Application de la technique d'émission acoustique pour évaluer l'endommagement mécanique dans le béton

Applying acoustic emission technique to assess mechanical damage in concrete

• Auteur / Autrice : Tam Nguyen-Tat
• Direction : Jean-Paul Balayssac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 20/09/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle par émission acoustique

Béton -- Détérioration

Mots clés libres

Emission acoustique

Béton

Mortier

Pâte de ciment

Flexion

Cisaillement

Résumé

Dans le béton, la technique d'émission acoustique (AET) est utilisée pour caractériser les différents modes de fractures dans poutres en flexion par la méthode RA (décrite dans les recommandations du comité RILEM TC 212 ACD). D'une part, la RILEM conclut que les signaux d'EA générés à partir du mode de traction (mode I) présentent une amplitude plus faible et une fréquence plus élevée que ceux du mode de cisaillement (mode II). De plus, dans les résultats les plus récents obtenus par des essais de flexion, les auteurs ont conclu que les fissures commencent par le mode d'endommagement I, alors que le mode II apparaît juste avant la rupture finale des éprouvettes. Cependant, aucune règle spécifique pour déterminer les valeurs de RA et AF caractéristiques de chaque type de fissure n'est donnée par la recommandation RILEM. D'autre part, la méthode de classification RA est déterminée par deux paramètres qui sont la valeur RA (temps de montée par amplitude) et la valeur AF (fréquence moyenne) sans tenir compte de la position des capteurs par rapport à l'emplacement des fissures. Dans cette thèse il a été démontré que la distance entre le capteur et la source des événements affecte les deux paramètres RA et AF de façon très significative. Dans cette thèse, différents types d'essais mécaniques (flexion trois points, cisaillement induit en flexion ou en compression et traction axiale) ont été réalisés sur des éprouvettes à base de ciment (béton, mortier et pâte de ciment) pour favoriser le mode traction et/ou cisaillement. Les données brutes d'émission acoustique (AE) ont été filtrées pour éliminer les signaux liés aux différentes sources de bruit. Ensuite, l'algorithme k-means, en tant que méthode d'analyse de reconnaissance de forme (PRA), a été utilisé pour identifier les similitudes dans les signaux enregistrés, essayé de déduire les caractéristiques de la source et classifier les signaux. Le regroupement des résultats par la méthode k-means s'est avéré efficace en fournissant des informations sur RA, AF, temps de montée, durée et énergie absolue (ABEN) liées au mode I et au mode II. Ensuite, deux techniques de classification des dommages ont été proposées, dans lesquelles la méthode RA était appliquée aux signaux filtrés, soit sur la base de l'ensemble des signaux, soit en appliquant une moyenne glissante. L'emplacement de la droite de démarcation entre mode I et mode II a été définie et ainsi la proportion des modes I et II a été spécifiée. Enfin, l'évolution des signaux d'EA par rapport à la distance de déplacement a été clarifiée en menant des expériences sur des blocs de béton et de mortier. La conclusion est que les capteurs qui sont plus éloignés de la source ont reçu des valeurs RA plus élevées que les plus proches. Il est donc possible de faire une mauvaise interprétation de l'origine de signaux RA élevés et de les classer ainsi en mode II, alors qu'ils ont été générés à partir du mode I. En outre, la forme en rafale des signaux d'EA doit être distinguée des autres formes d'onde provenant d'autres sources (vibrations mécaniques dues au système de chargement, bruit électromagnétique, etc.), en particulier lors phases finales des essais. Ces formes d'ondes exceptionnelles ont une valeur RA significativement plus élevée que celles des signaux d'EA, de sorte que les utilisateurs peuvent être induits en erreur en les associant à des dommages dus au cisaillement.

In concrete, Acoustic Emission Technique (AET) has been used to characterize the different fracture modes in flexural beams by RA method (described in RILEM TC 212 ACD recommendation). On the one hand, the RILEM concludes that AE signals which are generated from tensile mode (mode I) exhibit lower Amplitude and higher Frequency than those from shear mode (mode II). Moreover, in the most recent bending tests, authors concluded that the cracks begin with the damage mode I, whereas the mode II just appears before the final failure of specimens. However, no specific rule to determine the typical RA and the AF value associated with each crack type is given by the RILEM recommendation. On the other hand, RA classification method is determined by two parameters which are the RA (Rise-time per Amplitude) and the AF (Average Frequency) value without considering the position of the sensors in conjunction with location of the cracks. In this thesis it was demonstrated that the distance from the sensor to the source of events significantly affects both RA and AF parameters. Different types of mechanical tests (three-point-bending, flexural-induced shear, compression-induced shear and uniaxial tensile) have been conducted on cement-based specimens (concrete, mortar and cement-paste) to promote tensile mode and/or shear mode in these specimens. Acoustic Emission (AE) raw data were filtered to remove noise from signals. Then, k-means algorithm, as a Pattern Recognition Analysis (PRA) method, was used to identify the similarities within the recorded signals, to deduce the characteristics of the source mechanism and to classify the filtered-signals into groups. Clustering results by k-means according to a proposed process have proven efficiency in providing information on RA, AF, Rise-time, Duration and Absolute Energy (ABEN) related to mode I and mode II. Then, two damage classification techniques were used, in which RA method was applied to filtered signals. By these techniques, the proportion of mode I and II was specified and the location of demarcation line also fixed. Finally, the evolution of AE signals versus travelling distance has been clarified by conducting the experiments on concrete and mortar blocks. The conclusion showed that sensors which have further distance from the source gave higher RA values than the nearer ones. Therefore, users may be confused about the original source of high RA signals and to classify them to mode II, while actually they were generated from mode I. Furthermore, the burst-shape of AE signal waveforms must be distinguished from other waveforms that may results from other sources (mechanical vibration due to the loading system, electromagnetic noise and etc.), especially at the final periods of the tests. These exceptional waveforms have significant higher RA value than those in AE signals, thus users may mislead that they were born from shear damages. In addition to three-point-bending tests, based on the variation of the elastic modulus of the material and the released AE energy, the relation of the Damage variable and Index Damage was established. And, to assess the degree of damage versus loading in concrete beams, Kaiser's effect was observed and the CALM ratio and LOAD ratio were proposed. Thirdly, aiming to examine the influences of the material inhomogeneity (e.g. aggregate) to the shapes of waveform of AE signals, the Cross-Correlation (CC) value have been implemented to three specimens as concrete, mortar and cement-paste beams. As conclusion, although coming from the same event, the waveforms of signals that obtained at different sensors which are placed at different distances were quite incompatible and the further sensors produced higher RA value than the nearer ones. This phenomenon reaffirms the increase of RA values as the signal travelling paths increase.