EVOLUTION DES ESSAIS NON DESTRUCTIFS

Alain Sanchez

Né en 1955. Ingénieur diplômé de 1 ' I n s t i t u t National des Sciences Appl iquées de Lyon (INSA).

Est responsable depuis 1980 au sein du Département Qua1 i t é du C E R I B de la sec- tion Génie Civil . Ses act ivi tés couvrent essentiellement l e domaine de l a cer t i f icat ion des pro- dui ts de voirie e t d'assainissement, de la normalisation e t de la formation. Dans l e cadre d'études, 1 'auteur e s t spécialisé dans l e matériel e t les méthodes d 'essais de laboratoire. A ce t i t r e , i l participe aux travaux nationaux e t in- ternationaux de normalisation des méthodes d 'essais non destructifs.

Evolu t ion d e s e s s a i s n o n - d e s t r u c t i f s

M. Sanchez

En premier l i e u , l a communication expose b r i è v e - ment l ' é t a t d e s d i f f é r e n t e s méthodes d ' e s s a i s non d e s t r u c t i f s e x i s t a n t e s , e n f o n c t i o n d e s p r o p r i é - t é s du bé ton .

Après a v o i r s o u l i g n é c e l l e s q u i p a r a i s s e n t p ré - s e n t e r un i n t é r ê t technico-économique s u f f i s a n t , l ' e x p o s é déve loppe , à p a r t i r d ' exemples c o n c r e t s , l e s o r i e n t a t i o n s p o s s i b l e s d ' u t i l i s a t i o n d e c e s méthodes; e n p a r t i c u l i e r l ' e s t i m a t i o n d e l a r é - s i s t a n c e du b é t o n à p a r t i r d e s r é s u l t a t s au jeu- ne âge . L'exposé montre e n o u t r e comment c e s méthodes s ' i n t è g r e n t d a n s l a recherche permanente d ' o p t i m a l i s a t i o n d e l a q u a l i t é d e s p r o d u i t s e t d e l ' a u t o - c o n t r ô l e . Les avantages que r e p r B s e n t e n t l e s e s s a i s non d e s t r u c t i f s p a r r a p p o r t .à l ' e s s a i convent ionne l d e r u p t u r e s o n t a i n s i r a p p e l é s .

En c o n c l u s i o n , l ' e x p o s é d é c r i t l ' é v o l u t i o n p r é v i - s i b l e d ' a p p l i c a t i o n d e c e s méthodes à moyen terme e t aborde brièvement l a r é d u c t i o n e n v i s a g e a b l e du c o û t d e s e s s a i s s u r p r o d u i t s , q u i en r é s u l t e r a .

Ontwikkelingen op h e t geb ied van n i e t - d e s t r u c - t i e v e proeven

M. Sanchez

De v o o r d r a c h t b e s c h r i j f t bondiy d e v e r s c h i l l e n d e n i e t - d e s t r u c t i e v e proefmethoden volgens d e t e onderzoeken eigenschappen van h e t beton en d u i d t deze met e n i g technisch-commercieel belang dan .

Aan d e hand van konkre te voorbee lden worden d e mogel i jke toepass ingen van deze technieken aange- geven en wordt i n h e t b i j z o n d e r h e t ramen van d e druks t ie rk te van be ton op b a s i s van v r o e g t i j d i g e cont ro lemet ingen t o e g e l i c h t . Bovendien wordt aangetoond hoe deze methoden en h e t permanente onderzoek naar een opt imale k w a l i t e i t en i n d e e igenkcur ing kunnen worden g e ï n t e g r e e r d . Verder wordt e r op d e voorde len van deze meettechnieken t . 0 . v . d e convent ione le s t e r k t e p r o e v e n gewezen.

T o t s l o t word t d e on twikke l ing op midde l lange t e r m i j n inzake d e t o e p a s s i n g van deze methoden b e l i c h t , a l s o o k d e mogel i jke d a a r u i t v o o r t v l o e i - ende kos tenbespar inyen .

Developments i n n o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g

A. Sanchez

The paper b r i e f l y d e s c r i b e s t h e d i f f e r e n t non- d e s t r u c t i v e t e s t i n g methods w h i l e t a k i n g i n t o account t h e p r o p e r t i e s of c o n c r e t e and i n d i c a t e s t h e methods w i t h some technical-commercial i n t e - r e s t .

P r a c t i c a l examples i l l u s t r a t e t h e p o s s i b l e a p p l i - c a t i o n s of t h e s e methods, more p a r t i c u l a r l y i n e s t i m a t i n g t h e r e s i s t a n c e of c o n c r e t e w i t h t e s t s a t e a r l y aqe . The paper f u r t h e r shows how t h e s e methods can be i n t e g r a t e d i n t h e permanent r e - s e a r c h w i t h r e s p e c t t o o p t i m i z i n g t h e q u a l i t y of t h e c o n c r e t e p r o d u c t s and t h e a u t o - t e s t i n g sys- tem.

The advantages of n o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g v e r s u s t h e t r a d i t i o n a l b reak inq t e s t s a r e t h e n high- l i g h t e d .

To conclude, t h e paper l o o k s a t t h e medium term development of a p p l i c a t i o n p o s s i b i l i t i e s f o r t h e s e methods, a s w e l l a s a t t h e r e s u l t i n q lower c o s t .

