ecole PoZytechnique, 91128 Palaiseau Cedex, France
Résumé
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La vibrothennographie infrarouge est une technique sans contact, non destructive permettant d'ausculter avec précision le comportement mécanique et physique du béton sous sollicitations vibratoires rapides. Elle peut détecter le seuil de fracturation instable précédant la rupture du matériau grâce au couplage thermomécanique lors d'une microfissuration croissante irréversible.Abstract
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Infrared vibrothermography has been used as a non-destructive tech- nique to illustrate with accuracy the onset of unstable crack propagation and/or flaw coalescence owing to the thermomechanical coupling, when increasing irreversible microcraking is generated by vibratory loading.
1
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INTRODUCTIONIl est constament utile de connaître la qualité des bétons, soit qu'il s'agisse d'ouvrages neufs, pour vérifier la conformité aux spécifications du béton in-situ, soit pour'l'évaluation de la résistance d'ouvrages anciens.
L'essai non-destructif actuellement le plus utilisé est l'auscultation dynamique qui, en dépit de son utilité, ne paraît pas suffisante, ou donne parfois lieu à contestation à cause de la difficulté d'étalonnage.
La vibrothennographie infrarouge proposée est un essai sans contact, non seulement fiable et précis en laboratoire, mais permettant éventuellement d'opérer sur les ouvrages en place, un contrôle ou une recherche des défauts locaux tels que les amorces de fissuration instable active. L'excitation vibratoire de cette technique est suffisamment rapide pour solliciter, de façon adiabatique, le matériau dont la rupture est considérée comme un processus microstructural d
'
activation, de crois- sance et de coalescence d'un système de microfissures ou de défauts interdépendantsLe béton est un matériau composite, résultat de multiples associations de liants hy- drauliques, granulats, ajouts et adjuvants. Les agrégats sont baignés dans une ma- trice continue de mortier, composé lui-même d'un mélange de pâte de ciment et de
articules
plus petites. Certains ajouts confèrent l'étanchéité aux bétons utilisés en atmosphère agressive. Les adjuvants fluidifiants améliorent les conditions de mise en oeuvre et l'ouvrabilité du béton permettant une forte augmentation des ré-sistances.
Ce matériau de construction est réputé fragile et fissurable. La rupture se mani- feste soit par l'extension directe d'un seul défaut préexistant, soit par la coales- cence de petits défauts. Le niveau de contrainte nécessaire pour activer ces défauts est relié à la taille du défaut en interaction avec la microstructure environnante.
Les défauts qui initient la fracture du béton peuvent se distinguer en deux catégo- ries : les défauts intrinsèques sont introduits au cours de la fabrication et sont en prédominance des inclusions ou des vides, les autres qualifiés d'extrinsèques sont des fissures induites par les contraintes.
L'occurrencede la microfissuration et des glissements conduit à la non-linéarité et au radoucissement de la courbe de réponse contrainte-déformation.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1985568
C5-530 JOURNAL DE PHYSIQUE
La figure 1 décrit un essai de compression uniaxiale monotone sur un échantillon de béton dont la composition était la suivante pour un mètre cube de béton frais :
.
graviers silico-calcaires de Seine (5-
12,5 m) : 10 $8 kN/m3.
sable de Seine (0-
5 mm) : 6,8 kN/m3.
ciment CPA 400 prise de mer : 4,O kN/m3.
eau (E/C = 0,55) : 220 litresDécoffrés à deux jours d'âge, les cylindres de béton ont été conservés pendantdeux ans dans des conditions thermo-hygrométriques constantes.
Les caractéristiques mécaniques de ce béton,déterminées à trois mois dlâge,sontles suivantes :
.
Résistance en compression simple1
oj @/mm2) 55,4 50,8 48 ,O
.
Module d'élasticité initial instantanéEbi
(m/m2)
32,4 33,O 33 ,O.
Résistance en traction par l'essai de fendageuj (~/mm2) 492 421 3,9
A deux ans d'âge, les caractéristiques mécaniques mesurées sont les suivantes :
.
a! 2 ans (N/mm2) = 55,9 J.
