Suivi de l'évolution de la réaction alcalis-silice par méthodes ultrasoniques et par tomographie sonique

Abstract

La Réaction Alcalis-Silice (RAS) crée un gonflement du béton et engendre une microfissuration à l'intérieur du béton et une fissuration de la surface du béton. Ces phénomènes affectent la durabilité des ouvrages en béton, des appareils mécaniques connexes et posent des problèmes techniques et économiques très importants pour les gestionnaires d'ouvrages. Le développement de méthodes non destructives aptes à suivre l'évolution de la RAS permet de mieux évaluer l'état des ouvrages et aussi d'optimiser, dans le temps, les travaux de réhabilitation et d'entretien. L'objectif de cette thèse vise à suivre l'évolution des dommages causés par la RAS avec des méthodes non destructives basées sur la propagation des ondes ultrasonores et la résonance des éprouvettes de béton pour établir des critères d'efficacité propres à chacune de ces méthodes. Cependant il est difficile de mesurer des variations de propriétés ultrasoniques attribuables uniquement à la RAS. En effet, les méthodes non destructives sont sensibles aux caractéristiques intrinsèques des bétons et aux conditions environnementales comme la température et l'humidité. D'autre part, l'évolution de la réaction est très lente (plusieurs dizaines d'années) et il n'est pas possible de suivre cette évolution sur un aussi longue période. À cet effet, deux études séparées ont été réalisées: - La première est un travail de laboratoire et consiste à suivre l'endommagement lié à la RAS avec des méthodes ultrasoniques sur des éprouvettes de béton (100x200 mm ou 75x75x300 mm) dont la réaction est accélérée. Nous avons ensuite fait varier la température et la teneur en eau pour évaluer l'influence des paramètres environnementaux sur les mesures non destructives. Les bétons non réactifs ont été fabriqués avec le calcaire Limeridge (calcaire métamorphique des Appalaches) et les bétons réactifs contiennent soit du calcaire Spratt soit du grès de Potsdam. Ces deux derniers granulats ne réagissent pas de la même manière et occasionnent des vitesses de réaction différentes. Les essais ultrasoniques réalisés sont basés sur la mesure des amplitudes pic à pic, d'atténuation des ondes ultrasonores dans le domaine spectral, des fréquences centroïdes, des temps de montée et des fréquences de résonance des éprouvettes. Dans le cadre de cette thèse nous avons aussi étudié l'évolution de la RAS avec des méthodes électrique. Cependant, il a été observé que la composition des bétons et la variation des conditions environnementales affectent les mesures de résistivité électrique. Par conséquent, cette méthode n'a pas été retenue pour suivre l'évolution de la RAS. Toutefois les résultats de mesures électriques sont présentés dans cette thèse afin de montrer que cette technique ne fonctionne pas dans le cadre de nos programmes expérimentaux. - La deuxième étude a pour but d'évaluer la validité d'une partie des méthodes non destructives lorsqu'elles sont appliquées in situ. Pour cela, nous avons réalisé, en particulier, des tomographies soniques sur une écluse en inversant les paramètres ultrasoniques permettant d'estimer l'atténuation des ondes ultrasonores. Les observations et recommandations pour le suivi de la RAS sont les suivantes : - Dans le cadre des essais en laboratoire, l'étude de fréquence de résonance des éprouvettes cylindriques (100x200 mm) de béton représente la meilleure méthode pour suivre l'évolution de la RAS. De plus, nous avons mis en évidence, au cours des essais de mesure de fréquence de résonance, que cette méthode permet d'évaluer l'état d'endommagement des bétons, en faisant varier la teneur en eau des bétons durcis. - Dans le cas d'un ouvrage hydraulique qui se trouve dans un emplacement où les conditions d'humidité varient fortement, il est montré dans cette thèse que les tomographies d'atténuation obtenues en inversant les données de fréquences centroïdes calculées à partir de la FFT du signal reçu sont très efficaces. - Enfin, s'il y a de fortes variations de température entre plusieurs séries de mesures (température inférieure à 4 °C ou supérieure à 40 °C), il est préférable de réaliser des tomographies d'atténuation en inversant les temps de montée calculés selon la méthode de Blair et Spathis et en utilisant un marteau léger (250g à 450g). Afin de comparer l'ensemble des méthodes entre elles, un tableau de synthèse est présenté en conclusion de cette thèse. Cette comparaison est réalisée selon trois critères : la sensibilité de chacune des méthodes à la RAS, la sensibilité de ces dernières aux conditions environnementales et la qualité de la tomographie obtenue après inversion des paramètres physiques de chacune des méthodes. 3 Ce travail de synthèse permettra pour les futures tomographies sur des ouvrages hydrauliques atteints de RAS de choisir la méthode la plus appropriée afin de caractériser l'état d'endommagement des bétons.

