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Other titre : Modification and validation of piezoelectric ring actuator technique to monitor setting and hardening of cement-based materials

dc.contributor.advisorKarray, Mouradfr
dc.contributor.advisorKhayat, Kamal H.fr
dc.contributor.authorSoliman, Nancy Ahmedfr
dc.date.accessioned2014-05-14T19:56:43Z
dc.date.available2014-05-14T19:56:43Z
dc.date.created2010fr
dc.date.issued2010fr
dc.identifier.urihttp://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/1575
dc.description.abstractA period of cement hydration is one of critical in the life span of concrete structures. One of the reasons of collapse of concrete structural elements during and after construction is the error in determining the concrete characteristics at early age. Recently, non-destructive test emerged as a popular way to evaluate the properties of cement-based materials. This test offers continuous measurements of concrete properties as well as ability to monitor any changes in the current state of structural materials. In the existing research, some of these methods fail to capture well properties of the materials in the plastics stage. A new piezoelectric pulse testing device (Piezoelectric Ring Actuators Technique), (P-RAT ) was initially developed at the University of Sherbrook as a non-destructive test (NDT ) for soil. This technique is considered a completely new, versatile, advanced and accurate. The development of the new technique (P-RAT ) was done on two main bases: the first was the development of piezoelectric ring actuators set-up and the second is the development of the interpretation method. The setup is composed of two main units; emitter and receiver, and is capable of measuring shear and compression wave velocities in specimens. With this technique, many problems of pulse tests, which make interpretation of results difficult and ambiguous, were solved in soil. The P-RAT overcomes wave reflections at boundaries (end-caps and sides), sample disturbance, weak shear coupling between soil and device (interaction) as well as the fixation problems, low resonant frequency and limited input voltage of the existing device. The previous method is exploited forward to measure the hydration properties of cement-based material. To apply this test method, it is necessary to determine how the evolution of shear wave velocity can be related and sensitive to the hydration of cement-based materials. Validation of the P-RAT with four conventional test setups that can be used to monitor early setting and hydration of cement-based materials is carried out. These tests include penetration resistance to monitor initial and final setting respectively, calorimetric to monitor heat of hydration, electrical conductivity to monitor change in continuity of the pore structure and compressive strength at 24 hours. The phase one of this investigation included trial tests to investigate the possibility of employing the original setup used for soil (P-RAT ) to determine setting and hardening properties of cement-based material. Based on the results of the preliminary test, two modifications were conducted to the previous test device to fit with cement based material and to obtain adequate resonant frequency for cement-based materials. These modifications are the design of the container and changing the dimensions of the rings. The resultant version of P-RAT after the modification was referred to be as P-RAT2 . Calibration of the P-RAT2 with water specimen was undertaken using the compression wave velocity and resulted in 99.33% accuracy. One paste mixture was tested three times to determine the experimental error of the P-RAT2 . The repeatability carried out on the P-ART2 proved the ability of this setup to capture accurate results of the shear wave velocity. This relative error is limited to 9 %. A number of series of validation was performed on cement paste and mortar mixtures proportioned with various water cement ratios (w/cm ) as well as chemical admixtures. The w/cm ratio ranged between (0.35 and 0.50). The investigated chemical admixtures comprise of high-range water-reducing agent, viscosity-modifying agent, set-accelerating agent, and set-retarding agent. The presented validations examine the ability of a P-RAT2 to monitor the hydration of the cement-based materials. The hydration is characterized by setting time, heat of hydration, electrical conductivity, and compressive strength at 24 hours. The results obtained using the P-RAT2 was correlated to those obtained using the conventional tests and strength measurement. The results enable to validate the ability of P-RAT2 to accurately detect variations in the hydration of cement-based materials. In addition, the initial and final time of setting can be determined from the derivation of velocity vs. time curve. The results show that conductivity, resistivity, has a bilinear relationship to shear wave velocity. The compressive strength at 24 hours was correlated to both the shear wave velocity and shear modulus obtained using the P-RAT2 . Furthermore, analytical model was derived to estimate the w/cm in mortar mixture by measuring the shear wave velocity (V[subscript s] ) and the corresponding time (t )||Résumé : La période d'hydratation du ciment est l'une des périodes clé du cycle de vie des structures en béton. L'une des raisons de l'effondrement d'éléments structuraux en béton pendant et après la construction peut être attribuée à une détermination des caractéristiques au jeune âge erronée. Depuis quelques années, l’auscultation des structures est devenue une méthode très populaire pour évaluer les propriétés des matériaux cimentaires. Cette méthode permet d'obtenir les propriétés du béton en continue et possibilité un suivi de changements dans I'état des matériaux structuraux. Dans I'état actuel de la recherche dans ce domaine, certaines