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1 Suivi de lévolution de la réaction alcalis-silice par méthodes ultrasoniques et par tomographie sonique François Saint-Pierre 28 mars 2007 Sherbrooke.

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1 1 Suivi de lévolution de la réaction alcalis-silice par méthodes ultrasoniques et par tomographie sonique François Saint-Pierre 28 mars 2007 Sherbrooke Groupe de Recherche en Auscultation et Instrumentation Département de génie-civil Présentation de thèse de doctorat en sciences appliquées

2 2 Plan de la présentation 1.Problématique de la RAS (Réaction Alcalis-Silice) 2.Cadre détude 3.Objectif de la Thèse 4.Étude en laboratoire (Partie I) : a)Programme expérimental I : évolution de la RAS dans des conditions environnementales contrôlées b)Programme expérimental II : effet des conditions environnementales sur les mesures 5.Application in situ (Partie II) : tomographie sonique sur une écluse 6.Conclusions 7.Recommandations

3 3 1. Problématique de la RAS Entraîne un endommagement et un gonflement du béton se manifestant par : –Fissuration en surface du béton –Micro-fissuration pâte-ciment / granulats Perte de résistance mécanique des ouvrages structuraux Dysfonctionnements des appareils mécaniques des ouvrages hydrauliques (portes, vannes...) 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations Connaître le degré dendommagement des ouvrages en béton Connaître la répartition des dommages

4 4 1. Problématique de la RAS Plaque polie (calcaire Spratt) Fissuration de la peau du béton «faïençage ou fissuration polygonale» (écluse St-Lambert, Canada)

5 5 2. Cadre détude Emprunter à lauscultation des méthodes permettant dévaluer létat dendommagement des bétons atteints de RAS En laboratoire –Allongement des éprouvettes (béton / mortier / carottes) –Étude pétrographique –Étude chimique de la solution interstitielle –Essais mécanique (SDT) Sur ouvrage –Inspection visuelle des ouvrages –Instrumentation des ouvrages en béton Principales méthodes actuelles permettant détudier la RAS : 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations

6 6 3. Objectif de la Thèse Objectif –Adapter des méthodes ultrasoniques pour suivre lévolution la RAS et les appliquer in situ Sous objectifs : –Établir des critères defficacité des méthodes pour suivre la RAS –Évaluer leffet des conditions environnementales sur les mesures non destructives 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations

7 7 4. Étude en laboratoire Deux programmes expérimentaux –Programme I : Suivi de la RAS par méthodes ultrasoniques –Programme II : Effet des paramètres environnementaux sur les mesures 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations

8 8 Formulation des mélanges 4. Étude en laboratoire

9 9 Description des éprouvettes Éprouvette cylindrique Éprouvette prismatiques moule de la dalle instrumenté 4. Étude en laboratoire

10 10 Conditionnement des échantillons MélangesConditionTemps R+, R- et NR Chambre de cure3 semaines 38 °C, bacs hermétiques humides > 2 ans Bac humide 4. Étude en laboratoire

11 11 Essais destructif –Analyse pétrographique (DRI) –Essais mécanique (fc, E) Essais dexpansion et de variation de masse Essais non destructif (23 °C) –Vitesse de propagation des ondes ultrasonores –Atténuation des ondes ultrasonores à 100 kHz –Amplitudes pic à pic –Fréquences centroïdes –Temps de montée –Fréquences de résonnance Programme expérimental I 4. Étude en laboratoire Suivi de la RAS par méthodes ultrasoniques dans des conditions environnementales contrôlées 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations

12 12 Programme expérimental I : vitesse de propagation dune onde ultrasonore Oscilloscope, génerateur de signal et transducteur 4. Étude en laboratoire

13 13 Programme expérimental I : atténuation des ondes ultrasonores à 100 kHz Basée sur la méthode des rapports de spectres (f)« atténuation des ondes de volume dans le béton » y(t)signal reçu yc(t)signal reçu « capteurs collés » 4. Étude en laboratoire

14 14 Coefficient datténuation LLongueur de léchantillon 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : atténuation des ondes ultrasonores à 100 kHz

15 15 Programme expérimental I : mesure des fréquences de résonance Mode longitudinal Mode Transversal Mode torsion Norme ASTM C Étude en laboratoire

16 16 Programme expérimental I : mesure des amplitudes pic à pic Coefficient d'atténuation A app amplitude pic à pic dun signal (Volt) Llongueur de léprouvette (m) A 0 amplitude pic à pic de référence k div facteur de correction de divergence 4. Étude en laboratoire

17 17 Programme expérimental I : mesure des fréquences centroïdes Coefficient d'atténuation f centroïde fréquence centroïde (kHz) f s fréquence centroïde du spectre du signal dentrée f100 kHz Llongueur de léprouvette (m) variance du spectre du signal dentrée 4. Étude en laboratoire

