Méthodes de mesure et de contrôle des teneurs en eau de matériaux

dans les LPC J.-P. B A R O N

Ingénieur Service de physique

T R A N N G O C L A N Ingénieur

Déparlement de géotechnique Laboratoire central

RÉSUMÉ

Cet article fait la synthèse des procédés de mesure de teneur en eau de matériaux existant actuellement dans les laboratoires des Ponts et Chaussées. Les problèmes qui ont conduit les LPC à mettre au point des mesures de la teneur en eau sont posés et les auteurs expliquent les raisons du choix des méthodes neutronique et capacitive adoptées.

Après un bref rappel du principe de ces deux méthodes, on passe en revue les appa­reillages fonctionnant dans les LPC : - humidimètre neutronique à pointe pour assises de chaussées traitées, - sondes neutroniques de trémies pour maté­riaux en centrale, - humidimètre neutronique à béton frais, - sondes capacitives pour sols en place, - sondes capacitives «bateau» et «ogive» pour matériaux en centrale, transportés sur bande ou en trémie.

Cet examen permet de dégager les traits caractéristiques de chaque appareil. Deux ta­bleaux de comparaison mettent à la disposition de l'utilisateur des éléments de décision lui permettant de faire un choix, compte tenu du problème qu'il se pose.

On insiste, en conclusion, sur le vaste do­maine d'emploi couvert par le matériel existant.

Mots clés : 30. Mesure - Méthode - Contrô­le - Teneur en eau - Exposé de mise au point - Matériau - France - Laboratoire -Capacité (électr.) - Appareil de mesure -Choix - Centrale - Assise - /LPC 96 -Neutron 67.

L ' E A U intervient presque partout en génie civil. Le bon déroulement d'un chantier, la bonne exécution d'un ouvrage, la qualité et la conservation des structures en place en dépendent fortement. Plus précisément :

— L'eau selon sa teneur en place, conditionne le compor­tement mécanique (portance, etc.) des structures telles que les remblais et les déblais, les couches de fondation de chaussées. De plus, la teneur en eau des matériaux détermine leur aptitude au compactage.

— Elle intervient d'une façon considérable dans la ma­niabilité d'un béton hydraulique et dans sa résistance mécanique ultérieure. Cependant, le dosage exact en eau et d'ailleurs aussi en poids des différentes composantes granulaires, fixé à l'avance par la formule de fabrication, exige la connaissance précise de la teneur en eau des sables et des granuláis .

Dans le premier cas, i l est souhaitable de disposer de moyens de mesure non ou très peu destructifs pour suivre en continu l'évolution de la teneur en eau dans la structure. Cela implique qu'on puisse effectuer des me­sures de l'extérieur, les sondes étant placées à demeure dans la structure ou étant introduites par un tubage amé­nagé au préalable ou à défaut par un forage de petit diamètre. Par exemple, i l en est ainsi lors de la construction des assises de chaussées traitées, soit en place, soit en cours de compactage.

Dans le deuxième cas i l convient, pendant la fabrica­tion des mélanges, de pouvoir mesurer la teneur en eau des sables et des granulats avec un dispositif suffisam­ment précis et à réponse assez rapide pour agir à temps sur le dosage. Par exemple, lors de la fabrication en centrale du béton on a besoin d'ajuster la quanti té d'eau d'apport au cours du malaxage.

Dans un cas comme dans l'autre i l est parfois nécessaire, dans un but de contrôle, de mesurer rapidement la teneur en eau des matériaux sur un chantier de compactage ou du béton frais avant le coulage.

65 Bull. Liaison Labo. P. et Ch. - 87 - janv.-févr. 1977 - Réf. 1920

Tous ces arguments ont donc entraîné les labo­ratoires des Ponts et Chaussées à mettre au point des méthodes de mesure de la teneur en eau et plus précisément la teneur en eau pondérale W , c'est-à-dire le rapport de la masse d'eau à la masse de matériau sec, exprimé en pour cent : c'est cette notion de la teneur en eau pondérale qui est seule utilisée en technique routière et qu'on exprime couramment en nombre de points.

Si Y<I est la densité sèche du matériau, c'est-à-dire la masse de matière solide contenue dans l'unité de volume de sol, rappelons que la teneur en eau volumique W » s'écrit : W v = W ^ d -

CHOIX DES METHODES

Les propriétés spécifiées ici, et notamment les caractères non destructifs et automatiques, excluent dans la plupart des cas toutes les méthodes directes ou indirectes, impliquant des mesures sur prélè­vements (par exemple pour les centrales et les ma­tériaux en place).

Il faut encore écarter les méthodes qui, bien qu'elles puissent effectuer des mesures en continu, n'inté­ressent qu'un très petit échantillon ou qu'une cou­che très superficielle ; c'est le cas, respectivement, des méthodes par résonance magnétique nucléaire et par infrarouge.

Les méthodes restant disponibles se partagent entre deux groupes :

Méthodes sans contact

Elles utilisent un faisceau de rayonnement très pénétrant qui peut être électromagnétique (micro­ondes) ou nucléaire (neutrons) et dont la source ou la détection peut être à l'extérieur du matériau.

Comme on le verra par la suite, dans toutes les mé­thodes de mesure indirectes de la teneur en eau, la densité du matériau est un paramètre important. Il a semblé peu judicieux d'associer la gamma-den-simétrie, méthode nucléaire et seul moyen de mesure rapide de la densité en place, à toute mé­thode de mesure de la teneur en eau qui ne soit pas nucléaire.

Méthodes avec contact

Ce sont essentiellement la méthode résistive et la méthode capacitive. Pour celles-ci la partie active de la sonde doit se trouver au contact du ma­tériau.

La méthode par résistivité est simple et peu coû­teuse et sa réponse est immédiate. Cependant elle comporte dans son principe beaucoup de facteurs d'influence (salinité, température, etc.) qui en rendent l'emploi délicat. La méthode capacitive, étu­diée dans les laboratoires des Ponts et Chaussées vise à garder les avantages de la méthode résis­tive tout en s'affranchissant, par des dispositions particulières, des effets des paramètres précédents et surtout de la densité.

