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Submitted on 1 Oct 2015
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collés par acousto-ultrasons
Sylvain Chataigner, Laurent Gaillet, Ludovic Vallee, Eric Le Gal La Salle
To cite this version:
Sylvain Chataigner, Laurent Gaillet, Ludovic Vallee, Eric Le Gal La Salle. Contrôle non destructif d’assemblages composite/béton collés par acousto-ultrasons. Journées Nationales sur les Composites (JNC), Jun 2015, LYON, France. 10p. �hal-01207667�
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Contrôle non destructif d’assemblages composite/béton collés par
acousto-ultrasons
Non-destructive control of adhesively bonded composite to concrete joints using
acousto-ultrasonic technique
Sylvain Chataigner1, Laurent Gaillet1, Ludovic Vallée1, Eric Le Gal La Salle2
1 : IFSTTAR, SMC/Département MAST LUNAM Université, IFSTTAR SMC Route de Bouaye, F-44341 Bouguenais
e-mail : sylvain.chataigner@ifsttar.fr
2 : LE2M ICAM, Nantes Carquefou
35 Av. du Champ de manœuvres, 44 470 CARQUEFOU e-mail : eric.legallasalle@icam.fr
Résumé
Dans le domaine industriel, les assemblages collés sont de plus en plus utilisés mais demandent un contrôle de qualité rapide et efficace. La thermographie classique est depuis longtemps utilisée pour détecter les vides ou la porosité à l’intérieur d’un joint de colle [1] mais elle ne permet pas de détecter des zones mal polymérisées ou l’inclusion d’un film polluant [2]. Afin de résoudre ce problème, on se propose dans cette étude d’utiliser la technique des acousto-ultrasons [3-4]. Celle-ci consiste à envoyer une onde ultrasonore dans la structure à partir d’un émetteur piézo-électrique et à recueillir et analyser le signal ayant traversé le défaut par une méthode de traitement acoustique [5]. Ceci permet d’obtenir un ensemble de paramètres caractéristiques de la réponse dont l’analyse peut être facilitée en utilisant des outils mathématiques tels que l’analyse en composantes principales. On s’intéresse dans le cadre de cette étude au collage de plats composites sur béton utilisés dans le cas des renforcements de structures existantes [6]. Si la question de la durabilité reste posée et largement étudiée [7], le contrôle de sa mise en œuvre et notamment la détection de surfaces non adhérentes est également d’actualité.
Abstract
In the industrial field, adhesively bonded joints are increasingly used, but they require a quick and efficient quality control. Classical thermography has been used for several years to detect voids or porosity within the adhesive joint [1]. Yet, such a method is not able to detect bad polymer curing or adhesion defect [2]. To solve this issue, it is proposed here to used acousto-ultrasound technique [3-4]. This method consists in emitting an ultrasound in the structure using a piezoelectric sensor and in receiving the signal after its propagation within the degraded area using acoustic methodology [5]. This allows to obtain several characteristic parameters of the received signal that may be analyzed in a statistical way using for instance the principal component analysis. We got interested in this topic studying the pultruded composite adhesively bonded on concrete that are used for the reinforcement of existing structures [6]. If the durability of such a technique is still studied [7], the onsite quality control and more particularly the detection of bad adhesion is an important topic to investigate.
Mots Clés : assemblages collés, contrôle non destructif, acousto-ultrasons, composite.
