D O S S I E RRECHERCHE

de l’École des Ponts ParisTech 22PerspectivesL’IRM offre une vaste gamme de possibilités d’utilisation pour l’étude de problèmes tant industriels que fondamentaux. De nombreux autres développements sont en cours, notamment en matière de filtration, d’injection, de gel, de séchage, etc. Cela, associé aux multiples possibilités de mesure par RMN, permet de penser qu’un grand nombre de phénomènes seront encore étudiés dans les années à venir grâce à cet appareil.D’autant qu’il sera bientôt complété au sein de l’UR Navier par un microtomographe à rayons X, en cours d’acquisition. Les images de l’IRM, qui renseignent sur les mouvements internes de l’échantillon mais peuvent parfois souffrir d’un manque de résolution, pourront alors être utilement complétées par des images plus fines de la structure de ces échantillons, avec une excellente résolution (jusqu’à 1 micron) !

Imageur par résonance magnétique : un équipement exceptionnel pour le génie civil

Stéphane Rodts, Paméla Faure, François Bertrand, Pascal Moucheront, Philippe Coussot

UR Navier

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est connue de longue date pour ses applications biomédicales. Mais elle s’applique à d’autres domaines : agroalimentaire, génie chimique et, depuis les années 90, matériauxde construction. L’unité de recherche Navier gère aujourd’hui l’imageur du Laboratoire central des Ponts et Chaussées (LCPC), acquis en 1999 avec le soutien de la Région Île-de-France.

L’IRM a des emplois bien plus larges que les autres techniques d’imagerie 3D. Ses multiples sources de contraste permettent l’observation des transferts dans les milieux poreux, la détection de changements de phase dans des fluides (hydratation, cristallisation, gélification), les mesures de champs de vitesse dans des fluides en écoulement, la caractérisation des mouvements moléculaires du fait de l’agitation thermique, etc. Rares au monde sont cependant les équipements de ce type adossés à un laboratoire de mécanique et de physique et entièrement voués aux recherches en génie civil.

En dix ans d’exploitation, l’IRM de l’UR Navier a permis de structurer des activités de recherche orientées vers la rhéologie et les écoulements des fluides du type de ceux qu’on rencontre en génie civil, les transferts d’eau dans les milieux poreux et la prise des matériaux cimentaires. Les pages qui suivent proposent un tour d’horizon du savoir-faire acquis.

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009

Unité de recherche NAVIER

Laboratoire commun

École des Ponts ParisTechLCPC

Équipe Imagerie et Matériaux / UR Navier

associée au CNRS

UR NavierÉcole des Ponts ParisTech6 et 8 avenue Blaise-PascalCité Descartes – Champs-sur-MarneF-77455 Marne-la-Vallée cedex 2

Équipe « Imagerie et Matériaux »2 allée Kepler77420 Champs-sur-MarneTél. : 01 40 43 54 41

Pour en savoir plus

www.lcpc.fr/fr/presentation/moyens/irmwww.navier.fr

http://navier.enpc.fr

► [Fig. 1]L’IRM de l’UR Navier : mise en place d’un échantillon

UR Navier L’UR Navier, constituée de sept équipes, est une unité de recherche commune à l’École des Ponts ParisTech et au LCPC. Ses travaux portent sur la mécanique et la physique des matériaux et des structures ainsi que sur leurs applications à la géotechnique, au génie civil, à la géophysique et à l’exploitation pétrolière. Ces recherches touchent à des enjeux sociétaux comme la construction durable, les risques naturels, l’environnement et l’énergie. Dans la recherche des lois mécaniques et physiques relatives à ces thèmes, les études expérimentales et théoriques s’appuient sur des équipements variés voire uniques en leur genre.L’équipe « Imagerie et Matériaux » associée au CNRS, gère l’utilisation de l’IRM et prochainement, du microtomographe. Trois chercheurs et un ingénieur d’étude s’occupent spécifiquement de l’IRM, et assurent un double travail de veille et de développements méthodologiques, ainsi qu’une activité de mise en service de l’IRM pour le compte d’équipes extérieures non spécialistes.