RAPPEL DU PRINCIPE DE MESURE DE LA METHODE NEUTRONIQUE [1]

La méthode neutronique pour mesurer la teneur en eau d'un milieu est basée sur le ralentissement des neutrons rapides émis par une source. Parmi tous les éléments qui peuvent constituer un milieu, l'hydrogène est celui qui a le plus d'influence sur le ralentissement et la diffusion des neutrons. Si on admet que dans un matériau les variations de la teneur en hydrogène sont liées à celles de la teneur en eau (H20), nous obtiendrons un ralen­tissement qui sera fonction de la teneur en eau volumique (nombre de noyaux d'atomes d'hydro­gène présents dans le volume du milieu ralen-tisseur). Cela se traduira alors physiquement par des variations du nombre de neutrons thermiques détectés dans un volume donné (!) ($th). Malheu­reusement, si l'hydrogène est l'élément qui a le plus d'influence sur le ralentissement et la diffusion des neutrons, d'autres paramètres ont égalentent une influence, moins grande, mais qui intervient alors comme parasite pour la détermination de la teneur en eau. Il s'agit de :

— l'influence de la composition chimique que l'on peut caractériser entre autres, par les paramètres S. et S d (sections efficaces d'absorption et de dif­fusion des neutrons, fonction de la nature du mi­lieu) ; — l'influence de la densité sèche du milieu 74. Plus le nombre d'atomes constituant le milieu sera grand, plus la probabilité de choc des neutrons sur ces noyaux d'atomes sera grande, ce qui donne finalement un ralentissement des neutrons plus important.

En résumé, on peut donc écrire que le nombre des neutrons thermiques détectés dans un volume donné à la suite de l'émission et du ralentissement des neutrons rapides dans un milieu, sera de la forme :

*,„ = F [WV,(S., S 4 ) , Y i ]

où, rappelons-le, W v désigne la teneur en eau vo­lumique.

En génie civil, c'est l'humidité pondérale W qu'il faut connaître ; il faudra donc obligatoirement obte­nir par une méthode annexe une information sur vd (étalonnage de la sonde). Celle-ci pourra être soit une méthode simple (par ex. pesée d'un volume donné), soit une méthode gammamétrique.

De plus, l'étalonnage en place permettra de prendre en compte implicitement la composition chimique du matériau.

INSTRUMENTATION EXISTANTE DANS LES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSEES. SONDES NEUTRONIQUES

Humidimètre neutronique à pointe pour assises de chaussées traitées [15, 16 17].

Les études entreprises dans ce domaine ont débou­ché sur la réalisation d'un appareil utilisable sur chantier avec les gammadensimètres de type R. Il

1. Un neutron thermique est un neutron dont l'énergie est de l'ordre de 0,025 eV, énergie en dessous de laquelle l'agitation thermique devient prépondérante.

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s'agit de Yhumidimètre à pointe. Le schéma de principe de cet appareil est donné sur la figure 1.

Sa géométrie est différente de celle qui a été uti­lisée jusqu'à maintenant dans les appareils dis­ponibles sur le marché puisque la source de neutrons rapides est enfoncée à 10 cm de profon­deur au lieu d'être placée à la surface. Cette géométrie nous donne par raport aux autres appa­reils une meilleure sensibilité à la mesure de la teneur en eau, une influence de l'état de surface beaucoup moins grande, un volume de mesure plus important et plus homogène (6 à 7 1). L a détec­tion du flux de neutrons thermiques se fait à la surface par l ' intermédiaire de quatre compteurs à B F 3 (Trifluore de Bore) et d'un réflecteur en polyéthylène qui augmente le rendement de détec­tion. Le flux de neutrons thermiques ainsi détecté est proportionnel à la teneur en eau volumique du matériau (W y ) . Le comptage est effectué à l'aide d'une échelle identique à celle des gammadensi-mètres type R.

Pour prendre en compte l'influence de la composi­tion chimique, i l est nécessaire d'effectuer un étalonnage sur le matériau lui-même à l'aide de 80 mesures effectuées en place et uniformément réparties dans le domaine de variation possible de la teneur en eau. La prise en compte de l ' in­fluence de la densité sèche, pour le passage de la teneur en eau volumique à la teneur en eau pon­dérale, s'effectue à l'aide de la mesure de la den­sité au gammadensimètre type R18 faite au même endroit. La prise en compte de l'influence de la densité sur le comptage de la sonde neutronique n'améliorerait pas, en revanche, la précision. L'éta­blissement de la courbe d'étalonnage in situ néces­site environ une semaine de chantier, ce qui limite forcément son utilisation aux grands chantiers (renforcement, autoroute). Il est à noter que l'étalonnage impose en fait, comme travail supplé­mentaire, d'effectuer deux comptages de 3 mn à l'endroit où on a réalisé une mesure de densité et un prélèvement. Une autre méthode d'étalonnage sur échantillon est proposée par le centre d'études nucléaires (CEN) de Cadarache. Par manque d'in­formations, nous ne pouvons actuellement l'ap­précier.

Dans ces conditions d'utilisation, on obtient une précision de mesure AW = ± 0,5 % ce qui permet de déterminer, à l'aide d'un gammadensi­mètre type R, la densité sèche en place d'une assise trai tée, rapidement ( < 10 mn) et avec une précision t rès acceptable.

Il existe actuellement huit appareils de ce type répart is dans les laboratoires des Ponts et Chaus­sées. Ils sont, pour l'instant, assez différemment utilisés dans les laboratoires en fonction de l'im­portance des chantiers contrôlés.

Sonde neutronique pour matériaux stockés [2]

A l'heure actuelle, les recherches ont débouché sur la réalisation d'une sonde prototype permettant de mesurer la teneur en eau pondérale d'un sable stocké en trémie. L a figure 2 donne le schéma de principe de cette sonde. Une source de neutrons rapides est placée au centre de la sonde. Le flux de neutrons thermiques étant maximal au voisinage du point d'émission des neutrons rapides, la détection du flux thermique est assurée par trois compteurs à B F 3 centrés sur la source d'Americium-

L ^ O O

10 cm

Réflecteur

\ S \ S S S V s l

V77777777777

-4 compteurs à B F3

. Source d'Am-Be (neutrons rapides)

Fig. 1 - Humidlmètre à pointe.

