Méthodes d’évaluation non destructives du béton - Ceremapiles.cerema.fr/IMG/pdf/modele_MEND_cle6c7de5.pdfmatière d’auscultation (non intrusives, rapides, …) => (futures)

Centre d'Études Techniques de l'Équipement Méditerranée

www.cete-mediterranee.fr

Méthodes d’évaluation non destructives du béton

Sylvain LOPEZ – LRA/DROA

Club OA Méditerranée – 5 février 2009

Centre d'Etudes Techniques de l'Equipement Méditerranée

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Le besoin d’ausculter un ouvrage :vérifier (la conformité, des hypothèses)

détecter (un défaut, un endommagement)

caractériser (un défaut, un endommagement)

Limites des méthodes destructives :mesures locales (ne peuvent être généralisées, sans information

préalable peuvent être effectuées au hasard, dans des zones pas forcément représentatives)

prélèvements pas toujours réalisables (accessibilité, sensibilité des ouvrages, esthétique)

coûteux

Pourquoi ce guide méthodologique sur les MEND ?

Intérêts des techniques d’essais non destructifs :adaptées aux conditions de mesure sur site,

généralement rapides, grand rendement

coût raisonnable

Leur utilisation pratique :reconnaissance à grande échelle, fournissant un panorama global de

l’ouvrage et une image moyenne de ses propriétés

localisation des éventuelles zones à problème, dans lesquelles on pourra recourir à d’autres analyses


Les méthodes d’évaluation non destructives ne sont pas la panacée en matière d’auscultation (non intrusives, rapides, …) => (futures)déceptions.

Ambition : (re)gagner la confiance des maîtres d’ouvrage, en mettant à disposition une information précise et objective pour les méthodes d’évaluation non destructives (MEND) employées le plus couramment : capacité, limites, domaine d’utilisation.

Un guide à la carte pour :

- gestionnaire d’ouvrages

- experts en diagnostic / assistant du maître d’ouvrage

- spécialistes de contrôle non destructif



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MEND optiquesMEND par propagation d’ondes mécaniquesMEND électromagnétiquesMEND thermiquesMEND électriques et électrochimiquesMEND radiographiques

MEND employées le plus couramment


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PhotogrammétrieInterférométrieProjection de frange

Méthodes confidentielles ou à une étape de faisabilité, permettant (ou pouvant permettre) d’accéder à la déformation globale d’un ouvrage (application à la surveillance d’aéroréfrigérant de centrale nucléaire : 200 mètres de haut, 4 ha de surface développée).

MEND optiques (pour info)


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Principes :Méthodes fondées sur l’analyse du signal issu d’une onde mécanique qui se propage à travers ou en surface d’un matériau.

Paramètres acoustiques sensibles à certaines propriétés physiques, aux caractéristiques du béton, à sa composition et à sa microstructure

Tout un ensemble de possibilités de contrôle ayant des objectifsdistincts :

Contrôle par ultrasons dit auscultation sonique

Impact écho

Emission acoustique

Tomographie sismique

Ondes de surface

MEND par propagation d’ondes acoustiques


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Contrôle du béton du point de vue :

maturité (jeune âge, prise)

homogénéité (ségrégation, nature, zone)

détection de défauts (fissures, amas, porosité, fuites, vides)

suivi des défauts dans le temps (présence ou évolution)

endommagement et caractérisation mécanique (microfissuration, vides, atteintes chimiques)

MEND pouvant intervenir à tous le stades de la vie d’une structure : élaboration matériau, construction, contrôle qualité, inspection et surveillance en service, expertise



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Avantages :

auscultation en surface ou à cœur

accès aux deux faces n’est pas une obligation.

Nécessitent une bonne maîtrise de l’outil, une analyse et une préparation en amont de l’auscultation.

Les mesures acoustiques nécessitent des références et/ou étalonnage afin de remonter à des paramètres pertinents du béton, étalonnages propres au béton de la structure auscultée. Le zonage permet de s’affranchir de l’étalonnage : mesures comparatives.



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Epaisseur de la structure ou vitesse des ondes dans le matériau.

L’accès aux deux faces n’est pas indispensable, mais l’atténuation étant grande dans le béton, la qualité peut en pâtir.

Application :

Détection et étendue de défaut, de vide, de délaminage

Contrôler la qualité du béton afin de détecter des zones de nature différentes (ségrégation, composition, couche) ou d’endommagement particulier

Estimer localement ou globalement la résistance à la compression ou le module d’élasticité du béton (localiser les zones de qualité différente, carottage aux mêmes emplacements que mesure de vitesse de propagation, écrasement. NB : ne pas se servir des carottes pour une corrélation directe)

MEND par propagation d’ondes acoustiques – contrôle par ultrasons


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Signaux détectés proviennent du comportement mécanique de la structure sous sollicitation.

