Controle Du Beton Arme Essais Non Destructifs

CONTROLE DU BETON ARME PAR DES ESSAIS NON DESTRUCTIFS

CONTROLE DU BETON PAR DES ESSAIS NON DESTRUCTIFS

1. INTRODUCTION D’une manière générale les problèmes de qualité rencontrés dans les structures en béton apparaissent à différentes phases de la réalisation des ouvrages, notamment lors de la confection du béton et lors de sa mise en œuvre. En effet, des désordres liés à l’homogénéité surviennent lors de la phase confection. Il est constaté que pour cette tâche, d’une part, le personnel affecté est non qualifié, et d’autre part, les soins adéquats ne sont pas apportés aux choix judicieux des matériaux de base constituants le béton. Aussi lors de la mise en œuvre, plusieurs paramètres liés à la qualité sont également concernés en raison du non respect des règles élémentaires de mise en œuvre. Compte tenu de ce qui a été précité, très souvent, des doutes sont émis sur la qualité des bétons mis en œuvre. Ces doutes mèneront généralement vers un contrôle sur les ouvrages réalisés. Plusieurs méthodes de contrôle peuvent être envisagés, parmi lesquelles on peut citer les plus couramment utilisées à savoir : • •

Les méthodes de contrôle destructifs ; Les méthodes de contrôle par des essais non destructifs.

La première méthode est généralement évitée car elle présente divers inconvénients, d’une part, par sa nature destructive, et d’autre part, les éprouvettes et les carottes ne sont pas tout à fait représentatives du béton de structure correspondant. Afin de contourner les inconvénients de la méthode destructive, une gamme d’essais in-situ, appelés essais non destructifs, a été développée, étant entendu que la structure peut être contrôlée sans toutefois modifier, ni sa performance ni son apparence.

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2. METHODE ULTRASONORE 2.1. VITESSE DE PROPAGATION DES ULTRASONS On produit un train d’impulsion de vibration au moyen d’un émetteur appliqué sur l’une des faces de l’élément à contrôler. Après avoir franchi une longueur de parcours (L) dans le béton, l’impulsion de vibration est convertie en un signal électrique à l’aide d’un récepteur et la base de temps électronique permet de mesurer le temps de propagation des ondes ultrasonores (T ). La vitesse de propagation des ultrasons est donnée par la formule : V= L T

… (1)

2.2. APPAREILLAGE L’appareil comprend les accessoires suivants : • • • • •

Des capteurs, Un générateur d’ondes, Un amplificateur, Un circuit de mesure du temps, Un affichage digital du temps.

Les normes P 18-414 de 1993, P 18-418 de 1989, ASTM C 597- 83 réapprouvée en 1991 et BS 1881 : partie 203 : 1986 spécifient les méthodologies des différentes méthodes. 2.3. DISTANCE MINIMALE DE PARCOURS On recommande une distance minimale de parcours de 150 mm pour les mesures en transmission directe et un minimum de 400 mm pour les mesures en surface, quoique cette dernière méthode ne nous renseigne pas sur la qualité de la couche de béton soujacente. 2.4. METHODES DE MESURE DE LA VITESSE DE PROPAGATION DES ULTRASONS 2.4.1. MESURES EN TRANSPARENCE DIRECTE : Utilisées dans le cas des éprouvettes ou de poteaux ou dans certaines poutres, les transducteurs ( émetteur et récepteur ) sont appliqués sur les deux faces de l’élément à tester.

E

Elément à tester

R

a

a L Fig.1. Mesures en transparence

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2.4.2. MESURES EN SURFACE Utilisées sur tous les éléments de structure et sur éprouvettes, plus particulièrement sur les dalles et éléments en longueur. L’émetteur est maintenu en un point fixe ; le récepteur est déplacé successivement à des distances marquées à l’avance. Après avoir relevé le temps correspondant à un point considéré, on passe au point suivant. Après avoir porté graphiquement les temps et les distances, on trace la droite moyenne de ces différents points dont la pente correspond à la valeur de la vitesse du son dans le milieu considéré.

E

R1

R2

R3

L1 L2 L3 α T1 T2 T3 Vitesse = pente = ∆L / ∆T Fig.2. Mesures en surface 2.4.3. MESURES EN TRANSPARENCE PAR RAYONNEMENT Cette méthode consiste à placer l’émetteur en un point fixe, et sur la face opposée ou perpendiculaire, on déplace à intervalle constant le récepteur sur une ligne.

R

E

2

3

n

Elément à tester

Fig.3. Mesures en transparence par rayonnement

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2.5. MODE OPERATOIRE 2.5.1. PREPARATION DE L’ELEMENT Pour qu ‘il y ait un contact parfait entre le béton et les transducteurs, il est recommandé d’employer un matériau intermédiaire entre les deux et en prenant soin de vérifier que l ‘appareil est bien appliqué contre la surface à tester. Les matériaux d’interposition sont la vaseline, un savon liquide ou une pâte constituée de Kaolin et de glycérol. Lorsque la surface de béton est très rugueuse, il est nécessaire de poncer et d’égaliser la partie de la surface où le transducteur sera fixé. 2.5.2. POINTS DE MESURES Le nombre de points de mesures dépend des dimensions de l’ouvrage testé. Pour un grand panneau ( dalle, voile, radier, …) les points de mesures sont situés aux intersections d’un quadrillage d’une maille de 0.5 m, le cas des petits éléments (poteaux, poutres…) les mesures se font en six points, (voir figures ci-dessous).