Entwicklungen i m Bere ich d e r z e r ç t o r u n q s f r e i e n - Priifungen -

A . Sanchez

Der Vor t rag b e s c h r e i b t kurz d i e versch iedenen z e r s t o r u n q s f r e i e n Prüfungen u n t e r B e r ü c k s i c h t i - qung d e r Bétone igenschaf ten . Es wird e b e n f a l l s auf den technisch-kommerziel len Belang hinge- wiesen . Anhand k o n k r e t e r B e i s p i e l e werden d i e - Anwendunqs- mogl ichke i ten angegeben, insbesondere d i e Berech- nung d e r W i d e r s t a n d s f a h i q k e i t von Beton aufgrund von f r i ih durchgeführ ten Prüfungen. Ausserdem wird g e z e i g t , wie d i e s e Methoden i n d e r s t a n d i g e n For- schunq h i n s i c h t l i c h Optimierunq d e r Q u a l i t a t und d e r S e l b s t k o n t r o l l e e i n q e b a u t werden konnen.

Wei te r werden d i e V o r t e i l e d e r z e r s t 8 r u n g s f r e i e n Priifunqsmethoden gegenüber d e r t r a d i t i o n n e l l e n Biegezugprtifung h e r a u s g e s t e l l t .

Abschl iessend wird über d i e w e i t e r e Entwicklung d e r Anwendungsm~glichkeiten i n m i t t e l l a n g e r F r i s t sowie iiber d a r a u s hervorqehenden Kostener- s p a r n i s s e q e h a n d e l t .

Actuellement le principal critère utilisé pour déterminer la qualité du béton durci est sa résistance mécanique mesurée, soit sur éprouvettes, soit directement sur produits. Mais les essais effectués à des âges déterminés présentent plusieurs inconvénients ; en particulier dans le domaine de l'industrie du béton manufacturé, ils s'intègrent mal de nos jours dans les cycles modernes de production. Ceci en raison d'une part, des coûts directs qu'ils engendrent (produits détruits, manutentions importantes, évacuations des déchets, durée des essais), mais aussi de leur manque de souplesse (impossibilité de recommencer un essai par suite du coût, absence d'auscultation de détail de l'élément essayé).

Il existe depuis plusieurs années, différentes méthodes d'essais non destructifs basées sur des principes plus ou moins complexes, et qui pour certaines d'entre elles offrent des avantages qui vont au delà d'une simple estimation de la résistance. Dans ce qui suit, le terme "non destructif" est pris dans un sens plus large, incluant aussi les méthodes qui causent des dégradations localisées de "surface". De telles méthodes se sont développées récemment et sont classées habituellement sous l'appellation de méthodes semi-destructives.

Les méthodes d'essais non destructifs peuvent être groupées en trois grandes catégories qui sont fonction des propriétés mesurées :

Groupe 1 Les méthodes qui donnent une mesure directe de la résistance du béton in situ.

Groupe 2 Les méthodes qui mesurent un paramètre caractéristique d'une propriété du béton utilisable comparativement, à l'aide le plus souvent d'une courbe d'étalonnage.

Groupe 3 Les méthodes qui fournissent des informations autres aue la résistance. en particulier liaptitude à l'emploi et la durabilité dés éléments en béton (perméabilité, gammagraphie, etc ...). Chaque méthode a une finalité qui correspond à un besoin bien précis, contrairement aux méthodes des groupes précédents qui ont des objectifs communs (exemple : la résistance).

Ces dernières méthodes, très spécifiques d'emploi, ne seront pas évoquées dans ce document.

11 est présenté pour les groupes 1 et 2 une liste non exhaustive des principales méthodes qui se sont développées en France et à l'étranger et dont le matériel est disponible.

2.1 - GROUPE 1 - MESURE DIRECTE Ces méthodes sont basées sur le même principe du "décrochement'' et sont regroupées sous la dénomination de "Pull out tests", mais il existe plusieurs variantes. Le principe consiste à mesurer la force nécessaire pour effectuer une destruction du béton dans une zone réduite 'de la pièce à contrôler Cl]. Les trois principales méthodes sont les suivantes :

- Le "Pull out assembly" : Ce test d'arrachement a été développé initialement au Danemark (1975) et récemment aux Etats Unis et au Canada C21 C31.

Un dispositif de scellement maintenu par le coffrage est noyé dans le béton frais lors de sa mise en place. Après durcissement, un cône de béton est extrait de la surface à l'aide d'un vérin hydraulique (figure 1).

filetée Cône de béton Anneau de /de la surface pouss

extrai par ci

FIGURE 1 : Exemple de dispositif par arrachement de tige

Cet essai présente l'avantage de donner une mesure directe de la résistance du béton, mais il y a deux limitations non négligeables à son emploi :

. la surface du béton testé est détruite,

. la localisation de l'essai doit être fixée avant la mise en place du béton.

- L'essai de rupture interne ("Interna1 fracture test") Cet essai a été développé en Angleterre par le Building Research Establishment (B R E) et présente des similitudes avec l'essai précédent C41 C51. Son principe consiste à mesurer la force nécessaire pour détruire sans dommage apparent la structure du béton par expansion d'une pièce de petit calibre. Celle-ci est située dans un trou préalablement foré dans le béton (figure 2).

Ône de béton e x t r a i t de ln surface

. .....,:.. '.. ' -.

FIGURE 2 : Essai de rupture interne (schéma de principe)

La résistance à la rupture est prise comme étant le point où le couple mesuré à l'aide d'une clé dynamométrique commence à décroître. Cette résistance est lue directement, mais .la dispersion des résultats est grande du fait essentiellement de l'hétérogénéité des constituants.

- "Pull of test" D' origine norvégienne, 1.' essai consiste à détacher par traction un noyau de béton de la structure dont il est solidaire C61. Ce noyau de forme cylindrique, est réalisé au moyen d'une coupelle en plastique insérée dans le béton frais juste après sa mise en place. La coupelle est retirée avant l'essai (figure 3).