Berryllium. Cette sonde est munie d'un dispositif de mesure qui corrige les informations données par le flux de neutrons thermiques suivant les variations de densité qui peuvent exister. Cela est réalisé grâce à une source de Cesium et à un scintillateur plastique associé à un photomultipli­cateur placés de part et d'autre du système neutro­nique (fig. 2). Le scintillateur plastique détecte principalement les photons -y diffusés du Cesium. Son comptage est donc fortement influencé par la densité.

- Photomultiplicateur Scintillateur plastique

Source Am-Be (neutrons rapides)

- Compteur à B F 3

-Volume mesure densité

• Volume mesure humidité

Trémie

Fig. 2 - Sonde destinée à mesurer l'humidité d'un matériau en trémie.

La sonde qui a un diamètre de 70 mm est mise en place dans la trémie par l ' intermédiaire d'un tubage en acier vertical centré sur l'axe d'écoule­ment du matériau. L'étalonnage doit être fait sur le matériau lui-même pour tenir compte de l ' in­fluence de la composition chimique. A u cours de cette opération, i l faut obtenir également des varia­tions de densité à teneur en eau pondérale fixe (par vibration sur les parois de la t rémie) . Cela repré­sente un inconvénient, et une méthode d'étalonnage plus aisée est en cours d'étude.

Grâce au dispositif de correction de la densité que nous avons mis au point, nous avons pu amélio­rer la précision de mesure de la sonde neutronique. Il est ainsi possible de déterminer la teneur en eau pondérale d'un matériau stocké en trémie avec une précision meilleure que ± 0,3 point. Cette précision semble satisfaisante pour effectuer une correction

87

de la quantité d'eau d'apport lors du malaxage et une détermination correcte du poids humide des matériaux nécessaires à la gâchée du béton. D'autre part, le volume de mesure intéressé est assez grand et est de l'ordre de 250 1 soit 350 à 400 kg pour le sable. Le temps de réponse est de 30 s environ. Un enregistrement continu de la mesure est pos­sible dans certains cas (écoulements lents).

Cette sonde a été essentiellement étudiée pour résoudre le problème de la mesure de la teneur en eau des granulats utilisés pour la fabrication en centrale des bétons ; on peut envisager de l'utiliser dans d'autres domaines pour résoudre des pro­blèmes similaires, sous réserve d'un examen de ceux-ci par des spécialistes de la méthode.

Humidimètre neutronique à béton frais

Un appareillage a été mis au point ; il permet de mesurer la teneur en eau pondérale d'un béton frais sur un prélèvement mis en place dans un moule cylindrique de 16 1. Un schéma de principe de cet appareil est donné sur la figure 3. Un tube placé au centre du fond du moule permet d'intro­duire une source de neutrons rapides à 12 cm de ce fond. On détecte le flux de neutrons ther­miques sur la face inférieure du moule par l'inter­médiaire de quatre compteurs à B F 3 et d'un réflec­teur en polyéthylène.

L'étalonnage est donc surtout influencé par la nature chimique des granulats entrant dans la com­position du béton.

La précision de la mesure est estimée à ± 0,3 point sur la détermination de la teneur en eau pondé­rale. Le temps de mesure est de 5 mn environ y compris le temps consacré à la mise en place du béton dans le moule (en supposant l'étalonnage déjà effectué).

A l'heure actuelle, deux appareils ont été confiés à des spécialistes de la fabrication du béton. Leurs conclusions, après les essais qu'ils ont effectués, ne sont pas encore définitivement rédigées. Il semble que le paramètre mesuré soit intéressant pour eux. Cependant, il n'est pas suffisant pour en tirer une information complète sur la maniabilité du béton, information considérée comme essentielle par ces spécialistes.

D'autres applications de cet appareil ont été trou­vées ; en particulier, il peut servir à déterminer la teneur en eau des granulats sur prélèvement (à la place de la «poêle à frire » ) 0 ) et à mesurer en sortie de centrale la teneur en eau des graves traitées. Une autre application est en cours de réalisation au Laboratoire de Nancy pour déter­miner rapidement la valeur du coefficient de réactivité a des laitiers granulés.

12 c m

v/'-'<W'tâ'4ft^ Moule cy l indr ique

vo lume 16 litres

Source neutrons

rapides A m - B e

4 c o m p t e u r s B F 3

R é f l e c t e u r

Fig. 3 - Humidimètre à béton frais.

Le comptage s'effectue à l'aide d'une échelle iden­tique à celle des gammadensimètres type R. Le béton est mis en place dans le moule sans précau­tions particulières, en évitant toutefois de créer des vides. Aucun moyen de vibration n'est néces­saire. Le moule est complètement rempli, ce qui fait que l'on travaille toujours à volume constant. La prise en compte de la densité se fait alors par la pesée du moule au moyen d'un système in­corporé dans l'appareil. Pour tenir compte de l'in­fluence de la composition chimique, il faut effectuer un étalonnage sur le béton lui-même. Cet étalonnage doit se faire obligatoirement en laboratoire de façon à pouvoir obtenir une détermination de la teneur en eau de référence la plus juste possible. Cette opération est relativement rapide (une jour­née). Nous avons pu noter que l'étalonnage ne va­rie pas lorsque l'on fait varier sur une formule donnée, soit la qualité du ciment, soit les quantités de granulats, les unes par rapport aux autres.

RAPPEL DU PRINCIPE DE MESURE DE LA METHODE CAPACITIVE [3]

Elle est fondée sur la mesure de la permittivité diélectrique apparente s d'un matériau humide.

