MINISTERE DE L'HABITAT ET DE L'URBANISME Centre National d'Etudes et de Recherches Intégrées du Bâtiment
CONTROLE NON DESTRUCTIF DU BETON Méthode Combinée ( ultrason-scléromètre) C.N.D.C.
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C.N.E.R.I.B. Cité Nouvelle El-Mokrani - SOUIDANIA - Alger ! (02) 37.03.57/90 Fax : (02) 37.04.31 E-mail :
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CONTROLE NON DESTRUCTIF DU BETON Méthode Combinée ( ultrason-scléromètre) C.N.D.C.
Centre National d'Etudes et de Recherches Intégrées du Bâtiment
PAO CNERIB
1998
COMPOSITION DU COMITE DE LECTURE " Contrôle non Destructif du Béton par la Méthode Combinée (ultrason - scléromètre) "
SOMMAIRE
I -INTRODUCTION............................................................................................04 1 - Objet................................................................................................................04 2 - Définitions......................................................................................................04
Rapporteur : Mme BOUZZA MOUFFOK Linda Attachée de Recherche C.N.E.R.I.B
Membres : MM BELHAMEL Farid BERROUBI Abdelaziz EL HASSAR S.M.K MEROUANI Z. Dine OUMAZIZ Rabah SOUICIMessaoud SAKHRAOUISaïd TEGGOUR Hocine ZOUAOUI Nordine
Attaché de Recherche C.N.E.R.I.B Attaché de Recherche C.N.E.R.I.B Chargé de Recherche C.N.E.R.I.B Chargé de Recherche C.N.E.R.I.B Chargé de Recherche C.N.E.R.I.B Chargé de Recherche C.N.E.R.I.B Chargé de Recherche C.N.E.R.I.B ChercheurC.N.E.R.I.B Attaché de Recherche C.N.E.R.I.B
II -MODE OPERATOIRE....................................................................05 1 - Essais aux ultrasons.....................................................................................05 1.1 - Préparation de l’élément.............................................................................05 1.2 - Détermination de la vitesse de propagation des ultrsons............................05 1.3 - Influence des armatures............................................................................06 1.4 - Points de mesure.........................................................................................10 2 - Scléromètre.........................................................................................11 2.1 - Points de mesure.........................................................................................11 2.2 - Influence de l’angle d’inclinaison de l’appreil par rapport à l’horizontale....................................................................12 III -DETERMINATION DE LA RESISTANCE DU BETON........................14 IV -FICHE D’ESSAI..........................................................................................17 V -EXEMPLE D’APPLICATION..................................................................19
Chapitre I : INTRODUCTION Les méthodes habituelles d’évaluation de la qualité du béton dans le domaine de la construction, sont celles relatives aux essais destructifs à la compression et à la traction effectués sur des éprouvettes prélevées lors de la réalisation de l'ouvrage. Ces méthodes restent insuffisantes car : d'une part les éprouvettes écrasées ne sont pas représentatives du béton mis en place, du faite que le compactage et les conditions de mise en oeuvre ne sont pas toujours les mêmes. d’autre part, il n’est pas toujours possible d’effectuer des mesures directes sur le béton mis en oeuvre afin d’évaluer ses caractéristiques mécaniques. Les méthodes non destructives, basées sur la relation entre les propiétés physiques du matériaux et sa résistance mécanique, peuvent remédier à ces inconvénients.
Chapitre II : MODE OPERATOIRE 1 -ESSAI AUX ULTRASONS 1.1 - Préparation de l’élément : Afin d'assurer un contact parfait entre le béton et les transducteurs (émetteur et recepteur), 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 essayer. Les matériaux d’interposition sont la vaseline de commerce, 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. 1.2 - Détermination de la vitesse de propagation des ultrasons :
1 - Objet Le présent document a pour objet, la détermination parla méthode non destructive combinée de la résistance en compression des bétons ordinaires, dont la dimension maximale des granulats est de 25mm. Cette méthode tient compte à la fois de la vitesse de propagation des ultrasons et de l’indice de rebondissement. 2 - Définitions 2.1 - Vitesse de propagation des ultrasons :
La détermination de la vitesse de propagation des ultrasons se fait de deux manières, suivant le type de l’élément à tester : a - Mesures en transparence : Les mesures en transparence sont utilisées dans le cas des éprouvettes, des poteaux ou de certaines poutres. Les transducteurs sont appliqués sur les deux faces de l’élément à tester.