(a)

(b) Fig.4. Points de mesures a : un panneau (exemple : une dalle de 3 x 3 m2) b : un petit élément (exemple : en poteau de section b x b et de hauteur h)

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2.6. INFLUENCE DES ARMATURES La vitesse de propagation mesurée sur du béton armé, à proximité des armatures, est souvent plus élevée que celle que l’on mesure dans un béton de masse de même composition. En effet, la vitesse de propagation dans l’acier est de 1,2 à 1,9 fois celle que l’on mesure dans du béton non armé. Dans certains cas, la première impulsion qui arrive au transducteur s’est propagée en partie dans l’acier et en partie dans le béton. L’accroissement apparent de la vitesse de propagation dépend de la proximité des armatures par rapport à l’emplacement des points de mesure, de la section et de nombre des armatures, de leur positionnement par rapport au parcours et de la vitesse de cette impulsion dans le béton d’enrobage. 2.6.1. FERS A BETON PLACE PERPENDICULAIREMENT A LA DIRECTION DE PROPAGATION DE L’ONDE L’influence maximale due à la présence des armatures peut être calculée en supposant que pendant son parcours l’impulsion traverse la section totale de chacun des fers. Si « n » fers à béton de diamètre φi ( i variant de 1 à n ) se trouvent directement sur le parcours de l’impulsion, leurs axes faisant des angles droits par rapport au parcours de la propagation (voir Figure N°5), on peut écrire l’équation :

1− Ls Vc = L V 1− Ls.V L.VS

… (2)

Dans laquelle ; V : vitesse de propagation dans le béton armé, c’est –à- dire la vitesse mesurée. Vc : vitesse de propagation dans le béton seul Vs : vitesse de propagation dans l’acier L : longueur du parcours Ls = ∑ Qi : longueur du parcours dans l’acier. Les valeurs Vc/V sont données dans le tableau 1 pour différentes densités d’armatures et cela pour trois types de béton qui peuvent être classés de mauvais, bon et très bon.

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(a)

(b)

(c)

Fig.5. Mesures dans le béton armé a : Armatures perpendiculaires à la direction de la propagation ; b : Armatures parallèles à la surface d’essai ; c : Armatures parallèles à la direction de la propagation

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Vitesse de propagation dans le béton

Vc

Ls / L

=

V

Vitesse de propagation mesurée

Béton de très mauvaise qualité Vc= 3000m/s

Béton de bonne qualité Vc=4000m/s

Béton de très bonne qualité Vc=5000m/s

0.96 0.94 0.92 0.88 0.83 0.75

0.97 0.96 0.94 0.92 0.89 0.83

0.99 0.98 0.97 0.96 0.94 0.92

1/12 1/8 1/6 1/4 1/3 1/2

Tabl.1. Influence des armatures L’axe de propagation étant perpendiculaire à l’axe des aciers Il est probable que dans la pratique, Vc/V est un peu plus élevé que les valeurs données dans le tableau N°1, en raison du mauvais alignement possible des fers à béton et aussi parce que seul une petite partie de l’énergie d’impulsion traversera la section totale des armatures. 2.6.2.

AXE DE L’ARMATURE PROPAGATION

PARALLELE

A

LA

DIRECTION

DE

LA

Si l’armature se trouve située à une distance « a » déterminée à partir de la ligne reliant les points d’application les plus rapprochés des deux transducteurs et que la longueur de parcours entre ces deux transducteurs est L, le temps de transmission T, dans l’un ou l’autre des cas de figures 5b ou 5c,est : 2 2 T = L +2a Vs −Vc Vs Vs .Vc

pour

a < L

1. Vs − Vc 2 Vs + Vc

… (3)

a > 1. Vs − Vc L 2 Vs + Vc La valeur de la vitesse « Vs » peut être déterminée, en envoyant une impulsion le long de l’axe de l’armature enrobée par le béton. Cette valeur est comprise entre 6000 m/s et 5200 m/s . Les corrections à apporter à la vitesse de propagation mesurée dans la direction parallèle aux armatures sont données dans le tableau N°2.

Les armatures n’ont pas d’influence lorsque :

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Vitesse de propagation dans le béton a /L

= Vitesse de propagation mesurée dans le béton

Vc

= 0,90

Vs 0 1 /2 1/15 1/10 1/7 1/5 1/4

Vc

Vc

= 0,80

Vs 0.90 0.94 0.96 0.99 1.00 1.00 1.00

Vc

= 0,71

Vs 0.80 0.86 0.88 0.92 0.97 1.00 1.00

Vs

Vc

= 0,60

Vs 0.71 0.78 0.80 0.85 0.91 0.99 1.00

0.60 0.68 0.71 0.76 0.83 0.92 1.00

Tabl.2. Influence des armatures L’axe de propagation étant perpendiculaire à l’axe des aciers

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3. SCLEROMETRE 3.1. PRINCIPE L’essai au scléromètre consiste à projeter une masse sur la surface du béton avec une énergie initiale constante (figure 6). Suite au choc, une partie de l’énergie est absorbée par le béton ( énergie de déformation permanente ), l’autre partie provoque le rebondissement de la masse mobile qui est proportionnel à l’énergie restée disponible.

Masse Projetée

Energie de recul de la masse

M

M Béton

Energie absorbée

Béton

Fig.6. Principe du Scléromètre Il est indispensable que la masse du béton soit infinie par rapport à la partie mobile du scléromètre afin d’éviter l’obtention d’une énergie cinétique lors des essais. En cas d’essais sur éprouvettes, il est recommandé de fixer ces dernières entre les plateaux d’une presse. L’énergie d’impact est produite par un système de ressorts dont l’amplitude du mouvement de recul est fonction de : - L’énergie de recul - Caractéristiques des systèmes de ressorts Type de recul

Moyen de mesure

Recul linéaire

Un indicateur à lame

Recul angulaire

Un système de freinage Tabl.3. Moyens de mesure.

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3.2 INDICE DE REBONDISSEMENT L ‘indice de rebondissent est la mesure enregistrée sur une échelle graduée fixe par rapport au bâti de l’appareil de scléromètre, après la projection d’une masselotte chargée par ressort sur une tige métallique en contact avec la surface du béton. Cette mesure est fonction de l’angle d’inclination de l’appareil par rapport à l’horizontal.

Fig.7. Elément à tester par le scléromètre

Indice de rebondissement

Correction de la valeur de l’indice de rebondissement pour les différents angles d’inclinaison de l’appareil Essais vers le haut +90° +45°

20 >20 >30 >40 >50

Non valable -5,4 -4,7 -3,9 -3,1

Non valable -3,5 -3,3 -2,0 -2,1

Essais vers le bas -90° -45° +2,4 +2,4 +2,3 +2,0 +1,6

+3,2 +3,4 +3,1 +2,7 +2,2

Tabl.4. Correction de la valeur de l’indice de rebondissement en fonction de l’angle d’inclinaison

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3.3. APPAREILLAGE 3.3.1. SCLEROMETRE Le modèle le plus utilisé pour la détermination non-destructive de la résistance du béton sur la base du recul est le scléromètre SCHMIDT ( Suisse ). Il existe plusieurs modèles de scléromètres SCHMIDT selon le type de recul ainsi que l’énergie d’impact ( tableau.5). Type de recul Modèle

Linéaire

Energie d’impact ( Kgf.m*)

Domaine d’utilisation - Eléments minces en béton. - Bétons à base d’agrégats légers .