Chercheurs permanents : 43Doctorants : 59Personnel ITA : 25

L’IRM : bien plus que de l’imagerieL’IRM est une variante des techniques de RMN (réso-nance magnétique nucléaire). Elle exploite les pro-priétés de spin des noyaux atomiques en les cou-plant à l’utilisation de champs électromagnétiques intenses pour sonder la matière. Comparativement à d’autres techniques d’imagerie 3D, l’IRM possède une gamme inégalée de sources de contraste, ce qui lui permet de caractériser simultanément la composition chimique d’un échantillon, sa texture aux échelles nano et micrométriques, ainsi que ses éventuels mouvements - dans le cas, par exemple d’un fluide en écoulement. Elle peut de plus établir des corrélations entre ces diverses informations.

Machines d’essai insérablesLes recherches les plus prometteuses associent imagerie et sollicitation mécanique ou thermique des matériaux. L’IRM permet de visualiser la réponse interne d’éprouvettes que l’on soumet à contrainte à l’intérieur même de l’imageur.Le laboratoire possède sa propre expertise en matière de conception de dispositifs de sollicitation insérables dans l’IRM. Citons parmi ses réalisations :- un rhéomètre pour l’étude en écoulement des milieux granulaires et des fluides très hétérogènes ;- une machine dédiée au cisaillement de matériaux meubles sous pression ;- un dispositif d’extrusion et d’injection [Fig. 2]

mars 2009

► [Fig. 2] Conception assistée par ordinateur (CAO) de la machine d’extrusion de l’IRM. Elle est entièrement réalisée en matériaux amagnétiques et en composites

► [Fig. 4] Suivi par relaxométrie RMN de l’évolution de la texture d’une pâte de ciment pendant les premières heures qui suivent le gâchage. La quantité indiquée « T1 » est une caractéristique du signal RMN mesuré qui peut être corrélée au niveau de confinement de l’eau contenue dans l’échantillon

UR NavierRhéométrie par IRMLes fluides du génie civil, tels que le ciment et les boues, présentent des propriétés d’écoulement alliant effets de seuil et thixotropie : ils ne coulent pas en deçà d’une contrainte minimale, et leur comportement dépend de l’histoire des sollicitations qui leur ont été appliquées. Leur étude ne se satisfait pas des rhéomètres traditionnels, trop indirects dans leurs observations, et rapidement mis en défaut par tant de complexité.

La rhéométrie par IRM fournit en revanche l’outil adapté : en visualisant le détail des écoulements au sein des cuves de rhéologie, elle permet une carac-térisation complète de ces fluides, quels que soient leur niveau d’hétérogénéité et leur opacité [Fig. 3].

Cette technique s’applique aussi aux pâtes granulaires, très fréquentes dans l’industrie ou la nature. Ces suspensions concentrées de grosses particules ont la particularité supplémentaire de pouvoir changer de composition au cours de leur écoulement, sous l’effet de phénomènes de migration. Il est possible de suivre ces effets par IRM, et de les relier à la loi d’écoulement locale.

► [Fig. 3] Mesures locales de vitesse dans l’entrefer d’une cellule rhéologi-que de type « Couette ». L’échantillon, une suspension de billes de polystyrène dans une huile silicone, peut tout aussi bien s’écouler complètement (en haut), que se bloquer en partie (en bas)

ExtrusionL’extrusion est un procédé industriel permettant de former des objets en poussant à l’aide d’un piston ou d’une ou plusieurs vis un matériau très « pâteux » à travers un petit orifice ou une filière censés lui donner une section de forme particulière. Certaines briques, certaines pièces préfabriquées de matériaux cimentaires, certaines céramiques, ainsi que de nombreux produits agroalimentaires et cosmétiques sont fabriqués à l’aide de ce procédé.

Pour autant, la forme et l’aspect de l’extrudat ne sont pas toujours bien maîtrisés. Gonflement viscoélastique, rupture différée des tronçons par thixotropie, migration des plus gros éléments en suspension, blocage et défauts de surface, sont autant de difficultés rencontrées en pratique.Dans ce cadre, l’IRM permet, grâce à son extrudeur insérable, d’obtenir des informations locales pour comprendre l’origine des phénomènes et/ou valider des modèles numériques [Fig. 4].