On produit un train d’implusion de vibration au moyen d’un émetteur qui est appliqué sur l’une des faces de l’élément que l’on désire contrôler. Après avoir franchi une longueur de parcours (L) dans le béton, l’impulsion vibratoire est convertie en un signal électrique à l’aide d’un récepteur, et la base de temps éléctronique permet de mesurer le temps de propagation (t). La vitesse des ultrasons est donnée par la formule : V=L/t
(1)
Fig. 1 - Mesures en transparence
2.2 - Indice de rebondissement : b - Mesures en surface : L’indice de rebondissement est la mesure enregistrée sur une échelle graduée fixe par rapport au bâti du scléromètre, après la projection d’une masselotte chargée par un ressort sur une tige métallique en contact avec la surface du béton.
Elle sont utilisées sur tous les éléments de structure et sur les éprouvettes, mais plus particulièrement sur les dalles et éléments en longueur.
-4-
-5-
L’émetteur est maintenu en un point fixe, le recepteur 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. Ces mesures sont portés graphiquement. Puis on trace la droite moyenne de ces différents points dont la pente correspond à la valeur de la vitesse des ultrasons dans le milieu considéré.
1.3.1 -Aciers placés perpendiculairement à 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 aciers. Si “n” barres d'acier de diamètre Qi (i variant de 1 à n) se trouvent sur le parcours de l’impulsion, leurs axes faisant des angles droits par rapport au parcours de la propagation (voir fig.3), on peut écrire l’équation :
Vc V
1= 1-
LS L (3)
LsV LVs
dans laquelle : Fig 2 : Mesures en surface 1.3 - Influence des armatures (1) : 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 du nombre des armatures, de leur positionnement par rapport au parcours et de la vitesse de cette dernière dans le béton d’enrobage.
(1)
V
est la vitesse de propagation dans le béton armé, c’est-à-dire la vitesse mesurée. Vc est la vitesse de propagation dans le béton seul Vs est la vitesse de propagation dans l’acier variant entre 5200 m/s et 6000 m/s L est la longueur du parcours Ls = ∑ Qi, est la longueur du parcours dans l’acier Les valeurs de Vc/V sont données dans le tableau 1 pour différentes densités d’armatures et cela pour trois types de béton qualifiés de mauvais, bon, très bon.
: Recommandations de la RILEM publiées dans : Matériaux de construction essais et Recherches.,Vol. 2, n°10, Juillet - Août 1969
-6-
-7-
Tableau 1 :
Influence des armatures Axe de propagation perpendiculaire à l’axe des aciers
a
Vc
=
V
Ls/L
Vitesse de propagation dans le béton seul Vitesse de propagation effectivement mesurée Béton de bonne qualité Vc = 4000m/s
Béton de très mauvaise qualité Vc = 3000m/s
b
1/12 1/8 1/6 1/4 1/3 1/2
0.96 0.94 0.92 0.88 0.83 0.75
Béton de très bonne qualité Vc = 5000m/s
0.99 0.98 0.97 0.96 0.94 0.92
0.97 0.96 0.94 0.92 0.89 0.83
Il est propable que dans la pratique, Vc / V est un peu plus élevé que les valeurs données dans le tableau 1, en raison du mauvais alignement possible des aciers et aussi parce que seule une petite partie de l’énergie d’impulsion traversera la section totale des armatures. 1.3.2 - Axe de l’armature parallèle à la direction de la propagation :
c
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 des figures 3b ou 3c, est :
Fig 3 : Mesures dans du béton armé
L + 2a Vs
t= 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.