L

0.075

M

3.000

Eléments massifs.

N

0.225

Bétons usuels.

NA

0.225

Contrôle de la qualité du béton sous l’eau.

NR

0.225

Identique au modèle N mais avec un dispositif d’enregistrement des mesures.

LB

0.075

P

0.090

PT

0.090

Angulaire

Contrôle de la qualité des produits en terre cuite ( particulièrement des tuiles ). - Eléments ayant des dimension transversales réduites. - Bétons et enduits de moindre résistance. Contrôle de la qualité des matériaux de très faible résistance ( Rc = 5 à 80 kgf.m/cm2 ).

(*) 1 kgf.m = 9.81 J Tabl.5. Modèles des scléromètres existants L’appareil est composé d’une masselotte chargée par un ressort qui se projette sur une tige métallique appelée tige de percussion.

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Fig.8.

Fig.9.

Fig.10.

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Fig.11.

Fig.12.

Fig.13.

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3.3.2. PIERRE A POLIR La pierre à polir est une pierre abrasive de texture à grains moyens. Cette dernière est utilisée pour la préparation des surfaces de mesure. 3.3.3. BLOC D’ETALONNAGE Le bloc d’étalonnage, en néoprène armé, est de dimensions 25 cm x 25 cm x 6 cm. 3.4. ETALONNAGE DE L’APPAREIL Le scléromètre doit être contrôlé par des essais d’étalonnage, car les constantes des ressorts changent après plusieurs utilisations. Deux méthodes sont utilisées pour l’étalonnage du scléromètre : Sur bloc en néoprène armé Cette méthode consiste à effectuer sur le bloc en néoprène, posé sur une assise rigide et plane, deux séries de 27 mesures espacées de 5 s et à calculer la moyenne de l’indice sclérométrique lsm de la 2ème série. La position de l’appareil doit être verticale. Dans le cas où ; 28 ≤ lsm ≤ 32 : le fonctionnement de l’appareil est satisfaisant lsm < 28 ou lsm > 32 : appareil défectueux Dans le deuxième cas, il est procédé au nettoyage de l’appareil afin de déterminer une nouvelle fois la valeur de lsm. Si l’appareil est toujours défectueux, donc il est inutilisable. Une révision est nécessaire dans ce cas avec un certificat d’étalonnage. Sur éprouvettes de béton Cette méthode consiste à déterminer la moyenne de l’indice scléromètrique lsm par des mesures effectuées sur trois séries de trois éprouvettes de béton, correspondant aux trois résistances à la compression 15, 25 et 35 MPa. La moyenne de l’indice ls est déterminée pour chaque niveau de résistance. Les mesures de l’indice ls sont suivies d’un essai d’écrasement des éprouvettes. Les trois couples de valeurs sont reportés sur le graphique de la figure 14. Dans le cas où les trois points représentatifs se retrouvent à l’intérieur du fuseau, donc le fonctionnement de l’appareil est satisfaisant. Dans le cas contraire, le fonctionnement de l’appareil est défectueux. Une révision est nécessaire avec un certificat d’étalonnage.

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Fig.14. Graphe de contrôle du fonctionnement de l’appareil sur éprouvettes .

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3.5. MODE OPERATOIRE : 3.5.1. MESURES SUR OUVRAGE : a. PREPARATION DE LA SURFACE : Les mesures doivent être effectuées sur des surfaces nettes ne présentant pas des nids de gravier, des écaillages, une texture grossière, une porosité élevée ou des armatures affleurantes. La préparation de la surface consiste à éliminer tout enduit ou peinture adhérant ou poncer si cette surface est constituée d’une couche superficielle friable. Toute trace d’eau sur la surface doit être essuyée. b. RELEVE DES MESURES La surface de mesure doit être divisée en zones de 400 cm2 au moins. Chaque zone est structurée en un grillage de points de mesure ayant pour espacement d = 30÷50 mm. Les points de mesures extrêmes doivent être au moins à 30 mm des bords de la surface testée.

d d

S

S ≥ 400 cm2 d = 30÷50 mm. Fig.15. Grille de mesure sur ouvrage

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3.5.2. MESURES SUR EPROUVETTES : Il est procédé au relevé de 27 mesures sur éprouvettes cylindriques 16 x 32 avec le respect des distances montrées sur la figure. Les éprouvettes doivent être maintenues entre les plateaux de la presse sous une contrainte de 0.5 MPa. Les mesures au scléromètre ne peuvent être effectuées qu’après 48h de la sortie des éprouvettes de leur ambiance de conservation.

40 30 30 30 320

30 30 30 30 30 40

160

Fig.16. Grille de mesure sur éprouvette L’essai s’effectue avec l’appareil placé en position horizontale et une surface lisse. Amener la tige au contact du béton et presser l’appareil dans le sens de l’effort exercé. Mesurer le rebondissement de la masselotte en observant la nouvelle position prise par l’index devant l’échelle graduée. Effectuer au moins 10 mesures successives dans la même zone. La surface de cette zone est équivalente à celle d’un carré d’environ 25 cm de côté. Au cours de ces mesures, il convient de ne pas effectuer l’essai à moins de 3 à 4 cm des bords de l’élément testé.

