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

Plan de la présentation Problématique de la RAS (Réaction Alcalis-Silice) Cadre d’étude Objectif de la Thèse Étude en laboratoire (Partie I) : Programme expérimental I : évolution de la RAS dans des conditions environnementales contrôlées Programme expérimental II : effet des conditions environnementales sur les mesures Application in situ (Partie II) : tomographie sonique sur une écluse Conclusions Recommandations Partie I : Étude de l’évolution de l’endommagement des bétons atteints de RAS par méthodes électriques et ultrasoniques et effet des paramètres environnementaux sur les mesures. Partie II : Étude de l’état d’endommagement des bétons atteints de RAS par tomographie acoustique

1. Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations 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 ...) Connaître le degré d’endommagement des ouvrages en béton Connaître la répartition des dommages

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

Principales méthodes actuelles permettant d’étudier la RAS : 2. Cadre d’étude Principales méthodes actuelles permettant d’étudier la RAS : Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations 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 Emprunter à l’auscultation des méthodes permettant d’évaluer l’état d’endommagement des bétons atteints de RAS

3. Objectif de la Thèse Objectif Sous objectifs : Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations Objectif Adapter des méthodes ultrasoniques pour suivre l’évolution la RAS et les appliquer in situ Sous objectifs : Établir des critères d’efficacité des méthodes pour suivre la RAS Évaluer l’effet des conditions environnementales sur les mesures non destructives

4. Étude en laboratoire Deux programmes expérimentaux Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations Deux programmes expérimentaux Programme I : Suivi de la RAS par méthodes ultrasoniques Programme II : Effet des paramètres environnementaux sur les mesures

Formulation des mélanges 4. Étude en laboratoire Formulation des mélanges

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

Conditionnement des échantillons 38 °C, bacs hermétiques humides 4. Étude en laboratoire Bac humide Mélanges Condition Temps R+, R- et NR Chambre de cure 3 semaines 38 °C, bacs hermétiques humides > 2 ans

Programme expérimental I 4. Étude en laboratoire Suivi de la RAS par méthodes ultrasoniques dans des conditions environnementales contrôlées Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations Essais destructif Analyse pétrographique (DRI) Essais mécanique (f’c, E) Essais d’expansion 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 Distinguer essais de contrôle de la réaction et essais non destructifs qui constituent l’intéret de cette thèse

4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : vitesse de propagation d’une onde ultrasonore Montrer la sinusoide à 250 kHz Oscilloscope, génerateur de signal et transducteur

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

Coefficient d’atténuation 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : atténuation des ondes ultrasonores à 100 kHz Coefficient d’atténuation L Longueur de l’échantillon

Programme expérimental I : mesure des fréquences de résonance 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : mesure des fréquences de résonance Mode longitudinal Mode Transversal Norme ASTM C 215 Mode torsion

Programme expérimental I : mesure des amplitudes pic à pic 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : mesure des amplitudes pic à pic Coefficient d'atténuation Aapp amplitude pic à pic d’un signal (Volt) L longueur de l’éprouvette (m) A0 amplitude pic à pic de référence kdiv facteur de correction de divergence

Programme expérimental I : mesure des fréquences centroïdes 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : mesure des fréquences centroïdes Coefficient d'atténuation fcentroïde fréquence centroïde (kHz) fs fréquence centroïde du spectre du signal d’entrée f 100 kHz L longueur de l’éprouvette (m) variance du spectre du signal d’entrée

Programme expérimental I : mesure des temps de montée 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : mesure des temps de montée Gladwin et Stacey 1974 Blair et Spathis 1982 DT Temps de montée (milliseconde) DT0 Temps de montée initial (milliseconde) f0 Fréquence propre du système (250 kHz) L Longueur de l’éprouvette (m) C Constante (0,5)

Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : résultats Déformation en fonction du temps (38 °C à l’humidité) -0,03 0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 Temps (semaines) Déformation (%) NR5-1 NR5-2 NR5-3 Moyenne NR5 R3-1 R3-2 R3-3 Moyenne R3 R4-1 R4-2 R4-3 Moyenne R4 NR5 R4 R3 R+ R- NR

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

Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : résultats Fréquence de résonance longitudinale 5 -15 -10 -5 NR NR5 Variation de fréquence de résonance longitudinale (%) R- R+ Donnent un peut près les mêmes résultats pour les fréquences de résonnances transversales et em torsion 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 Temps (semaines) NR5-1 NR5-2 Moyenne NR5 R3-1 R3-2 Moyenne R3 R4-1 R4-2 Moyenne R4

Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : résultats Déformation en fonction de la fréquence de résonance longitudinale R+ R- NR Donnent un peut près les mêmes résultats pour les fréquences de résonnances transversales et em torsion R4-1 R4-2 Moyenne R4

Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : résultats 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 Classement des méthodes sans tenir compte des conditions environnementales. Critère de sensibilité donné en fonction des écarts entres les mesures et en comparant R3 et R4

Programme expérimental II 4. Étude en laboratoire Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations Effet des conditions environnementales sur les mesures d’ondes ultrasonores 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 l’état « saturé » à l’état sec Objectif c’est se que nous appelerons variations attendues

Programme expérimental II 4. Étude en laboratoire Essais réalisés au cours des expériences 1 et 2 Mesure de masse permet de suivre l'évolution de la teneur en eau au cours de l'exp 2

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

Programme expérimental II : résultats 4. Étude en laboratoire Programme expérimental II : résultats Fréquence centroïde -10 -5 5 10 15 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Teneur en eau (%) Variation de la fréquence centroïde (%) NR5-1 NR5-2 Moyenne NR5 R3-1 R3-2 Moyenne R3 NR R+

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

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

Programme expérimental II : conclusions 4. Étude en laboratoire Programme expérimental II : conclusions 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

4. Étude en laboratoire Conclusions

Peut-on suivre l’évolution de la RAS par tomographie sonique 5. Application in situ Tomographie sonique Peut-on suivre l’évolution de la RAS par tomographie sonique Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations En laboratoire : L’atténuation des ondes ultrasonores permet de suivre l’évolution de la RAS In situ : la tomographie sonique permet de réaliser une coupe d’anomalies d’atténuation Idée : Suivre l’évolution de la RAS en effectuant une tomographie d’atténuation 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 d’endommagement de l’écluse L’étude en laboratoire suggèrent que l’atténuation … Il est possible de mesurer ce paramètre in situ …

Écluse St-Lambert Description de l’écluse : Problèmes : 5. Application in situ Écluse St-Lambert Description de l’écluse : Date de construction 1957 Éclusage 9 m Largeur 25 m Longueur 460 m Granulats : calcaire argileux noir, réactif Problèmes : Béton de masse fissuré Gonflement du béton Vannes et portes Mats de levage des piles des ponts-levis

Campagne de mesure 5. Application in situ Modèle d’endommagement initial [Hydro-Québec] Supérieur à 1 endommager Inférieur à 1 non endommagé 40 ans après

Campagne de mesure 5. Application in situ Parement de l’écluse Source Aqueduc Système d’acquisition

Résultats Traitement des données : 5. Application in situ 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 5000 3800 Vitesses (m.s-1) Tracé de rais

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

Conclusions 5. Application in situ Anomalies manquantes lors de l’inversion 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

6. Conclusions Méthodes actuelles pour suivre la RAS : variation de masse ou d’allongement, 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 l’atténuation des ondes ultrasonores État d’endommagement 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 d’anomalie d’atténuation par tomographie sonique Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations

6. Conclusions

7. Recommandations Études futures recommandées Suivre l’évolution 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 d’endommagement d’un ouvrage en mesurant les fréquences centroïdes en fonction de la variation de teneur en eau et de température Effectuer des tomographies d’atténuation régulièrement dans le temps (tous les trois ans...) sur des ouvrages hydrauliques Problématique de la RAS Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations

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

Liens Menu Autres Problématique de la RAS Information sur le thèse Cadre d’étude Objectif Thèse Étude labo. Prog. exp. I : RAS Prog. exp. II : ENV App. In situ Conclusions Recommandations Autres Information sur le thèse Tableau de synthèse Formulation des mélanges Conditionnement des échantillons DRI Méthode électrique Autres graphiques

À partir de ces travaux : Cinq articles publier dans des conférences Groupe de Recherche en Auscultation et Instrumentation Département de génie-civil Thèse de doctorat réalisée dans le cadre de la Chaire Industrielle de l’Université de Sherbrooke sur l’auscultation 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

Programme expérimental II : conclusion 4. Étude en laboratoire Programme expérimental II : conclusion 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 :

4. Partie I : conclusion

Formulation des mélanges 4. Étude en laboratoire Formulation des mélanges Pour tous les mélanges : E/C 0,50 Ciment Type 10 St-Laurent

4. Étude en laboratoire Conditionnement des échantillons Mélanges Temps R1 et NR2 Chambre de cure 3 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) Bac humide

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

Programme expérimental I : 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : essais électriques   a1 Facteur de correction calculé à partir de la méthode de mesure par transparence R résistance électrique (W) r résistivité (W.m)

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

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

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

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

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

Programme expérimental I : résultats 4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : résultats Temps de montée R+ NR R- Donnent un peut près les mêmes résultats pour B et S

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

4. Étude en laboratoire Programme expérimental I : résultats Amplitude pic à pic des ondes de cisaillement en fonction du temps NR R- Les amplitudes pic à pic des ondes de compression donnent les mêmes résultats mais avec des écarts entre les mesures légèrement moins élevés R+