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Thermogram’ 2011 203

Châlons en Champagne, 8 et 9 décembre 2011 Congrès National de Thermographie THERMOGRAM' 2011

CONTRÔLE NON DESTRUCTIF DES BÉTONS RENFORCÉS

PAR THERMOGRAPHIE ACTIVE PAR INDUCTION

F. BRACHELET, T. DU, E. ANTCZAK, D. DEFER

Laboratoire Génie Civil et géo-Environnement (LGCgE) Faculté des Sciences Appliquées Technoparc Futura 62400 Béthune

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Résumé

L’auscultation des gaines de précontrainte et des aciers passifs dans les ouvrages d’art reste difficile à cause de leur non accessibilité, bien qu’il existe des techniques d’imagerie connues telles que la gammagraphie. Ce travail présente le développement d’une nouvelle méthode d’auscultation basée sur la thermographie infrarouge active. Des corps d’épreuve incluant des défauts connus ont été réalisés en laboratoire. Leurs armatures métalliques sont sollicitées thermiquement par un dispositif d’induction électromagnétique. Une caméra de thermographie infrarouge enregistre l’évolution du champ de températures à la surface de l’élément. Une nouvelle approche systémique basée sur l’analyse de fonctions de transfert est présentée. Ce mode de traitement des thermogrammes montre l’intérêt des images de déphasage quant à la localisation des câbles et la détection d’éventuels défauts d’injection.

1 – INTRODUCTION Le parc français des ouvrages d’art réalisés en béton précontraint compte plusieurs milliers de réalisations. Les gestionnaires de ces ouvrages sont enclins à vérifier des systèmes de précontrainte

dans le cadre d’un effort de surveillance, d’entretien, ou pour tenir compte de l’accroissement des charges sensiblement plus importantes que celles définies lors de leur conception. Les auscultations menées sur des ouvrages réalisés durant une période allant de 1950 à 1970 conduisent à des réparations souvent majeures. Bien que certains contrôles destructifs restent incontournables, ne serait-ce que pour la confection d’échantillons destinés aux essais de compression ou d’analyses physico-chimiques révélant d’éventuelles pathologies, les contrôles non destructifs doivent être privilégiés. Les techniques de précontraintes ont largement été mises en œuvre sans réel souci de rendre possible une auscultation ultérieure du système de précontrainte, notamment celle de l’état d’injection des gaines. Le développement de nouvelles techniques d’auscultation des ouvrages en béton précontraint reste donc un domaine ouvert à de nombreuses innovations. Parmi les objectifs des contrôles non destructifs, la localisation des câbles et la détection des vides d’injection sont des priorités (Dérobert et al., 2002). Des imperfections d’injection de coulis lors de la réalisation de l’élément précontraint entraînent la présence de vides dans la gaine entourant les câbles. Ce type de défaut d’injection autour d’un câble

peut initier un phénomène de corrosion, accéléré par l’infiltration d’eau dans ce vide. Cette corrosion des câbles peut conduire, dans les cas extrêmes, à leur rupture fragilisant ainsi l’ensemble de l’ouvrage. Parmi les techniques d’auscultation de la structure interne des ouvrages (Breysse et al., 2005), il n’existe actuellement pas de technique fiable de substitution à la radiographie présentant le même rendement. La technique de radiographie reste onéreuse et parfois difficile à mettre en œuvre sur le terrain au regard des contraintes de radioprotection et d’exploitation des ouvrages. De plus, la mise en œuvre de cette technique requiert d’avoir accès aux deux faces des parements de l’ouvrage. Face à ces contraintes, différents travaux de recherche sont actuellement menés afin de mettre au point une ou des méthodes d’auscultation qui compléteraient voire se substitueraient à la radiographie. La technique d’auscultation proposée dans ce travail est basée sur la propagation de la chaleur au sein de la structure en béton. Les premières tentatives pour localiser le tracé des armatures par voie thermographique ont montré qu’il était possible de déterminer le tracé des câbles en les sollicitant thermiquement et en relevant l’effet de la perturbation à la surface du parement à l’aide d’une caméra

de thermographie infrarouge (De Halleux et al., 1998). Le chauffage des armatures assuré par un générateur de forte puissance présente cependant certains inconvénients, ce qui nous conduit à employer une technique de chauffage par induction (Ostrowski, 2005). Celle-ci est peu usitée dans le domaine du contrôle non destructif par thermographie infrarouge en génie civil (Wiggenhauser, 2002).



2 - DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

2.1 - Corps d’épreuves

Les vues en coupe longitudinale des corps d’épreuve réalisés sont présentées Figure 1.