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3.6. INCONVENIENTS DE LA METHODE SCLEROMETRIQUE La méthode sclérométrique constitue une voie directe utilisée pour la détermination du degré d’homogénéité du béton et la dureté de la surface de l’élément en béton. Bien que l’essai au scléromètre est utile, il ne constitue nullement une mesure de la résistance du béton vu les paramètres influençant la précision de détermination de cette résistance. 4. DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DU BETON 4.1. CONTROLE PAR LA METHODE ULTRASONORE Pour pouvoir estimer la résistance à la compression du béton (R) à partir de la vitesse de propagation (V), il faut établir la corrélation graphique entre V et R par des essais sur éprouvettes. La détermination de la corrélation existant entre la vitesse de propagation et la résistance à la compression , mesurée sur éprouvettes : Pour établir la corrélation graphique entre V et R, il est nécessaire d’effectuer les mesures sur au moins 30 éprouvettes en procédant ainsi : • •

Prendre une valeur moyenne de la vitesse de propagation et de la résistance à la compression sur une série de trois éprouvettes soumises à des conditions d’essai identique Faire varier la quantité d’eau de gâchage ou de la compacité pour les autres trois séries d’essai (le rapport E/C variant de 0.4 0 à 0.8 est généralement pris)

Il est bien entendu que toutes les autres caractéristiques du béton, à savoir : le type de ciment et le dosage, la nature des granulats, leur granulométrie et les proportions utilisées, les adjuvants, le mode de fabrication du béton, les conditions de cure et l’âge aux essais, doivent être identiques à celles du béton mis en œuvre in situ. 4.1.1. PARAMETRES INFLUANCANTS LA VITESSE DES ULTRASONS La vitesse des ondes ultrasoniques à travers le béton résulte du temps mis par les ondes pour traverser la pâte de ciment durci et les granulats. Le module d’élasticité des granulats varie énormément, de sorte que la vitesse des ondes dépend du module d’élasticité du granulat utilisé et de la quantité contenue dans le béton. Par ailleurs, la résistance du béton ne dépend pas nécessairement du dosage en gros granulats ou de leur module d’élasticité. Il n’existe donc pas de relation unique entre la résistance à la compression et la vitesse des ondes sonores. Cependant, pour un granulat et une composition donnés, la vitesse de propagation des ondes dépend des modifications de la pâte de ciment durci, telles qu’un changement du rapport Eau/Ciment qui influe le module d’élasticité de la pâte. C’est seulement à l’intérieur de ces limites qu’on peut utiliser l’essai pour évaluer la résistance du béton.

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De plus, d’autres facteurs influencent la propagation des ondes sonores : par exemple, les ondes se déplacent plus vite à travers un vide rempli d’eau qu’à travers un vide rempli d’air. Par conséquent, les conditions d’humidité du béton influencent la vitesse des ondes alors que la résistance in situ n’en n’est pas affectée. Une armature de gros diamètre qui suit le trajet de l’onde entraîne une augmentation de sa vitesse, sans pour autant influencer la résistance à la compression du béton. • Influence du type de ciment Un premier facteur qui influe sur la corrélation vitesse –résistance est le type de ciment. Des essais effectués sur des bétons avec une gamme variée de ciment montrent qu’il existe une famille de ciment ayant une même courbe de corrélation : il s’agit du ciment CPA 400 et ses dérivées ( CPA 400, CPAZ 400 avec 15% de laitier, C 400 avec 25 % de cendres, T 25 avec 25 % de trass et M 400 avec 25% de laitier). Les bétons fabriqués avec les ciments HRI se caractérisent avec une courbe de corrélation différente qui donne pour une même vitesse de propagation des résistances plus importantes. Les bétons fabriqués avec des ciments P 500 ou BSS ont une position intermédiaire. Une dernière famille de bétons fabriqués avec des ciments contenant de grandes quantités de produits secondaires, comme par exemple les ciments F 300 avec 40% de laitier, ceux ci présentent pour même vitesse de propagation des résistances à la compression moindre que les bétons fabriqués avec les ciments usuels. Le tableau suivant donne les résultats des essais à 28 jours d’âge. Si nous prenons comme référence les bétons fabriqués avec des ciments usuels, les résistances mécaniques correspondant aux mêmes vitesses de propagation du son des autres bétons préparés avec d ‘autre ciments , s’évaluent à l’aide des coefficients d’influence ci-après : Type de ciment HRI P 500 , BSS CPA 400, CPAZ 400, M400, T25 F 300

Coefficient d’influence 1.14 1.07 1.00 0.85

Tabl.6. Valeurs du coefficient d’influence du type de ciment • Influence du dosage en ciment Un autre paramètre important qui influe sur la corrélation résistance/ vitesse de propagation du son est le dosage en ciment. Cependant la vitesse de propagation du son dans le béton est fortement influencée par la vitesse de propagation dans les gros agrégats qui constituent 50 à 60 % de tous les agrégats.

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De ce fait, la vitesse du son dans le ciment, même complètement durci, est plus petite que dans les gros agrégats. Le temps de parcours de l’onde sonore est pus court quand elle traverse le mortier et la pâte de ciment durci, et il est plus long lorsqu’elle passe dans les gros agrégats. Le tableau ci-dessous donne les coefficients d’influence en fonction des dosages en ciment. Le béton dosé à 300 kg/m3 est pris comme étant le béton de référence. Dosage en ciment kg/m3 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Coefficient d’influence 0.46 0.61 0.75 0.88 1.00 1.11 1.21 1.30 1.38

Tabl.7. Valeurs du coefficient d’influence du dosage en ciment • Influence de la nature des agrégats Comme rappelé ci-dessus, la vitesse du son dans le béton est fortement influencée par la vitesse dans l’agrégat qui constitue environ 80 % du béton. De plus, la vitesse de propagation dans le béton est aussi fonction de la dimension des granulats. Ce phénomène s’explique par le fait que pour des agrégats provenant de la même roche, la vitesse de propagation du son dans les petits granulats est plus petite que dans les gros granulats. Une expérience a montré que sur des bétons préparés avec des agrégats provenant de roches différentes, la vitesse de propagation dans le béton Vb peut être liée à la vitesse dans la pâte de ciment Vc et la vitesse dans la roche mère dont on a extrait l’agrégat Vr, par la relation suivante : Vb = x.Vc + (1− x )αVr

… (4)

Avec ; x : volume en % occupé par la pâte de ciment durci α : coefficient caractérisant la granulométrie de l’agrégat (plus l’agrégat est fin et s’éloigne de la forme sphérique et plus α est petit et il varie entre 0.75 et 0.80) Si on prend comme référence la résistance obtenue sur un béton avec des agrégats siliceux roulés, la résistance des autres bétons confectionnés avec des agrégats de nature différente sera obtenue en multipliant la résistance du béton de référence par les coefficients d’influence par nature d’agrégats donnés dans le tableau ci-après.