pour
a < L
V2s - V2c
√
Vs Vc Vs - Vc
1 2
√ Vs + Vc
(a)
Les armatures n’ont pas d’influence lorsque : a L
-8-
³
1 2
Vs - Vc
√
(b)
Vs + Vc -9-
(4)
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 5200 m/s et 6000 m/s. Les corrections à apporter à la vitesse de propagation mesurée dans la direction parallèle aux armatures sont données dans le tableau 2. Tableau 2 : Influence des armatures Axe de propagation paralléle à l’axe des aciers. Vitesse de propagation dans le béton
Vc = Vitesse de propagation effectivement mesurée V
a/L
Vc Vs
0 1/20 1/15 1/10 1/7 1/5 1/4
= 0.90
0.90 0.94 0.96 0.99 1.00 1.00 1.00
Vc Vs
= 0.80
0.80 0.86 0.88 0.92 0.97 1.00 1.00
Vc Vs
= 0.71
0.71 0.78 0.80 0.85 0.91 0.99 1.00
Vc Vs
= 0.60
0.60 0.68 0.71 0.76 0.83 0.92 1.00
1.4 - 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 mesure sont situés aux intersections d’un quadrillage d’une maille de 0,5 m, dans le cas des petits éléments (poteaux, poutres..) les mesures se font en six points. (voir figure cidessous).
Fig.5 Points de mesure pour un petit élément (exemple poteau section b x b longueur L). 2 -SCLEROMETRE : L’essai s’effectue avec l’appareil placé en position perpendiculaire à 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 zône. 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. 2.1 - Points de mesures : Pour le nombre de points de mesure de l’ouvrage testé se référer au paragraphe 1.4 de ce chapitre.
Fig4 Points de mesures pour un panneau (exemple dalle 3 x 3 m²) - 10 -
- 11 -
2.2 - Influence de l’angle d’inclinaison de l’appareil par rapport à l’horizontale: La valeur de l’indice de rebondissement doit être corrigée si l’ouvrage testé n’est pas vertical. (voir figure ci-dessous).
Les corrections portées sur la valeur de l’indice de rebondissement sont données dans le tableau suivant : Tableau 3 :
Correction de la valeur de l’indice de rebondissement en fonction de l’angle d’inclinaison.
1 - Elément vertical : Indice de rebondissement N
Fig 6.a. 2 - Eléments horizontaux :
Correction de l'indice de rebondissement pour les différents angles d'inclinaison de l'appareil
Essais vers le haut + 90° + 45°
20
non valable
non valable
+ 2.4
+ 3.2
> 20
- 5.4
- 3.5
+ 2.4
+ 3.4
≥ 30
- 4.7
- 3.3
+ 2.3
+ 3.1
≥ 40
- 3.9
-2.0
+ 2.0
+ 2.7
≥ 50
- 3.1
- 2.1
+ 1.6
+ 2.2
Fig 6.b. 3 - Eléments inclinés :
Fig 6.c. Fig 6 Eléments à tester par le scléromètre
- 12 -
Essais vers le bas - 90° - 45°
- 13 -
Chapitre III: DETERMINATION DE LA RESISTANCE DU BETON Le contrôle du béton par la méthode non destructive combinée permet d’atteindre une meilleure précision des résultats. Le principe de cette méthode consiste à déterminer la résistance en compression du béton à partir de l'abaque de la figure 7 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. Le tableau 4 donne les valeurs de ces coefficients partiels pour chaque constituant du béton. Tableau 4 : Valeurs des coefficients d’influence partiels Constituants du béton testé
Coefficients d'influence
Ciment CPA Ciment CPJ Ciment CRS
CC = CCPA = 1,00 CC = CCPJ = 1,33 CC = CCRS = 1,30
Dosage en ciment : 200 Kg/m3 250 Kg/m3 300 Kg/m3 350 Kg/m3 400 Kg/m3
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
Adjuvants : - Hydrofuge
Cadj = Cadj H = 1,00
- Superplastifiant-
Cadj = Cadj SR = 1,14
réducteur d'eau Cadj = Cadj RF = 1,15
- Retardateur-fluidifiant
NOTA : L'influence de la nature minéralogique et de l'origine (roulé ou concassé) du granulat sur la relation R(V, N) est négligeable. - 14 -
Fig 7 :
Abaque donnant 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.
