L’article, intitulé « Modeling of Water Contents in Concrete Using Electromagnetic Guided Waves », porte sur la détermination de gradients de teneur en eau dans les bétons, grâce à la propagation guidée des ondes électromagnétiques dans la structure. L’analyse des signaux permet ensuite de suivre précisément les fronts d’infiltration d’eau, sources intrinsèques de dégradation des structures.
Une méthode innovante
Cet article revient sur une méthode développée dans le cadre du partenariat Cerema/IFSTTAR, afin de diagnostiquer l’infiltration d’eau dans des structures en béton. Il s’agit, contrairement aux méthodes déjà existantes, d’une méthode non destructive, qui permet d’estimer les caractéristiques hydriques dans les enrobages de ces structures (c’est-à-dire les premiers centimètres de bétons, dans le sens de l’épaisseur, avant les armatures métalliques).
En effet, le parc d’ouvrages français est relativement vieillissant avec des structures plus ou moins altérées. Celles-ci, suivant les matériaux de construction, sont prévues pour durer 30, 50 voire 100 ans. Mais, beaucoup de ces structures sont aujourd’hui en fin de cycle de vie. Il est donc essentiel de procéder à un diagnostic préventif afin de décider s’il est pertinent de planifier des réparations de manière à allonger leur durée de vie.
Cette nouvelle méthode d’auscultation est particulièrement efficace, car elle est à la fois non destructive, et a un grand rendement : on peut, grâce aux ondes électromagnétiques, établir un diagnostic de toute la structure, et plus uniquement de l’endroit où a été effectué le carottage comme c’est le cas avec les méthodes classiques.
Les ondes électromagnétiques comme outil de diagnostic
Sujet : Détermination de gradients de teneur en eau dans les bétons par la propagation guidée des ondes électromagnétiques
Doctorante : Xiaoting Xiao
Contrat IFSTTAR : Oct. /2012 – Sept. /2015
Directeur (IFSTTAR) : Xavier Dérobert
Co-directeur (IFSTTAR) : Géraldine Villain
Encadrant (Cerema) : Amine Ihamouten
Le sujet traité et présenté par le Dr. Xiao dans le cadre de cette conférence se situe dans la continuité des travaux de ses équipes d’accueil (IFSTTAR/Cerema Angers) durant sa thèse, et vise à caractériser des gradients de teneur en eau des ouvrages en béton par inversion de mesures GPR (Ground Penetrating Radar). C’est une problématique très actuelle à laquelle s’intéressent plusieurs équipes, soit par des techniques électromagnétiques (haute et basse fréquence) soit par des méthodes électriques.
Il est important de noter que peu de moyens existent à l’heure actuelle permettant d’accéder au gradient de teneur en eau du béton, y compris avec des mesures destructives. C’est pourtant un élément de diagnostic essentiel, en particulier si l’on s’intéresse à la corrosion des armatures. Si de nombreux travaux ont prouvé et quantifié la sensibilité des méthodes électromagnétiques à la teneur en eau, leur capacité à caractériser un gradient n’est pas encore démontrée.
Dans ce travail de recherche, l’équipe caractérise un gradient sous la forme d’un front d’eau généré par une absorption capillaire. Pour caractériser ce gradient, les auteurs se sont appuyés alors sur un modèle de guide d’onde en faisant l’hypothèse que le gradient est discret en plusieurs couches ou continu sous la forme d’une fonction arc-tangente. L’inversion a permis ensuite de caractériser le gradient de la partie réelle de la permittivité dont la typologie est supposée identique à celle du gradient de teneur en eau.
La méthodologie d’inversion est développée tout d’abord sur des signaux numériques obtenus par le logiciel GPRMax 2D, puis elle est progressivement validée sur des corps d’épreuve réels, pour certains instrumentés et pour d’autres caractérisés par gammadensimétrie. Une étude paramétrique assez détaillée a été conduite afin de déterminer la sensibilité de la procédure d’inversion. Les procédures de mesure sont détaillées de façon rigoureuse et les résultats obtenus sont analysés de façon objective.
Ce travail de recherche constitue donc une contribution tout à fait valable dans le domaine de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux hétérogènes à faibles pertes, et plus spécifiquement dans celui du contrôle non destructif des ouvrages en béton, en vue de déterminer des gradients de propriétés électromagnétiques et par la suite de teneur en eau.
Les résultats les plus saillants présentés lors de cette conférence sont :
- La création d’un modèle numérique 2D permettant de reproduire de façon satisfaisante les signaux GPR obtenus avec deux antennes différentes. Ce modèle permet ainsi de développer la méthodologie d’inversion ;
- L’utilisation d’une méthodologie d’extraction des courbes de dispersion électromagnétique à partir des signaux GPR ;
- La mise au point d’une méthodologie d’inversion s’appuyant sur un modèle de guide d’onde, permettant de déterminer les caractéristiques du gradient en considérant un milieu multi-couches ou en modélisant le gradient sous la forme d’une fonction arc-tangente ;
- La définition d’un plan d’expérience cohérent mettant en œuvre plusieurs bétons avec des formulations réalistes et la réalisation d’un ensemble de mesures non destructives et destructives sur ce corpus expérimental ;
- L’application de la méthodologie d’inversion sur les mesures obtenues sur ces corps d’épreuve.
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Programme de la conférence
Structural Health Monitoring and Integrity Management