Suivi du fluage du béton par interférométrie de la CODA :illustration expérimentale lors d'un essai de flexion trois points

Y. Zhang1, O. Abraham1, F. Grondin2, V. Tournat3, J. Saliba2, A. Loukili2, A. Le Duff4, B. Lascoup5, O. Durand1

RESUMEL'utilisation de l'interférométrie de la CODA (CWI) est un sujet émergent dans le génie civil pour la caractérisation non destructive du béton. Il s'agit de tirer profit de l'hétérogénéité de ce matériau lors de la propagation des ondes ultrasonores. Ainsi, lorsque les longueurs d'onde des signaux sont du même ordre de grandeur que la taille des granulats, les ondes multiplement diffusées portent une information sur de petits changements du milieu qu'il est possible de quantifier par inter-corrélation avec un signal de référence. Cette technique est utilisée ici pour suivre les modifications de la microstructure du béton au début d'un essai de fluage. Une poutre en flexion trois points est instrumentée avec des traducteurs ultrasonores dans la zone centrale. Les modifications de vitesse et la distorsion de la forme d'onde sont étudiées au cours du temps et en fonction de différents chargements. Nous montrons que la CWI est potentiellement complémentaire à la mesure du déplacement global de la poutre en apportant une information plus localisée très sensible.

CONFIGURATION D'ESSAI

● La poutre utilisée (0,8 m x 0,2 m x 0,1 m) est enveloppée dans du papier d'aluminium afin de garantir une complète étanchéité à l'eau du matériau (Fig.2 et Fig.3-c).

● Deux récepteurs et une source ultrasonores sont disposés sur une des deux faces verticales. (Fig.2 et Fig. 3-b)

● La charge est appliquée au droit d'un trait de scie sur la face opposée de la poutre (Fig.2). Le chargement appliqué consiste en une succession de 7 paliers de 0 daN à 700 daN (80% de l'effort critique) en 15 minutes, puis la charge est maintenue constante à 700 daN pendant 18h avant déchargement.

● Le bâti est dans une salle climatisée et la température à côté de la poutre est mesurée en continue (Fig.3-a et Fig.3-b).

● Le signal source consiste en un balayage en fréquence de 200 kHz à 800 kHz (longueur d'onde inférieures à ~1,5 cm – taille maximale des granulats : 1,1 cm)

INTRODUCTION

L'interférométrie de la CODALa CODA est constituée d'une superposition des ondes qui subissent des diffusions ou/et des réflexions multiples (Fig.1). L'interférométrie de la CODA est un technique qui fonctionne en relatif par comparaison d'un enregistrement à un signal de référence pour suivre la modification d'état du milieu par l'analyse du déphasage ou/et de la distorsion de ces signaux [1].

Conception d'essaiLes grands ouvrages en béton sont très souvent sollicités par des chargements importants et constants en condition de service ; on observe alors des déformations de fluage. Par ailleurs, l’apparition de micro-fissures (endommagement) contribue à la progression du fluage. Des résultats récents [2] ont montré une fragilité locale suite au fluage.La CODA est utilisée pour suivre la variation de la vitesse de propagation en fonction de chargement (effet acousto-élastique) [3]. La variation de la vitesse de propagation est ici obtenue par la méthode dite de Stretching [4-7]. Simultanément, nous évaluons le niveau de distorsion par le coefficient de décorrélation Kd. Plus la valeur de Kd est importante, plus les signaux sont distordus. Kd et ε sont obtenus comme suit :

RESULTAT D'ESSAI

Paramètres de suivi de l'essaiLa force appliquée lors du chargement, le déplacement vertical global (Fig.3-c) et la température de l'air sont enregistrés pendant l'essai d'une durée totale de 30 heures (Fig.4).

● Le déplacement suit l'effort dans la phase de chargement et continue d'augmenter sous effort constant. Le déplacement chute de sa valeur maximale (160 µm) à 100 µm lors du déchargement.

● La température n'est pas constante pendant l'essai : des sauts à 0h, 16h, 24h et 29h de plus de 1°C sont observés.

Résultat de l'analyse de la CODALes courbes de ε et Kd (Fig.5) en fonction du temps sont calculées à partir des signaux mesurés par les récepteurs (Fig.2) installés en HAUT (en noir) et en BAS (en rouge). ε est très influencé par la température ; Kd l'est moins et suit le déplacement global de la poutre.

REMERCIEMENTSNous souhaitons remercier le projet ECND_PdL pour le soutien apporté à ce projet de doctorat multi-partenaires (financement Région Pays de la Loire France). Nos remerciements s'adressent aussi au GDR-US et au projet INTERREG IIIB DURATINET pour leur contribution à la diffusion de nos résultats.

CONCLUSION ET PERSPECTIVELors de cet essai de fluage nous avons montré que la sensibilité de la CODA autorise un suivi des modifications de la microstructure du béton. Cette sensibilité est aussi à l'origine de difficultés comme par exemple les biais de mesure liés aux modifications induites par des variations de température. Des modifications de la procédure expérimentale sont en cours de validation pour bien dissocier l'ensemble des effets observés lors de cette première campagne de mesure.

