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Évaluation Non Destructive du béton
Avant d’aborder le sujet de thèse qui concerne la propagation des ondes ultrasonores dans le béton, il semble opportun d’introduire les généralités concernant ce domaine. Dans ce chapitre, nous introduisons le matériau béton qui se trouve au cœur des problématiques dans le génie civil. Dans un second temps, nous présentons la Caractérisation ou Évaluation Non Destructive du béton en faisant notamment un point bibliographique sur les techniques par ultrasons et leurs applications. Ensuite, l’équation de propagation dans un milieu hétérogène est présentée, ainsi que des modèles analytiques d’homogénéisation couramment utilisés. L’intérêt de la modélisation numérique est également justifié. Enfin, le sujet de thèse et les objectifs sont détaillés. 1.1 Caractéristiques du béton Le béton est un matériau composite fabriqué à partir d’inclusions inertes (sables, granulats, etc.) et d’un liant (à base de ciment, de bitume ou d’argile). Le terme « béton » désigne couramment le béton classique à base de ciment. Par la suite nous ne considérons que ce type de béton dans le cadre de notre étude. Il est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde, surtout dans le domaine du génie civil, grâce à ses nombreux avantages techniques et économiques : bonne résistance mécanique, haute durabilité, bonne adaptation aux environnements, facilité de mise en œuvre, coût faible et disponibilité des matières premières [1].
Formulations du béton
Le béton est composé du ciment, de l’eau, des sables et des granulats (Figure 1. 1). D’autres éléments qui permettent de modifier les propriétés physiques et chimiques du mélange, appelés adjuvants, peuvent être ajoutés en faibles quantités dans le mélange. Figure 1. 1. Béton : matériau composite [2].
Évaluation Non Destructive du béton
Le ciment, se présentant sous la forme d’une poudre très fine, est constitué essentiellement de la combinaison de la chaux (CaO) avec de la silice (SiO2), de l’alumine (Al2O3), et de l’oxyde de fer (Fe2O3). Il désigne un liant hydraulique qui se forme et durcit progressivement par la réaction chimique d’hydratation avec de l’eau et permet d’agglomérer les sables et les granulats en durcissant. Le ciment Portland, mélange de poudre de clinker (constitué essentiellement de silicates de calcium) et de gypse (sulfate de calcium), est de loin le plus utilisé dans la fabrication du béton. L’eau, qui permet d’activer l’hydratation du ciment, joue un rôle important par le rapport de quantité eau sur ciment (E/C). Ce rapport est un facteur critique du béton et il est en général compris entre 0,3 et 0,6 selon les caractéristiques mécaniques souhaitées ou l’environnement des ouvrages [3] : une valeur faible va couramment réduire la porosité et augmenter la résistance du béton, tandis qu’une valeur élevée apporte une bonne facilité de mise en œuvre du béton frais. Les sables et les granulats constituent le squelette du béton et représentent généralement de 60 % à 80 % en volume du béton. Ils sont classés suivant leurs tailles : nous appelons, par convention, les grains de dimensions inférieures à 4 mm, les sables et les grains supérieurs à 4 mm les granulats. La distribution des tailles pour l’ensemble de ces grains et granulats, appelée granularité, est exprimée en pourcentage de masse des grains passant dans des tamis à mailles carrées et normalisées. Elle doit être déterminée de façon à être la plus continue possible afin d’optimiser les organisations des grains dans l’espace et d’améliorer la compacité du béton. Ceci va contribuer à une meilleure performance mécanique. Les adjuvants sont des produits chimiques qui peuvent être ajoutés en faibles quantités au mélange afin de modifier certaines propriétés du béton frais ou durci. Les fonctions principales sont : retard ou accélération de la prise du béton, réduction d’eau, entraînement d’air [1], etc. Le choix des quantités de chacun des constituants d’un béton, appelé la formulation, détermine la microstructure et puis les propriétés mécaniques. Elle est techniquement établie selon les caractéristiques mécaniques requises sur des éprouvettes standards du béton durci dont les dimensions sont spécifiées dans les normes de la construction [4] [5]. Le tableau 1.1 donne un exemple de formulation d’un béton. Tableau 1. 1. Formulation d’un béton [6]. Constituants Masse (kg/m3 ) Ciment CEM 5205 N CE CP2 NF Gaurain 320,0 Eau d’ajout 195,5 Sable 0/4 mm REC LGP1 830,0 Gravillon 4/11 mm LGP1 445,0 Gravillon 8/16 Balloy 550,0 Adjuvant Sikaplast Techno 80 2,6 1.1.2 Prise du béton et microstructure Dès que la formation du béton est déterminée, les constituants sont mélangés dans un ordre bien précis afin d’obtenir un bon gâchage : mélanger les matériaux secs (ciment, sables 1.1. Caractéristiques du béton 17 et granulats) pendant quelques minutes afin d’obtenir un mélange homogène ; ensuite, ajouter l’eau et l’adjuvant, souvent sous forme liquide, en remuant pendant quelques minutes jusqu’à ce que le mélange soit stable. La mixture ainsi obtenue, appelée béton frais, est prête à être coulée. Après le coulage, le changement d’état du mélange (passage de suspension liquide à solide), est appelé « prise » du béton. Elle est principalement induite par la réaction chimique d’hydratation du ciment qui met également en jeu des mécanismes mécaniques et thermiques. Lorsque les grains de ciment Portland sont entourés par de l’eau, de nouveaux composés appelés hydrates se développent (Figure 1. 2). Les hydrates se présentent sous la forme de cristallins liés dont les principaux composants sont le silicate de calcium hydraté (noté C-S-H) et l’hydroxyde de calcium (noté Ca(OH)2) appelé Portlandite. Mis à part le type de ciment, la réaction dépend essentiellement du rapport E/C, des adjuvants employés et des conditions environnantes telle la température. A partir de la solidification du premier jour de fabrication, les propriétés physiques et mécaniques du béton continuent d’évoluer avec le temps d’abord rapidement puis plus lentement. Cette évolution de durcissement peut se poursuivre sur plusieurs années [7]. Le béton à 28 jours après sa fabrication est, par convention, considéré stable, et la valeur de résistance en compression remesurée est prise dans les normes comme référence pour les calculs de structure et la classification des bétons. Figure 1.
Microscopie électronique à balayage (MEB) sur la microstructure des hydrates dans le ciment
Le phénomène de retrait est observé pendant la prise de béton [9]. Pendant l’hydratation du ciment qui est une réaction chimique exothermique, nous observons une contraction de volume, appelée le retrait chimique. La chaleur dégagée entraîne des élévations de température, surtout dans les pièces massives, et les gradients thermiques internes provoquent un retrait thermique pendant le refroidissement. En même temps, la consommation d’eau lors de la réaction a lieu rapidement entraînant la formation de pores remplis d’air. Des pressions capillaires sont induites par ce phénomène d’auto-dessiccation interne et conduisent à un retrait rapide et important dans toute la masse du béton, qui s’appelle le retrait endogène. De plus, le retrait plastique et le retrait de séchage sont dus à l’évaporation de l’eau via la surface libre respectivement du béton frais et du béton durci. Ce phénomène est un facteur très important dans la pratique car il entraîne l’apparition de microfissures ou fissures, qui peuvent nuire à la durabilité du béton.
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