Rapport sur les essais non destructifs du béton au sein de l'Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tunis

2. Remerciments
Nous tenons à remercier madame Maha AZZABI pour sa disponibilité, ses pré-
cieux conseils qui nous ont permis d’avancer dans notre projet avec ses propositions
d’amélioration. Nos remerciements vont également à nos chers parents symbole de
sacrifice et d’amour, pour leur aide et support éternel.
i

3. Table des matières
Page
Remerciments i
Table des matières ii
Table des figures iv
Liste des tableaux v
Introduction Générale vii
1 Béton 1
1.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Composition du béton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Ciment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Granulat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.3 Eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.4 Adjuvants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Propriétés mécaniques du béton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Essais sur béton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.1 Essais destructifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.2 Essais non destructifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Méthode des ondes mécaniques 6
2.1 Ultrason . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Rebond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
ii

4. TABLE DES MATIÈRES
2.3 Impact-echo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Méthodes électriques 10
3.1 Potentiel de corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 Résistivité électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Méthodes électromagnétiques 14
4.1 Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 Technique capacitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5 Méthodes thermiques 17
Conclusion 19
Bibliographie 21
iii

5. Table des figures
1.1 Composition du béton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Essai de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Évolution de la résistance à la compression . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Principe schématique de la mise en œuvre des techniques ultraso-
nores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Scléromètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Division du matériau en zones à tester selon la norme [4] . . . . . . 8
2.4 Impact-echo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Montage impact-echo[9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 Mesure de profondeur de l’anomalie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 Montage pour la mesure de potentiel de corrosion[10] . . . . . . . . 10
3.2 Exemple d’une cartographie des résultats de relevé de potentiel . . . 11
3.3 Méthodes de mesure de la résistivité électrique[11] . . . . . . . . . . 13
4.1 Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2 Principe du dispositif de mesure en surface de la technique capacitive 16
5.1 Détection d’anomalie par la méthode infrarouge[12] . . . . . . . . . 18
iv

6. Liste des tableaux
3.1 Code de couleurs et convention d’interprétation de corrosion . . . . 11
v

8. Introduction Générale
Le béton est un des matériaux de construction les plus utilisés. Ce matériau pos-
sède plusieurs avantages, de plus, évolue et réagit avec son environnement. En effet,
les ouvrages en béton armé amplifient, avec le temps, de nombreuses pathologies
(corrosion des aciers, fluage, réactions chimiques, etc.). A cause de ces agressions
physicochimiques, il y a pénétration des agents agressifs dans le cœur de béton. Une
grande partie des infrastructures ont été bâties avec ce matériau et cela depuis plus
d’une cinquantaine d’années. Ces biens sont donc vieillissants ce qui nécessite un
entretien et un suivi régulier. Afin de réduire les contraintes liées aux investigations
destructives coûteuses, les gestionnaires sont intéressées par les méthodes non des-
tructives.Ces méthodes permettent de donner des échos qualitatifs sur la totalité de
la surface auscultée et de minimiser ainsi le nombre de prélèvement.
Donc, notre contribution consiste à présenter les techniques utilisées de ces essais
en répondant à plusieurs questions liées au principe, utilité et appareillage de chaque
méthode. Ce rapport est structuré comme suit :
Nous entamerons notre travail par un premier chapitre qui présentera un aperçu
général sur le béton, ses composants et ses propriétés. Ensuite, dans les chapitres
suivants nous expliquerons les différentes méthodes des essais non destructifs .Fina-
lement, Nous terminons notre travail par une conclusion de ce rapport.
vii

10. Chapitre 1
Béton
1.1 Définition
Le Béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats,
sable, ciment et d’eau et éventuellement d’adjuvants pour en modifier les propriétés
(plastifiants, retardateur, accélérateur, colorants. . . )
Figure 1.1 – Composition du béton
1

11. Chapitre 1 Béton
1.2 Composition du béton
Le béton est composé de deux composants, des granulats et de la pâte. Les gra-
nulats sont généralement classés en deux groupes, fines et grossiers, et occupent
environ 60 à 80 % du volume de béton. La pâte est composée de ciment, d’eau et
d’air entrainé et représente habituellement de 20 à 40 % du volume total [1].
1.2.1 Ciment
Il existe de nombreux types de ciments différents. Dans le béton, le plus cou-
ramment utilisé est le portland. c’est un ciment hydraulique qui durcit par réaction
chimique avec l’eau.L’invention du ciment Portland est attribuée à Joseph Aspdin,
en 1824 [2]. Il a baptisé son produit Ciment Portland parce qu’il produisait un béton
qui ressemblait à une pierre calcaire naturelle extraite sur l’île de Portland. Divers
types de ciment portland ont été normalisés pour différentes utilisations selon le
type de construction, la composition chimique du sol, l’économie et la vitesse de
construction déterminent le type de ciment utilisé.
1.2.2 Granulat
Le granulat se traduit par le sable et du gravier qui constitue typiquement 75 %
du volume de béton, ou plus, et donc elle détermine en grande partie les propriétés
du béton. Pour un béton de bonne qualité, doit être fort, durable et propre avant
l’utilisation, car l’une ou l’autre de ces impuretés peut ralentir ou empêcher le ciment
de s’hydrater ou réduire le lien entre la pâte de ciments et les particules d’agrégats.
1.2.3 Eau
L’eau est mélangée au ciment pour former une pâte et produire l’hydratation.Les
matières organiques et l’huile peuvent inhiber l’activité entre le ciment hydraté et
l’agrégat en enduisant la surface de l’enrobage et empêcher l’adhérence entre la pâte
et les agrégats. Les alcalis et les acides réagissent aussi chimiquement avec le ciment
et retardent l’hydratation normale, et les matières organiques peuvent avoir le même
effet. Le résultat est un affaiblissement de la pâte.
2