Application : détection en temps réel de l’évolution des défauts ou d’endommagement de la structure soumise à des contraintes, sollicitations de type mécanique

+ macrofissure, rupture de fils (système Casc, SoundPrint) (si évolutifs)

+/- délaminage, microfissures, fuites, corrosion active (si évolutifs)

MEND par propagation d’ondes acoustiques – émission acoustique


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Interprétation dans le domaine fréquentiel de la réponse d’une structure à un choc

Nécessite une géométrie avec faces parallèles et la connaissance de la vitesse des ondes.

Rendement 100 à 150 m² par heure.

Applications :

+ épaisseur, délaminage, module E

+/- repérage de gaines, vide (accès une face), nid de cailloux, ségrégation

MEND par propagation d’ondes acoustiques – impact-écho


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Principes :Techniques sensibles à la présence d’armatures dans le béton, principalement développées dans le but de localiser ces dernières.

2ème approche : estimation de la teneur en eau du béton, les ondes électromagnétiques étant sensibles à la nature du milieu de propagation :

technique capacitive particulièrement adaptée à la problématique du béton de peau

technique radar encore au stade de la recherche, même si elle commence à montrer des résultats prometteurs

MEND électromagnétiques


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Caractérisation du dimensionnent des aciers de béton armé :

Localisation d’armature (de gaine métallique)

Estimation de leur diamètre (armature)

Mesure de l’épaisseur de la couverture de béton au-dessus de armatures

Précision :5 mm sur la localisation

5 mm sur la mesure du diamètre (un diamètre du commerce)

2 mm sur la mesure d’épaisseur d’enrobage

Handicap : possibilité limitée en terme d’auscultation à grande échelle et en profondeur

MEND électromagnétiques –basse fréquence


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Principe :

impulsion électromagnétique qui se propage, se réfléchit en partie à chaque interface de deux matériaux électromagnétiquementdifférents. Les échos successifs sont enregistrés dans un signaltemporel. La juxtaposition des signaux temporels enregistrés lors du déplacement de l’antenne radar permet d’obtenir une coupe-temps.

Nécessité de connaître la vitesse des ondes radars dans le béton, pour transformer une coupe-temps en section.

La vitesse dépend de la constante diélectrique du milieu environnant (humidité).

L’amplitude de l’écho radar est dépendante de la teneur en eau et en chlorures.

MEND électromagnétiques –Technique radar


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Problèmes rencontrés vis-à-vis du matériau :

béton très conducteur (béton frais ou contenant beaucoup de chlorures) : faible profondeur de pénétration des ondes

densité d’armatures très importante : la première nappe masquel’information venant de plus grande profondeur.

Problèmes par rapport à la mesure :

le positionnement en profondeur dépend de la connaissance de lavitesse

le positionnement latéral : l’enregistrement des signaux radar est réalisé à l’aide d’une roue encodeuse, qui permet de positionner correctement les profils radars sur une structure



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Avantages :

technique polyvalente

à grand rendement

profondeur d’auscultation nettement supérieure à la technique basse fréquence

Application :+ épaisseur, repérage de gaines métalliques, de vide (accès une face), d’armatures (premier lit)

+/- ségrégation, nid de cailloux, taux d’humidité, délaminage (accès une face)



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MEND électromagnétiques –Technique capacitive

Principe :

mesure de la fréquence de résonance d’un circuit oscillant entre deux électrodes posées sur le béton. La fréquence de résonance varie en fonction de la nature diélectrique du béton, dépendante de la teneur en eau.

Profondeur d’action : quelques mm à 2-3 centimètres

Information relative qui :

évolue avec la teneur en eau du béton de surface (lui-même sensible à la teneur en eau en profondeur),

peut être entachée d’erreur lorsque la surface de contact est trop irrégulière (béton mal lissé).

Application : taux d’humidité

Remarque : cette technique est utilisée avec succès dans la détection de vide, d’eau et de pâte blanche dans les gaines de précontrainte extérieure injectée au coulis de ciment (CCCP).


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MEND électromagnétiques –Technique RIMT

Technique de mesure réflectométrique par impulsion

A pour objectifs d’identifier (détecter, localiser, caractériser) des défauts présents le long de câbles de précontrainte (corrosion d’acier ou manque de coulis).

La méthode consiste à générer une onde électromagnétique à une extrémité du câble et à étudier les ondes réfléchies après propagation et interaction avec les défauts.