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Nature des agrégats Siliceux roulés Andésite concassé Granit concassé Basalte concassé Calcaire concassé

Coefficient d’influence 1.00 1.24 1.09 0.91 0.82

Tabl.8. Valeurs du coefficient d’influence de la nature des agrégats • Influence de la granulométrie D’une façon générale, la granulométrie affecte la résistance du béton, c’est elle qui détermine les conditions de propagation de l’onde dans le béton, par conséquent elle a une grande influence sur la corrélation entre la vitesse du son et la résistance du béton. Entre autre, plus l’agrégat est riche en fractions fines, plus la vitesse du son diminue. Si nous adoptons comme référence le béton préparé avec des agrégats de dimension maximale égale à 30 mm, la résistance des autres bétons confectionnés avec des agrégats de granulométrie différente sera obtenue en multipliant la résistance du béton de référence par les coefficients d’influence donnés dans le tableau ci-dessous. Dimension maximale de l’agrégats en mm 70-80 30 15 7 3 1

Coefficient d’influence 0.94 1.00 1.05 1.12 1.25 1.71

Tabl.9. Valeurs du coefficient d’influence de la granulométrie Il est recommandé d’éviter les essais d’auscultation dynamique sur des éprouvettes dont les dimensions ne dépassent d’au moins 4 ou 5 fois la dimension maximale de l’agrégat employé. • Influence de l’humidité du béton L’humidité concernée est celle considérée comme facteur permanent durant toute la durée du durcissement du béton. Des essais effectués sur des éprouvettes conservées, d’une part , à l’air à 40-60% d’humidité relative et, d’autre part , sous l’eau, montrent que pour une même résistance mécanique les bétons conservés dans l’eau se caractérisent par une vitesse de propagation du son bien plus élevée que les mêmes bétons conservés à l’air.

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Par exemple, des bétons de hautes résistances conservés dans l’eau ont des vitesses de l’ordre de 4600 m/s, alors que les mêmes bétons conservés à l’air auront des vitesses de l’ordre de 4100 m/s. Si on adopte comme référence de humidité des éprouvettes celle qui correspond à un régime de conservation dit standard, les résistances mécaniques des bétons quel que soit leur mode de conservation s’évaluent par rapport au béton conservé dans les conditions standards et pour la même vitesse, à l’aide des coefficients d’influence donnés dans le tableau suivant : Humidité du béton résultant A l’air Standard • 1 jour dans le moule • 6 jours dans l’eau • 21 jours à l’air

Coefficient d’influence 1.04 1.00

Tabl.10. Valeurs du coefficient d’influence de l’humidité du béton • Influence de la maturité du béton Deux autres facteurs qui influent sur la corrélation entre la vitesse et la résistance sont l’âge et la température de conservation. La combinaison de ces deux facteurs qui conditionnent la résistance du béton et qui sont interdépendants a été exprimée par Nurse Saul, dans la relation suivante : n

f=

∑(θ +10)×t i

i

… (5)

i =1

Avec ; θi : température en °C pour l’intervalle de temps pendant lequel la température est supposée uniforme, ti : nombre de jours à la température θi , n : nombre des intervalles de temps à températures constantes. Si on adopte comme référence un béton conservé à la température de 25 °C pendant un intervalle de temps de 28 jours (facteur de maturité f = 1000), la résistance d’un béton ayant la même composition mais un facteur de maturité différent sera, pour une même vitesse du son , calculée en utilisant les coefficients d’influence donnés dans le tableau 11.

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Facteur de maturité en jours.°C 100 250 500 1000 3100 6300 13000 65000

Coefficient d’influence 0.73 0.87 0.95 1.00 1.10 1.18 1.24 1.36

Tabl.11. Valeurs du coefficient d’influence de la maturité du béton • Influence des adjuvants Compte tenu de la diversité des adjuvants utilisés, leur influence sur la corrélation vitesse-résistance est très complexe Pour les deux additifs couramment utilisés à savoir l’accélérateur de prise et le plastifiant, les coefficients d’influence sont donnés dans le tableau ci-dessous ; le béton sans additif est pris comme référence. Pourcentage d’additif

Coefficient d’influence

Accélérateur de prise

0 2 4

1.00 1.19 1.40

Plastifiant

0 0.06 0.12

1.00 1.15 1.30

Tabl.12. Valeurs du coefficient d’influence des adjuvants

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4.1.2. ESTIMATION DE LA RESISTANCE A LA COMPRESSION DU BETON Comment déterminer la résistance à la compression du béton in situ ? Plusieurs cas peuvent se présenter (excepté le cas on l’on dispose de courbes de calibrage) : 1. Composition du béton connue, absence d’éprouvettes ou de carottes. 2. Composition du béton connue et existence d’un petit nombre d’éprouvettes ou de carottes. 3. Méconnaissance de la composition du béton et existence d’éprouvettes ou de carottes. 4. Méconnaissance de la composition du béton et inexistence d’éprouvettes et de carottes. COURBES DE TRANSFORMATION VITESSES-RESISTANCES

RESISTANCES EN bars

600,00 C =1,4 C =1 3 C =1 2 C C =1 0 C =0,9 C =0 8 C =0,7 C =0,6

500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

4400

4600

4800

VITESSES EN m/s C=1

C = 0,6

C = 1,3

C = 1,4

C = 0,7

C = 0,8

C = 0,9

C = 1,1

C = 1,2

Fig.17.

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Quelques interprétations des Résultats de mesures aux ultrasons données dans la littérature Les résultats obtenus en appliquant la courbe de la RILEM sont donnés dans le cas où le béton testé est considéré comme homogène, isotrope et élastique et les résistances ne correspondent pas toujours à la résistance réelle du béton in situ. Ces résistances ne sont utilisées par l’ingénieur que pour donner un avis qualitatif du béton in situ. C’est pour cette raison que par exemple dans les procès verbaux du CNERIB, seules les appréciations suivantes sont données : Selon le chercheur allemand Wesche 2500 m/s ≤ V < 3200 m/s 3200 m/s ≤ V < 3700 m/s 3700 m/s ≤ V < 4200 m/s V ≥ 4200 m/s

béton de faible résistance, béton de moyenne résistance, béton à haute résistance, béton à très haute résistance.