Kd● Les 2 courbes suivent des évolutions différentes: le

Kd en haut augmente en suivant le déplacement, celui en bas présente une fluctuation juste après le chargement.

● Les amplitudes des Kd diffèrent pendant le fluage, mais elles reviennent à peu près au même niveau après le déchargement.

● Les phases de chargement et de déchargement sont clairement identifiées.

● Bien que Kd soit moins influencé par la température, les 3 sauts de température à 16h, 24h et 29h sont néanmoins visibles.

Fig.2 Présentation schématique de la configuration de chargement et de l'installation des transducteurs ultrasonores

80cm

20cm

(0,0)

xy

Source (30,12)

Récepteur Bas (40,8)

Récepteur Haut (40,16)

Effort de chargePièce en métal

Le trait de scie4cm

Coordonnées(x ,y ) en [cm, cm]

Fig.3 Banc d'essai : (a) le bâti de chargement (b) les transducteurs ultrasonores collés sur une surface de la poutre et la sonde de température (c) la poutre recouverte par du papier

aluminium avec le capteur d'effort et le capteur de déplacement vertical

(a) (b)

Transducteurs ultrasonores

Sonde de température

(c)

Capteur d'effort

Capteur dedéplacement

ε● Les fluctuations de ε sont principalement liées aux effets de la température : ε augmente quand la température décroit et vice versa comme attendu [8-9]. ● un retard de quelques minutes est observé entre l'évolution de ε et la fluctuation de la température, ceci peut s'expliquer par l'existence d'un gradient thermique à l'intérieur de la poutre.● Les effets du chargement sont observables, mais ceux du déchargement à 18h sont masqués par les effets de la température. La distribution des contraintes est non uniforme en raison de la configuration de fluage en flexion trois points. Un endommagement dû au fluage est localisé au niveau du trait de scie. Kd est sensible à la variation spatiale de l'état de contrainte et de l'endommagement du matériau. ε est spatialement moins sensible et varie davantage avec les fluctuations de la température qui affectent toute la poutre.

[1] R. Snieder, The Theory of Coda Wave Interferometry. Pure appl. geophys, 2006, 163:455-473.[2] J. Saliba et al., Coupling creep and damage in concrete under high sustained loading. Framcos7, Jeju, Korea, 23-28 May 2010.[3] C. Payan et al., Determination of third order elastic constants in a complex solid applying coda wave interferometry, Appl. Phys. Lett., 2009, 94, 011094. [4] E. Larose et al., Locating a small change in a multiple scattering environment. 2010, Appl. Phys. Lett. , 96 (20), 204101.[5] Y. Zhang et al., Monitoring the stress level of concrete structures with CODA wave interferometry: experimental illustration of an investigated zone. 2011, In: Proc.

NDTMS Conf., Istanbul, Turkey, in press.[6] Y. Zhang et al., Following stress level modification of real size concrete structures with Coda Wave Interferometry (CWI). 2011, In: Proc. QNDE conf., San Diego, USA, in

press.[7] N. Tremblay et al., Probing slow dynamics of consolidated granular multicomposite materials by Diffuse Acoustic Wave Spectroscopy (DAWS). J. Acoust. Soc. Am.,

2010, 127 (3):1239-1243.[8] R. L. Weaver and O. L. Lobkis, Temperature dependence of diffuse field phase. Ultrasonics, 2000, 38(8):491-494.[9] E. Larose et al., Observation of multiple scattering of kHz vibrations in a concrete structure and application to monitoring weak changes. Phys. Rev. E, 2006, 73, 016609.

Fig.1 (a) présentation schématique de la propagation des ondes ultrasonores dans le béton avec une arrivée directe en violet et les ondes diffusées multiplement en magenta claire

(b) exemple de signal enregistré sur le béton

Fig.4 Paramètres de suivi de l'essai : force appliquée, déplacement global vertical et température de l'air près de la poutre

Fig.5 Les résultats de l'analyse CWI (ε en trait plein et Kd en pointé) calculés avec des signaux mesurés par les deux récepteurs en haut (en noir) et en bas (en rouge)

(a) (b)

1.MACS Dept IFSTTAR, BP4129, 44344 Bouguenais Cedex, France

2.GeM, UMR-CNRS 6183, Ecole Centrale de Nantes, France

3.LAUM, CNRS, Université du Maine, Le Mans, France

4.GSII, Groupe ESEO BP30629, 49009 Angers, France

5.ESTACA, 1 rue Gaston Boissier 53061 Laval, France

Kd h0,h=100⋅1− ∫h t ⋅h0 t dt∫h t 2dt⋅∫h0t 2dt = v−v0v0h0 : signal de référencev0 :vitesse de propagationmoyenne pour h0h : signal àanalyserv : vitesse de propagationmoyenne pour h

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