Ebi2 ans (kN/mm2)= 36,4.
o. 2 ans (N/mm2) = 5,l JLa variation de volume obtenue en cours d'essai à l'aide des extensomètres collés dans le sens longitudinal et transversal sur une éprowette cylindrique s'est ré- vélée un aspect important et significatif de la déformation du béton sous charge.
Elle peut être attribuée (1) soit aux variations élastiques dans les minéraux, (2) soit à la compaction ou diminution des pores et des fissures ouvertes, (3)soit enfin à la dilatance ou augmentation des pores due à une fissuration croissante.
a. Si aucune dissipation d'énergie n'est décelable, le matériau présente un compor-, tement hyperélast ique
.
b. La compaction liée à l'écrasement des pores ou fermetures des fissures stables pourrait produire une dissipation limitée d'énergie fonction de la porosité
initiale.
c. La dilatance détermine la rupture du béton par un phénomène complexe. Cette der-.
nière est souvent caractérisée par le pic de la courbe contrainte-déformation : c'est le critère de la résistance maximale. En fait, l'état instable entraînant la mine de l'échantillon commence dès l'apparition des premières fissures ins- tables.
A la suite d'observations très fines basées sur des techniques sophistiquées c m e la méthode ultrasonore (Brace et al. 1966/1/; Bienawski 1967/2/ et Scholz 1968/3/), la discrimination des microfissures par microscope électronique (Taponnier & Brace 1976/4/) et le repérage des microfissures par rayons X (Nelson & Wang 1977/5/) , il a été montré que pour les roches, matéria& similaires au béton, les premières fis-- sures instables apparaissent avant le pic de contrainte et correspondent au seuil d'inversion de signe du taux de variation de volume. Ce dernier critère définit le début de la propagation des fissures instables dans le béton comprimé (Kotsovos &
Fig. 1
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Déformations axiale (sa), radiale (cr) et volumique ( E ~ ) du béton en compression uniaxiale.Axial (sa), radial (sr) and volumetric (E ) strains of concrete sample under uniaxial compression. v
Rupture
Fig. 2
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Excitation vibratoire sur un corps d'épreuve soumis à une compression uniaxiale statique et évolution du taux de croissance de la température au point le plus chaud.Vibratory excitation on a specimen under static uniaxial compression and evolution of the growth rate of heat on the warmest point.
A T A i f L ~ ~ / c y c ~ e
a/ac
1 14.-
12-
-
10-
2
-
--
temps
--
-..- *JOURNAL DE PHYSIQUE
Newman 1 97 9 / 6 / )
.
III
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COUPLAGE THERWNECANIQUE DU BETONLa dissipation plastique du béton est très faible lors de la propagation d'une fis- sure instable sous chargement monotone. La production de chaleur par des déforma- tions plastiques en fond d'une fissure est négligeable car le béton présente un faible taux de conversion thermomécanique. Ce qui entraîne, dans les essais de com- portement mécanique, une formation lente et insuffisante de l'image des phénomènes observés à la surface de l'échantillon. Ainsi l'excitation mécanique doit être d'une durée et d'une intensité suffisante pour donner lieu à une distribution nette des températures sur la surface d'observation.
L'idée d'imposer une sollicitation vibratoire rapide sur l'éprouvette de béton pour obtenir une réponse quasi adiabatique définit ainsi la technique de vibrothermogra- phie infrarouge des matériaux secs fissurables comme le béton et les roches.
Dans l'hypothèse des petites perturbations, la théorie des variables internes, qui prend en compte les d t a principes de la thermodynamique et la loi de Fourier, per- met d'établir l'équation d'évolution thermomécanique suivante :
c$ = div k g r a d T - T U ; + D + 4 où c est la chaleur spécifique
T la température ambiante absolue k la conductivité calorifique a la dilatation thermique
O la contrainte
D la dissipation intrinsèque
@ la densité volumique des sources de chaleur
Le premier terme du second membre régit la diffusion thermique qui tend à unifor- miser la température dans l'éprouvette testée. Le deuxième terme désigne l'effet thermoélastique qui peut être prépondérant dans les cas des sollicitations isen- tropiques. Les facteurs k et cl sont de nature tensorielle si le matériau étudié est anisotrope. Le troisième terme représente la dissipation thermique d'origine visqueuse ou plastique. Le dernier terme désigne l'existence des sources de cha- leur.