D’autres appréciations peuvent être apportées telles que celles tirée des recommandations canadiennes données ci-dessous : V < 2134 m/s 2134 m/s ≤ V < 3048 m/s 3048 m/s ≤ V < 3658 m/s 3658 m/s ≤ V < 4572 m/s V ≥ 4572 m/s

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très mauvaise qualité mauvaise qualité douteuse bonne excellente

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4.2. CONTROLE PAR LE SCLEROMETRE Il existe plusieurs méthodes pour la transformation des indices scléromètriques en résistance mécanique à la compression du béton. 4.2.1. METHODE DE LA COURBE UNIQUE Dans la plupart des cas, la composition du béton ainsi que les conditions de conservation influençant la corrélation « Indice sclérométrique – Résistance du béton » sont inconnues. On utilise alors une courbe de transformation unique figurant sur l’appareil.

Fig.18. Courbe de transformation unique

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La courbe unique de corrélation du scléromètre type N ne peut être utilisée dans les cas suivants : Agrégats artificiels Agrégats légers, concassés ou de faible dureté Gravillons polis Agrégats non lavés riches en argile adhérente Béton ayant un très faible dosage en ciment ou mélange très sec ou insuffisamment serré Bétons frais Bétons sous l’eau Bétons très vieux et secs Bétons de faible résistance < 200 kg/cm2 . 4.2.2. METHODE DE LA COURBE DE CALIBRAGE Cette méthode est utilisée dans les usines de préfabrication où les matières premières sont relativement constantes. La courbe de calibrage est déterminée en effectuant l’essai au scléromètre sur au minimum 30 éprouvettes. L’arrête de l’éprouvette ne devrait pas être inférieure à 15 cm. Les éprouvettes doivent être soumises au même régime de durcissement que celui des éléments préfabriqués. Dans le cas ou les mesures sclérométriques sont effectuées sur la face de coulage du béton de l’élément préfabriqué, il est recommandé de faire pareil pour les éprouvettes. Après les essais au scléromètre, les éprouvettes sont soumises à un essai de compression lent dont la durée est plus d’une minute. Les résultats obtenus sont portés sur un graphique représentant la courbe d’étalonnage dont le tracé concorde mieux avec les résultats expérimentaux en appliquant la méthode des moindres carrés. La courbe de calibrage doit être revue en cas de changement de la composition du béton ou des conditions de conservation. La précision sur la résistance du béton obtenue par la méthode de la courbe de calibrage est évaluée à ± ( 20% ÷ 25% ).

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4.2.3. METHODE DES COEFFICIENTS D’INFLUENCE NON CORRIGES Dans le cas de la non-disponibilité des éprouvettes pour la détermination de la courbe de calibrage, et l’existence des données sur la composition du béton à tester, on considère que ces informations sont suffisantes pour déduire une courbe des valeurs corrigés. Les valeurs corrigées n’offrent pas la même précision que la courbe de calibrage mais sont préférables aux valeurs données par la courbe unique illustrée sur l’appareil. Pour cette méthode, on admet comme béton de référence un béton ayant la composition suivante : - Ciment type CPA400 dosé à 300 kg/m3 - Agrégats roulés siliceux - Indice de maturité 1000 - Humidité résultant d’une conservation durant 1 jour dans le moule, 6 jours dans l’eau et 21 jours à l’air, à 40-60% d’hygrométrie relative. Pour ce béton la corrélation indice scléromètrique – résistance à la compression est égale à : RC =0.09n2.27 ( kg/cm2 ) … (6) La courbe d’étalonnage définie par la relation ci-dessus est reproduite pour un coefficient de transformation Ct = 1.0 ( coefficient Ct pour béton sec ).

Fig.19. Courbes d’étalonnage pour bétons conservés à l’air

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Si les bétons à tester différent du béton de référence, la correction est faite à l’aide du coefficient total d’influence Ct pris égal à : Ct = Cc . Cd . Ca . Cm . Cu

… (7)

Avec : Cc : Cd : Ca : Cm : Cu :

coefficient d’influence du type de ciment coefficient d’influence du dosage en ciment coefficient d’influence du type de granulas coefficient d’influence de la maturité du béton coefficient d’influence de l’humidité du béton

a. Coefficient d’influence du type de ciment Cc Le coefficient d’influence du type du ciment Cc est le rapport entre la résistance des bétons préparés avec des ciments CPA et HRI et celle des bétons à base du ciment CLK250. Type de ciment

Cc

CPA, HRI, … etc

1.00

CLK250

0.90 Tabl.13. Valeurs du coefficient Cc.

b. Coefficient d’influence du dosage en ciment Cd Le rapport des résistances des bétons à différents dosages pour le même indice scléromètrique représente le coefficient d’influence du dosage. Dosage ( kg/m3 )

Cd

100

0.67

200

0.85

300

1.00

400

1.12

500

1.24 Tabl.14. Valeurs du coefficient Cd.

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c. Coefficient d’influence du type de granulas Ca Le coefficient d’influence du type de granulas est pris égal à Ca = 1.00 pour les bétons avec des agrégats siliceux roulés, pour les autres types, ce coefficient doit être déterminé par des essais. d. Coefficient d’influence de la maturité du béton Cm Lorsque la maturité du béton augmente la dureté et la résistance de la couche de surface devient plus grande ce qui diminue la valeur de l’indice scléromètrique. Il n’est pas recommandé d’utiliser le scléromètre sur des bétons ayant un facteur de maturité supérieur à 40 000 ( 4 ans ). Maturité du béton C x jours

Cm

300

1.06

1000

1.00

6000

0.92

36000

0.80 Tabl.15. Valeurs du coefficient Cm.

e. Coefficient d’influence de l’humidité du béton Si l’on prend comme référence la résistance du béton résultant d’une conservation durant 1 jour dans le moule, 6 jours dans l’eau et 21 jours à l’air, à 40-60% d’hygrométrie relative, alors la résistance du béton pour d’autres degrés d’humidité ainsi que pour d’autres indices scléromètriques peut être évaluée à l’aide du coefficient Cu . CU