SédimentationPhénomène qui se produit dans de nombreuses appli-cations dès lors qu’une suspension contenant des par-ticules assez grosses s’écoule, la sédimentation peut toucher les gros granulats dans les bétons frais au mo-ment de leur mise en œuvre et compromettre la qua-lité mécanique d’un ouvrage. Elle concerne aussi les vases en ingénierie fluviale et maritime : la formation de dépôts par sédimentation-consolidation diminue la profondeur navigable dans les ports et les chenaux et oblige à d’incessantes opérations de dragage. Dans le cadre d’une convention avec le Centre d’études techniques maritimes et fluviales (CETMEF), l’IRM a per-mis d’étudier la sédimentation au sein d’une suspen-sion colloïdale modèle (kaolin) et d’une suspension naturelle (vase du port du Havre) et de fournir des don-nées pour l’élaboration de modèles numériques.

Milieux poreux et cimentairesDans les milieux poreux humides, l’IRM renseigne, grâce à l’imagerie, sur la manière dont l’eau se répartit globalement à travers l’échantillon. Mais elle offre également, avec la technique de relaxométrie, une vision plus fine de la texture microscopique du matériau lui-même. L’IRM permet de suivre la vie des matériaux cimentaires, depuis le gâchage jusqu’à des stades de prise très avancés [Fig. 5].L’IRM est non perturbative, et permet de surcroît de caractériser les échantillons dans leur état naturel. Les conditions de cure peuvent ainsi être strictement respectées, et les études gagnent en fiabilité.Les résultats de caractérisation par RMN font actuellement l’objet d’un travail de comparaison et de corrélation avec d’autres techniques plus courantes : perte au feu, isothermes d’adsorption, etc.

► [Fig. 4] Vitesse d’écoulement d’une pâte au droit de la filière d’extrusion

Écoulementvisqueux

Temps d’hydratation (h)

Écoulementvisqueux

L’IRM : bien plus que de l’imagerieL’IRM est une variante des techniques de RMN (réso-nance magnétique nucléaire). Elle exploite les pro-priétés de spin des noyaux atomiques en les cou-plant à l’utilisation de champs électromagnétiques intenses pour sonder la matière. Comparativement à d’autres techniques d’imagerie 3D, l’IRM possède une gamme inégalée de sources de contraste, ce qui lui permet de caractériser simultanément la composition chimique d’un échantillon, sa texture aux échelles nano et micrométriques, ainsi que ses éventuels mouvements - dans le cas, par exemple d’un fluide en écoulement. Elle peut de plus établir des corrélations entre ces diverses informations.

Machines d’essai insérablesLes recherches les plus prometteuses associent imagerie et sollicitation mécanique ou thermique des matériaux. L’IRM permet de visualiser la réponse interne d’éprouvettes que l’on soumet à contrainte à l’intérieur même de l’imageur.Le laboratoire possède sa propre expertise en matière de conception de dispositifs de sollicitation insérables dans l’IRM. Citons parmi ses réalisations :- un rhéomètre pour l’étude en écoulement des milieux granulaires et des fluides très hétérogènes ;- une machine dédiée au cisaillement de matériaux meubles sous pression ;- un dispositif d’extrusion et d’injection [Fig. 2]

mars 2009

► [Fig. 2] Conception assistée par ordinateur (CAO) de la machine d’extrusion de l’IRM. Elle est entièrement réalisée en matériaux amagnétiques et en composites

► [Fig. 4] Suivi par relaxométrie RMN de l’évolution de la texture d’une pâte de ciment pendant les premières heures qui suivent le gâchage. La quantité indiquée « T1 » est une caractéristique du signal RMN mesuré qui peut être corrélée au niveau de confinement de l’eau contenue dans l’échantillon

UR NavierRhéométrie par IRMLes fluides du génie civil, tels que le ciment et les boues, présentent des propriétés d’écoulement alliant effets de seuil et thixotropie : ils ne coulent pas en deçà d’une contrainte minimale, et leur comportement dépend de l’histoire des sollicitations qui leur ont été appliquées. Leur étude ne se satisfait pas des rhéomètres traditionnels, trop indirects dans leurs observations, et rapidement mis en défaut par tant de complexité.