The Alkali-Silica Reaction (ASR) causes the swelling of concrete structures and creates microcrackings inside the concrete and macrocracks at the surface cracks mapping. This phenomenom affects the durability of structures and involves technical and economical issues for structure managers. Development of non-destructives methods, aiming at monitoring ASR evolution, would help managing the structures rehabilitation works. The scope of this thesis is to monitor the evolution of damages associated with ASR using non-destructives methods based on ultrasonic wave propagation and resonant frequencies of concrete specimens in order to establish criteria associated to each methods. However, it is not easy to measure ultrasonic properties variations due only to ASR. Indeed, non-destructives methods are sensitive to mixture proportions of concrete and to environmental conditions. In addition, it is difficult to monitor ASR evolution directly on structures because ASR is a very slow reaction (over ten years). In order to achieve this objectives two studies were carried out. The first was conducted in a laboratory. The ASR evolution was monitored with ultrasonic methods (pulse velocity, attenuation and resonant frequencies of concrete specimens) on reactive laboratory concrete specimens (100x200 mm or 75x75x300 mm) kept in accelerated conditions. Temperature and water content of these specimens varied in order to evaluate the effect of these parameters on non-destructives measurements. Mixtures of non-reactive specimens were batched with Limeridge limestone (metamorphic limestone from the Appalachia) and reactive specimens with Spratt limestone or Posdam sandstones. Both reactive aggregates have different reaction rate. Ultrasonic tests that were performed are based on the measure of pick-to-pick amplitudes, ultrasonic wave attenuation in spectral domain, centroid frequencies, rise time and resonant frequencies of concrete specimens. In this thesis we also have studied the ASR evolution was with electrical methods. Results showed that concrete proportion parameters and environmental conditions affect significantly the measurement of electrical resitivity. It is not relevant to use this method to monitor the ASR evolution. Results of electrical measurements are presented in this thesis in order shows the inapplicability of this method. The second study aims at evaluating the in-situ behaviour of some of the non-destructives methods used in the first study. Sonic attenuation topography was performed on a lock. The followings observations and recommendations are drawn: (1) In order to carry out laboratory tests, the study of longitudinal resonant frequencies on cylinders (100x200 mm) is the most relevant method for measuring ASR evolution. Furthermore, this method may assess the damage state of concrete, when water content of hardened concrete varied. (2) In the case of structures subjected to high humidity conditions, it is recommended to conduct attenuation tomography based on the inversion of centroid frequencies calculated from the output signal FFT. (3) Finally, if the structures is in a high temperature variation area (temperature less than 4 [degré] C or more than 40 [degré] C), it is recommended to carry out attenuation tomography based on the reverse of rise time calculated with Blair et Spathis method. It is also recommended to use a light weigh hammer (250g to 450g) to generate the signal. In order to compare ail the methods, a synthesis table is presented at the end of this thesis. The comparison is made with three criteria: sensitivity of methods to ASR, sensitivity of methods to environment conditions and quality of tomographies obtained with reverse of sonic parameters of each method. This synthesis will help for the planning of future tomography survey of ASR affected concrete structures.