Evaluation non destructive des matériaux de construction par technique électromagnétique aux fréquences radar : modélisation et expérimentation en laboratoire

• Auteur / Autrice : Tien chinh Mai
• Direction : Frédéric Bos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Balayssac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denys Breysse, Mokhfi Takali, Zoubir Mehdi Sbartaï, François Demontoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Balayssac, Loïc Brancheriau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes électromagnétiques

Contrôle non destructif

Construction -- Matériaux

Mots clés libres

Contrôle non destructif

Lois de mélange

Modélisation

FDTD

Technique FO

Technique WARR

Dispersion

Permittivité

Atténuation

Vitesse

Amplitude

Teneur en eau

Onde directe

Bois

Béton

Propagation

Onde électromagnétique

GPR

Radar

Non-destructive testing

Mixing laws

Modelling

FDTD

Fixed Offset

WARR

Dispersion

Permittivity

Attenuation

Velocity

Amplitude

Water content

Direct wave

Wood

Concrete

Electromagnetic wave propagation

GPR

Radar

Résumé

Les structures en béton armé ou en bois se dégradent sous des actions mécaniques et climatiques. Les propriétés physiques et mécaniques de ces matériaux sont liées aux conditions d'exposition et à leurs variations. L’évaluation non destructive de ces propriétés en amont des dégradations est une nécessité pour les maîtres d'ouvrages afin de prédire la durée de vie des structures dans un contexte de gestion durable du patrimoine bâti. La présence d’eau dans les pores du béton est un facteur qui facilite la pénétration des agents agressifs (dioxyde de carbone, chlorures, etc. responsables de l’initiation de pathologies comme la corrosion des aciers). Pour le cas du matériau bois, les causes les plus fréquentes des détériorations sont souvent d’origine biologiques (champignons et insectes). L’humidité est également reconnue comme une des conditions les plus importantes pour le développement de ces attaques. Il est donc nécessaire d’évaluer et de quantifier la variation spatiale de l’humidité dans ces matériaux de construction pour limiter les actions de réparation. Le système radar (Ground Penetrating Radar, « GPR ») est un outil d’auscultation des matériaux totalement non destructif, rapide, compact et sans contact. Cette technique est basée sur la propagation des ondes électromagnétiques. Cette propagation est fortement liée à la permittivité et la conductivité du matériau qui sont très sensibles aux variations de l’humidité. L’objectif de cette thèse est double : d’une part, modéliser l’effet des variations de l’humidité dans un matériau homogène, multi-couches ou avec gradient, et d’autre part, de quantifier expérimentalement l’effet d’un gradient d’humidité sur le béton et celui de l’anisotropie sur le bois. Pour cela, un modèle analytique a été développé en se basant sur la notion des lois de mélange (ajustées sur des mesures expérimentales de la permittivité en prenant en compte l’effet de la dispersion fréquentielle) et sur la propagation d’une onde plane. Une simulation numérique a permis d’apprécier l’effet d’un gradient et d’un milieu anisotropique sur la vitesse de propagation des ondes radar. La phase expérimentale a été effectuée sur un matériau modèle homogène et isotrope comme le sable pour comparer les différentes méthodes de mesure de la vitesse de l’onde directe. Une analyse fréquentielle de l’atténuation a été également étudiée pour évaluer la dispersion de l’atténuation dans un milieu considéré comme homogène. La deuxième partie de l’expérimentation a consisté à suivre par mesures radar le séchage d’une dalle en béton instrumentée par capteurs d’humidité. Enfin, une campagne expérimentale sur des échantillons en bois de deux essences (Pin et Epicéa) soumis à des humidités variables entre 0 et 50% a été menée. La phase de modélisation et de simulation a montré que la dispersion fréquentielle est significative seulement dans le cas d’un béton humide à forte salinité et que l’anisotropie et le gradient ont un effet significatif sur la propagation. La phase expérimentale a montré que dans le cas d’un matériau homogène, la vitesse est indépendante de la distance émetteur-récepteur, et qu’elle est variable dans le cas d’un béton soumis à un gradient d’humidité. Enfin, les essais sur le bois montrent que la partie réelle de sa permittivité est croissante en fonction de l’humidité. Le contraste de permittivité entre direction longitudinale et transversale (tangentielle ou radiale) est négligeable à l’état sec du matériau et commence à être significatif à partir de la saturation des fibres. Cela permet de privilégier la direction longitudinale à la direction transversale pour évaluer l’humidité des structures en bois.

The reinforced concrete or the timber structures are degraded under mechanical and climatic actions. Physical and mechanical properties of these materials are linked to outdoor exposure conditions and their variations. The early non-destructive evaluation of these properties before the initiation of degradations is a need for masters of structures in order to predict the service life of the structures in a context of sustainable management of the built heritage. The presence of water in the pores of the concrete is a factor which facilitates the penetration of aggressive agents (carbon dioxide, chlorides, etc. responsible of the initiation of pathologies such as steel corrosion). In the case of wood material, the most common causes of damage are often of biological origin (fungi and insects). Moisture is also recognized as one of the most important conditions for the development of these attacks. It is therefore necessary to evaluate and quantify the spatial variation of the humidity in the building materials to limit repair actions. The GPR system (Ground Penetrating Radar) is an auscultation tool of materials which is completely non-destructive, fast, compact, and contactless. This technique is based on the propagation of electromagnetic waves. This propagation is strongly linked to the permittivity and the conductivity of the material that are highly sensitive to changes in humidity. The objective of this thesis is twofold: first, modelling the effect of moisture variation in a homogeneous material, multi-layers or with gradient, and secondly, to experimentally quantify the effect of a moisture gradient on the concrete and the effect of the anisotropy (case of wood material). An analytical model has been developed based on the concept of mixing laws (Fitted on experimental measurements of the permittivity by taking into account the effect of the frequency dispersion) and the propagation of a plane wave. A numerical simulation was used to assess the effects of a gradient and the effect of an anisotropic medium on the propagation velocity of the radar waves. The experimental phase was performed on a homogeneous and isotropic model material such as sand to compare different measurement methods of the velocity of the direct wave. A frequency analysis of the attenuation was also examined to evaluate the dispersion of the attenuation in a considered homogeneous medium. The second part of the experiment was to monitor, by radar measurements, the drying of a concrete slab instrumented by humidity sensors. Finally, an experimental campaign on samples of two species of wood (Pine and Spruce) with different moisture content between 0 and 50% was conducted. The modelling and simulations phase has shown that the frequency dispersion is significant only in the case of wet concrete with a high salinity content. The anisotropy and the gradient have a significant effect on the spread. The experimental phase showed that in the case of a homogeneous material, the speed is independent of the offset (distance between transmitter and receiver), and it varies in the case of concrete with a moisture gradient. Finally, tests on the timber indicate that the real part of its permittivity increases as a function of moisture. The contrast between longitudinal and transverse direction (tangential or radial) is negligible in the dry state of the material and begins to be very significant from the fiber saturation point. It indicates that the longitudinal direction, instead of the transverse direction, is more convenient to measure the moisture of wood structures.