12. 1.3 Propriétés mécaniques du béton
1.2.4 Adjuvants
Les adjuvants chimiques sont les ingrédients du béton autres que le ciment port-
land, l’eau et les agrégats qui sont ajoutés au mélange immédiatement avant ou
pendant le mélange. Les producteurs utilisent les adjuvants principalement pour ré-
duire le coût de construction du béton[3], pour modifier les propriétés du béton durci,
pour assurer la qualité du béton pendant le mélange, le transport, la mise en place
et le durcissement, et pour surmonter certaines urgences pendant les opérations de
béton.
La bonne utilisation des adjuvants dépend de l’utilisation de méthodes appropriées
de dosage et de bétonnage. La plupart des adjuvants sont fournis sous forme liquide
prête à l’emploi et sont ajoutés au béton à l’usine ou sur le chantier.
1.3 Propriétés mécaniques du béton
La résistance du béton dépend généralement du type de sollicitation auxquels il est
soumis. La résistance à la compression du béton est mesurée par la charge appliquée
par compression d’une éprouvette cylindrique de dimension 16 cm de diamètre et
de 32 cm de hauteur. Les bétons courants ont une résistance qui a été comprise
généralement entre de 20 à 30 MPa , mais pour les bétons à hautes performances
la résistance à la compression peut atteindre 100 MPa. La résistance en traction est
plutôt une des grandes faiblesses du béton et qui est égale au environ de 1/10 de
la résistance à la compression.. La résistance en flexion est définie par une valeur
légèrement inférieure à la racine carrée de la résistance en compression. La résistance
en torsion du béton dépend d’une autre valeur appelée le module de rupture et de
la dimension de l’élément. La résistance en cisaillement du béton est d’environ 5%
de la résistance en compression.
3

13. Chapitre 1 Béton
1.4 Essais sur béton
1.4.1 Essais destructifs
Les essais destructifs sont des essais réalisés par échantillonnage.Ils sont effectués
jusqu’à la défaillance de l’échantillon, afin de comprendre sa performance ou le
comportement du matériau sous différentes charges.Les essais destructifs sont les
plus appropriés et les plus économiques pour les objets qui seront produits en série,
car le coût de destruction d’un petit nombre d’échantillons est négligeable [4] ,parmi
les essais les plus utilisés on a l’essai de flexion et l’essai de compression (voir la
figure 1.2) .
Figure 1.2 – Essai de compression
Figure 1.3 – Évolution de la résistance à la compression
1.4.2 Essais non destructifs
Les essais non destructifs portent principalement sur les éléments suivants l’éva-
luation des défauts des matériaux qui se présentent sous forme de fissures ce qui
4

14. 1.4 Essais sur béton
pourrait entrainer une perte de résistance dans une structure en béton.Grand nombre
de paramètres tels que la densité, la résistance et la dureté de surface peuvent être
déterminées à l’aide de méthodes d’essais non destructifs. Il est également possible
de vérifier l’intégrité de la structure et la qualité de l’exécution en détectant fissures
et vides[5].
Diverses méthodes d’essais non destructifs utilisées sur le terrain sont les suivantes
[6] :
- Méthodes des ondes mécaniques : Ultrason, impact-écho ,rebond
- Méthodes électriques : Potentiel de corrosion , résistance de polarisation
- Méthode électromagnétique :Radar, méthode capacitive
- Méthode thermique
5

15. Chapitre 2
Méthode des ondes mécaniques
2.1 Ultrason
Ce test dispose d’un appareil de programmation automatique dont elle mesure le
temps de parcours d’une impulsion ultra sonore traversant le béton. Les impulsions
sont générées par des cristaux piézo-électriques excitants, avec des cristaux similaires
utilisés dans le récepteur. L’idée est de projeter le son à l’intérieur d’un matériau et
de mesurer le temps nécessaire à l’émission du son[7] La vitesse de l’onde varie en
fonction de la densité de l’onde permettant l’estimation de la porosité et la détection
des discontinuités. Le principe de la mise en oeuvre des techniques ultrasonores est
schématisé dans la figure au-dessous.
Figure 2.1 – Principe schématique de la mise en œuvre des techniques ultrasonores
6