Les permittivités des trois composants d'un maté­riau humide, à savoir l'air, la matière sèche et l'eau, ont des valeurs très contrastées et égales res­pectivement à 1 à 5 et à 80. De ce fait, la permit­tivité apparente e d'un matériau qui résulte de celle des trois phases précédentes varie surtout en fonction de la quantité d'eau présente dans le volume de mesure (teneur en eau volumique W v) ; elle dépend plus faiblement de la quantité de la matière sèche contenue dans ce même vo­lume (densité sèche y d ) . yd agit alors comme paramètre. On peut écrire :

« = F(WV, T d) = G(W, Y d)

avec W v = W . Y J , W étant la teneur en eau pon­dérale.

Mise en œuvre de la méthode

En pratique, la permittivité e n'étant pas acces­sible directement, on mesure la capacité, grandeur électrique qui lui est proportionnelle. On réalise donc une sonde comportant deux électrodes, formant avec le matériau humide un condensateur.

Le schéma électrique équivalent de ce condensa­teur est représenté sur la figure 4. La méthode résistive consisterait à mesurer R. La méthode capacitive consiste à mesurer C.

1. On estime la précision de celle-ci à 0,5 point, sa mise en œuvre sur un litre prenant environ 20 mn sans étalonnage.

08

1 — / P — 1 o / /

R —o L-AAA/W—

Fig. 4 - Sché­ma électr ique équivalent de la sonde ca­pacitive.

La méthode capacitive particulière, proposée par les laboratoires des Ponts et Chaussées possède deux caractéristiques importantes :

— l'usage du courant à très haute fréquence (30 à 50 MHz) permet de s'affranchir pratiquement de l'influence de la concentration saline et de la température ;

— la forme spéciale des sondes (soit en étrave, soit en ogive) permet d'obtenir un effet de cisail­lement provoqué par la sonde en pénétrant dans

Fig. 5 -Courbe de foisonnement type d'un sable.

e = G (w, 7d)

Prise en compte de 7-1 étalonnage en vraie grandeur

utilisation de l'effet de cisaillement dynamique

H (w)

Passage de e à la capacité C C = K ¡

avec K coefficient de géométrie de la sonde

<t> (w)

Fig. 6 -Schéma fonctionnel de la méthode capacitive.

le matériau en état d'écoulement. Par cet effet, les fluctuations aléatoires de densité sont atténuées puisque, au voisinage de la sonde, un matériau gra­nulaire tend à prendre dans ces conditions une densité limite constante.

Quant à la variation systématique de la densité en fonction de la teneur en eau, comme l'indique la courbe de foisonnement de la figure 5, on en tient compte en effectuant un étalonnage dans les condi­tions réelles de fonctionnement, c'est-à-dire en vraie grandeur. Le schéma de la figure 6 résume le prin­cipe de la méthode.

Remarque : Dans le cas de l'utilisation dans les structures en place la densité est mesurée, au moment de l'introduction de la sonde, par des méthodes usuelles (gammadensimètre, densi-tomètre à membrane, etc.).

La mesure de la capacité et son expression en terme de teneur en eau pondérale en pour cent ou en point s'effectuent par un équipement électronique comprenant :

— un oscillateur électronique ; incorporé dans le moulage de la sonde, cet oscillateur convertit la variation de capacité sous l'effet de celle de la teneur en eau, en une variation de fréquence ; celle-ci se situe impérativement dans la bande « très haute fréquence » pour éviter les effets ioniques déjà nommés (30 à 50 MHz) ; — un appareil de comptage de fréquence qui, après une conversion digital-analogique, affiche la teneur en eau sur le pupitre de commande ou un appareil d'enregistrement.

Cette méthode capacitive a fait l'objet d'un brevet accordé aux laboratoires des Ponts et Chaus­sées [4]. L'exploitation industrielle est confiée, par contrat, à la Société Erain.

Le principe de la méthode capacitive est très souple tout en permettant de garder le même équipement électronique (oscillateur et chaîne de mesure) ; il laisse en revanche beaucoup de liberté dans la conception des sondes pour tenir compte au mieux des conditions d'utilisation particulières à chaque application (fig. 7 à 10).

INSTRUMENTATION EXISTANTE DANS LES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSEES. SONDES CAPACITIVES

Sondes capacitives pour sols en place Il existe deux types de sondes, l'une pour être in­troduite dans la structure par abattage (fig. 7), l'autre pour être mise en place en même temps qu'elle (fig. 8). Parmi les expérimentations ayant utilisé des sondes capacitives, doivent être cités, pour l'importance des moyens mis en œuvre et leur durée :

— la plate-forme de voie ferrée à Evry en colla­boration avec la SNCF [4] ; — la station de gel de Caen en liaison avec le CNRS ; — l ' é t u d e hydrogéologique de la butte d'Amance [5] ; — l'aire expérimentale de l'EDF et du Laboratoire de l'ENS d'Agronomie de Montpellier [6] ;

89

Moule de fabrication

Fig. 7 Capteur pour structures de sol déjà en place.

Fabriqué pour le compte de EDF (mesure d'hydrologie), il est destiné à être mis en place par fonçage à l'aide des trains de tubes de piézomètres type LPC, dans des structures de sols en place.

Fig. 8 - Capteurs pour sols en couche.

Le capteur initial ayant servi à l'étude. Sa forme prismatique permet d'avoir un bon contact avec le sol environnant. Destiné aux structures de sol en couches, il est mis en place en même temps que ces structures.

Capteurs avec Incorporation de l'oscillateur de Rouen pour matériaux : — à conductivité moyenne (grave-émulsion) (a), — à faible conductivité (grave, sable), la conductivité étant plus faible, on a amélioré la sensibilité en dimi­nuant l'écartement de ce capteur par rapport à celui du précédent (b), — à grande sensibilité et à grand volume utile pour sols à forte conductivité (argile, marne, limon) (c).

Moule de fabrication conçu pour permettre la construction, soit d'un grand capteur, soit simultanément de deux cap­teurs à oscillateur. On note la forme des électrodes. Avec de l'araldite chargé de silice, comme produit de moulage, on arrive à une grande robustesse.

Fig. 9 - Capteur pour sable transporté sur bande (à oscillateur). Fig. 10 - Capteur pour sable en trémie (à oscillateur).

Le capteur et son montage sur la bande transporteuse.