- 15 -
Chapitre IV : FICHE D’ESSAI R = Rab x Ct
1 -ETALONNAGE DES APPAREILS
(5)
Ct = CC x Cd x Cadj
Les appareils ultrason et scléromètre doivent être étalonnés selon les indications données dans la notice. 2 - Avant d'effectuer les essais, poncer la surface de l'élément à tester et marquer les points de mesure conformément au chapitre II.
avec : R : résistance du béton testé,
3 -MODE OPERATOIRE
Rab : résistance déterminée à partir de la l'abaque R(V, N),
3.1 - Scléromètre :
Ct : coefficient d'influence total,
L’essai est effectué selon le paragraphe 2 du chapitre II.
CC : coefficient d'influence du type de ciment,
Noter :
Cd : coefficient d'influence du dosage en ciment, Cadj : coefficient d'influence de l'adjuvant.
- les valeurs des indices de rebondissement enregistrées, - la valeur moyenne pour une même zone, - la valeur moyenne de toutes les mesures, - l’angle d’inclinaison de l’appareil par rapport à l’horizontal, - la valeur de l’indice de rebondissement corrigeé (voir tableau 3).
3.2 - Ultrason : L’essai est effectué selon le paragraphe1 du chapitre II. 3.2.1 - Mesure en transparence : Noter :
- 16 -
- le temps de propagation des ondes ultrasoniques (t) à travers l’épaisseur de l’élément testé (L) pour chaque mesure, - la valeur de la vitesse des ondes ultrasoniques correspondante V = L/t pour chaque mesure, - la valeur moyenne de vitesse des ondes ultrasoniques, - le coefficient de correction de la valeur de la vitesse pour un béton armé (tableau 1 ou 2), - la valeur de la vitesse des ultrasons corrigée.
- 17 -
Chapitre VI : EXEMPLE D’APPLICATION
3.2.2 - Mesure en surface : - noter la valeur du temps de propagation des ondes ultrasoniques (t) pour chaque distance (L), - tracer la courbe L (t) pour chaque mesure, - déterminer la pente de la droite L (t), - déduire la valeur de la vitesse des ultrasons (V) pour chaque mesure :
Données et hypothèses : Contrôle d’un poteau de 3,5 m de hauteur et de section de 30 x 30 cm². 1. On néglige l’influence des armatures. 2. Les appareils sont étalonnés. 3. Les caractéristiques du béton testé sont les suivantes :
V = pente L (t) = ∆ L / ∆ t - calculer la valeur moyenne de la vitesse pour toutes les mesures, - tirer du tableau 1 ou 2 le coefficient de correction de la valeur de la vitesse pour un béton armé, - déduire la valeur de la vitesse des ultrasons corrigée.
* Le dosage en ciment est de 350 Kg/m3 ; * Le ciment utilisé est le CPJ ; * L'adjuvant utilisé est le retardateur-fluidifiant.
4 - CARACTÉRISTIQUES DU BÉTON TESTÉ :
Essais :
- Noter :
1. Points de mesure
- dosage en ciment, - type de ciment, - adjuvants utilisés.
