Mechanical characterisation of the first centimeters of concrete with surface waves
Caractérisation mécanique des premiers centimètres du béton avec des ondes de surface
Résumé
Cover concrete is the part of concrete structures directly in contact with the outside. Its thickness is a few centimetres and its main role is to protect reinforcement bars. Surface waves with wavelength varying from a few millimetres to a few centimetres are used to characterise this cover concrete. An estimation of the properties of the propagation of waves (phase and group velocities, damping factor) may allow us to evaluate mechanical properties and to detect possible damages. However, these waves will interact strongly with the numerous heterogeneities of the concrete (sand, aggregates, . . .) which dimensions are close to the wavelength. Waves will propagate in a multiple scattering regime. These eects have to be quantied in order to separate them from other effects linked to mechanical properties. And analytical and numerical study present theories of effective mediums to describe coherent wave propagation in an elastic matrix with random elastic inclusions. These models are then extended to take into account the viscoelasticity of the materials and the granulometry. We quantify with such model the importance of multiple scattering on surface wave propagation in concrete. Experimental measurements are carried on, using a specic protocol and ecient signal processing methods, allowing precise evaluation of phase and group velocity and of the damping factor of coherent surface waves on concrete or mortar slabs. The results show that these three parameters can provide complementary information on concrete properties (water to cement ratio, aggregate distribution, . . .), but also on other phenomenon like varying effective properties with depth. Effects of multiple scattering predicted by the model are experimentally observed, which opens interesting perspectives for the inverse problem.
Le béton d'enrobage, dont le rôle essentiel est de protéger les armatures d'acier, est la partie du béton épaisse de quelques centimètres en contact direct avec le milieu extérieur et donc soumise aux attaques d'agents agressifs (eau, chlorures, ...). Des ondes de surface de longueurs d'onde millimétriques à centimétriques sont utilisées pour le caractériser. L'estimation des paramètres de propagation de ces ondes (vitesses de phase, de groupe, facteur d'amortissement) peut nous permettre d'évaluer des propriétés mécaniques et de déceler d'éventuels endommagements. Cependant ces ondes interagissent fortement avec les nombreuses hétérogénéités du béton (sable, granulats, ...) dont les dimensions sont comparables aux longueurs d'ondes. La propagation se fait alors en régime de diffusion multiple. Ces effets doivent être quantifiés afin de pouvoir être dissociés des effets liés aux propriétés mécaniques recherchées. Une étude analytique puis numérique présente les théories des milieux effectifs décrivant la propagation d'ondes de volume cohérentes dans le cas d'inclusions élastiques dans une matrice élastique. Ces modèles sont ensuite étendus pour prendre en compte la iscoélasticité et la distribution de taille de granulats. L'importance des effets de la diffusion multiple sur la propagation des ondes de surface est ainsi quantifiée. Parallèlement, un protocole expérimental associé à des méthodes de traitement du signal adaptées est mis en place pour évaluer de manière précise les vitesses de phase, de groupe, et l'atténuation des ondes de surface cohérentes sur des dalles de béton ou de mortier. Les résultats obtenus montrent que les variations de ces trois observables donnent des informations complémentaires sur différentes propriétés du béton (rapport eau sur ciment, distribution de granulats,...) mais aussi sur la présence de variations de propriétés avec la profondeur. Les effets de la diffusion multiple prédits par le modèle sont observés expérimentalement ce qui ouvre une perspective intéressante en vue de poser le problème inverse.
Loading...