Conception et validation d'un capteur noyé de résistivité électrique en vue du suivi des profils de teneur en eau dans les bétons

Design and validation of an embedded electrical resistivity sensor to monitor water content profiles in concrete

• Auteur / Autrice : Joanna Badr
• Direction : Jean-Paul Balayssac, Géraldine Villain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 24/10/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (Toulouse ; 1999-....) - Laboratoire Auscultation, Modélisation, Expérimentation des infrastructures de transport

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance électrique

Teneur en eau

Béton

Béton -- Détérioration

Mots clés libres

Capteurs noyés

Teneur en eau

Monitoring

Résistivité électrique

Structures en béton armé

Odélisation par éléments finis

Embedded sensors

Water content

Monitoring

DC-electrical resistivity

Reinforced concrete structures

Finite element modeling

Résumé

La résistivité électrique est un paramètre sensible à différentes propriétés du béton, dont la teneur en eau qui est l'un des principaux indicateurs gouvernant sa durabilité. Dans cette étude, la problématique du suivi du profil de teneur en eau du béton sur toute son épaisseur est abordée en utilisant une méthode électrique à courant continu comme méthode de mesure. Cette problématique revêt une grande importance pour les structures de stockage en béton utilisées pour les déchets radioactifs et pour les applications nécessitant une résolution spatiale centimétrique de la mesure du profil de teneur en eau sur une grande épaisseur. L'objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser des capteurs multi-électrodes noyés dans des structures en béton pour évaluer le profil de résistivité dans leur épaisseur afin de remonter au profil de teneur en eau. L'étude porte sur la conception de deux capteurs (Echelle et Anneau) sous la forme de circuits imprimés, ce qui présente plusieurs avantages, en particulier la précision géométrique et la limitation de l'encombrement des câblages afin d'une part d'augmenter la durabilité des capteurs et d'autre part de réduire leur caractère invasif. Différentes configurations de mesure sont analysées et comparées. Une modélisation numérique de la réponse électrique des capteurs et de leur capacité à évaluer un profil de résistivité imposé est réalisée ainsi que l'influence des armatures métalliques sur la réponse des capteurs placés au centre de la maille d'armature. Des validations expérimentales à la fois dans des solutions salines de conductivité connue et sur des échantillons de béton soumis au séchage sont également mises en œuvre. Les résultats démontrent la capacité des capteurs à évaluer les profils de résistivité dans le béton avec une résolution centimétrique. Pour changer d'échelle et s'approcher des conditions de mesure sur des structures réelles, les capteurs sont intégrés dans deux dalles de béton armé de 30 cm d'épaisseur instrumentées par d'autres capteurs afin de comparer les résultats. Enfin, une calibration des mesures est réalisée pour remonter au profil de teneur en eau en tenant compte de la température. Les profils de degré de saturation obtenus avec les capteurs innovants développés dans cette thèse sont encadrés par les profils obtenus par des mesures de référence (capteurs thermohygrométriques THR et gammadensimétrie) et donnent des résultats cohérents avec l'évolution due au séchage du béton.

Electrical resistivity is a parameter sensitive to various properties of concrete, including water content, which is one of the key parameters governing concrete long-term durability. In this study, the problem of monitoring the concrete water content profile throughout the concrete structure thickness is addressed using a method based on DC- electrical resistivity measurements. This is of great importance for concrete repository structures used for radioactive waste and for applications requiring centimetric resolution of the water content profile over a thick structure. The aim of this thesis is to design and produce a novel multi-electrode embedded sensor for monitoring the resistivity profile over depth in order to estimate the water content profile. The study focuses on the design of two sensors based on printed circuit board (PCB), which brings several advantages, including geometric accuracy and mitigation of wiring issues, in order to increase the durability of the sensors and to reduce invasiveness. Different measurement configurations are analyzed and compared. In addition, numerical modeling of the sensor response and its ability to assess an imposed resistivity profile is carried out, as well as the influence of the steel reinforcement on the response of the sensors placed in the center of the reinforcement mesh. Experimental validations using saline solutions of known conductivity and concrete specimens subjected to drying are studied. The results demonstrate the capability of the sensor to evaluate resistivity profiles in concrete with centimetric resolution. To enlarge our scale and approach real structures, the sensors are embedded in two 30 cm thick concrete slabs instrumented by other sensors to compare the results. Calibration of the measurements is carried out to determine the water content profile taking the temperature into account. The saturation degree profiles obtained with the innovative sensors developed in this thesis are compared to the profiles obtained from reference measurements (thermohygrometric sensors and gammadensimetry) and give consistent results with the evolution of the concrete due to drying.