La forme extérieure de ce capteur est conçue de façon à éviter le dépôt sur la cellule de débris divers souvent rencontrés dans les sables à béton. L'angle au sommet du capteur est choisi de façon à éviter le dépôt sur la cellule de sable statique, en relation avec l'angle de frottement de la plupart des sables à béton.

Ce capteur a été réalisé à partir de celui de la figure 8 (c). L'une de ses extrémités a été taillée en pointe afin d'assurer un bon contact des électrodes avec le sable sans en perturber le transport.

90

w„ (%) Nappe (cm)

Fig. 11 - Evolution relative de la teneur en eau indiquée par les sondes capacitive et neutronique (site de Montpellier).

juillet 15 août 15 septembre 15 octobre 15 novembre 15 décembre 15 janvier 15 février

— l'aire expérimentale du Laboratoire de Blois en relation avec une étude entreprise par les labo­ratoires des Ponts et Chaussées intitulée « inci­dence de la météorologie sur le terrassement » [7].

Mis à part le site de Blois (en cours d'exploitation à l'heure actuelle), les autres sites déjà achevés ont permis de tirer les conclusions suivantes :

— En valeur relative, les indications des sondes capacitives sont liées aux précipitations et d'une allure semblable à celle obtenue par la méthode neu­tronique (!) quand celle-ci est utilisée conjointe­ment (fig. 11). — En valeur absolue, il faut au préalable défi­nir un mode d'étalonnage en laboratoire. Celui-ci est mis en œuvre sur des échantillons de sols (20 kg) à différentes teneurs en eau et à diffé­rentes densités [3]. Les points expérimentaux sont peu dispersés et permettent de tracer des courbes d'étalonnage. Mais on doit se demander si, pour obtenir la valeur absolue de la teneur en eau des sols en place, il est valable d'utiliser ces droites d'étalonnage obtenues sur des sols remaniés et dans des conditions très éloignées de celles rencontrées en place.

Il apparaît, d'après les résultats obtenus, que la valeur absolue peut être déterminée de cette façon, mais que l'estimation de la précision semble dif­ficile à faire, compte tenu du problème de la réfé­rence (cf. commentaire du tableau I).

Sondes capacitives pour matériaux en centrale routière [8]

On a étudié deux types de sondes, l'une pour matériaux transportés sur bande (sonde bateau), l'autre pour matériaux stockés en trémie (sonde ogive). Ces deux types de sondes ont été expérimen­tés en centrale et à la SEMR( 2 ) de Blois. Les conditions d'essai dans cette dernière station ont été particulièrement favorables puisque le banc de granuláis de cette station a pour objet d'étudier les caractéristiques d'écoulement de différents types et marques de doseurs en fonction de la nature des matériaux et de leur humidité. On a pu ainsi étudier les sondes dans la plupart des matériaux que

l'on peut traiter en centrale et cela à toutes les teneurs en eau. Les résultats obtenus dans cette station et en centrale ont permis d'établir les conclusions suivantes :

1. Etat actuel de la mise au point des sondes

• Aspect mécanique : grâce à l'utilisation des matières ayant une excellente résistance à l'abra­sion et au choc (hostalène, polyuréthanne, acier inoxydable, etc.) les deux types de sonde ne pré­sentent pratiquement pas d'usure.

La sonde ogive a été placée en permanence à la SEMR de Blois et a fonctionné normalement pen­dant plus d'un an sans qu'on ait à intervenir d'une manière ou d'une autre. De plus, pour tous les matériaux testés y compris les sables fillérisés comportant jusqu'à 15 % de fines, il ne se pro­duit aucun colmatage.

En revanche, la sonde bateau s'encrasse plus ou moins rapidement dans les matériaux fillérisés (> 4 % de fines), rendant les résultats inexploi­tables.

• Aspect électronique : — l'oscillateur mis au point au CER de Rouen présente une stabilité satisfaisante pour la plu­part des applications. Son coefficient de tempéra­ture est de l'ordre de 0,3 x 10- 3/°C ; — la chaîne de mesure Erain compacte et robuste est en cours d'expérimentation sur de nombreux sites industriels

Il convient cependant de noter que dans l'état actuel des sondes, il est encore nécessaire d'immo­biliser le câble de liaison entre la sonde et l'équi­pement de mesure — tout changement de posi­tion du câble se traduit, du fait de l'effet de masse, par une modification de l'indication de la sonde (équivalent à 1 ou 2 points de teneur en eau selon le cas). Il reste donc deux points à étudier :

— mise au point d'une sonde autonettoyante pour les sables fillérisés transportés sur bandes ; une ébauche de cette sonde est en cours d'expérimen­tation à la SEMR de Blois ;

1. Méthode qui n'est pas celle de l'humidimètre neutronique à pointe, mais qui est celle développée par les agronomes (CEN à Cadarache, etc. [1]). 2. SEMR : Station d'Essai de Matériels Routiers.

1. Le prix de vente de l'équipement de mesure Erain, compre­nant la réalisation mécanique de la sonde, les circuits élec­troniques de mesure, est de 17 000 F HT (prix au 1-1-1977).

91

— amélioration du circuit de l'oscillateur afin d'at­ténuer l'effet de masse.

2. Précision des mesures

— La figure 12 montre des exemples de courbes d'étalonnage obtenues avec les deux types de sondes sur du sable de Loire à la SEMR. On y a porté les fréquences du courant de sortie des sondes en fonction de la teneur en eau des prélè­vements. On observe la parfaite linéarité des courbes de réponse des deux sondes. La droite de la figure 14 représente l'étalonnage obtenu avec la chaîne industrielle Erain. — Les résultats des essais montrent, comme on peut le constater sur les figures 12 et 14, que la précision est de l'ordre de ± 0,3 point sur tous les matériaux testés (sable 0/6, granulats 6/10, 10/20, cendres volantes, laitiers, etc.). Fréquence ( M Hz )

30

29

28

27

26

25

Débit

+ Sor • Sor

: 100 t/h

ide bateau ide ogive

\

•s. +\

• > \ +

1 i 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

w (%)

Fig. 12 - Droites d 'é ta lonnage obtenues à la SEMR de Blois avec deux sondes capacitives dans du sable de Loire roulé, les 6 et 7 janv. 1976.