Figure 1 - Vue en coupe des spécimens A,B & C

De géométrie prismatique, leurs dimensions sont de 0,1 x 0,1 x 1,5 m3. Ils comportent une armature métallique de 12 mm de diamètre, coaxiale à leur axe longitudinal. Les formulations, à base de ciment CEM 1, du béton et du coulis utilisés pour réaliser les trois corps d’épreuves sont identiques. Le coulis est composé d’un simple mélange eau et ciment.

• le spécimen A est l’échantillon de référence, il ne présente pas de défaut. Le coulis est parfaitement injecté sur toute la longueur de la barre ;

• le spécimen B comporte une gaine PVC de 25 mm de diamètre intérieur. Seule la moitié du volume de la gaine est remplie de coulis, l’autre moitié est vide, s’apparentant à un défaut d’injection ;

• le spécimen C est similaire au A. Il comporte en plus une armature passive placée devant l’armature centrale. Le coulis est parfaitement injecté sur toute la longueur de la barre.

Des thermocouples ont été placés sur l’armature métallique tous les 15cm afin de mesurer son élévation en température lors des essais.

2.2 - Dispositif de chauffage

Les premiers essais ont été réalisés à l’aide d’un générateur électrique de forte intensité directement relié à l’armature métallique. L’énergie y est dissipée par effet Joule. Ce mode de sollicitation directe requiert d’avoir une faible résistance électrique de contact entre les fils d’alimentation et l’armature métallique. Cette condition est difficile à obtenir en pratique et conduit à des températures élevées au niveau des contacts. La nécessité d’avoir accès aux câbles est une limitation importante de cette méthode et rend son utilisation problématique sur des ouvrages réels. Nous avons donc opté pour un chauffage non intrusif et sans contact des câbles par induction électromagnétique. Le béton ne

perturbant pas le passage du champ magnétique à travers l’épaisseur du béton de recouvrement de la poutre, il suffit dans cette configuration expérimentale que les spécimens soient placés sur les bras de l’inducteur. Son principe de fonctionnement repose sur un circuit LC parallèle accordé sur une fréquence de 50 Hz en charge. Le champ magnétique se referme par les armatures métalliques de la

barre, ce qui provoque l’induction de courants de Foucault. Ces courants provoquent l’échauffement de l’armature métallique par effet Joule. La largeur de l’entrefer offre une zone de sollicitation d’une longueur de 50 cm.

2.3 - Procédure expérimentale

La procédure expérimentale dans cette étude consiste à commander l’inducteur par un signal dont la

forme d’onde est un créneau. La puissance injectée dans la barre se diffuse à travers l’échantillon. Il se crée alors un gradient de température qui évolue dans le temps en fonction de la géométrie de l’échantillon et de ses propriétés thermophysiques.

Figure 2 - Dispositif expérimental

D’éventuels défauts tels que des anomalies de remplissage de la gaine à l’intérieur des spécimens vont modifier localement les conditions de diffusion de la chaleur, ce qui

va se traduire par une distribution spatio-temporelle non-uniforme des températures à la surface du spécimen. Les thermogrammes de la surface du spécimen, enregistrés à intervalles réguliers, sont ensuite traités par analyse fréquentielle

afin de mettre en exergue les défauts d’injection et de pouvoir s’affranchir d’éventuelles non uniformités de la sollicitation ou de variations de l’émissivité du parement. Une caméra sensible aux ondes moyennes a été employée ; elle est équipée d’un détecteur matriciel 320x256 MWIR en InSb et présente un NETD typique de 25mK. Lors des essais, la caméra est placée en face de la zone sollicitée à une distance de 2 mètres. Les thermogrammes sont enregistrés à la fréquence de 0,2 Hz, soit un tous les 5 secondes. Un système d’acquisition mesure l’évolution des températures de la barre grâce aux thermocouples qui y ont été insérés lors de sa fabrication.

3 - ANALYSE DES THERMOGRAMMES PAR FONCTIONS DE TRANSFERT

3.1 - Thermogrammes bruts

Les premiers essais ont été réalisés avec un chauffage d’une durée de 10 minutes. L’analyse des

thermogrammes bruts du spécimen A, Figure 3a, montre l’apparition de deux zones plus chaudes disposées de part et d’autre de l’axe médian de la poutre. Ces deux zones plus chaudes montrent que le chauffage n’est pas réparti uniformément le long de la barre métallique. Cette hypothèse est vérifiée par les mesures relevées à l’aide des thermocouples insérés sur l’armature métallique lors de la construction du spécimen. Une même non uniformité du chauffage est visible sur le spécimen B. Les contrastes observés entre la zone supposée saine et celle défectueuse sont néanmoins bien marqués.