2 1.Introduction
L’assemblage par collage structural est de plus en plus utilisé notamment dans le domaine du génie civil. Dans ce dernier cas, il est utilisé notamment pour le renforcement de structures en béton par collage de matériaux composites pultrudés le plus souvent à fibres de carbone [6]. La mise à disposition de méthodes robustes de contrôle non destructifs évaluant la qualité de mise en œuvre des opérations sur site est nécessaire pour les maîtres d’ouvrage, que ce soit en termes de suivi ou encore de réception des travaux effectués. Si la méthode de contrôle par thermographie Infrarouge [1] peut permettre de détecter des défauts de type vide ou porosité, elle ne permet pas d’appréhender des défauts locaux d’adhésion présents aux interfaces entre l’adhésif et les adhérents et dus, par exemple, à la présence d’un film polluant ou à un mauvais dégraissage [2] (Fig.1). L’étude présentée ici se propose de tester une autre méthode non destructive pour cette problématique, i.e. l’utilisation des acousto-ultrasons. Cette méthode a été développée dans le domaine aéronautique pour le contrôle des composites et des assemblages collés [3]. Elle repose sur l’utilisation d’un capteur piézoélectrique émetteur d’un signal ultra-sons maîtrisé et d’un ou de plusieurs capteurs piézoélectriques récepteurs qui sont disposés en aval de la zone à ausculter [4]. Les signaux reçus sont alors traités comme des signaux acoustiques et sont donc caractérisés par différents paramètres définis par les opérateurs [5]. Ces paramètres peuvent alors être traités indépendamment les uns des autres ou intégrés à un post-traitement multi-critères [8].
Fig. 1. Défauts possibles d’un assemblage collé selon [2]
La première partie de cet article présente les échantillons sur lesquels ont été mis en œuvre la méthode des acousto-ultrasons, le dispositif expérimental utilisé et les investigations réalisées. La seconde partie détaille les résultats obtenus selon deux analyses : une première analyse classique portant sur l’observation de chacun des paramètres pour les différents échantillons testés, une seconde analyse permettant d’intégrer l’ensemble des paramètres dans l’expression du résultat en utilisant une analyse en composantes principales.
2.Présentation du protocole expérimental 2.1 Echantillons étudiés
Les échantillons utilisés sont des renforcements par plats composites collés sur support béton. Le procédé de renforcement utilisé est le procédé Compodex (plat composite pultrudé à fibre de carbone et à matrice époxy et résine de collage époxy bi-composant polymérisant à froid). Les dallettes béton sont en C35 et ont pour dimensions 410mm*210mm*110mm. Les renforts composites sont collés sur une des surfaces sur une longueur de 300 mm. Ils ont une épaisseur de 1,4 mm et une largeur de 100 mm (Fig .2 a)).
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Afin de pouvoir étudier l’influence d’un défaut de collage sur les mesures, cinq éprouvettes différentes ont été réalisées. La préparation de surface pour tous les échantillons a été réalisée conformément à la fiche technique relative au procédé. Les cinq échantillons sont répartis comme suit : un échantillon référence avec un assemblage collé sain et uniforme sur la surface de collage ; un échantillon présentant une zone sans adhésif (donc un vide) sur le tiers central, un échantillon présentant un défaut d’adhésion (réalisé grâce à un film de graisse appliqué sur l’adhérent composite) sur le tiers central, un échantillon avec de la résine polyuréthane expansive permettant de simuler la création d’une zone poreuse ayant un module élastique plus faible (défaut de polymérisation par exemple), un échantillon avec un vide au centre. Les dimensions des zones présentant des défauts sont représentées sur le renfort composite en (Fig.2 b)).
a) b) Fig. 2. Schémas des échantillons étudiés
2.2 Dispositif expérimental d’acousto-ultra sons
Le système de mesure utilisé est le système commercialisé par l’entreprise Euro Physical Acoustics (EPA) avec les logiciels Wavegen qui permet de générer le signal ultrasons du capteur émetteur et le logiciel AEWIN qui permet de recueillir les données par le capteur ou les capteurs récepteurs. Pour chacun des essais réalisés, les capteurs sont disposés de part et d’autre du défaut en surface de l’adhérent composite (Fig.3). Les capteurs piézoélectriques utilisés sont couplés à l’éprouvette à l’aide d’un couplant silicone. Afin d’assurer une pression uniforme pour l’ensemble des capteurs, des élastiques ont été disposés pour maintenir les capteurs sur l’éprouvette (Fig.4).