Cellule de charge

F I G U R E 3 : Pull of test -- (schéma de principe)

La force nécessaire à détacher la partie inférieure de la carotte est en relation directe avec la résistance à la flexion du béton.

Divers paramètres caractéristiques des propriétés de surface ou internes du béton sont relevés.

- Essai de rebondissement (scléromètre) Cette méthode est certainement la plus utilisée sur le plan international du fait de sa simplicité d'emploi et de son coût réduit [7] [BI. Il est lu sur une échelle graduée la hauteur de rebondissement d'une masselotte projetée sur la surface du béton avec une énergie constante et connue - -

(figure 4). Cette hauteur est

Appareillage ------------

Pr ssion I

Surface du béton

fonction de la dureté de surface du béton.

17 / Hauteur de rebond h+

Surface du beton

FIGURE 4 : Essai de rebondissement

La valeur de rebond est étroitement liée à plusieurs paramètres, comme :

. la texture superficielle du béton (nature et grosseur des granulats), . les conditions de conservation. Cette méthode a le mérite de ne pas endommager la surface testée, et également d'être très rapide au niveau de l'acquisition des résultats. Mais en contre partie, l'estimation de la résistance à partir d'un étalonnage préalable nécessite de nombreuses précautions car la dispersion est importante.

- Essai de pénétration (sonde de Windsor)

En 1966, une technique connue sous le nom de sonde de Windsor fut introduite aux Etats Unis, mais son développement est resté limité en Europe [ 9 1. Le CERIB a effectué vers la fin de 1981 plusieurs campagnes d'essais avec cet appareil sur des bordures-caniveaux coulés en place C101. Une pointe d'acier est propulsée dans le béton par l'intermédiaire d'une charge explosive d'énergie constante. La profondeur de pénétration de la sonde est inversement proportionnelle à la résistance du béton (figures 5 et 6). Mais la dureté des granulats affecte largement les résultats. )es détériorations visibles en surface sont inévitables avec ce type d'essai.

positif de guidage

c O 4 'al ri

3 3

al O (d ti L !3

V I

FIGURE 5 : Sonde de Windsor (schéma de principe)

P r o f o n d e u r moyenne (mm

t Age d e s p r o d u i t s ( j o u r s )

FIGURE 6 : Essai de pénétration (sonde de Windsor) :

Evolution de la profondeur moyenne de pénétration en fonction

des conditions de fabrication, suivant référence [IO]

- Méthode de vitesse d'impulsions ultrasonores Développée à la fois au Canada et en Angleterre vers 1945, cette méthode a pour principe la mesure du temps de parcours d'une onde ultrasonore qui traverse le béton. En France l'apparition des premiers appareils se situe vers les années 1950. La distance séparant les transducteurs (émetteur et récepteur) divisée par le temps de parcours donne la vitesse de propagation de l'onde. Cette caractéristique liée aux propriétés élastiques du béton, permet indirectement une estimation de sa résistance. Mais d'autres possibilités d'application, telles que la recherche dlhomogénéité,du béton, la détection de fissures peuvent être envisagées Cl11 Cl21 Cl31.

- Méthode de fréquence de résonance Cette méthode vise en priorité le contrôle des éprouvettes prismatiques ou cylindriques. Elle consiste à faire vibrer l'élément et à en mesurer la fréquence de résonance [ 14 ] [15]. Celle-ci dépend largement des propriétés élastiques du béton étudié, caractérisées par deux constantes (figure 7) :

. le module d'élasticité dynamique, . le module de cisaillement dynamique.

Poin t d e f r a p p e

b C \, k a p t e u r

1

Suppor t de mousse

FIGURE 7 : Fréquence de résonance

Cette méthode n'est pas envisageable pour l'étude d'éléments d'ouvrages massifs, mais peut être adaptée à des produits préfabriqués de forme simple.

Méthodes combinées

Afin d'améliorer la précision sur l'estimation de la résistance du béton, plusieurs chercheurs recommandent la combinaison de telles méthodes (exemple : vitesse du son - indice de rebondissement). Les premiers travaux proviennent essentiellement des pays d'Europe de l'Est. Des chercheurs tels que SKRAMTAEV, LESHCHINSKY (1966) et ION FACAOARU (1970) peuvent être considérés comme des précurseurs dans ce domainen61.

2.3 - PRINCIPALES APPLICATIONS DES ESSAIS NON DESTRUCTIFS Les publications relatives aux essais non destructifs, traitent essentiellement de l'estimation de la résistance du béton par l'établissement de courbes de corresppndance sur éprouvettes. Pour cela, les différents paramètres constitutifs du béton, de sa mise en place et de sa conservation sont étudiés. Certaines méthodes d'interprétation prennent en compte ces paramètres par l'intermédiaire de coefficients correcteurs afin d'approcher au mieux la résistance réelle du béton. Pratiquement, les essais non destructifs sont applicables à la fois à des éléments jeunes ou présentant plusieurs années de service.

Sur les éléments jeunes (avant ou juste après mise en oeuvre), les principales applications portent sur le contrôle de la qualité, le suivi de l'évolution de la résistance (ou autres paramètres) et la recherche de dé£ auts.

Les essais sur ouvrages existants sont axés sur le contrôle du maintien des performances ou une estimation du degré de détérioration consécutif, par exemple à un incendie, un impact ou une agression chimique.

En fonction des différentes motivations énoncées ci-dessus, le tableau 1 propose les méthodes d'essais les mieux adaptées, ansi que les principales caractéristiques qui s'y rapportent. La plupart des méthodes permettant une évaluation de la résistance peuvent A etre utilisées pour suivre son évolution dès le jeune âge. Dans le cas où le paramètre d'aspect est important comme dans l'industrie du béton, le groupe 2 avec le rebondissement, la vitesse d'impulsions ou la fréquence de résonance est le mieux adapté.