Figure 3 - Thermogrammes spécimen sans défaut (gauche) et thermogrammes spécimen avec défaut d’injection (droite).

3.2 - Analyse par fonctions de transfert

Dans un souci de résolution des problèmes liés à une non uniformité de chauffage, nous proposons de passer par une méthode d’analyse fréquentielle. Cette méthode originale, décrite Figure 4, considère la poutre comme un ensemble de systèmes caractérisés par leurs fonctions de transfert. Le signal d’entrée est représenté par le créneau de puissance envoyé par l’inducteur au niveau de l’armature centrale et les signaux de sortie sont les évolutions temporelles des températures de chaque zone élémentaire associée à un point élémentaire. Les thermogrammes enregistrés à intervalles réguliers permettent de relever, pour une zone élémentaire, l’évolution temporelle de sa température. Chaque zone élémentaire sera donc caractérisée par une fonction de transfert. Le passage dans le domaine

fréquentiel est assuré par une transformation de Fourier appliquée aux signaux d’entrée et de sortie. Pour une surface élémentaire vue par un détecteur de la caméra, la fonction de transfert Hij(f) est définie comme étant le rapport du signal de sortie sur celui de l’entrée dans le domaine fréquentiel, soit Yij(f)/X(f).

Figure 4 - Traitement fréquentiel des thermogrammes

Cette fonction Hij(f) étant un nombre complexe, elle peut être représentée par son module et son argument pour chaque fréquence d’analyse. L’ensemble de ces fonctions de transfert permet de reconstituer pour chaque fréquence des images du module et du déphasage pour la surface extérieure de la poutre.

L’intérêt de cette méthode est de définir une origine commune aux phases et donc de pouvoir comparer leur valeur pour une fréquence donnée. Des travaux ont montré que l’utilisation des images de phase permet de s’affranchir des inhomogénéités de chauffage et des différences d’émissivité de la surface de l’échantillon (Maldague et al., 1996).

4 - RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX

4.1 - Images de phases et d’amplitudes des spécimens A et B

Ce traitement fréquentiel par fonction de transfert, appliqué aux spécimens A et B, conduit

respectivement aux résultats des Figures 5 et 6. Elles montrent deux séries d’images d’amplitude et de phase calculées pour des fréquences allant de 0,0029 à 1,5 mHz. La durée de la sollicitation a été de 5 minutes et les thermogrammes ont été enregistrés toutes les 5 secondes pendant deux heures. Les images d’amplitude des spécimens A et B montrent que ce type de traitement fréquentiel est sensible à la non uniformité du chauffage. Par conséquent les images d’amplitudes ne permettent pas de conclure sur la présence éventuelle de défauts d’injection. Par contre, les images de phase révèlent plus clairement les discontinuités internes des spécimens. L’image de phase du spécimen A, réalisé sans défaut, montre le tracé continu de l’armature métallique centrale. L’image de phase du spécimen B montre quant à elle une discontinuité située à la moitié de sa longueur. Cette discontinuité correspond à la transition entre la zone correctement injectée et celle vide de coulis. Les images obtenues pour des fréquences supérieures à 1 mHz ne sont pas utilisables car les composantes sont trop fortement atténuées par l’épaisseur de béton.

Figure 5 - Images d’amplitude et de phase du spécimen A sans défaut en fonction de la fréquence



Figure 6 - Images d’amplitude et de phase du spécimen B avec défaut en fonction de la fréquence

4.2 - Evolutions des phases dans l’axe central des spécimens A et B

Les deux courbes présentées figure 7, présentent respectivement à gauche et à droite l’évolution des phases le long de l’axe médian des poutres saine et avec défaut. Les images de phase montrent que l’axe médian correspond au tracé de l’armature métallique. L’axe des abscisses (x) représente la position des points de cette ligne médiane, l’axe des ordonnées (y) leurs phases et l’axe des z leurs

fréquences. Le nombre d’images utilisé pour le traitement fréquentiel conduit à une représentation discrète des fréquences dont chaque point est un multiple de 0,09765 mHz.

Figure 7 - Evolution de la phase dans l’axe central pour les spécimens A et B

Pour le spécimen sans défaut, à gauche, la représentation tridimensionnelle montre une décroissance quasi uniforme des phases en fonction des fréquences. La projection des iso valeurs de phase sur le plan (xOz) montre des lignes quasiment droites et parallèles traduisant une répartition identique des phases le long de l’axe des abscisses pour chaque fréquence. Les valeurs obtenues pour les fréquences élevées, supérieures à 1,5.10-3 Hz, ne sont pas représentées car elles ne sont pas exploitables (atténuation). Cette représentation valide l’hypothèse qu’il est possible de s’affranchir de la non-uniformité du chauffage en analysant les valeurs de phases en

fonction de la fréquence sur ce type de spécimen sans défaut. L’évolution des phases dans l’axe médian pour la poutre présentant des défauts montre une cassure dans l’évolution fréquentielle des phases et traduit la présence du défaut.