IV
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VIDEO~RMOGRAPHIE INFRAROUGELes applications des méthodes thermiques infrarouges ont fait l'objet de nombreuses publications au cours de cette dernière décennie (/7/, /8/, /9/, /IO/ et / I l / ) . Elles reposent sur les mécanismes de transfert thermique.
La vidéothermographique infrarouge utilise en temps réel un système électronique sophistiqué pour conditionner les signaux captés par un détecteur infrarouge à effet photonique et Les afficher sur un écran de télévision. C'est une technicpe sans contact, non-destructive et continue pour l'acquisition des données : ainsi les mesures ne perturbent pas les phénomènes ou les objets étudiés.
Cette méthode d'auscultation est basée sur llobservation dans une fenêtre de trans- parence atmosphérique d'une cartographie thermique à la surface de lléchantillon testé. La quantité d'énergie émise par rayonnement infrarouge invisible dépend de la température de l'échantillon et de son état de surface ou émissivité. Plus la température est élevée, plus l'énergie émise est importante. Les différences d'éner- gie rayonnée correspondent à des différences de température car W = a ~ ~ e où a est une constante, T la température absolue et E l'émissivité du matériau.
0,25 < u/uc > 0,5U 50 000 cycles
0,50 < o/oc > 0,75 50 000 cycles
6 000 cycles 7 000 cycles
. - A %
L
Temperature ambiante
.
. " , l-,-{#
8 4C3 cycles 7 800 cycles
Fig. 3
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Cartes des températures sur l'échantillon de béton sollicité.Heat patterns on loaded concrete specimen.
JOURNAL DE PHYSIQUE
V
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RESULTATS EXPERIMEKTAUXLe paramètre mis en évidence dans cette étude est l'énergie dissipée en chaleur par le béton excité au-delà du domaine réversible stable. Une sollicitation vibratoire rapide à la fréquence de 100 Hz sur l'éprouvette soumise à une compression statique donnée (Fig. 2) fait apparaître de façon non-destructive les concentrations des dé- formations plastiques irréversibles autour des lacunes ou défauts de fabrication et des microfissures générées par des contraintes excessives dépassant la limite de stabilité du matériau. Le couplage thermomécanique rend donc possible une évalua- tion quantitative du taux de croissance de la dissipation thermique caractérisant l'endommagement du matériau souligné par les couleurs chaudes (Fig. 3).
VI
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CONCLUSIONLa vibrothermographie infrarouge met en évidence la dissipation thermique lors de la fissuration irréversible précédant la rupture du béton. Exploitant le couplage thermomécanique, elle s'est révélée très précise et fiable pour détecter le seuil d' endommagement mécanique qui, croissant sous charge, mène le matériau à la ruine.
Cette technique vibrothermographique infrarouge sans contact offre la possibilité d'un contrôle non-destructif de l'endonunagement et éventuellement une mesure de sa dégradation au cours de la sollicitation.
REFERENCES
/1/ Brace, W.F., Paulding, B.W. and Scholz, C.H., J. of Geophys. Res. 7J, 1966,
vu.
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/3/ Scholz, C.H., J. of Geophys. Res. 73, 1968, 4, pp. 1417-1432, 1447-1454.
/4/ Taponnier, P. and Brace, W.F., IntTJ. Rock Mech. Min. Sc. 13, 1976, 103.
/5/ Nelson, A.C. and Wang, C.Y., Int. J. Rock Mech. Min. Sc. 1 4 7 977, 103.
/6/ Kotsovos, M.D. and Newman, J.B., Magazine of Concrete ResT31, - 1979, 107, VV. 77-90.
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