Développement de méthodes RF pour la caractérisation hydrique et l’évaluation non destructive de matériaux cimentaires et d’éco-matériaux cimentaires - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Development of RF methods for moisture characterization and non-destructive evaluation of cementitious materials and eco-cementitious materials

Développement de méthodes RF pour la caractérisation hydrique et l’évaluation non destructive de matériaux cimentaires et d’éco-matériaux cimentaires

Résumé

This research work focuses on the development of RF electromagnetic methods with a view to characterize the hydric properties of some cementitious materials, in particular eco-materials. A goal related to issues regarding building and civil engineering applications. Indeed, the performance and the mechanical properties of such materials depend on their hydric features. Hence, it is important to measure them, either for material characterization purposes, or for in situ applications, such as structural health monitoring (SHM).In such a context, RF dielectric measurements have the advantage of being sensitive to moisture, thanks to the strong contrast between the dielectric permittivity of water and that of the other constituents of the material. Besides, non-destructive or non-invasive RF sensing techniques can be envisaged.The first part of this work focuses on hemp concrete, an eco-material featuring a high porosity which is used in buildings for moisture and temperature regulation.Firstly, we have characterized the dielectric spectrum of hemp concrete samples coupled to their sorption cycle using RF measurements in an waveguide cell operating in the [1.72 - 2.61] GHz band. We have studied the measurement errors, which were found to be low; as well as the variability of the dielectric features of several hemp concrete samples.Secondly, we have used the measured dielectric data to design non-invasive hydric sensors operating at 2.4 GHz consisting in patch antennas used as reflectometry probes. At such a frequency, the patch surface allows the sensor to probe the representative elementary volume of hemp concrete. Several sensors have been manufactured and characterized. They feature good linearity and sensitivity of the resonant frequency to the material water content.In addition to these non-invasive sensors, we have designed and manufactured a microstrip two ring resonator device, with localized moisture measurements inside a hemp concrete wall in view. The simulation and the sensor characterization results are encouraging.In the last part of this work, we deal with a more conventional cementitious material, namely a mortar: i.e. a mixture of cement, water and sand, for which we propose an RF approach for monitoring hydration (chemical reaction between cement and water). The latter is based on the measurement of the dielectric permittivity of the mortar by means of an open-ended coaxial probe and on a dielectric model based on mixing laws, which combine the volume fractions (which change during hydration) and the dielectric permittivity of the mortar constituents. The experimental study, carried out for a given mortar sample, shows a good sensitivity of the RF measurements to the ongoing hydration, with results consistent with the phenomena at stake.
Cette thèse porte sur le développement de méthodes électromagnétiques RF en vue de caractériser les propriétés hydriques de matériaux cimentaires et en particulier d’éco-matériaux. Un objectif sous-tendu par des enjeux pour le bâtiment et le génie civil. En effet, les performances et les propriétés mécaniques de ces matériaux sont liées à leurs caractéristiques hydriques, d’où le besoin de les mesurer, soit pour la connaissance des matériaux, soit pour des applications sur site (contrôle santé intégré ou autres). Face à ces enjeux, les mesures diélectriques RF ont l’intérêt d’être sensibles à l’humidité, grâce au fort contraste entre la permittivité diélectrique de l’eau et celle des autres constituants du matériau, et d’autre part de permettre des dispositifs non destructifs ou non invasifs.Cette thèse s’intéresse d’abord au béton de chanvre (BDC), un éco-matériau, caractérisé par une grande porosité, utilisé dans les bâtiments à des fins de régulation climatique (notamment hydrique).Nous avons caractérisé son spectre diélectrique couplé au cycle hydrique (adsorption-désorption) au moyen de mesures de paramètres S en cellule RF sur la bande [1,72 – 2,61] GHz et d’un algorithme d’inversion basé sur un modèle analytique. Nous avons étudié les incertitudes des mesures RF et celles du spectre diélectrique estimé, qui se sont révélées faibles ; ainsi que la dispersion entre plusieurs échantillons de BDC.Dans un second temps, nous avons utilisé ces données de permittivité diélectrique, dont les variations sur le cycle de sorption du BDC sont significatives, pour concevoir des capteurs hydriques non invasifs opérant vers 2,4 GHz. Il s’agit d’antennes en circuits imprimés utilisées comme sondes de réflectométrie. A ces fréquences, leur surface leur permet d’interagir avec le volume élémentaire représentatif du BDC. Plusieurs capteurs ont été fabriqués et caractérisés. Ils présentent une bonne linéarité et une bonne sensibilité de la fréquence de résonance à la teneur en eau du matériau.Outre ces capteurs non invasifs, nous avons conçu et réalisé un dispositif à base de résonateurs en anneaux destiné à des mesures localisées d’humidité au sein d’un mur de BDC. Ceci en vue d’étudier son effet tampon hydrique. Les simulations réalisées et la caractérisation des capteurs sont encourageantes.Dans une dernière partie nous nous nous sommes intéressés à un matériau cimentaire classique, à savoir un mortier : mélange de ciment, de sable et d'eau, pour lequel nous proposons une approche RF de suivi d'hydratation (réaction chimique entre le ciment et l’eau). Celle-ci repose sur une mesure de la permittivité diélectrique du mortier au moyen d'une sonde à effet de bout et sur une modélisation diélectrique basée sur des lois de mélange, combinant fractions volumiques (évoluant au cours de l’hydratation) et permittivités diélectriques des constituants en présence. L’étude expérimentale, menée pour un dosage de mortier, montre une bonne sensibilité des mesures RF à l’hydratation du milieu avec des résultats cohérents avec les phénomènes en jeu au long de la réaction.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03356098 , version 1 (27-09-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03356098 , version 1

Citer

Mehdi Ferhat. Développement de méthodes RF pour la caractérisation hydrique et l’évaluation non destructive de matériaux cimentaires et d’éco-matériaux cimentaires. Autre. Université Paris-Saclay, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UPAST064⟩. ⟨tel-03356098⟩
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