En France, la majorité des productions sont contrôlées régulièrement dans le cadre de certificats de qualification (Marque NF, Agrément SP, Qualif-IB) et il est effectué sur les matières premières, le béton frais et les produits finis des essais dans le laboratofre de la firme. De ce fait, les variations sur les constituants (dosage, nature) et les paramètres de fabrication restent faibles, ce qui est un atout supplémentaire à l'emploi des essais non destructifs dans cette industrie.

Mais malheureusement, très peu de littérature orientée dans ce secteur a vu le jour C l 7 1 [la].

Les méthodes d'essais du groupe 1 sont probablement plus adaptées aux constructions massives où par exemple la rugosité de surface gênerait l'utilisation du scléromètre, mais également l'accession à une seule face limiterait la vitesse d'impulsions.

De par son principe, la méthode de rebondissement n'est pas appropriée lorsque la surface du béton a été attaquée (attaque chimique ou autres). Dans ce cas, l'utilisation de la méthode de vitesse d'impulsions est possible pour déterminer le profil des dommages sans toutefois donner une mesure précise de leur profondeur.

Lors d'une recherche de défauts consécutifs à,la mise en place, par exemple présence de vide, absence d'armatures, ou manque de coulis d'injection les seules méthodes utilisables sont respectivement la vitesse d'impulsions, la mesure de recouvrement ou la gammagraphie.

I APPLICATIONS CARACTERISTIQUES I

1 ) Préparation de l'essai avant mise en place du béton

TABLEAU 1 : Caractéristiques des principales méthodes d'essais

3.1 - PRESENTATION Plusieurs campagnes d'essais ont été effectuées dans différentes usines volontaires. A chaque fois, l'organisation adoptée était la suivante :

- formation du personnel du laboratoire de la firme sur les méthodes d'essais (après mise au point des modalités d'essais),

- prise régulière des résultats en parallèle aux essais destructifs pratiqués dans le cadre du contrôle interne (ce qui implique que le matériel soit à demeure dans l'usine),

- exploitation des résultats par le CERIB et retour des informations pour correction ou amélioration éventuelle .

Les essais ont porté sur des tuyaux non armés et des bordures ou caniveaux. Ces produits sont définis par des documents de référence qui précisent les modalités d'essais de rupture ainsi que les valeurs de charge à atteindre en fonction des classes de résistance [ 19 ] [ 201 [ 211 . Compte tenu de la méthodes réellement l'attente des fabric

forme et des dimensions des éléments à tester, les non destructives répondant de façon satisfaisante à ants'avec une garantie suffisante'sont :

- la méthode de vitesse d'impulsions ultrasonores, - la méthode de fréquence de résonance.

La première méthode a été appliquée à la fois aux tuyaux (transducteurs à pointe) et aux bordures (transducteurs plans) avec deux matériels de fréquence d'émission différente.

La deuxième a été appliquée aux tuyaux avec un seul matériel.

3.2 - DISPERSION ET NIVEAU DE CONFIANCE DES RESULTATS L'étude comparative des deux méthodes a porté sur des tuyaux non armés de diamètre 400 mm; fabriqués dans deux usines appelées A et B, présentant une technologie de production différente. Ce choix provient du fait que les trois méthodes (rupture - vitesse - fréquence de résonance) ont pu être appliquées sur ce type de produits.

Le tableau 2 donne les propriétés du béton constitutif.

! ! Propriétés ! Usine ! ! ! ! C/G_ ! E/C ! p(kg/dm3) !

C/Gt : rapport du ciment sur la totalité du granulat

E/C : rapport eaulciment

P : masse volumique du béton frais

TABLEAU 2 : Valeurs caractéristiques des constituants

Le tableau 3 présente les valeurs du coefficient de variation correspondant à chaque méthode, calculées d'après les résultats obtenus à 21 jours d'âge du béton par groupe de campagnes, et tout groupe confondu.

Coefficient de variation ! (nombre total de produits testés) !

! Vitesse ! Fréquence ! Rupture !

! ! ! ! ! ! ! !

TABLEAU 3 : Valeurs du coefficient de variation

Il apparaît clairement que l'essai de rupture présente des résultats plus dispersés que les deux autres qui ont un niveau de dispersion sensiblement voisin.

De ce fait, la quantité minimale de produits à prélever par poste de fabrication (échantillon) est de trois avec les méthodes non destructives (niveau de confiance égal à 95%). Cela signifie que compte tenu de la dispersion des résultats d'essais, une production de tuyaux d'un même poste peut être caractérisée de façon représentative par un échantillon composé au minimum de trois produits.

Le tracé des courbes d'évolution et de l'intervalle de confiance bilatéral à 95% (par usine et âge de mesure) d'après les résultats de fréquence de résonance, permet les constatations suivantes (figure 8) :

- la courbe d'évolution regroupant tous les résultats individuels des campagnes A se situe nettement au dessus et translatée par rapport à la courbe correspondante pour les campagnes B. La différence est de 50 Hz à 24 heures et de 56 Hz à 21 jours,

- les intervalles de confiance ont une amplitude pratiquement stable dans le temps et sont bien distincts. Les intervalles de confiance tracés à partir des résultats de,résistance ont présenté des zones de recoupement (quel que soit l'âge des produits).

Il apparait donc, dans ce cas précis, que la méthode de résonance est la plus efficace afin de distinguer les productions des deux usines différentes.

FIGURE 8 : Courbes d'évolution de la fréquence de résonance

sur tuyaux non armés

(usines A et B)

3 . 3 - VOIES D'APPLICATION DES ESSAIS NON DESTRUCTIFS A la lumière des résultats obtenus il se dégage plusieurs pôles d'intérêt.