La figure 13 montre deux exemples d'enregistre­ments : l'un obtenu à la SEMR, l'autre en centrale. On constate qu'à la SEMR, par suite du re­cyclage des matériaux, la teneur en eau dans le sable est plus uniforme qu'en centrale. A la disper­sion des résultats, propre de la méthode, s'ajoute celle dû au manque de représentativité des prélè­vements en centrale. Les conditions d'utilisation y sont aussi très sévères. Généralement, la préci­sion obtenue en centrale est de l'ordre de ± 0,5 point [8, 9].

3. Méthode d'étalonnage en centrale

Cette opération consiste à relever dans les condi­tions réelles d'utilisation les indications de la sonde en fonction de la teneur en eau des prélèvements. La linéarité des courbes de réponse permet l'étalon­nage en deux points : — le premier correspond à la teneur en eau na­turelle ; — le deuxième s'effectue à une teneur en eau supé­rieure à la teneur en eau naturelle, ce qui sup­pose le mouillage et le malaxage d'une masse de Erain

w (%)

/

-/

-

*

-

> /

+ '

/ /

~ / /

S i • Radian

1 w (%)

Fig. 14 - Sable de Loire 0/4. Résultats obtenus par la dernière version Erain par la SEMR de Blois sur du sable de Loire (0 à 4 mm).

MHz ; w % =

MHz = 29 w % = 6,6

d'humidification

Fig. 13 - Exemples d'évolution de la teneur en eau sur le banc d'essai des doseurs à granulats de la SEMR de Blois (a) et en centrale (b).

92

w (%)

''A' r s*.

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A So

ride neut

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x sonde

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nage des

Loire

/ /

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ès étalon

x sonde

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nage des

Loire

2 3 4 5 6 7 8 9 w(%) Référence

Fig. 15 - Résultats des mesures d'humidité comparatives effectuées à la SEMR de Loire par la méthode neutronique et la méthode capacitive.

matériau qui, dans le cas des sondes en trémie, peut être importante (1 à 2 t). Avec les engins de chantiers tels que les chargeurs, on a pu obte­nir normalement le deuxième point d'étalonnage.

On étudie actuellement un mode opératoire d'éta­lonnage dit « à un seul point », dans lequel le deuxième point est remplacé par un réglage en laboratoire de l'indication de la sonde, celle-ci étant placée dans un matériau sec.

C O M P A R A I S O N D E S M E T H O D E S C A P A C I T I V E E T N E U T R O N I Q U E

Le but de ce paragraphe est de donner des élé­ments de choix à l'utilisateur des méthodes déve­loppées dans les laboratoires des Ponts et Chaus­sées et se posant un problème spécifique. Ces éléments de choix, résultant de méthodes phy­siques concurrentes ont été rassemblés dans les tableaux I et II, où l'essentiel a été regroupé. On notera, compte tenu de ce qui est dit dans ces tableaux, que la question de savoir si une des deux méthodes (capacitive ou neutronique) est meil­leure que l'autre ne signifie rien en soi. Il faut spécifier le problème posé, avec toutes ses con­traintes, pour pouvoir répondre utilement et effi­cacement à la question. C'est donc à chaque fois un cas d'espèce. On notera aussi que dans la plupart des domaines cités, les deux méthodes se complètent, sauf pour ce qui concerne les maté­riaux stockés en trémie. Deux commentaires ac­compagnent ces tableaux. Us sont relatifs à la précision respective des méthodes.

A U T R E S I N S T R U M E N T A T I O N S

Parmi les autres méthodes existantes pour mesurer la teneur en eau de matériaux, nous écartons l'uti­lisation de la résonance magnétique nucléaire, celle-ci s'employant exclusivement en laboratoire.

Les deux autres méthodes, micro-onde et infrarouge sont des méthodes sans contact, de sorte qu'elles peuvent intéresser un utilisateur qui a besoin de connaître la teneur en eau d'un matériau sans possibilité d'accès à celui-ci. Il faut néanmoins bien voir que le capteur se trouve quand même à moins d'un mètre dans tous les cas du bord du volume constitué par le matériau.

Le principal inconvénient de ces deux dernières techniques est qu'elles fournissent des mesures de surface, le rayonnement ne pénétrant que très peu. Cet inconvénient peut être rédhibitoire s'il existe des gradients importants de teneur en eau dans le matériau.

C O N C L U S I O N

Depuis quelques années, les laboratoires des Ponts et Chaussées ont fait un gros effort pour dévelop­per des techniques de mesures de teneur en eau qui soient adaptées à leurs problèmes.

A l'heure actuelle, que ce soit sous forme de réali­sation opérationnelle ou sous forme de prototype, l'utilisateur a à sa disposition plusieurs appareils qui couvrent un vaste domaine d'emploi. Son choix se portera sur celui qui lui semble le plus adapté à son problème, compte tenu des éléments de décision apportés par cette étude.

Du côté des techniques physiques mises en œuvre, les méthodes capacitive et neutronique ont fait la preuve de leur valeur. Il reste toutefois quel­ques modifications à apporter aux prototypes exis­tants pour les rendre opérationnels .

BIBLIOGRAPHIE

[ 1 ] COUCHÂT P., Mesure neutronique de l'humidité des sols, Thèse présentée à l'Université Paul-Sabatier de Toulouse, févr. 1974

[2] B A R O N J.-P., 1" partie, Sonde neutronique pour la mesure de la teneur en eau de matériaux

stockés en trémie, 2 E partie, Humidimètre neu­tronique pour béton frais, Rapp. rech. LPC, à paraître 1977.

[3] T R A N NGOC L A N , C H A I G N E P., P H I L I P P E A., Me­sure des teneurs en eau des sols par les mé­thodes électriques. Etude d'une méthode capa­citive, Rapp. rech. LPC, 5, mars 1970.