La rhéométrie par IRM fournit en revanche l’outil adapté : en visualisant le détail des écoulements au sein des cuves de rhéologie, elle permet une carac-térisation complète de ces fluides, quels que soient leur niveau d’hétérogénéité et leur opacité [Fig. 3].

Cette technique s’applique aussi aux pâtes granulaires, très fréquentes dans l’industrie ou la nature. Ces suspensions concentrées de grosses particules ont la particularité supplémentaire de pouvoir changer de composition au cours de leur écoulement, sous l’effet de phénomènes de migration. Il est possible de suivre ces effets par IRM, et de les relier à la loi d’écoulement locale.

► [Fig. 3] Mesures locales de vitesse dans l’entrefer d’une cellule rhéologi-que de type « Couette ». L’échantillon, une suspension de billes de polystyrène dans une huile silicone, peut tout aussi bien s’écouler complètement (en haut), que se bloquer en partie (en bas)

ExtrusionL’extrusion est un procédé industriel permettant de former des objets en poussant à l’aide d’un piston ou d’une ou plusieurs vis un matériau très « pâteux » à travers un petit orifice ou une filière censés lui donner une section de forme particulière. Certaines briques, certaines pièces préfabriquées de matériaux cimentaires, certaines céramiques, ainsi que de nombreux produits agroalimentaires et cosmétiques sont fabriqués à l’aide de ce procédé.

Pour autant, la forme et l’aspect de l’extrudat ne sont pas toujours bien maîtrisés. Gonflement viscoélastique, rupture différée des tronçons par thixotropie, migration des plus gros éléments en suspension, blocage et défauts de surface, sont autant de difficultés rencontrées en pratique.Dans ce cadre, l’IRM permet, grâce à son extrudeur insérable, d’obtenir des informations locales pour comprendre l’origine des phénomènes et/ou valider des modèles numériques [Fig. 4].

SédimentationPhénomène qui se produit dans de nombreuses appli-cations dès lors qu’une suspension contenant des par-ticules assez grosses s’écoule, la sédimentation peut toucher les gros granulats dans les bétons frais au mo-ment de leur mise en œuvre et compromettre la qua-lité mécanique d’un ouvrage. Elle concerne aussi les vases en ingénierie fluviale et maritime : la formation de dépôts par sédimentation-consolidation diminue la profondeur navigable dans les ports et les chenaux et oblige à d’incessantes opérations de dragage. Dans le cadre d’une convention avec le Centre d’études techniques maritimes et fluviales (CETMEF), l’IRM a per-mis d’étudier la sédimentation au sein d’une suspen-sion colloïdale modèle (kaolin) et d’une suspension naturelle (vase du port du Havre) et de fournir des don-nées pour l’élaboration de modèles numériques.

Milieux poreux et cimentairesDans les milieux poreux humides, l’IRM renseigne, grâce à l’imagerie, sur la manière dont l’eau se répartit globalement à travers l’échantillon. Mais elle offre également, avec la technique de relaxométrie, une vision plus fine de la texture microscopique du matériau lui-même. L’IRM permet de suivre la vie des matériaux cimentaires, depuis le gâchage jusqu’à des stades de prise très avancés [Fig. 5].L’IRM est non perturbative, et permet de surcroît de caractériser les échantillons dans leur état naturel. Les conditions de cure peuvent ainsi être strictement respectées, et les études gagnent en fiabilité.Les résultats de caractérisation par RMN font actuellement l’objet d’un travail de comparaison et de corrélation avec d’autres techniques plus courantes : perte au feu, isothermes d’adsorption, etc.