5 -COEFFICIENTS D’INFLUENCE DES CONSTITUANTS DU BÉTON : - Tirer du tableau 4 les coefficients d’influence partiels : Cd, Cc et Cadj - Calculer le coefficient d’influence total : Ct = Cd x Cc x Cadj 6 - RESISTANCE A LA COMPRESSION DU BETON : La résistance à la compression du béton est déterminée à partir de l’abaque R (V, N) de la figure 7 et corrigée selon la formule suivante : R = Rabaque x Ct R : résistance du béton testé Rabaque : résistance du béton déterminée à partir de l’abaque. R (V,N) Ct : coefficient d’influence total des constituants. Fig 8 : Points de mesure - 18 -
- 19 -
2. Résultats de l'essai au scléromètre :
Côté 1
L’angle d’inclinaison de l’appareil par rapport à l’horizontal = 0°. Les indices de rebondissement sont donnés dans le tableau suivant : - Chaque face du poteau comporte six points de mesures et dix mesures sont effectués pour chaque point. Face 1 Ni
Face 2 Ni
Ni
Face 4
Face 3 Ni
Ni
Ni
Ni
28 27 28
30 32 24
28 28 26
24 24 26
28 27
24 26
26 26
26 26
27,1
26,9
27,2
27 26 26 26
27 28
27 27
24 28
26 26
28 28
28 28
28
26
28
28
27
26
28
27 28
28 28 28
27 27
28 28
28 26
27 27
28 28
28 28
27,3
27,1
27,7
Ni
Ni
Côté 2 Ni
28 28 28 26
27,3
28 27
Ni
26 26 26 26 26
27,5
Ni
27,1
27 25
26 29
26 27
27 28
27 27 26
29 30 27
27 27 27
25
28
28
24 28
28 27
28 29
28 27 27 26
27,3
26 26
28 28
26 26
26,7
27
29 26
25 28
27 27 27 27
29 24 30 26
26 26 27 27
29
26
26
27
24
27
28
26
32 27
27 27
26 26 27 25 28 28
26 28
26 26
28 28
28 28
28 28 27
26 27
29 30
28 28
28 30 27
28
26
28
26
28
28 28 28 28 28 28
26 26 28
27
24
27
27 27
24 28
27 28
24 27
28 27
28 28
28 28
27
27
28
28
28 28 28
26 28 28
29 29 26
28 26 30
27,2
27,5
26,6
27
28
26
29
27 28
28 28
26 27
26 26
26
28
27
26
- 20 -
27,3
27
(1)
27 27 26
27,1
: Ni est exclu lorsque D N = Ni - N
28
³8
La valeur moyenne de l’indice de rebondissement Ni = 27,2 - 21 -
Ni
27 27 27
29 30
38(1)
28
Ni
Ni
26 27
28 26,7
Ni 26 27 28
18(1)
Côté 4
Côté 3
26,9
27,3
27,2
4.4 - Coefficient d’influence total : 3. Résultats des essais à l'ultrason : Mesures en trasparence Ct = Cd x CCPJ X CadjRF Faces 1 - 2
Ct = 1 x 1.33 x 1.15
Faces 3 - 4
ti (µs )
L (m)
Vi (Km/s)
ti (µs)
L (m)
73.53
0.3
4.08
71.77
0.3
4.18
72.99
0.3
4.11
72.64
0.3
4.13
5 - Résistance du béton déterminée à partir de l’abaque R(V, N) :
72.82
0.3
4.12
73.35
0.3
4.09
75
0.3
4
72.99
0.3
4.11
La résistance en compression, pour Vi = 4,1 Km/s et Ni = 27,2, se situe entre deux iso-résistances. On procède par interpolation :
72.82
0.3
4.12
73.35
0.3
4.09
R (Vi = 4,1 Km/s, Ni = 27,2 ) = 305 bars. (fig. 9).
72.99
0.3
4.11
72.82
0.3
4.12
6 - Résistance du béton testé
Vi (Km/s)
La valeur moyenne de la vitesse de propagation des ultrasons
Ct = 1.53
La résistance du béton testé R = Rabaque x Ct R = 305 x 1,53 = 466,65 bars. R = 467 bars.
Vi = 4,10 Km/s 4 - Coefficients d’influence des constituants du béton testé (tableau 4) 4.1 - Coefficient d’influence du dosage en ciment : Le dosage en ciment est de 350 Kg/m3
Cd = 1.
4.2 - Coefficient d’influence du type de ciment : Le ciment utilisé est le CPJ : Cc = CCPJ = 1.33 4.3 - Coefficient d’influence des adjuvants : L’adjuvant utilisé est le retardateur-fluidifiant : CadjRF = 1.15.
- 22-
- 23-
Fig 9 = Abaque donnant 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.
- 24 -