[4] S C H A E F F N E R M., J A L L E T A., Mesure des varia­tions de teneur en eau dans différentes struc­tures de voies ferrées soumises à des pluvio­métrie contrôlées. Mesure de la teneur en eau par la méthode capacitive, Rapp. dépt de géo­technique LCPC, oct. 1974.

[5] L IVET M., Etude hydrogéologique des forma­tions de pente de la butte d'Amance, Rapp. rech. LPC, 52, févr. 1976.

[6] MANIÈRE G., Luc J.-P., B A R A N R., Utilisation des sondes capacitives en hydrologie, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 74, nov.-déc. 1974.

[7] PREYSSEDE M., CHABROL M., QUIBEL M., D U ­M O U L I N M., H E N E N S A L P . , J A L L E T A., Aire expé­rimentale de Blois, Rapp. LR Blois, CER Rouen, Départ géotechnique LCPC, juil. 1975.

[8 ] R A N G U I N J., T R A N NGOC L A N , J A L L E T A., Me­sure par capacité électrique de la teneur en eau sur bande transporteuse, Le Moniteur, 22 mars 1975.

93

T A B L E A U I

Matér iaux en place Sondes capacitives Humidimètre neutronique à pointe

Domaines d'emploi So ls en place Sols en couches (mise en place II existe 3 m o d è l e s diffé-par fonçage) . rents de sondes suivant la

conduct iv i té des couches : a) faible (graves, sables) b) moyenne

(grave - émulsions) c) forte (argile, marne,

limon)

Ass i ses de c h a u s s é e s t r a i t ées (lors du compactage ou a p r è s compactage)

Performances — Précision difficile à chiffrer (cf. commentaire)

— Volume de mesure de l'ordre de 10 I

— Temps de mesure ins tan tané

— Préc is ion : ± 0,5 point quand il est uti­lisé en m ê m e temps que le gammadensi-mè t re type R 18

— Une seule mesure sur une couche de 15 cm d ' é p a i s s e u r

— Volume de mesure : 6 à 7 I — Temps de mesure : 3 mn

Mise en œ u v r e — En valeur relative : immédia t emen t sur le terrain — En valeur absolue : nécessite un étalonnage en labo

portant sur un prélèvement de 20 kg (cf. commentaire)

— Confection d'un avant-trou pour enfoncer la source à 10 cm

— N é c e s s i t e l 'emploi d'un g a m m a d e n s i m è t r e R 18

— Etalonnage p réa lab le avec 80 mesures en place

C o û t 500 F HT par sonde matériel é l ec t ron ique : 10 000 F HT

17 000 F HT non compris l ' échel le de comptage qui est en commun avec le g a m m a d e n s i m è t r e R 1 8

Etat actuel et poss ib i l i t és de d é v e l o p p e m e n t

— Matériel opéra t ionne l (fabriqué sous licence par la S t é Erain)

— Possibi l i té de t é l é m e s u r e

— Matériel opéra t ionne l

— Etalonnage simplifié à l 'é tude.

Avantages —• Simplici té de la m é t h o d e (circuit é l ec t ron ique peu complexe, donc fiable et d'entretien facile)

— Coû t peu é l e v é (d 'où possibi l i té de disposer un nombre important de sondes dans le massif de sol étudié) .

— Possibi l i té de mesures à grande profondeur (limitée simplement par la longueur du câble)

— Possibi l i té de laisser les sondes en place sur de grands laps de temps

— Bonne préc is ion

— Mesure s imul t anée de la dens i t é s è c h e (avec le g a m m a d e n s i m è t r e R18)

Inconvénien ts — Le profil hydrique n'est obtenu que de façon dis­continue en fonction de la profondeur, par oppo­sition aux diagraphies

— Etalonnage fastidieux et coût é l evé limi­tant l'utilisation au grand chantier (renforcement, autoroute)

— Radioprotection à mettre en œ u v r e — Ne traite que la p remiè re couche d'assise

de c h a u s s é e (sur 15 cm) — Pas de possibi l i té de mesure en continu.

m ê m e horizon (sites de Montpellier et Blois) , les indica­tions des trois m é t h o d e s peuvent ê t r e dif férentes sans ê t r e fausses. C'est ce qui a é t é confirmé par les cher­cheurs de Montpellier dans une é t u d e c o m p l é m e n t a i r e sur massifs de sol de grand volume et à teneur en eau con t rô l ée [6].

Il est actuellement impossible de donner des chiffres concernant la préc is ion de diverses m é t h o d e s , du moins dans le cas des sols.

A notre avis, le p r o b l è m e ne se situe plus au niveau de la technologie du capteur quel que soit son principe, mais plutôt à celui de l'utilisation. On peut rechercher selon le cas soit une teneur en eau t r è s ponctuelle soit sa moyenne dans une couche de c h a u s s é e , soit sur une é p a i s s e u r plus importante encore, l'utilisateur choisira alors parmi les moyens disponibles, celui qui est le plus appropr i é .

1. Méthode qui n'est pas celle de l 'humidimètre neutronique à pointe mais celle déve loppée par les agronomes, hors des LPC (CEN - Cadarache...) [8].

94

Commentaire sur la précision des sondes capacitives

Par rapport à la m é t h o d e neutronique ( 1 ) , les valeurs abso­lues fournies par la m é t h o d e capacitive sont parfois plus p r é c i s e s et moins d i s p e r s é e s (Nancy), parfois plus é l o i g n é e s des teneurs en eau obtenues par p r é l è v e m e n t s (Montpellier).

Dans le domaine des sols, surtout des sols c o h é r e n t s , il est difficile de d é p a r t a g e r les diverses m é t h o d e s . On se heurte, en effet, aux difficultés de définir une r é f é r ence valable ; celles-ci sont l iées à la distribution t r è s h é t é r o ­g è n e de la teneur en eau dans un massif de sol et aux dif férences c o n s i d é r a b l e s des volumes d'action de ces m é t h o d e s .

Les p r é l è v e m e n t s en géné ra l petits de l'ordre de quelques centaines de grammes, donnent des teneurs en eau ponc­tuelles alors que celles ind iquées par les m é t h o d e s capa­citive et neutronique r e p r é s e n t e n t les moyennes dans des masses respectives de 20 à 100 kg environ.

