Construction Durable

Contrôle Non Destructif par les Ondes Ultrasonores

CND par les ondes ultrasonores linéaires

La caractérisation et l’évaluation des matériaux cimentaires est l’objectif principal de cette étude. Les structures en béton servent souvent pendant une longue période de temps. Au cours de leur durée de vie, elles souffrent de divers impacts internes et externes. Il est donc très important d’évaluer leur capacité à maintenir une sécurité suffisante.

Un contrôle par les ondes ultrasonores linéaires offre un moyen de savoir si les structures ont été conçues et construites correctement pour l’usage prévu. Il est un fait bien connu que la vitesse d’impulsions ultrasoniques de béton est un très bon indicateur de l’état des structures. En raison du grand nombre de propriétés, telles que la densité, la résistance, l’élasticité, la dureté, etc. qui ont trait fortement aux performances des structures en béton, peut être déterminée par l’intermédiaire des ondes ultrasonores. En outre, les structures peuvent être examinées pendant leur service, leurs fonctions ne sont pas modifiés après l’examen.

Les méthodes d’ondes ultrasonores conventionnelles telles que « Pulse-echo » et « Through-transmission » sont deux des moyens de contact, qui ont besoin d’un gel de couplage pour assurer la transmission d’ondes ultrasonores. Mais l’utilisation de couplage peut modifier les propriétés de la structure, en particulier pour les matériaux poreux. Dans ce contexte, ainsi que sur la base de l’idée de l’automatisation des processus expérimentaux, un système expérimental a été conçu et développé récemment pour caractériser les matériaux d’une manière sans contact. Comme illustré sur la figure, la configuration expérimentale est composée d’un ordinateur, une unité de commande de mouvement, un pont mobile, un amplificateur de puissance, un préamplificateur pour le récepteur, un transducteur d’émission et un transducteur de réception.

CND2

CND3

Résultat expérimental d’un échantillon de Plexiglas avec une incidence normale. (a) Les signaux enregistrés le long de la direction y; (b) Les courbes de variation d'amplitude correspondant à des signaux enregistrés le long la direction y. (c) Le signal enregistré à y=0.

Résultat expérimental d’un échantillon de Plexiglas avec une incidence normale. (a) Les signaux enregistrés le long de la direction y; (b) Les courbes de variation d’amplitude correspondant à des signaux enregistrés le long la direction y. (c) Le signal enregistré à y=0.

Le principe de la mesure consiste à enregistrer des signaux ultrasonores à une série de points le long de la direction y, puis à localiser la position à laquelle arrive le signal le plus fort (voir les figures ci-dessous). Ensuite, le signal est traité pour obtenir la vitesse de l’onde, la dispersion de vitesse de phase et la caractéristique d’atténuation. Enfin, ces paramètres sont utilisés pour l’évaluation des structures de test.

Résultat expérimental d’un échantillon de Plexiglas avec une incidence normale. (a) Les signaux enregistrés le long de la direction y; (b) Les courbes de variation d'amplitude correspondant à des signaux enregistrés le long la direction y. (c) Le signal enregistré à y=0.

Résultat expérimental d’un échantillon de Plexiglas avec une incidence normale. (a) Les signaux enregistrés le long de la direction y; (b) Les courbes de variation d’amplitude correspondant à des signaux enregistrés le long la direction y. (c) Le signal enregistré à y=0.

Résultat expérimental d'un échantillon de Plexiglas avec une incidence oblique. (a) Les signaux enregistrés le long de la direction y; (b) Les courbes de variation d'amplitude correspondant à des signaux enregistrés le long de la direction y. (c) Les deux signaux enregistrés respectivement à y=y1 et y=y2.

Résultat expérimental d’un échantillon de Plexiglas avec une incidence oblique. (a) Les signaux enregistrés le long de la direction y; (b) Les courbes de variation d’amplitude correspondant à des signaux enregistrés le long de la direction y. (c) Les deux signaux enregistrés respectivement à y=y1 et y=y2.

