Thèse soutenue

Développement de méthodes RF pour la caractérisation hydrique et l’évaluation non destructive de matériaux cimentaires et d’éco-matériaux cimentaires
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Auteur / Autrice : Mehdi Ferhat
Direction : Éric Vourc'hFranck Daout
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
Date : Soutenance le 07/07/2021
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
Jury : Président / Présidente : Pierre-Yves Joubert
Examinateurs / Examinatrices : Pierre Sabouroux, Stéphane Holé, Sylvie Lesoille, Géraldine Villain
Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Sabouroux, Stéphane Holé

Résumé

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Cette thèse porte sur le développement de méthodes électromagnétiques RF en vue de caractériser les propriétés hydriques de matériaux cimentaires et en particulier d’éco-matériaux. Un objectif sous-tendu par des enjeux pour le bâtiment et le génie civil. En effet, les performances et les propriétés mécaniques de ces matériaux sont liées à leurs caractéristiques hydriques, d’où le besoin de les mesurer, soit pour la connaissance des matériaux, soit pour des applications sur site (contrôle santé intégré ou autres). Face à ces enjeux, les mesures diélectriques RF ont l’intérêt d’être sensibles à l’humidité, grâce au fort contraste entre la permittivité diélectrique de l’eau et celle des autres constituants du matériau, et d’autre part de permettre des dispositifs non destructifs ou non invasifs.Cette thèse s’intéresse d’abord au béton de chanvre (BDC), un éco-matériau, caractérisé par une grande porosité, utilisé dans les bâtiments à des fins de régulation climatique (notamment hydrique).Nous avons caractérisé son spectre diélectrique couplé au cycle hydrique (adsorption-désorption) au moyen de mesures de paramètres S en cellule RF sur la bande [1,72 – 2,61] GHz et d’un algorithme d’inversion basé sur un modèle analytique. Nous avons étudié les incertitudes des mesures RF et celles du spectre diélectrique estimé, qui se sont révélées faibles ; ainsi que la dispersion entre plusieurs échantillons de BDC.Dans un second temps, nous avons utilisé ces données de permittivité diélectrique, dont les variations sur le cycle de sorption du BDC sont significatives, pour concevoir des capteurs hydriques non invasifs opérant vers 2,4 GHz. Il s’agit d’antennes en circuits imprimés utilisées comme sondes de réflectométrie. A ces fréquences, leur surface leur permet d’interagir avec le volume élémentaire représentatif du BDC. Plusieurs capteurs ont été fabriqués et caractérisés. Ils présentent une bonne linéarité et une bonne sensibilité de la fréquence de résonance à la teneur en eau du matériau.Outre ces capteurs non invasifs, nous avons conçu et réalisé un dispositif à base de résonateurs en anneaux destiné à des mesures localisées d’humidité au sein d’un mur de BDC. Ceci en vue d’étudier son effet tampon hydrique. Les simulations réalisées et la caractérisation des capteurs sont encourageantes.Dans une dernière partie nous nous nous sommes intéressés à un matériau cimentaire classique, à savoir un mortier : mélange de ciment, de sable et d'eau, pour lequel nous proposons une approche RF de suivi d'hydratation (réaction chimique entre le ciment et l’eau). Celle-ci repose sur une mesure de la permittivité diélectrique du mortier au moyen d'une sonde à effet de bout et sur une modélisation diélectrique basée sur des lois de mélange, combinant fractions volumiques (évoluant au cours de l’hydratation) et permittivités diélectriques des constituants en présence. L’étude expérimentale, menée pour un dosage de mortier, montre une bonne sensibilité des mesures RF à l’hydratation du milieu avec des résultats cohérents avec les phénomènes en jeu au long de la réaction.