18 18 Programme expérimental I : mesure des temps de montée T Temps de montée (milliseconde) T0 Temps de montée initial (milliseconde) f 0 Fréquence propre du système (250 kHz) LLongueur de léprouvette (m) CConstante (0,5) Gladwin et Stacey 1974 Blair et Spathis Étude en laboratoire

19 19 Déformation en fonction du temps (38 °C à lhumidité) Programme expérimental I : résultats -0,03 0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0, Temps (semaines) Déformation (%) NR5-1NR5-2NR5-3Moyenne NR5 R3-1R3-2R3-3Moyenne R3 R4-1R4-2R4-3Moyenne R4 NR5 R4 R3 4. Étude en laboratoire R+ R- NR

20 20 Fréquence centroïde R+ R- NR Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire

21 21 Fréquence de résonance longitudinale Temps (semaines) Variation de fréquence de résonance longitudinale (%) NR5-1NR5-2Moyenne NR5 R3-1R3-2Moyenne R3 R4-1R4-2Moyenne R4 NR5 R+ R- NR Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire

22 22 Déformation en fonction de la fréquence de résonance longitudinale R4-1R4-2Moyenne R4 R+ R- NR Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire

23 23 Classement des méthodes des plus « sensibles » aux moins « sensibles » à la RAS : –fréquences de résonnance des éprouvettes –fréquences centroïdes, atténuation des ondes ultrasonores à 100 kHz –amplitudes pic à pic, les temps de montée –vitesse de propagation des ondes ultrasonores Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire

24 24 Deux expériences : –Réalisées sur dalles instrumentés et cylindres de mélange R+ et NR –Expérience 1 : Variation de température de 4 °C à 78 °C –Expérience 2 : Variation de la teneur en eau de létat « saturé » à létat sec Programme expérimental II 4. Étude en laboratoire Effet des conditions environnementales sur les mesures dondes ultrasonores 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations

25 25 Essais réalisés au cours des expériences 1 et 2 Programme expérimental II 4. Étude en laboratoire

26 26 Fréquence centroïde Programme expérimental II : résultats 4. Étude en laboratoire R+ NR

27 27 Fréquence centroïde R+ NR Programme expérimental II : résultats 4. Étude en laboratoire

28 28 Fréquence de résonance longitudinale R+ NR Programme expérimental II : résultats 4. Étude en laboratoire

29 29 Fréquence de résonance longitudinale NR R+ Programme expérimental II : résultats 4. Étude en laboratoire

30 30 Les variations de teneur en eau occasionnent de faibles variations de fréquence de résonance et de fréquences centroïdes Méthodes pour évaluer le degré d'endommagement des bétons : variations de fréquence de résonance longitudinale en fonction des variations de teneur en eau ou de température Programme expérimental II : conclusions 4. Étude en laboratoire

31 31 Conclusions 4. Étude en laboratoire

32 32 En laboratoire : Latténuation des ondes ultrasonores permet de suivre lévolution de la RAS In situ : la tomographie sonique permet de réaliser une coupe danomalies datténuation Idée : Suivre lévolution de la RAS en effectuant une tomographie datténuation Ouvrage choisi : Écluse St-Lambert Ouvrage étudié initialement pas le GRAI pour réaliser une campagne de tomographie de vitesse Objectif du GRAI : valider un modèle numérique dendommagement de lécluse Peut-on suivre lévolution de la RAS par tomographie sonique Tomographie sonique 5. Application in situ 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations

33 33 Problèmes : Béton de masse fissuré Gonflement du béton Vannes et portes Mats de levage des piles des ponts-levis Écluse St-Lambert Description de lécluse : Date de construction 1957 Éclusage 9 m Largeur 25 m Longueur460 m Granulats : calcaire argileux noir, réactif 5. Application in situ

34 34 Campagne de mesure Modèle dendommagement initial [Hydro-Québec] 40 ans après 5. Application in situ

35 35 Parement de lécluse Aqueduc Source Système dacquisition Campagne de mesure 5. Application in situ

36 36 Résultats Vitesses (m.s -1 ) Tracé de rais Traitement des données : Programme du Laboratoire de Géophysique Appliquée, École Polytechnique de Montréal [Giroux et al. 2007, Glaoguen 2004] Méthode LSQR (Least Square avec factorisation QR) Espace entre les capteurs 500 mm Cellules 400x400 mm Source : marteau 225 g 5. Application in situ

37 37 Amplitude pic à pic Fréquences centroïdes (FFT) Fréquences centroïdes (transformée en S) Temps de montée (Gladwin et Stacey) Temps de montée (Blair et Spathis) Atténuation Résultats 5. Application in situ

38 38 Anomalies manquantes lors de linversion des temps de montée Bonne corrélation entre les inversions des fréquences centroïdes et des amplitudes pic à pic Inversion des fréquences centroïdes : bonne méthode pour suivre la RAS in situ Conclusions 5. Application in situ