3 . 3 . 1 - Réduction directe des coûts des essais sur produits Les essais de rupture actuellement pratiqués entraïnent des frais de fonctionnement importants pour les firmes. Ces frais se décomposent en :

- produits cassés, - manutention et évacuation des débris,

- temps passé à l'essai.

Les rubriques sur lesquelles des économies significatives peuvent être réalisées sont les deux premières.

3 . 3 . 2 - Accroissement des informations résultant des essais Le fait que les essais soient destructifs en limite forcément le nombre. Ce qui implique qu'en cas de résultats douteux, il n'est guère possible de compléter l'investigation par d'autres essais pour acquérir des certitudes quant à la qualité réelle des productions.

Avec des essais non destructifs, le nombre de produits testés peut être considérablement accru, sans augmenter beaucoup plus le temps consacré aux essais. De ce fait, l'information qui en résulte présente un niveau de confiance plus élevé par rapport à un éch.anti1lon de taille limité, destiné à la rupture.

3 . 3 . 3 - Facilité d'analyse de la qualité des produits Les méthodes non destructives appliquées à l'industrie du béton pourraient conduire à deux voies d'analyse de la qualité des produits.

. L'auto contrôle pour la surveillance de la qualité des productions .................................................................. Dans ce cas, l'avantage serait d'une part de supprimer la quasi-totalité des essais de rupture et d'autre part, de permettre une meilleure connaissance des niveaux de qualité conduisant à une utilisation optimale des matières premières.

. L'auto diagnostic ----------------- Cette voie nouvelle doit permettre l'optimisation des réglages en production et la détection rapide de toute dérive. De plus, certains résultats ont mis en évidence la possibilité d'envisager l'emploi des ultra-sons comme élément d'appréciation de la répartition de la qualité du béton au sein du produit.

Actuellement, avant de procéder aux essais de rupture des produits, la firme attend que le durcissement ait atteint un niveau suffisant, ce qui prend entre 14 et 28 jours. La mesure au jeune âge avec les essais non destructifs est possible (2, 3 jours). Par conséquent, l'information arriverait plus tôt et permettrait de gagner du temps afin de déceler tout déréglage. Il y aurait donc là une source d'économie importante par une réduction du déclassement de lots successifs de production.

Les chapitres suivants développent par des illustrations concrètes, ces deux grandes voies d'analyse.

L'utilisation des essais non destructifs dans le cadre d'un contrôle continu nécessite l'établissement de courbes de correspondance et de l'intervalle de confiance associé. La validité dans le temps de telles courbes dépend essentiellement de la variation des paramètres internes liés aux constituants (régularité, dosage, etc....), mais également des paramètres externes liés au processus de fabrication (vibration, conservation). En général., les conditions de fabrication par type de produits étant bien définies et variant peu, les courbes de correspondance pourraient être utilisables sur une grande période (6 mois par exemple).

4.1 - EXEMPLE D'APPLICATION AUX BORDURES Cet exemple traite de bordures de modèle T2. On a tracé la droite de correspondance résistance à la rupture en flexion (R) en fonction de la vitesse du son par transparence suivant la longueur (V ) (figure 9).

TL

Cette droite intègre les résultats de deux usines fabriquant respectivement en classe A (usine 1) et en classe B (usine 2) avec les mêmes granulats et machines de fabrication. La seule distinction est au niveau des dosages :

! USINE (classe) ! 1 (A) ! 2 0) ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Rapport E/C ! 0,31 ! 0,38 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Rapport C/S ! 0,51 ! O, 38 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Rapport SIG ! 0,56 ! 0,61 ! ! ! ! !

E : dosage en eau (litres) C : dosage en ciment (kg) S : dosage en sable (kg) G : dosage en gravillon (kg)

F modh 1s T us l ne 1 0 1 asse R : e

2 usfne 2 o lasee B : +

-- in ter . un i 1 a t é r a l h 95%

t n t e r . bf 1 a t é r a l a 95%

FIGURE.9 : R = f (V ) - Bordures - TL

4.2 - EXEMPLE D'APPLICATION AUX TUYAUX Ce deuxième exemple porte sur des tuyaux d'assainissement de diamètre 400 mm, de classe 90B (non armés).

Il est présenté ci-après les courbes de correspondance d'une campagne d'essais (usine B - 2ème campagne) suivant les deux modes opératoires décrits en annexe (vitesse du son, fréquence de résonance).

Pour chaque courbe, il est mentionné d'après les résultats individuels (22 au total), l'équation de la droite donnant le meilleur coefficient de corrélation, ainsi que l'intervalle de confiance bilatéral à 95%, en considérant l'écart-type calculé à 21 jours (figures 10 et 11).

Vitesse du son (semi-directe)

I 1 1 1

3 b & & & 1 41b & &Q & 4350 u m uw L M ~ 'SD~

@) FIGURE 10 : R = f (VSD) - Campagne B II Tuyaux

Résistance 1 'écrasement

Fréquence de résonance

1 1 I 1 1 1 1 1 1 1 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 . .

FIGURE 11 : R = fb (Ff) - Campagne B II Tuyaux

Par la suite, il a été vérifié la validité de la courbe de correspondance de la campagne B II (figure 11) à partir de résultats de fréquence de,résonance d'une campagne B III (sur tuyaux fabriqués 6 mois après l'établissement de la courbe (figure 12).