La comparaison des résultats des vitesses longitudinales et transversales obtenues respectivement avec la méthode contact (comme une référence) et la méthode sans contact a été effectuée (voir les figures ci-dessous). On constate que les résultats de la méthode sont comparables avec ceux de la méthode contact. Nous pouvons donc tirer la conclusion que la méthode sans contact peut être utilisée comme un moyen de caractérisation des matériaux.

Comparaison des résultats des vitesses entre la méthode contact et la méthode sans contact. (a) Vitesses longitudinales ; (b) Vitesses transversales.

Comparaison des résultats des vitesses entre la méthode contact et la méthode sans contact. (a) Vitesses longitudinales ; (b) Vitesses transversales.



CND par l’acoustique non linéaire

Depuis une vingtaine d’années, la caractérisation des matériaux par acoustique ultrasonore a beaucoup progressée grâce à l’étude des phénomènes non linéaires. Ce développement pour des applications de contrôle de santé est directement lié à la découverte que l’élasticité non linéaire d’un grand nombre de matériaux, pourtant très différents les uns des autres (roches, bétons, métaux poly cristallins, matériaux fatigués,…), était essentiellement due à des contacts (grains, fissures …) au sein de ceux-ci. Ainsi, du fait de ces contacts, ces matériaux présentent une non linéarité gigantesque (plusieurs ordres de grandeurs par rapport à un solide mono cristallins ou à un fluide) très sensible aux changements structurels qu’ils subissent (fatigue, reprise en eau,…). Ainsi, l’importance des effets non linéaires macroscopiques, mesurée à partir de l’évolution en fonction du niveau d’excitation de divers paramètres acoustiques (célérité, atténuation , contenu spectral, fréquence de résonance, ….), est un excellent indicateur de la quantité de dégradations, de microfissures existant dans le matériau et de la durabilité.

Dans ce cadre, une thèse cotutelle est en vigueur entre l’école centrale de Lille et l’université de Sherbrooke.

L’objectif de cette thématique de recherche est de suivre la dégradation, la fissuration et l’endommagement dans les matériaux cimentaires par l’acoustique non linéaires en mesurant les paramètres non linéaires qui augmentent sensiblement en présence d’endommagement.

Exemple d’une fissure dans un mortier de l’ordre de 100 μm

Exemple d’une fissure dans un mortier de l’ordre de 100 μm

Dans ce cas, le comportent élastique non linéaire non classique des matériaux est décrit habituellement par l’adjonction de ces paramètres alpha et beta dans la loi de Hooke qui s’écrit alors sous la forme.

Le principe consiste à exciter le matériau par des ondes acoustiques sinusoïdales avec des amplitudes et fréquences bien choisies.

Excitation d’un matériau cimentaire par une onde acoustique

Excitation d’un matériau cimentaire par une onde acoustique

Deux techniques d’acoustique non linéaire ont été identifiées et testées pour prédire la santé de matériaux cimentaires et le degré de dégradation: La technique de résonance et la technique de génération d’harmoniques.
Technique de résonance: matériau sain

Technique de résonance: matériau sain

Technique de résonance: matériau endommagé

Technique de résonance: matériau endommagé

Technique de génération d’harmoniques

Technique de génération d’harmoniques

Ce travail a permis de :

  • Concevoir une partie expérimentale permettant l’intégration de la mesure des propriétés d’élasticité dynamique non linéaire (nécessaire à la détection et évaluation d’une fissure).
  • Estimer le niveau d’endommagement dans les matériaux cimentaires en suivant la propagation de fissuration par les paramètres acoustiques non linéaires.
  • Corréler des mesures mécaniques, perméabilité et acoustiques afin de suivre la fissuration et l’auto-cicatrisation d’un matériau cimentaire.
  • Etablir une étude comparative de l’évolution de paramètres acoustiques et des propriétés élastiques et géométriques pour les différents types de fissuration.
  • Evaluer l’efficacité de cette nouvelle approche de Contrôle Non destructif (CND) et ses limites.