Humidité Saturé ( sous l’eau ) Standard A l’air sec

n = 20

n = 40

1.52 1.00 0.94

1.12 1.00 0.96

Tabl.16. Valeurs du coefficient Cu. Pour les bétons humides ( saturés d’eau ), un coefficient noté Ct’ sera utilisé pour la détermination de la valeur de la résistance du béton testé. Ct’ = Cc . Cd . Ca . Cm Calcul de la résistance du béton Dans le cas d’un béton sec : Ref = Rst . Ct Dans le cas d’un béton humide : Ref = Rst’ . Ct’

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…(8) …(9)

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Rst , Rst’ : résistances du béton de référence standard. Ct , Ct’ : coefficients d’influence totaux. La méthode des coefficients d’influence non corrigés donne une précision variant entre ± 30% et ± 40%. Cet écart est dû au manque de relation sûre entre la qualité du béton en surface et dans la masse empêchant ainsi d’obtenir une plus grande précision. 4.2.4. METHODE DES COEFFICIENTS D’INFLUENCE CORRIGES Généralement, au moment de l’essai, on dispose de 03 éprouvettes coulées dans les mêmes conditions de conservation, de mise en œuvre et de composition que celles du béton de la structure. Chacune de ces éprouvettes cubiques est soumise à l’essai non destructif au scléromètre en 6 à 10 points afin de déterminer la résistance du béton de composition standard Rcist correspondant à l’indice sclérométrique moyen de l’éprouvette i. L’éprouvette est soumise ensuite à l’essai d’écrasement afin de calculer le rapport : Cexp ti =

Rciexp Rcist

… (10)

Rciexp : résistance à la compression de l’éprouvette i déterminée à l’aide de la presse Rcist : résistance à la compression de l’éprouvette i déterminée à l’aide du scléromètre La valeur moyenne du coefficient expérimental d’influence Cexp pour les n éprouvettes t est obtenue à partir de la relation suivante : n

∑C

= i =1 Cexp t

exp ti

… (11) n Cette valeur est comparée, dans le tableau suivant, à celle obtenue par les coefficients partiels d’influence Ctcal calculés suivant le paragraphe §.4.2.3. Cas exp Ccal t −C t

C 10% ≤

exp t

< 10%

exp Ccal t −C t

Cexp t

exp Ccal t −C t

Cexp t

Concordance

Précision

Coefficient total d’influence final

Excellente

± 20 à 25%

Cexp ou Ccal t t

≤ 40% Satisfaisante

± 25 à 30%

Insuffisante

± 30 à 40%

> 40%

Cexp +Ccal t t 2 Il faut vérifier les causes et éliminer les valeurs erronées

Tabl.17. Valeurs du coefficient total d’influence final.

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4.3. CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR LA METHODE COMBINEE : Le contrôle non destructif par les méthodes uni-paramétriques ( l’ultrason seul ou le scléromètre seul ) n’a pas pu être introduit dans les normes à cause de grandes erreurs d’estimation. Pour améliorer la précision des résultats, les spécialistes ont commencé à combiner les résultats de différents essais non destructifs. D’après une enquête de RILEM, il existe actuellement diverses méthodes combinées telle que : 1. Vitesse des ondes ultrasonores longitudinales – dureté des empreintes. 2. Vitesse des ondes ultrasonores longitudinales – dureté superficielle par indice de rebondissement. 3. VItesse des ondes ultrasonores- atténuation ou amortissement des ondes ultrasonores. 4. Vitesse des ondes ultrasonores- atténuation de la fréquence propre. 5. Vitesse des ondes ultrasonores- atténuation des rayons. 6. Vitesse des ondes ultrasonores-vitesse des ondes ultrasonores transversales. 7. Dureté au choc par rebondissement- dureté par empreinte. 4.3.1.

METHODE COMBINEE « VITESSE DES ONDES ULTRASONORES LONGITUDINALES – DURETE SUPERFICIELLE PAR INDICE DE REBONDISSEMENT »

Le principe de cette méthode consiste à déterminer la résistance en compression du béton à partir de l'abaque de la figure 20 donnant la variation de la résistance du béton en fonction de la vitesse des ultrasons et de l'indice de rebondissement [R (V, N)]. Cette résistance est corrigée par la valeur du coefficient d'influence total qui est le produit des coefficients d'influences partiels des différents constituants et de leur nature. Le tableau 18 donne les valeurs de ces coefficients partiels pour chaque constituant du béton.

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Constituants du béton testé - Ciment CPA - Ciment CPJ - Ciment CRS Dosage en ciment : - 200 Kg/m3 - 250 Kg/m3 - 300 Kg/m3 - 350 Kg/m3 - 400 Kg/m3 Adjuvants : - Hydrofuge - Suprplastifiant- réducteur d'eau - Retardateur-fluidifiant

Coefficients d'influence CC = CCPA = 1,00 CC = CCPJ = 1,33 CC = CCRS = 1,30 Cd = Cd 200 = 0,83 Cd = Cd 250 = 1,00 Cd = Cd 300 = 1,00 Cd = Cd 350 = 1,00 Cd = Cd 400 = 1,00 Cadj = Cadj H = 1,00 Cadj = Cadj SR = 1,14 Cadj = Cadj RF = 1,15

NOTA : L'influence de la nature minéralogique et de l'origine du granulat (roulé ou concassé) sur la relation R(V, N) est négligeable. Tabl.18. Valeurs des coefficients d’influence partiels

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Fig.20. Abaque de la variation de la résistance à la compression en bars, en fonction

de la vitesse des ultrasons (V) et de l’indice de rebondissement (N) du béton. R = Rab x Ct

… (12)

Ct = CC x Cd x Cadj

… (13)

avec : R : résistance du béton testé, Rab : résistance déterminée à partir de l'abaque R(V, N), Ct : coefficient d'influence total, CC : coefficient d'influence du type de ciment, Cd : coefficient d'influence du dosage en ciment, Cadj : coefficient d'influence de l'adjuvant.