► [Fig. 4] Vitesse d’écoulement d’une pâte au droit de la filière d’extrusion

Écoulementvisqueux

Temps d’hydratation (h)

Écoulementvisqueux

D O S S I E RRECHERCHE

de l’École des Ponts ParisTech 22PerspectivesL’IRM offre une vaste gamme de possibilités d’utilisation pour l’étude de problèmes tant industriels que fondamentaux. De nombreux autres développements sont en cours, notamment en matière de filtration, d’injection, de gel, de séchage, etc. Cela, associé aux multiples possibilités de mesure par RMN, permet de penser qu’un grand nombre de phénomènes seront encore étudiés dans les années à venir grâce à cet appareil.D’autant qu’il sera bientôt complété au sein de l’UR Navier par un microtomographe à rayons X, en cours d’acquisition. Les images de l’IRM, qui renseignent sur les mouvements internes de l’échantillon mais peuvent parfois souffrir d’un manque de résolution, pourront alors être utilement complétées par des images plus fines de la structure de ces échantillons, avec une excellente résolution (jusqu’à 1 micron) !

Imageur par résonance magnétique : un équipement exceptionnel pour le génie civil

Stéphane Rodts, Paméla Faure, François Bertrand, Pascal Moucheront, Philippe Coussot

UR Navier

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est connue de longue date pour ses applications biomédicales. Mais elle s’applique à d’autres domaines : agroalimentaire, génie chimique et, depuis les années 90, matériauxde construction. L’unité de recherche Navier gère aujourd’hui l’imageur du Laboratoire central des Ponts et Chaussées (LCPC), acquis en 1999 avec le soutien de la Région Île-de-France.

L’IRM a des emplois bien plus larges que les autres techniques d’imagerie 3D. Ses multiples sources de contraste permettent l’observation des transferts dans les milieux poreux, la détection de changements de phase dans des fluides (hydratation, cristallisation, gélification), les mesures de champs de vitesse dans des fluides en écoulement, la caractérisation des mouvements moléculaires du fait de l’agitation thermique, etc. Rares au monde sont cependant les équipements de ce type adossés à un laboratoire de mécanique et de physique et entièrement voués aux recherches en génie civil.

En dix ans d’exploitation, l’IRM de l’UR Navier a permis de structurer des activités de recherche orientées vers la rhéologie et les écoulements des fluides du type de ceux qu’on rencontre en génie civil, les transferts d’eau dans les milieux poreux et la prise des matériaux cimentaires. Les pages qui suivent proposent un tour d’horizon du savoir-faire acquis.

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Unité de recherche NAVIER

Laboratoire commun

École des Ponts ParisTechLCPC

Équipe Imagerie et Matériaux / UR Navier

associée au CNRS

UR NavierÉcole des Ponts ParisTech6 et 8 avenue Blaise-PascalCité Descartes – Champs-sur-MarneF-77455 Marne-la-Vallée cedex 2

Équipe « Imagerie et Matériaux »2 allée Kepler77420 Champs-sur-MarneTél. : 01 40 43 54 41

Pour en savoir plus

www.lcpc.fr/fr/presentation/moyens/irmwww.navier.fr

http://navier.enpc.fr

► [Fig. 1]L’IRM de l’UR Navier : mise en place d’un échantillon

UR Navier L’UR Navier, constituée de sept équipes, est une unité de recherche commune à l’École des Ponts ParisTech et au LCPC. Ses travaux portent sur la mécanique et la physique des matériaux et des structures ainsi que sur leurs applications à la géotechnique, au génie civil, à la géophysique et à l’exploitation pétrolière. Ces recherches touchent à des enjeux sociétaux comme la construction durable, les risques naturels, l’environnement et l’énergie. Dans la recherche des lois mécaniques et physiques relatives à ces thèmes, les études expérimentales et théoriques s’appuient sur des équipements variés voire uniques en leur genre.L’équipe « Imagerie et Matériaux » associée au CNRS, gère l’utilisation de l’IRM et prochainement, du microtomographe. Trois chercheurs et un ingénieur d’étude s’occupent spécifiquement de l’IRM, et assurent un double travail de veille et de développements méthodologiques, ainsi qu’une activité de mise en service de l’IRM pour le compte d’équipes extérieures non spécialistes.

Chercheurs permanents : 43Doctorants : 59Personnel ITA : 25