Fig. 3. Positionnement des capteurs piézoélectriques sur le renfort composite
Des essais préliminaires ont été effectués avec deux types de capteurs différents: des capteurs R15 qui ont une fréquence de résonance autour de 150 kHz et qui travaillent en ondes de compression, et des capteurs SH10 qui sont davantage sensibles aux ondes de cisaillement et qui ont une fréquence de résonance autour de 100 kHz. Les résultats de ces essais ont montré une meilleure adéquation des capteurs SH10 au problème étudié et la suite de l’étude a donc été réalisée à l’aide de ces capteurs.
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Fig. 4. Photo du dispositif expérimental
2.3 Définition du signal envoyé
La définition du signal envoyé doit être réalisée en fonction de la géométrie de l’éprouvette testée et des matériaux en présence. Dans notre cas, il a été décidé d’utiliser une amplitude d’excitation de 10V pour ne pas saturer le capteur récepteur et un signal carré. Des essais préliminaires ont permis de nous assurer qu’une fréquence d’excitation proche de la fréquence de résonance était nécessaire pour que les réponses des différents types d’échantillons puissent être différenciées. En conséquence, la suite de l’étude a été réalisée pour les deux fréquences d’excitation : 80 et 100kHz.
Fig. 5. Représentation du signal d’excitation
2.4 Définition du traitement des signaux reçus
Dans les méthodes acoustiques, il est nécessaire de prédéfinir des critères d’identification de salves pour permettre leur traitement. Ceux-ci sont représentés en figure 6. Dans notre cas, un seuil de 45 dB a été fixé pour déterminer le critère de définition d’une salve. Le critère de PDT (Peak Definition Time) a été fixé à 70 µs ; le critère HDT (Hit Definition Time) a été fixé à 200 µs et le critère HLT (Hit Lockout Time) a été fixé à 300 µs. Ces paramètres ont été fixés en s’appuyant sur la littérature sur le sujet mais aussi en réalisant des essais préliminaires.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x 10-3 -15 -10 -5 0 5 10 15
Temps (micro seconde)
A m p lit u d e ( V )
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Fig. 6. Représentation d’une salve et des critères de définition
Il existe beaucoup de paramètres de salves acoustiques auxquels il est possible de s’intéresser. Pour permettre une analyse paramétrique de nos essais, il a été décidé de nous pencher sur les paramètres suivants qui sont les plus utilisés dans le domaine des méthodes acoustiques : l’amplitude, la durée du signal, le nombre de coups, le temps de montée, l’énergie, et la fréquence moyenne.
2.5 Réalisation des essais
Afin de permettre une évaluation de la dispersion des mesures, chaque échantillon a été testé plusieurs fois (entre 6 et 10 fois) avec une opération de couplage/découplage des capteurs. Ceci permet d’intégrer ce paramètre relatif à la mise en œuvre à l’évaluation de la répétabilité de la mesure.
3.Résultats et analyse
L’ensemble des investigations réalisées et des méthodes d’exploitation utilisées dans le cadre de cette étude ne sont pas présentées. Nous avons choisi de décrire les deux méthodes d’exploitation les plus classiques et ayant permis de dégager des résultats convaincants. La première méthode consiste à étudier chacun des paramètres acoustiques prédéfinis de manière individuelle. La seconde s’attache à utiliser les degrés de corrélation entre les différents résultats afin de pouvoir utiliser l’ensemble du jeu de paramètres comme résultat.
3.1 Analyse paramétrique
Pour chacun des paramètres acoustiques étudiés et chacun des échantillons, il a donc été possible d’établir une moyenne et un écart-type des paramètres mesurés. Il est possible dans un premier temps de nous intéresser à chacun des paramètres de manière individuelle. Les résultats sont regroupés en figure 7.