39 39 6. Conclusions Méthodes actuelles pour suivre la RAS : variation de masse ou dallongement, destructives, qualitatives, analyses chimique …. Objectif de la thèse : Adapter des méthodes ultrasoniques pour suivre la RAS et les appliquer in situ En laboratoire : Suivi de la RAS : mesures directes ou indirectes de latténuation des ondes ultrasonores État dendommagement lié à la RAS: mesure de la variation de fréquence de résonance longitudinale en fonction de la teneur en eau ou de la température In situ : Coupe danomalie datténuation par tomographie sonique 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations

40 40 6. Conclusions

41 41 7. Recommandations Études futures recommandées Suivre lévolution de la RAS, dans des conditions environnementales contrôlées et non contrôlées avec : Mesure de la constante diélectrique avec le RADAR Mesure par méthodes ultrasoniques non-linéaire [Kodjo et al. 2006] Mesure électrique par impédancemétrie Étudier, in situ, le degré dendommagement dun ouvrage en mesurant les fréquences centroïdes en fonction de la variation de teneur en eau et de température Effectuer des tomographies datténuation régulièrement dans le temps (tous les trois ans...) sur des ouvrages hydrauliques 1.Problématique de la RAS 2.Cadre détude 3.Objectif Thèse 4.Étude labo. a)Prog. exp. I : RAS b)Prog. exp. II : ENV 5.App. In situ 6.Conclusions 7.Recommandations

42 42 Groupe de Recherche en Auscultation et Instrumentation Département de génie-civil Merci

43 43 Liens Menu 1.Problématique de la RASProblématique de la RAS 2.Cadre détudeCadre détude 3.Objectif ThèseObjectif Thèse 4.Étude labo.Étude labo. a)Prog. exp. I : RASProg. exp. I b)Prog. exp. II : ENVProg. exp. II 5.App. In situApp. In situ 6.ConclusionsConclusions 7.RecommandationsRecommandations Autres Information sur le thèse Tableau de synthèse Formulation des mélanges Conditionnement des échantillons DRI Méthode électrique Autres graphiques

44 44 Groupe de Recherche en Auscultation et Instrumentation Département de génie-civil Thèse de doctorat réalisée dans le cadre de la Chaire Industrielle de lUniversité de Sherbrooke sur lauscultation des ouvrages en béton À partir de ces travaux : – Cinq articles publier dans des conférences – Un article publié dans un journal Membres du Jury : – Gérard Ballivy – Patrice Rivard – Jamal Rhazi – Jean-Luc Arsenault – Benoît Fournier – Bernard Giroux

45 45 Élaboration d'un tableau de synthèse basé sur les critères suivants : –« Sensibilité » de la méthode à la RAS : basée sur la comparaison entre variation des valeurs mesurées et l'écart maximum entre les mesures –« Sensibilité » de la méthode au degré de réactivité des éprouvettes atteintes de RAS : basé sur la comparaison entre R3 et R4 –Variation attendue due à la variation de teneur en eau ou de température : Programme expérimental II : conclusion 4. Étude en laboratoire

46 46 4. Partie I : conclusion

47 47 Formulation des mélanges 4. Étude en laboratoire Pour tous les mélanges : E/C0,50 CimentType 10 St-Laurent

48 48 Conditionnement des échantillons MélangesConditionTemps R1 et NR2 Chambre de cure3 semaines Température ambiante 8 semaines 38 °C, bacs hermétiques humides 6 mois immergées à 38°C, solution de NaOH (1M) > 2 ans R3, R4 et NR5 (R+, R- et NR) Chambre de cure3 semaines 38 °C, bacs hermétiques humides > 2 ans Bac humide 4. Étude en laboratoire

49 49 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : « Damage Rating Index » DRI – indices pétrographiques de RAS et facteurs pondérateurs associés [Grattan-Bellew et Danay 1992]

50 50 Programme expérimental I : essais électriques Facteur de correction calculé à partir de la méthode de mesure par transparence R résistance électrique ( ) résistivité (.m) 4. Étude en laboratoire

51 51 Résistivité électrique en fonction du temps Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire R+ R- NR

52 52 Résistivité électrique apparente en fonction de la température Programme expérimental II : résultats 4. Étude en laboratoire R+ NR

53 53 Résistivité électrique apparente en fonction de la teneur en eau Programme expérimental II : résultats 4. Étude en laboratoire R+ NR

54 54 Variation de masse en fonction du temps Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire R+ R- NR

55 55 Vitesse de londe de compression en fonction du temps Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire R+ R- NR

56 56 Temps de montée Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire R+ R- NR

57 57 Atténuation des ondes ultrasonores à 100 kHz en fonction du temps Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire R+ R- NR

58 58 Amplitude pic à pic des ondes de cisaillement en fonction du temps Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire R+ R- NR


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