R ' -------- - Droite de c o r r é l a t i o n r é s u l t a n t d e l a campagneBII

I I I I

I I I

Ff B III r f CRz)

FIGURE 12 : Méthode d'estimation

Le tableau 4 donne les différences relatives entre les résistances réelles

(R BI11 ) et estimées (R'BIII).

i Jours) Moyenne

1 + 1161

A R - = R réelle - R estimée R R réelle

Il apparaît que l'estimation de la résistance au délai de 21 jours (délai de garantie) est en moyenne de ]5%1 avec un maximum à + 14%.

Sous réserve que les conditions de f ab r i ca t ion ainsi que les variations des granulats restent dans les limites fixées par le fabricant, il peut être admis raisonnablement que l'estimation moyenne de la résistance à 21 jours ne devrait pas subir une évolution sensible.

TABLEAU 4 : Précision sur l'estimation de la résistance

La deuxième voie dans laquelle les essais non destructifs s'appliquent est l'auto-diagnostic qui est la recherche de l'amélioration et du maintien des performances au moindre coût. Cette recherche est multidirectionnelle. Elle s'oriente vers les matières premières et/ou le processus de fabrication.

5 . 1 - LES MATIERES PREMIERES Une des priorités actuelles est la limitation du coût résultant des matières premières tout en conservant un niveau de qualité compatible avec les exigences normatives. Ceci se traduit par une recherche d'optimisation des matières premières, et en particulier d'une réduction de la quantité de ciment. Nous citerons plusieurs exemples.

5 . 1 . 1 - Pour des tuyaux non armés Lors d'une campagne d'essais sur des tuyaux non armés de diamètre 300 mm en classe 135, nous avons fait varier uniquement le rapport S I G (sable/gravillon).

La figure 13 visualise l'incidence de ce rapport sur les valeurs de fréquence de résonance à 21 jours : augmentation de la fréquence de résonance avec la diminution du rapport SIG pour tendre vers une asymptote.

Cela signifie qu'une diminution du rapport S/G au delà de 0 , 8 n'apporte pas d a augmentation sensible de la fréquence de résonance. L'optimum se situe donc autour de cette valeur.

FIGURE 13 : Incidence de la variation du rapport S / G sur les valeurs

de F à 21 jours - 0 300 135 B - Tuyaux f

5.1.2 - Pour des bordures et caniveaux La figure 14 montre différentes courbes d'évolution du béton sur des bordures et caniveaux fabriqués sur la même machine et avec les mêmes granulatç. Sur chaque courbe, il est mentionné entre parenthèsesun numéro correspondant à une composition de béton particulière,ainsi que la date de fabrication des produits.

Cas ~articulier du modèle T2 : ---- ....................... Il est fabriqué à la fois en classe A (béton no 4) et B (béton no 1). - - --

! ! ! ! ! ! Béton no 1 ! Béton no 4 ! ! ! ! ! ! ! ! !

La vitesse traduit nettement cette adaptation de composition à la classe visée. Par conséquent, il devrait être possible de connaître rapidement le niveau de performance d'une production et ainsi d'ajuster au mieux le dosage en ciment minimal nécessaire.

FIGURE 14 : Courbes d'évolution du béton

L'association des courbes d'évolution aux courbes de correspondance contribue à situer le produit au jeune âge (2 à 3 jours) par rapport à la résistance définie dans les textes de référence qui est en général mesurée à un délai supérieur à 14 jours.

Par ce moyen,. la firme devrait pouvoir surveiller en permanence l'évolution des fabrications et corriger dans un délai plus court toute dérive.

Le schéma général multi-produit est le suivant (figure 15) (cas d'une estimation de résistance à 21 jours à partir de résultats de vitesse ou de fréquence à 3 jours).

1 2 3 7 14 a t jours

f Courbe de correspondance : R - Y ou R - TT

FIGURE 15 : Schéma d'estimation de la résistance aux jeunes âges

a) tracé de la courbe d'évolution probable d'après les mesures de vitesse ou de fréquence à 3 jours (parallèle à la courbe d'évolution connue)

b) estimation (E ) de la vitesse ou de la fréquence probable à 21 jours C) estimation de2ia résistance à 21 jours

5.2 - LE PROCESSUS DE FABRICATION

Tout p rocessus i n d u s t r i e l e s t amené à s u b i r une u s u r e en r e l a t i o n d i r e c t e aveç les c o n d i t i o n s d 'emploi (cadences, e n t r e t i e n , e t c ...) e t donc à d é r i v e r . I l e s t important de d é t e c t e r à temps t o u t e d é r i v e q u i à terme provoquera i t des " a r r ê t s de temps machine" s a n s aucune mesure avec l ' e n t r e t i e n p r é v e n t i f q u i p o u r r a i t en décou le r . En f o n c t i o n des p r o d u i t s f a b r i q u é s , il peu t ê t r e recherché d e s anomalies prenant en compte s o i t une 1' ponte'' ( p l u s i e u r s p r o d u i t s f a b r i q u é s p a r opéra t ion) s o i t un s e u l p r o d u i t .

Il e s t t r a i t é c e s deux cas .

5.2.1 - Cas d e s bordures

Dans une u s i n e f a b r i q u a n t d e s bordures e t caniveaux, l a mesure de v i t e s s e d ' impuls ions s u i v a n t l a longueur e t l a l a r g e u r du p r o d u i t , âgé de 2, 7 , 14 e t 28 j o u r s , à m i s en évidence l e phénomène s u i v a n t ( f i g u r e 16) :

- d é c r o i s s a n c e sys témat ique du n iveau d e v i t e s s e , l o c a l i s é e du c ô t é du t i r o i r de bé ton de masse,

- a m p l i f i c a t i o n de c e t t e décro i s sance en f o n c t i o n du nombre de p r o d u i t s f a b r i q u é s p a r planche.