Une réduction de section locale du câble ou une oxydation locale du câble devraient se traduire par une modification locale de la résistance et de l’inductance. L’absence totale de coulis d’injection devrait se traduire par une modification locale de la capacité.


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MEND électromagnétiques –Technique RIMT

La méthode RIMT appliquée au câble de précontrainte n’est pas validée : les signaux RIMT sont extrêmement difficiles à interpréter etne permettent pas d’identifier de façon satisfaisante la présence et la nature des défauts.

De plus, dans le cas des câbles de précontrainte interne (présence d’une gaine métallique), il est fort probable que l’on ausculte la gaine et son environnement extérieur proche et non le câble.Remarque : le guide technique du LCPC « VIPP » d’octobre 2001, précisait que des recherches étaient en cours pour justifier les limites d’utilisation de cette méthode et son domaine de fiabilité.


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MEND thermiques

Principe :

Elle permet, à partir de mesures du rayonnement thermique de réaliser une carte de température de la surface étudiée, qui est directement liée aux variations de température sous-jacentes et aux échanges à l’interface.

Mise en évidence une discontinuité au sein du matériau telle quecavité, délaminage, décollement, fissure


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MEND thermiques

Limites :

contraste suffisant des propriétés thermophysiques du défaut avec le matériau (rapport 40 à 100 entre béton et air immobile)

rapport entre la taille du défaut et sa profondeur (contournement du défaut)

profondeur de pénétration des ondes thermiques (30 cm dans le béton sous cycle jour/nuit)

sollicitation d’amplitude suffisante pour que l’effet produit en surface par le défaut soit détectable

résolution du capteur : 0,1 °C et mesure lors des moments du cycle journalier les plus contrastés.


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MEND thermiques

Applications :

+ phénomènes de délaminage dans les dalles de ponts, corniches,

+/- détection de vides, de ségrégation, taux d’humidité, évolution de propriétés thermophysiques d’un matériau (prise du béton, …).

Applications récentes :

suivi de réparation (étanchéité, collage composite), contrôle d’injection de câble de précontrainte à la cire


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MEND électriques et électrochimiques

Caractérisation de l’état de corrosion des armatures par trois méthodes complémentaires :

Mesure de la résistivité électrique,

Mesure du potentiel de corrosion (ou potentiel d’armature),

Mesure de la résistance de polarisation (vitesse de corrosion).

mesures partiellement destructives (percer le béton d’enrobage afin de connecter une électrode au réseau d’armatures).


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MEND électriques et électrochimiques – mesure de potentiel d’électrode

Evaluation de la probabilité de corrosion des aciers dans le béton.

Les conditions environnementales (humidité, température) et les propriétés du béton d’enrobage (résistivité dépendant de la carbonatation, de la teneur en chlorures) difficilement contrôlables, influencent les mesures et rendent difficiles les comparaisons.

comparaison avec des valeurs seuils (norme ASTM C876-91) discutable ; analyse des variations spatiales et gradients préférables.

La cartographie de potentiels permet de détecter et de localiser les zones d’un ouvrage à forte probabilité d’activité de corrosion. Il s’agit d’une information d’ordre qualitatif.


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MEND électriques et électrochimiques – mesure la vitesse de corrosion

Caractérise l’activité de corrosion, fournit une grandeur caractéristique quantitative de l’état instantané de corrosion, sous forme d’une cinétique de perte de métal.

Dans le cas de suivi dans le temps, le relevé de la température et de l’humidité relative du béton sont nécessaires (paramètres influents).

Par manque de référentiel, la mise en œuvre de la mesure et l’interprétation des résultats nécessitent un opérateur aguerri aux techniques électrochimiques.


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MEND électriques et électrochimiques – mesure de la résistivité électrique

cartographier les gradients d’humidité ou de pollution ionique

localiser les zones de corrosion d’armature (zones où le degré d’humidité relative est élevé et où les courants ioniques induisent de fortes concentrations ioniques)

permet de caler, voire de préciser les mesures réalisées par les autres techniques électriques (relativise les variations de potentiel observées par zone afin d’être sûr qu’elles correspondent bien à des variations de l’activité de la corrosion et non de la résistivité du béton d’enrobage)


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MEND radiographiques

Principe :

atténuation du rayonnement X ou gamma, en fonction de la nature et de l’épaisseur des matériaux traversés.