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4.3.2. QUELQUES RECHERCHES EFFECTUEES DANS LE DOMAINE Plusieurs chercheurs ont proposé des formules d’estimation d’après les résultats de leurs essais. Quelques-unes de ces formules sont données dans le tableau N°19. La diversité des relations reliant la résistance du béton en fonction de la vitesse de propagation des ultrasons et de l’indice de rebondissement, montre que l’application du contrôle non destructif par la méthode combinée n’est pas universelle. CUR.18.TNO ( PAYS-BAS ) logfc =0.01149 N+0.379V +0.4332

… (14)

Meynink Samarin ( Australie ) fc =0.058V 4 +1.24N−24.1 40 > fc > 25 N/mm2

… (15)

Tanigawa, Yamada, Kosaka ( Japon ) E est connu fc =9.2N+74V − 4.4 E −74 Si C C Correction de N en fonction de la sollicitation

… (16)

∆N=26.5−28.5σ0.021

… ( 17)

Si

E est inconnu C

fc =11.8N+129V −642

… (18)

Nikkari ( Finlande ) 2   2 2 fc = 1 102− 114.52 −  1 (40V −280 ) −(4N−252 ) −182   2   2  

… (19)

Galan ( Tchécoslovaquie ) fc =0.028565 .V1.84593.N1.24632

… (20)

Mellmann ( République Fédérale Allemande ) fc =aN2 +bV 3N+cV 2N+ d 48 > N > 30

… (21)

a = 0.0180650, b = 0.0234477 c = 0.0885855, d = 4.13 4.35 > V > 4.00 Km/sec Bellander ( Suède ) fc =0.00082 N3 +11.03V −32.7

… (22)

Tabl.19.

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5. LOCALISATION DES DEFAUTS DANS LE BETON L’utilisation de la technique de l’auscultation dynamique pour localiser les défauts, les vides ou toutes autres malfaçons dans le béton, est basée sur la très faible transmission de l’énergie des ultrasons au travers une lame d’air emprisonnée dans le béton (rupture de la continuité dans le béton). C’est ainsi qu’une fissure ou qu’un vide rempli d’air, situé entre les deux transducteurs, fera obstruction à la propagation directe de l’onde ultrasonique dans le cas où l’aire intéressée est supérieure à la surface de contact des transducteurs. Dans ce cas, la première impulsion devant être captée par le transducteur de réception sera diffractée autour de la zone défectueuse et le temps de propagation sera plus long que dans un béton homogène. 5.1. DETECTION DES VIDES DE GRANDES DIMENSIONS Les vides importants peuvent être détectés lorsque leur aire projetée à angle droit par rapport au parcours de la propagation de l’onde est suffisamment grande pour produire un retard significatif du temps de propagation par rapport à celui que l’on mesure sur un béton homogène. Pour des cavités d’aire projetée identique, on obtient une variation minimale du temps de propagation lorsque le vide est situé à mi-chemin des transducteurs. et on aura ainsi : Si

Td = Th : a≤d

et si Td < Th

( les vides ne peuvent pas être détectés)

T : a=d+L  d  Th

2

  −1 

… (23)

a : la dimension minimale de la section de l’aire projetée du vide, d : diamètre du transducteur, Td : le temps de propagation au travers du centre du défaut, Th : le temps de propagation dans un béton homogène. L : la longueur de parcours. 5.2. ESTIMATION DE LA PROFONDEUR D’UNE FISSURE SUPERFICIELLE Il est parfois nécessaire d’apprécier la profondeur d’une fissure visible en surface sur le béton de l’ouvrage. On peut obtenir une valeur approchée de la profondeur de la fissure en comparant les temps de propagation de l’onde au travers de la fissure et dans les zones de béton homogène, à proximité de cette fissure, au moyen de transducteurs appliqués sur la face du béton et situés à égale distance de part et d’autre de la fissure.

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Si la fissure est bien située à mi-chemin entre les transducteurs, sa profondeur ( c ) sera donnée par la formule suivante : 2

  c =b  Tc  −1  TL 

… (24)

dans laquelle : Tc : temps de propagation au travers de la fissure, TL : temps de propagation le long de la surface du même type de béton dépourvu de défauts, c : profondeur de la fissure, b : distance du point le plus proche de la zone active du transducteur à partir de la fissure. 5.3. EPAISSEUR DES COUCHES ENDOMMAGEES L’épaisseur d’une couche superficielle endommagée dans un ouvrage en béton peut être estimée au moyen de la mesure des temps de propagation sur la surface du béton. Dans ce cas, l’émetteur d’impulsion est maintenu en un point fixe tandis que le récepteur est déplacé le long de la surface du béton, par intervalle régulier et successif. Quand les transducteurs sont rapprochés, l’onde traverse le béton endommagé, et la pente de la courbe tracée en portant en ordonnée la distance séparant les deux transducteurs et en abscisse le temps de transit, donne la vitesse de l’onde dans cette couche superficielle. Au-delà d’une certaine distance entre les transducteurs, la première impulsion est réfractée le long de la couche sous-jacente de béton non endommagé et les valeurs s’alignent sur une courbe dont la pente donne la vitesse de propagation dans le béton sain. La distance X0 pour laquelle le changement de pente se produit, permet une estimation de l’épaisseur de la couche détériorée. Cette épaisseur est donnée par la formule suivante : δ=

X0 Vs − Vd 2 Vs + Vd

… (25)

La méthode ci-dessus est applicable dans le cas de grande surface de béton endommagé sur une épaisseur à peu près uniforme ; les petites surfaces localisées d’un béton endommagé ou présentant des cavernes sont plus difficiles à évaluer.

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Cependant, il est possible de trouver une valeur approchée de l’épaisseur de couches localisées de béton de mauvaise qualité en faisant à la fois des mesures de vitesse par transparence et en surface. L’épaisseur recherchée pourra être calculée de la façon suivante :

( )( )

δ=L T −1 V −1 Tu Vd

… (26)

où : L:

longueur du parcours au travers de l’épaisseur de l’élément testé, mesurée à angle droit par rapport à la surface du béton présentant des zones endommagées ou caverneuses, Tu : temps de propagation mesuré au travers d’une section, d’épaisseur L, d’un béton sain, Vu : temps de propagation mesuré au travers d’une section d’épaisseur L présentant une épaisseur δ de béton endommagé, Vd : vitesse dans un béton endommagé dont on peut obtenir une valeur approchée par des mesures en surface dans des zones du matériau détérioré ou présentant des cavernes.

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