Après d e s i n v e s t i g a t i o n s complémentaires p o r t a n t en . p a r t i c u l i e r s u r l ' e f f i c a c i t é de l a v i b r a t i o n , il a é t é déterminé que l a mise en p l a c e du bé ton f r a i s dans l e s moules ne s e f a i s a i t pas de façon homogène.

Tiroir béton d e parement

Niveau 9

Position vibreurs

Tiroir béton de masse

Sans d u déplacement

VTL : v i t e s s e s u i v a n t l a longueur

VT1 : v i t e s s e s u i v a n t l a l a r g e u r

Modèle T2

Tiroir

position

Tl 1 * d 75" Tiroir béton de masse

vibreurs

Modèle P3

FIGURE 16 : Niveau de vitesse en fonction de la position

des bordures sur la planche

5.2.2 - Cas des tuyaux Le tracé des courbes temps-distance obtenues à partir de prélèvements de tuyaux de diamètre 300 mm non armés, a permis de mettre en évidence et de localiser une zone de béton de qualité moindre. Cette constatation s'est vue confirmée par des mesures de masse volumique sur échantillons prélevés après rupture, en trois endroits du fût d'un même tuyau (figure 17).

Le décalage A correspond à un changement de pente caractéristique de la présence d'une zone limitée de béton de compacité plus faible.

La cause de ce défaut localisé a été attribuée à un manque d'efficacité de la vibration dans cette zone de béton résultant en grande partie de la conception des moules. Ceci a eu pour effet la mise en service de nouveaux moules assurant une meilleure répartition de la vibration au niveau des raidisseurs.

Par la suite, les résultats obtenus ont démontré que le décalage A avait été très sensiblement réduit.

Lorsque A = O (tous les points sont alignés) le béton est homogène sur la distance testée.

23s Diagramme des masses volumiaues

Béton de qualité moindre

FIGURE 17 : Exemple de courbe temps-distance - Visualisation d'un défaut localisé - Tuyaux (3 300 mm non armés

Les deux types d'essais non destructifs testés sur différents produits et usines ont mis en évidence des voies d'utilisation dans l'industrie du béton. Ces voies devraient permettre aux laboratoires des firmes de mieux assumer leur mission permanente de proposition et de surveillance.

En effet, la recherche d'une réduction du coût de fabrication d'un produit ou &'une amélioration des performances du matériel de production ne peut aboutir efficacement que si le laboratoire possède les moyens de visualiser rapidement et avec une confiance suffisante, la qualité des produits. Les essais de rupture pratiqués à des âges relativement élevés sont mal adaptés à ce besoin, de plus, ils ne fournissent pas d'information sélective sur la présence de défauts.

Ceci fait que l'intérêt d'introduire les essais non destructifs dans le cadre règlementaire d'un contrôle continu n'est pas négligeable. Par conséquent, il pourrait être envisagé à moyen terme une réduction très sensible de la fréquence des essais de rupture imposée par les règlements des certificats de qualification. Un chiffrage récent à établi que dans l'hypothèse d'une suppression de 90 % des essais de rupture, la réduction moyenne du coût des essais sur produits serait de :

- 0,2 % du chifre d'affaires par usine de tuyaux non armés (avec méthode de fréquence de résonance),

- 0,s % du chiffre d'affaires par usine de bordures et caniveaux (avec méthode de vitesse d'impulsions sonores).

Compte tenu de l'approche favorable qui a résulté de cette étude, il s'avère nécessaire de poursuivre l'investigation sur les produits déjà testés (en particulier sur la validité dans le temps des courbes de correspondance), mais également vers d'autres productions qui font partie du domaine potentiel d'application de ces méthodes.

7 - A N N E X E ----------------- -----------------

DESCRIPTION DES ESSAIS EN USINE - PRINCIPE DES MATERIELS UTILISES

7.1 - METHODE DE VITESSE D'IMPULSIONS ULTRASONORES 7.1.1 - Les bordures et caniveaux Les essais ont été réalisés suivant le mode par transparence. La célérité est d'autant plus .élevée que le matériau est compact, donc résistant.

Pièce en béton

/

- m e t t e u r y/

w Schéma général de la méthode

La vitesse de propagation de l'onde est donnée par l'expression :

où : V (m/s) désigne la vstesse de propagation de l'onde dans le béton T par transparence,

e ( l'épaisseur du matériau séparant l'émetteur du récepteur,

t (s) le temps,.indiqué par l'appareil, mis par l'onde pour traverser l'épaisseur e du matériau.

Par produit, il est pratiqué deux types de mesures :

- Suivant la longueur : ------------------- Les transducteurs sont centrés sur les faces latérales opposées dans un même plan horizontal.

La longueur de parcours de l'onde est supposée égale 100 f_ 1 cm (tolérance fixée par la norme NF P 98.302 "Bordures et Caniveaux préfabriqués en béton").

Il est effectué.une mesure par élément. Il sera pris pour la détermination des valeurs de vitesse la longueur théorique, soit de la bordure ou du caniveau.

MODE O P E R A T O I R E

V I T E S S E D ' I M P U L S I O N S U L T R A S O N O R E S S U R TUYAUX

(mode semi-direct)

- Suivant la largeur : ------------------ La position des transducteurs est la suivante :

Face arrière Orientation de pose Erne tteur

Les longueurs de parcours de l'onde sont prises égales aux valeurs mentionnées dans la norme NF P 98.302 (tolérance + 5% avec un maximum de - + 1 cm). -

L'appareil utilisé est du type PUNDIT, équipé de transducteurs plans, de diamètre 50 mm et de fréquence d'émission égale à 54 kHz.