On remarque tout d’abord que peu de différences sont observées entre les fréquences d’émission de 80 et de 100 kHz. On retiendra donc que la fréquence d’émission doit être de l’ordre de grandeur de la fréquence de résonance des capteurs utilisés voire un peu plus faible.
On remarque également que la dispersion des résultats est variable d’un paramètre à l’autre. L’amplitude, la durée du signal, le nombre de coups et l’énergie semblent relativement peu dispersés. En revanche, le temps de montée et la fréquence moyenne le sont davantage. Ces deux derniers paramètres semblent donc dans notre cas peu judicieux.
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Enfin, on constate qu’il est difficile de discriminer les éprouvettes présentant un défaut en se penchant sur l’étude d’un seul paramètre. En ce qui concerne l’amplitude, aucune différence ne peut être relevée entre les différents échantillons. La durée de la salve reçue peut quant à elle permettre de discriminer un échantillon avec défaut d’un échantillon sain. Elle ne peut cependant pas forcément permettre de définir le type de défaut rencontré dans notre cas. Le nombre de coups et de manière moins significative l’énergie semblent également sensibles à l’existence de défauts de collage.
Fig. 7. Résultats pour les six paramètres acoustiques étudiés des essais sur les cinq éprouvettes à 80 kHz et 100 kHz
45 50 55 60 65 70 75 80 kHz 100 kHz Amplitude (dB) Sain 1/3 vide Graisse 1/3 Mousse polyuréthane Vide centré 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 80 kHz 100 kHz Durée (us) 0 20 40 60 80 100 120 80 kHz 100 kHz Nombre de coups Sain 1/3 vide Graisse 1/3 Mousse polyuréthane Vide centré 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 80 kHz 100 kHz
Temps de montée (us)
0 20 40 60 80 100 120 80 kHz 100 kHz Energie (dB) Sain 1/3 vide Graisse 1/3 Mousse polyuréthane Vide centré 50 55 60 65 70 75 80 80 kHz 100 kHz Fréquence moyenne (kHz)
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On retiendra que les deux paramètres les plus sensibles à l’existence de défauts dans l’assemblage étudié semblent être le nombre de coups et la durée du signal. Au vu des résultats et de leur dispersion, il semble toutefois difficile de pouvoir identifier le type de défaut rencontré à partir de l’étude d’un seul de ces paramètres. Ceci pourrait être utile pour pouvoir aider à la préconisation d’une solution de réparation adaptée.
Nous avons donc choisi de nous appuyer sur une autre méthode d’exploitation qui permettrait de s’appuyer sur l’ensemble des paramètres acoustiques déterminés en utilisant une analyse des résultats en composantes principales.
3.2 Analyse statistique en composantes principales
L’analyse par composante principale permet de déterminer des directions principales de projection des résultats d’un problème ayant un nombre important de variables n. Pour ce faire, il est courant de décomposer l’inertie totale en une somme d’inertie dite « expliquée » et d’inertie « résiduelle ». La minimisation de l’inertie résiduelle permet de déterminer la direction principale. Chacune des directions ainsi déterminées est alors une combinaison linéaire de l’ensemble des variables étudiées. Dans notre cas, les variables sont les paramètres acoustiques étudiés. Les axes principaux obtenus correspondront donc à une combinaison linéaire des paramètres acoustiques considérés.
Pour limiter l’espace final du problème étudié (objectif final de l’analyse par composante principale), nous avons décidé dans notre cas de considérer que l’exercice de décomposition pouvait être arrêté dès que l’inertie résiduelle est inférieure à 10% de l’inertie totale. Ceci permet d’obtenir un espace final de projection à p composantes (p directions principales) étant de fait inférieur à la dimension de l’espace initial n du problème.