4.3 - Spécimen avec des armatures passives

Le spécimen C a été placée sur l’inducteur et soumise à une sollicitation thermique durant 300 secondes. La série des thermogrammes obtenue est présentée Figure 8.

Figure 8 - Images de phases et thermogrammes bruts du spécimen C

L’analyse des thermogrammes bruts laisse apparaitre que la barre horizontale de l’armature passive étant plus proche de la surface de la poutre, elle apparait plus rapidement que dans les cas précédents. Les petites barres verticales sont également visibles sur les thermogrammes. A partir de 600 secondes, l’influence du chauffage de la barre centrale est clairement visible. A partir de 900 secondes, la diffusion thermique rend ces thermogrammes bruts difficilement interprétables. La non-uniformité du chauffage est plus faiblement perceptible au début de l’essai car la barre horizontale est plus fine que la barre métallique centrale. Ensuite, la non-uniformité du chauffage se révèle plus marquée car elle provient de la barre centrale qui en étant plus massive délivre une puissance plus importante mais retardée. Les conducteurs verticaux placés aux extrémités de la poutre chauffent plus que ceux placés entre les deux bras de l’inducteur. Les conducteurs verticaux placés aux extrémités sont placés sur le trajet du flux magnétique, ils sont donc soumis à des courants de Foucault. Les autres conducteurs verticaux

intermédiaires sont placés perpendiculairement à ce flux magnétique et ne sont pas le siège de courant induits, ils sont donc moins visibles. Le traitement fréquentiel précédemment décrit a été appliqué à cette série de thermogrammes, les résultats obtenus pour les images de phase sont présentés sur la partie gauche de la Figure 8. Ces résultats ne peuvent laisser supposer l’existence d’une première barre plus fine au premier plan comme c’est le cas. La présence de barres verticales est visible. Les barres situées aux extrémités de la poutre apparaissent clairement, par contre les trois barres intermédiaires ne sont pas visibles sur toute la longueur. Aux endroits où se situent les barres, une discontinuité des valeurs de phase est visible le long de l’axe médian horizontal. La présence de ces barres verticales affecte le transfert du flux vers la surface et se traduit par une température plus faible sur les thermogrammes bruts.



5 - CONCLUSION Ce travail a démontré les possibilités d’application du chauffage par induction aux armatures métalliques d’une poutre en béton. Les difficultés d’interprétation, dues à la non-uniformité du

chauffage, des thermogrammes bruts et des images d’amplitude ont pu être contournées par l’utilisation des images de phases après ce traitement d’analyse des thermogrammes par fonctions de transfert. Ces images de phases sont donc moins sensibles à la non uniformité du chauffage par induction et révèlent plus clairement les discontinuités internes des spécimens testés. La durée de la sollicitation mérite d’être optimisée afin de réduire le temps d’acquisition des thermogrammes. Des développements futurs porteront également sur la conception d’un nouvel inducteur plan présentant un champ d’induction plus large et plus homogène.

REMERCIEMENTS Le développement de ces travaux s’est déroulé dans le cadre du projet ACTENA, sur l’Auscultation des Câbles Tendus Non Accessibles dirigé par l’IFSTTAR et EDF R&D avec le support de l’Agence Nationale de la Recherche.

BIBLIOGRAPHIE

Breysse D., Abraham O., Méthodologie d’évaluation non destructive de l’état d’altération des ouvrages en béton, Presses de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 2005.

Dérobert X., Aubagnac C., Abraham O., « Comparison of NDT techniques on a post-tensioned beam before its autopsy », NDT&E international, Vol.35, 2002, p.541-548.

De Halleux B., Dubois P.M., Maldague X.P.V., Michaux D., « Auscultation des ouvrages d’art pour établir le trace des armatures par voie thermographique », Comptes rendus 5ème colloque du CRIB-Sherbrooke sur les infrastructures de béton.

Maldague X.P.V., Marinetti S., « Pulse phase infrared Thermography », J. Appl Phys, 79(5):2694-8, 1996.

Ostrowski, C., Auscultation des ouvrages en béton par thermographie infrarouge active et passive, Thèse de doctorat, Université d’Artois, 2005.

Wiggenhauser H., « Active IR-applications in civil engineering », Infrared Physics & Technology, Vol. 43, 2002, p.233-238.

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