méthodes ne sont pas adéquates pour bien mesurer les propriétés des matériaux à I'état plastique. Un nouvel appareil d'essai à impulsions piezoélectriques (Piezoelectric Ring Actuators technique), (P-RAT) a initialement été développé à l’Université de Sherbrooke comme technique d'auscultation des sols. Cette technique est considérée complètement nouvelle, polyvalente, évoluée et précise. Le développement de cette nouvelle technique (P-RAT) a été effectué en deux volets : la première sole est le développement du dispositif de vérin de commande annulaire piezoélectrique et le deuxième est le développement d'une méthode d'interprétation. Le dispositif d'essai est composé de deux unités principales, un émetteur et un récepteur. Et permet de mesurer la vitesse de propagation des ondes de cisaillement et de compression. Grâce à cette technique, plusieurs des problèmes associés aux dispositifs d'essais par impulsion des ondes, qui rendent les résultats ambigus et difficiles à interpréter, ont été résolu pour les sols. Le dispositif P-RAT surmonte les problèmes de réflexion des ondes aux limites (embouts et côtés), la perturbation de l’échantillon, le couplage de cisaillement faible entre le sol et l'appareil (interaction) ainsi que les problèmes de fixation, la faible résonnance des fréquences et le voltage d'entrée limité du dispositif. La méthode décrite a été utilisée pour mesurer les propriétés d'hydratation des matériaux cimentaires. Pour pouvoir appliquer cette méthode, il faut déterminer comment l’évolution de la propagation des ondes de cisaillement peut être reliée à l'hydratation des matériaux cimentaires et être sensible à ces dernières. La validation de la méthode P-RAT est réalisée, à l'aide de quatre configurations conventionnelles que l’on peut utiliser pour faire le suivi de la prise et de l'hydratation des matériaux cimentaires. Ces essais consistent à la résistance à la pénétration afin de pouvoir déterminer la prise initiale et finale, la calorimétrie pour suivre l’evolution de la chaleur d'hydratation, la conductivité électrique pour effectuer le suivi de la structure des pores et la résistance à la compression à 24 heures. La phase 1 de l'étude comprend des essais pour évaluer la possibilité d'utiliser la configuration originale utilisée pour les sols (P-RAT) pour déterminer les propriétés de prise et de durcissement des matériaux cimentaires. Selon les résultats des essais préliminaires, deux modifications ont été effectuées à l'appareil original pour permettre son utilisation avec des matériaux cimentaires et pour obtenir une fréquence de résonnance raisonnable sur les matériaux cimentaires. Les modifications effectuées sont la conception du contenant et un changement de la dimension des anneaux. La version modifiée du P-RAT est designée P-RAT2. La calibration du P-RAT2 à l'aide d'échantillon liquide sous propagation d'ondes de compression a été menée, avec des résultats d'une précision de 99,33 %. Un mélange a été testé trois fois pour déterminer l'erreur expérimentale du P-RAT2. La répétitivité des essais sur le PART2 a démontré la capacité de cet appareil à produire des résultats de cisaillement de propagation des ondes de cisaillement très précis. L'erreur relative se limite à 9 %. Une série d'essais de validation a été menée sur des mélanges de pâte de ciment et de mortier de rapport eau/ciment variés (e/c) ainsi qu'avec des adjuvants. Le rapport e/c variait entre 0,35 et 0,50. Les adjuvants utilisés étaient des supers plastiflants (réducteur d'eau), des agents de viscosité, des agents accélérateurs de prise et des agents retardateurs de prise. Les validations présentées ont pour but de valider la capacité du P-RAT2 à suivre l'hydratation des matériaux cimentaires. L'hydratation est caractérisée par le temps de prise, la chaleur d'hydratation, la conductivité électrique et la résistance à la compression à 24 heures. Les résultats obtenus à l'aide du P-RAT2 ont été comparés à ceux obtenus à l'aide d'essais de mesure des caractéristiques physiques et de résistance traditionnels. Ces résultats permettent de valider la capacité du P-RAT2 à détecter avec précision les variations dans l'hydratation des matériaux cimentaires. De plus, le dispositif P-RAT2 peut avoir une correction avec mesure obteniez avec les appareils traditionnels. II est aussi possible de déterminer le temps de prise initial et final à l'aide d'une courbe de propagation vs le temps. Les résultats montrent que la conductivité et la résistivité ont une relation bilinéaire à la propagation des ondes de cisaillement. La résistance à la compression à 24 heures a été comparee à la fois à la propagation des ondes de cisaillement et au module de cisaillement obtenus avec le P-RAT2. De plus, un modèle analytique a été établi pour estimer le rapport e/c dans le mélange de mortier en mesurant la propagation des ondes de cisaillement (V) correspondant au temps (t).fr
dc.language.isoeng||engfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© Nancy Ahmed Solimanfr
dc.subjectShear wave velocityfr
dc.subjectPiezoelectric ring actuator techniquefr
dc.subjectNon-destructive testfr
dc.subjectHydrationfr
dc.subjectCement-based materialsfr
dc.subjectMatériaux cimentairesfr
dc.subjectHydratationfr
dc.subjectAuscultationfr
dc.subjectTechnique d'essai à impulsions piezoélectriques et vitesse de propagation des ondes de cisaillementfr
dc.titleModification et validation de la technique de l'anneau piézoélectrique pour mesurer la prise et le durcissement des matériaux à base de cimentfr
dc.title.alternativeModification and validation of piezoelectric ring actuator technique to monitor setting and hardening of cement-based materialsfr
dc.typeMémoirefr
tme.degree.disciplineGénie civilfr
tme.degree.grantorFaculté de géniefr
tme.degree.levelMaîtrisefr
tme.degree.nameM. Sc. A.fr


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