7.1.2 - Les tuyaux d'assainissement Seul le mode semi-direct convient. Sa description est donnée ci-dessous :

L'émetteur (EM) étant fixe et horizontal, le récepteur (RE) se déplace sur une génératrice tous les 40 cm (ou 20 cm) à partir de l'extrémité mâle. Il est pris une mesure de valeur de temps de parcours en chaque point (5 ou 10 mesures par génératrice).

RE mobile

Schéma de principe

La pente de la droite temps-distance correspond à la vitesse de propagation des ondes dans le béton (VSD).

L'appareil utilisé est du type CECP (1) de ROUEN, équipé de transducteurs à pointe, de fréquence d'émission 40 kHz.

7.2 - METHODE DE FREOUENCE DE RESONANCE

7.2.1 - Les tuyaux d'assainissement Cette méthode est originale par le fait qu'à notre connaissance son application sur des tuyaux en béton n'a jamais été réalisée auparavant.

(1) Centre dlEtudes et de Constructions des Prototypes

MODE O P E R A T O I R E

M E S U R E D E L A F R E Q U E N C E D E R E S O N A N C E S U R TUYAUX

(mode e n f l e x i o n )

Le mode opératoire adopté s'inspire de la vibration de flexion. les tuyaux ont un positionnement correspondant à un amortissement minimal (noeuds de vibration). Ils vibrent sous l'action d'un marteau avec tête en caoutchouc. Un capteur centré sur les appuis enregistre la vibration.

Par tuyau, il est pris 10 mesures.

Schéma de principe

Schéma d'un appui

L'appareil utilisé est du type GRINDO-SONIC.

C l 1 V.11. MALHOTRA, G.G. CARETTE, G. MAILHOT, A. BISAILLON

In place concrete strength : new pullout methods A C 1 Journal - Décembre 1979 -

[2 ] J. A. BICKLEY

Pull out t'esting of concrete : Cast-in-place device enables concrete to be'evaluated in the structure with only minor damage Concrete Construction - Juillet 1981 -

[ 3 ] J.A. BICKLEY

The variability of pullout tests and in-place concrete strength Concrete International - Avril 1982 -

1 4 1 A.J. CHABOWSKI et D.W. BRYDEN-SMITH

A simple pull-out test to assess the strenght of in-situ concrete B.R.E. Current Paper - Juin 1977 -

C51 A.J. CHABOWSKI et.D.W. BRYDEN-SMITH

Interna1 fracture testing of in-situ concrete : a method of assessing compressive strenght B.R.E. Information - Octobre 1980 -

[ 6 ] R. JOHANSEN

In situ strength evaluation of concrete - the break-off method Concrete International - Septembre 1979

[ 7 ] M. J . CHEFDEVILLE La résistance à la compression du béton - Sa mesure par le scléromètre de Schmidt Annales de l'Institut Technique du Bâtiment et des Travaux Publics - Novembre' 1955 -

[ 8 ] A.MOMMENS

La précision de l'estimation de la résistance du béton au moyen de l'indice sclérométrique Revue Matériaux et Construction - Janvier-Février 1977 -

[ 91 J . H . BUNGEY Testing by penetration resistance Concrete - Janvier 1981 -

A. SANCHEZ

Essais sur éléments de bordures-caniveaux coulés en place CERIB - Procès-verbaux d'essais no 8 1 Q 104 et 8 1 Q 123 - Octobre-Novembre 1981 -

A. DURAND

Contribution à l'étude de la propagation des ultrasons dans les bétons Thèse présentée à l'Université de NANCY 1 - Avril 1981 -

J. PRIVAT

Evaluation de la qualité du béton par la mesure de la vitesse de propagation du son Bulletin technique du bureau Véritas - Avril 1980 -

H.N. TOMSETT

The pactical use of ultrasonic pulse velocity measurements in the assessment of concrete quality Magazine of Concrete Research, no 110 - Mars 1980 -

M. CHATRE, J.C. GOURLAOUEN et G. POIRSON

Application de la détermination de la fréquence de résonance au contrôle des produits réfractaires Congrès de contrôle non destructif à MAYENCE - Avril 1978 -

P.E. BOILEAU, M. GRENIER et M.F. LEACH

A modified resonance method for deterrnining elastic moduli N.D.T. International - Avril 1981 -

A. SAMARIN et P. MEYNINK

Use of combined ultrasonic and rebound hammer method for determining strength of concrete structural members Concrete International - Mars 1981 -

Y. COLLET

Pour un auto contrôle de fabrication à très jeune âge des prodults en béton Revue "Béton", no 55 - Avril 1980 -

Utilisation de la variation de la vitesse longitudinale des ultrasons dans le béton, en fonction du temps, dans le contrôle des produits manufacturés Revue Matériaux et Constructions, no 95 - 1983 -

Norme française NF P 16.341

Canalisations, tuyaux circulaires en béton armé et non armé pour canalisations d'assainissement A.F.N.O.R. - PARIS -

FASCICULE No 70

"Canalisations d'assainissement et ouvrages annexes" du Cahier des Clauses Techniques Générales (C.C.T.G.) applicables aux marchés de travaux publics Bulletin Officiel du Ministère de l'Environnement et du Cadre de Vie et du Ministère des Transports - PARIS -

Norme francaise NF P 98.302

Bordures et Caniveaux préfabriqués en béton A.F.N.O.R. - PARIS -

Recommandations de la RILEM

- Les essais sur béton par la méthode de l'auscultation dynamique Annales de l'Institut Technique du Bâtiment et des Travaux Publics - Supplément au no 309 - 310 - Septembre-Octobre 1973 -

- Recommandations pour l'emploi de la méthode de fréquence de résonance dans le contrôle des éprouvettes en béton Revue Matériaux et Constructions, no 95 - 1983 -