Dans notre cas, afin de limiter notre étude, nous avons décidé de déterminer pour chacun des cas les paramètres les plus discriminants à prendre en compte lors de notre analyse par composante principale. Pour ce faire, nous nous sommes intéressés au facteur lambda de Wilk de chacune des variables étudiées. Ce facteur correspond au rapport du déterminant de la matrice de variance-covariance intra-classe sur le déterminant de la matrice de variance-variance-covariance totale ou encore du rapport de l’inertie intra-classe sur l’inertie totale. Plus ce facteur est faible, plus la variable peut être considérée comme discriminante pour le problème étudié. Ceci a été réalisé pour déterminer les quatre paramètres les plus discriminants pour chaque échantillon étudié endommagé en intégrant les données de l’échantillon sain. Ce travail a été réalisé sous le logiciel commercial NOESYS.
Un nombre de paramètres initiaux plus important que les paramètres étudiés lors de l’analyse paramétrique a été pris en compte dans cette analyse. Ils sont listés dans le tableau 1. Dans ce même tableau, les quatre paramètres les plus discriminants ont également été listés. On remarque que pour les quatre défauts, la durée de la salve et le nombre de coups semblent être discriminants. Ceci est cohérent avec l’analyse paramétrique menée dans le paragraphe précédent. Ensuite, en fonction du défaut étudié, l’amplitude, l’énergie, le temps de montée, la fréquence initiale ou la fréquence centrale peuvent être pris en compte.
Paramètres étudié 1/3 vide Graisse 1/3 mousse polyuréthane Vide centré
Amplitude Energie Durée de la salve Nombre de coups Fréquence initiale Fréquence centrale Fréquence réverbérée Fréquence moyenne Temps de montée
Tab. 1. Paramètres les plus discriminants utilisés pour l’analyse par composante principale pour chacun des défauts étudiés
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Pour chacun des quatre défauts étudiés, l’analyse par composante principale de l’ensemble des échantillons testés a ensuite été réalisée afin de pouvoir représenter les résultats des essais sur l’échantillon sain et l’échantillon avec le défaut étudié sur un même graphique dans le plan principal déterminé (premier et second axe déterminés via l’analyse par composante principale). Pour chacun des cas, les parts d’inertie portées par les trois premiers axes déterminés sont données dans le tableau 2. On constate que seuls les deux premiers axes dans chacun des cas étudiés portent une part supérieure à 10% de l’inertie totale. Le problème peut dont bien être représenté dans un plan en deux dimensions selon les deux premières directions principales pour les quatre défauts étudiés.
Axe considéré 1/3 vide Graisse 1/3 mousse polyuréthane Vide centré
Premier axe 82.83 % 67.1 % 82.6 % 50.9 %
Second axe 10.93 % 23 % 10.9 % 39.1 %
Troisième axe 4.96 % 6.4 % 4.1 % 6.6 %
Tab. 2. Part d’inertie totale de chacun des axes principaux déterminés lors de l’analyse par composants principales
a) 1/3 vide b) Graisse
c) 1/3 mousse polyuréthane d)Vide centré
Fig. 8. Représentation des résultats des essais dans le plan principal déterminé par l’analyse par composante principale pour les quatre défauts étudiés (les résultats de l’échantillon sain sont représentés par les points rouges)
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La représentation graphique dans ces plans principaux est donnée en figure 8. Pour chacun des types de défauts étudiés, les résultats des mesures sur l’échantillon avec défaut et l’échantillon sain (points rouges) sont représentés dans le plan principal déterminé par l’analyse par composante principale effectuée sur les quatre paramètres acoustiques les plus discriminants. Pour les quatre types de défauts, on constate que les deux populations de résultats d’essais semblent bien se répartir dans deux zones distinctes des projections sur les deux axes principaux. Pour chacun des défauts étudiés, cette limite est matérialisée par un double trait pointillé sur la figure 8.