Dans ces conditions, et lorsque les teneurs en eau ponc­tuelles c o n s t a t é e s peuvent varier de six points dans le

T A B L E A U 11

Matér iaux pour fabrication

Sondes capacitives Sonde neutronique pour t rémie Humidlmètre à bé ton frais

Domaines d'emploi — Sonde bateau pour maté r iaux t r a n s p o r t é s sur bande

— Sonde ogive pour maté r iaux s t o c k é s en t rémie .

• Sables s t o c k é s en t rémie

• Poss ib i l i tés d'utilisation dans des domaines similaires (par exemple granulats)

• Mesure de la teneur en eau

— du bé ton frais — des granulats — du coefficient a des laitiers

sur prélèvements.

Performances Précision : +0,3 point, (cf. commentaire)

— Volume de mesure : 30 1

— Temps de mesure : 1 m/s

• Précision : + 0,3 point,* (cf. commentaire)

• Volume de mesure : 250 I • Temps de mesure : 30 s • Possibi l i té de mesure en continu

dans le cas d'un é c o u l e m e n t lent

— Précis ion : ± 0,3 point

— Volume de mesure : 16 I — Temps de mesure : 5 mn

y compris la mise en place du matér iau

Mise en œ u v r e — Portique de montage n é c e s s a i r e

— Etalonnage linéaire sur deux points

• Tubage vertical n é c e s s a i r e au centre de l ' écou lement dans la t rémie

• Etalonnage p réa lab le dans la t rémie par vibrations sur les parois pour obtenir des variations de dens i t é .

— Sur p ré l èvemen t s de 16 I

— Etalonnage p réa lab le en laboratoire sur le matér iau

C o û t 17 000 F HT 16 500 F HT (est imé) 17 500 F HT (es t imé)

sans la partie mécan ique ni les appareils de comptage que l'on ne peut estimer actuellement du fait qu'il s'agit de prototypes

Etat actuel et poss ib i l i tés de d é v e l o p p e m e n t

— Matériel opéra t ionne l sauf pour les sables fillérisés t r a n s p o r t é s sur bande

—' Pour ces derniers, cellule auto­nettoyante en cours d ' é tude .

— Prototype

— P r o c é d u r e simplifiée d ' é t a lonnage à l ' é tude.

— Prototype

— Mesure de la teneur en eau des graves t r a i t ées ou non

Avantages — Simplici té de la m é t h o d e (circuit é l ec t ron ique peu complexe, donc fiable et d'entretien facile)

— Temps de r é p o n s e t r è s court permettant si on le d é s i r e l'intervention immédia te sur le dosage et la mesure de la teneur en eau m ê m e si les matér iaux sont en mouvement rapide (bande transporteuse)

— Etalonnage sans mesure de d e n s i t é facile à mettre en œ u v r e

— Grand volume de mesure compensant des h é t é r o g é n é i t é s éven tue l l e s

— Bonne précis ion

— Grand volume de mesure par rapport à la « poê le à frire »

— Domaine d'application é t endu

— Rapidité de la mesure

Inconvén ien t s — Mesure de contact pouvant en t ra îner le colmatage de la sonde bateau dans le cas des sables fillérisés

— Volume de mesure petit (30 I)

—• Etalonnage difficile à mettre en œ u v r e

— Radioprotection obligatoire

Par rapport à la « poê le à frire »:

— coû t é l evé •— Radioprotection obligatoire — Mise en œ u v r e moins simple —• N é c e s s i t é d'un é t a l o n n a g e en

laboratoire

* En centrale, il faut noter que cette préc i s ion n'est pas in t r insèque à l'appareil mais peut d é p e n d r e aussi de facteurs ex té r i eu r s (par ex. h é t é r o g é n é i t é du matér iau) .

Commentaire sur la comparaison de la précision de la sonde capacitive et de la sonde neutronique en trémie-

Une é t u d e sommaire de comparaison entre les deux sondes a é t é faite à la S E M R de Blois . C e s essais portant unique­

ment sur les sables de rivière et les granulats 6/10 ont d o n n é des résu l t a t s dont l 'essentiel se traduit par la figure 15 0 ) .

1. Dans ce cas précis d'emploi, il est clair que les précisions sont comparables.

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[9] T R A N NGOC L A N , J A L L E T A . , Mesure par capa­cité électrique de la teneur en eau des sables sur bande transporteuse, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 71, mai-juin 1974, p. 109-115.

[10] T R A N NGOC L A N , C H A I G N E P., P H I L I P P E A . , Etude d'une méthode de mesure de la teneur en eau dans les sols, Rev. Mesures, août-sept. 1971.

[11] H I G H W A Y R E S E A R C H BOARD, Instrumentation for measurement of moisture, Littérature Re-view and Recommended Research, NCHRP. Report n° 138, 1973.

[12] Eau dans la chaussée : méthodes de détermi­nation de la teneur en eau et de la tension interstitielle des sols, Rapp. OCDE, 1973.

[13] Colloque français sur les contrôles de qualité en construction routière. Compte rendu des travaux du groupe teneur en eau pour la fa­brication des bétons hydrauliques, Paris, 1972.

[14] SOMER E . , Instrumental stability of a combined density-moisture scintillation instrument. Da­nish Isotope Centre Copenhagen Internatio­nal Symposium on radiometric methods and instruments for the determination of density and moisture of building materials and soils, Brno, 29-31 oct. 1969.

[15] CARIOU J., DELTOMBE J.-F., W A J D E N F E L D J., Etude des caractéristiques d'un humidimètre neutronique à pointe, Bull, liaison Labo. rou­tiers P. et Ch., spécial P, Radioisotopes II, p. 91-108.

[16] CARIOU J., DELTOMBE J.-F., W A J D E N F E L D J., Humidimètre neutronique à pointe, Rapp. Ser­vice des RI, LCPC, mai 1969.

[17] B E L I N J.-P., CARIOU J., Expérimentation de l'humidimètre neutronique à pointe, Rapp. ser­vice des RI, LCPC, juil. 1972.

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