Propagation d’ondes ultrasonores de surface dans le béton

Abstract

La caractérisation des matériaux par les méthodes ultrasonores est une technique très intéressante dans différents domaines. Parmi ces domaines, nous citons le domaine médical, l’industrie alimentaire et le domaine du contrôle non destructif (CND). La caractérisation des structures et des ouvrages en béton et leur contrôle en fait partie. Le contrôle non destructif du béton par les ondes ultrasonores est effectué par des méthodes d’investigation non invasives. Ces méthodes ont l’avantage de caractériser le matériau sans dégradation et sans prélèvement (carottage), quelque que soit l’âge de la structure à contrôler. Le processus corrosif du béton commence toujours de la surface qui est en contact direct avec le milieu extérieur et qui interagit avec les agents agressifs de l’environnement conduisant ainsi à la dégradation du matériau. Dans cette étude, nous nous intéressons à la caractérisation du béton d’enrobage qui couvre les armatures de la structure. Cette caractérisation est réalisée en utilisant des ondes ultrasonores de surface (onde de Rayleigh) qui se propagent près de la surface à quelques centimètres de profondeur. Le béton est un matériau poreux, fortement hétérogène. L’étude de ce matériau est conduite analytiquement, numériquement et expérimentalement. L’étude théorique est basée sur les propriétés des ondes de surface se propageant dans un matériau homogène, isotrope et élastique ou viscoélastique. L’étude est, par la suite, généralisée à la propagation des ondes de Rayleigh dans un milieu hétérogène comme le béton. La théorie du milieu effectif et les modèles d’homogénéisation, ISA et de Watermen et Truell, permettent de prédire la propagation de ce type d’ondes dans un milieu hétérogène qui se compose d’une matrice et des inclusions. La simulation numérique permet de prévoir les variations de vitesse de phase dans le matériau hétérogène qui est le béton et pour différentes concentrations d’hétérogénéités. L'étude expérimentale est appliquée à des spécimens de béton pour lesquels un paramètre de composition, à savoir le rapport eau/ciment (E/C), est varié. Ce dernier affecte la densité et la porosité du matériau et donc ses propriétés mécaniques. En outre, l'évolution des paramètres acoustiques et mécaniques du béton pendant sa période de durcissement est étudiée. Les paramètres acoustiques tels que les vitesses de phase et de groupe des ondes de Rayleigh ainsi que le coefficient d'atténuation sont déterminés, en exploitant le temps de vol et l'amplitude des signaux ultrasonores reçus. Cette étude montre que la variation du rapport eau/ciment affecte la vitesse de propagation des ondes de surface et entraîne également une variation de la résistance mécanique du béton. Elle conclut qu'il existe une forte corrélation entre la résistance du béton, la vitesse des ultrasons et le rapport eau/ciment. Les résultats obtenus par l'évaluation destructive, qui fournit une mesure de la résistance à la compression par un essai d'écrasement mécanique, confirment ceux obtenus par l'évaluation non destructive. L'étude montre que ce type de contrôle non destructif utilisant les ondes ultrasonores de surface est utile, notamment lorsque la structure du béton n'est accessible qu’à partir de la surface ou lorsque la propagation des ondes de volume est perturbée par la présence d'armatures.