Au vu de ces premiers résultats, il semble donc que la méthode des acousto-ultrasons puisse permettre de détecter les différents types de défauts, qu’ils soient des vides partiels ou complets sous le renfort composite, de la graisse ou encore une mauvaise polymérisation entraînant la présence de zones moins rigides (modélisées par de la mousse polyuréthane dans notre cas). L’analyse par composantes principales permet en effet de mettre en évidence l’existence de critères qui pourraient permettre de classifier le type de défaut rencontré. Il conviendrait toutefois d’effectuer de nouveaux essais afin de pouvoir s’assurer de la bonne formulation des critères puis de déterminer la procédure inverse à mener pour détecter et identifier le défaut.
4.Conclusion
Cette étude avait pour objectif de tester la mise en œuvre de la méthode des acousto-ultrasons sur la problématique de détection des défauts d’assemblages collés composites béton rencontrés dans le cas du renforcement de structures. Si des techniques avérées de contrôle non destructif telles que la thermographie infra-rouge permettent en effet de détecter des vides, elles ne sont pas pour le moment en capacité de détecter des zones d’interface non adhérentes (modélisées par l’insertion d’une couche de graisse dans notre cas).
Nous avons dans un premier temps présenté les échantillons testés, et le matériel d’acousto-ultrasons utilisé. On retiendra que la technique consiste à émettre un signal d’acousto-ultrasons maîtrisé et à recevoir le signal à l’aide d’un second capteur en le traitant avec la méthodologie acoustique. Dans ce cadre, il est important de noter qu’il convient de travailler sur un signal d’émission ayant une fréquence proche de la fréquence propre du capteur et que le couplage entre l’échantillon et les capteurs a une influence importante sur la qualité du résultat obtenu.
Afin de vérifier la sensibilité de la méthode aux différents types de défauts étudiés (vide plus ou moins étendu, zone d’adhésif plus souple, présence de graisse à l’interface composite-adhésif), deux méthodes d’exploitation des résultats ont été présentées.
La première méthode, plus traditionnelle, et appelée analyse paramétrique a consisté à s’intéresser à chacun des paramètres acoustiques prédéfinis de façon individuelle. Celle-ci a permis de vérifier qu’il convenait d’utiliser des capteurs travaillant en onde de cisaillement et un signal émetteur ayant une fréquence de 80 ou 100 Hz (proches de la fréquence propre des capteurs utilisés). L’analyse de chacun des paramètres a démontré que certains pouvaient être plus dispersés et moins sensibles à la présence de défauts dans l’assemblage collé. On retiendra que deux paramètres ont semblé être plus convaincants : le nombre de coups et la durée du signal.
La seconde méthode permet de s’appuyer sur l’ensemble des paramètres pour exploiter au maximum les résultats de la méthode acousto-ultrasons. Un premier tri des paramètres a été réalisé afin de déterminer pour les quatre types de défauts étudiés ceux qui étaient le plus discriminants. Une analyse par composantes principales des résultats a ensuite permis de déterminer deux directions principales du problème. Les résultats ont été représentés dans le plan formé par ces deux directions principales. Ceci a permis de mettre en relief l’existence de deux domaines pour chacun des échantillons étudiés et donc de critères exprimés dans ce plan formés par les deux directions principales (et selon quatre paramètres acoustiques).
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Cette étude offre donc de bonnes perspectives sur les capacités de contrôle non destructif des assemblages collés par acousto-ultrasons. Des essais additionnels sont nécessaires pour vérifier la robustesse des critères déterminés pour le cas étudié. En outre, il conviendrait d’investiguer la limite en terme de longueur contrôlable de la méthode. Celle-ci est sans doute corrélée à l’amplitude du signal d’excitation. Enfin, si la méthode prouvait ses capacités, il serait sans doute nécessaire d’automatiser la méthode de traitement des résultats.
Remerciements
Les auteurs souhaitent remercier l’entreprise ETANDEX ainsi que le laboratoire d’Autun pour la fourniture des matériaux pour la réalisation des échantillons.
Références
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