Applications :l’existence de cavités dans les matériaux

la présence de coulis d’injection dans les conduits de précontrainte

la position des conduits et des câbles de précontrainte

les fils ou torons détendus ou rompus

la position des aciers passifs et leur diamètre

les reprises de bétonnage, hétérogénéité, discontinuités de matière au droit des joints de construction


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MEND radiographiques

Technique très fiable si l’on sait en réserver l’usage à la recherche des informations qu’elle est capable de révéler (pas d’oxydation de pièces métalliques, …).

Cette technique nécessite un accès aux deux faces de la structure à étudier.

Elle est courante jusqu’à une épaisseur de 60 cm, mais l’utilisation des rayons X à haute énergie produits par les accélérateurs permet d’atteindre 1,20 m (disponibilité)

Contraintes :

épaisseur des pièces

durée d’exposition

radioprotection


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Synthèse des aptitudes des techniques aux différents types de diagnostic


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Complémentarité des MEND

Trois exemples :

localisation des armatures et évaluation de leur diamètre

localisation et contrôle de l’injection des gaines de précontrainte

évaluation de l’activité de corrosion


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Complémentarité des MEND – localisation des armatures et estimation de leur diamètre

Apports de EM-BF :

détection d’armatures

mesure de diamètre d’armature

Limites de EM-BF :

profondeur d’auscultation (maxi 8 à 10 cm)

temps d’acquisition (1 à 5 minutes) pour une surface de 60cmx60cm

Apports du radar :

détection en profondeur (> 30 cm)

auscultation rapide de zones importantes

Couple Radar+EM-BF : positionnement du matériel BF pour mesure diamètre


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Complémentarité des MEND – localisation et contrôle de l’injection des gaines de précontrainte

Apports de la gammagraphie :

diagnostic fiable du niveau de remplissage des gaines

détection de défaut (distension ou rupture de fils, …)

Limite de la gammagraphie :importance du positionnement réel des gaines (un mauvais

positionnement du cliché (40cmx30cm) conduit à une perte importante de linéaire ausculté) dans le but de gagner en efficacité, en nombre de clichés et en temps d’intervention

épaisseur et accès aux deux faces

Apport de l’impact-écho : alternative intéressante (dans le futur) à la gammagraphie dans des cas sensibles de radioprotection ou d’accessibilité (goussets, talons de poutre).


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Complémentarité des MEND – localisation et contrôle de l’injection des gaines de précontrainte

En augmentant les zones accessibles pour contrôle de l’injection, une structure en béton précontraint peut être évaluée dans sa globalité (diagnostic plus fiable).

Couple Gamma+EM-BF : positionnement des gaines peu profondes => limitation du nombre de clichés.

Couple Gamma+radar : positionnement des gaines => limitation du nombre de clichés.

Couple Gamma+impact-écho : recherche de vide dans des zones inaccessibles pour la gamma


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Complémentarité des MEND – évaluation de l’activitéde corrosion des armatures

Mesure de la résistance de polarisation :

+ évalue l’intensité du courant de corrosion

- mise en œuvre délicate => auscultation à grand rendement exclue

- repérage et évaluation du diamètre de l’armature auscultée => EM-BF nécessaire

Mesure de potentiel d’électrode :+ indique l’aptitude électrochimique de l’armature à la corrosion (définit une probabilité de corrosion)

- interprétation nécessitant des précautions : valeur de potentiel sensibles à l’épaisseur d’enrobage (variation de profondeur d’armatures, mesure au droit de l’armature) => EM-BF nécessaire


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Mesure de la résistivité du béton d’enrobage :

+ fournit des informations qualitatives sur la probabilité de corrosion des armatures

- interprétation délicate (ex : carbonatation augmente la résistivité mais augmente considérablement le risque de corrosion) => essais complémentaires nécessaires (profondeur carbonatation par exemple)

- mesure la plus éloignée possible de l’armature => EM-BF nécessaire

Pour des raison de coûts, l’application de ces techniques à l’auscultation intégrale des structures de grandes dimensions n’est pas envisageable (au risque d’avoir un maillage très lâche et de négliger involontairement une ou plusieurs zones à forte probabilité de corrosion).


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Apport potentiel du radar :

La propagation des ondes radar connaît comme facteurs influents la teneur en eau et la teneur en chlorures du béton. L’analyse des signaux permet de zoner les contrastes physico-chimiques favorables au développement de la corrosion.

La rapidité d’acquisition de la mesure radar par rapport à celle du potentiel d’électrode permet d’obtenir un nombre de points de mesure 100 fois plus important pour une durée d’intervention sur site 4 fois plus faible.

Stratégie d’auscultation à grand rendement :

détecter par radar à l’échelle de la structure, les zones à haut risque de corrosion

affiner le diagnostic par des mesures locales électriques et électrochimiques.

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