16. 2.2 Rebond
2.2 Rebond
La méthode d’essai du marteau rebondisseur (scléromètre) est utlisée pour la
détermination de la résistance à la compression du béton dont elle est basée sur
le principe que le rebond d’une masse élastique dépend de la dureté de la surface
de béton .Lorsque le piston du marteau rebondisseur est pressé contre la surface
du béton, la masse contrôlée par ressort dans le marteau rebondit. La valeur de
rebond est lue selon une échelle graduée qui désigne l’indice de rebond. Alors la
résistance à la compression peut être lue directement sur le graphique fourni sur le
corps du marteau. Plusieurs lectures sont prises, bien réparties et reproductibles, la
moyenne représentant le nombre de rebond de la bouteille(voir figure2.3) [8]. Cette
procédure est répétée avec plusieurs cylindres, dès que on obtient des résistances à
la compression.
Figure 2.2 – Scléromètre
7

17. Chapitre 2 Méthode des ondes mécaniques
Figure 2.3 – Division du matériau en zones à tester selon la norme [4]
2.3 Impact-echo
Impact-echo est basée sur l’utilisation d’ondes de contraintes transitoires générées
par l’impact élastique. Un impact mécanique de courte durée, produit en tapotant
une petite sphère d’acier contre une surface de béton ou de maçonnerie, est utilisé
pour générer des ondes de contrainte de basse fréquence qui se propagent dans la
structure et sont réfléchies par des défauts et/ou des surfaces externes. Les dépla-
cements de surface causés par les réflexions de ces ondes sont enregistrés par un
transducteur, situé à proximité de l’impact. Les signaux de déplacement en fonc-
tion du temps qui en résultent sont transformés dans le domaine fréquentiel et des
tracés d’amplitude en fonction de la fréquence (spectres) sont obtenus[9]. Les ré-
flexions multiples des ondes de contrainte entre la surface d’impact, les défauts et/ou
d’autres surfaces externes donnent lieu à des résonances transitoires(voir figure 2.5),
qui peuvent être identifiées dans le spectre et utilisées pour évaluer l’intégrité de la
structure ou pour déterminer l’emplacement des défauts.
8

18. 2.3 Impact-echo
Figure 2.4 – Impact-echo
Figure 2.5 – Montage impact-echo[9]
Figure 2.6 – Mesure de profondeur de l’anomalie
9

19. Chapitre 3
Méthodes électriques
3.1 Potentiel de corrosion
La technique du potentiel de corrosion est utilisée comme méthode électrochi-
mique pour la surveillance de la corrosion des armatures .Cette méthode est basée
sur la mesure de la différence de potentiel entre un courant circulant dans la cage
d’acier d’armature et une électrode de référence (demi-cellule Cu/CuSO4)[9] ,la pro-
babilité de corrosion est généralement utilisée comme critère d’évaluation des résul-
tats.Lorsqu’il y a corrosion active, le courant circule (mouvement ionique) à travers
le béton entre anodique et cathodique et s’accompagne d’un un champ de poten-
tiel électrique qui entoure le barre de corrosion, voir figure 3.1 au dessous.La forte
probabilité de corrosion peut être déterminée par leur potentiel négatif élevé[10].
Figure 3.1 – Montage pour la mesure de potentiel de corrosion[10]
10

20. 3.1 Potentiel de corrosion
Figure 3.2 – Exemple d’une cartographie des résultats de relevé de potentiel
Tableau 3.1 – Code de couleurs et convention d’interprétation de corrosion
11

21. Chapitre 3 Méthodes électriques
3.2 Résistivité électrique
La mesure de résistivité pour des ouvrages en béton armé fait partie des mesures
électrique qui comprennent la mesure de potentiel de corrosion. La mesure de la
résistivité est plus difficile qu’il n’y parait, principalement parce que le béton est un
matériau poreux et, selon le degré de saturation, ses propriétés électriques passent
d’isolant (béton sec) à conducteur (béton saturé). L’autre raison qui contribue à la
complexité des mesures est la capacité du béton lorsqu’il est humide. Les chercheurs
ont développé et étudié différentes techniques de test. Deux formats du test sont
devenus très populaires :
- Quatre sondes (électrode) :
Méthode La méthode à quatre sondes utilise quatre électrodes pour mesurer la
résistivité électrique de surface du béton. La disposition des électrodes est connue
sous le nom de réseau de Wenner, et se compose de quatre électrodes qui sont placées
sur la surface du béton. Les électrodes extérieures créent un courant électrique dans
le béton et les électrodes intérieures mesurent le potentiel induit[11]. La résistance
est ensuite calculée en divisant la différence de potentiel par le courant. La sonde
Wenner est la plus célèbre des deux, principalement en raison de sa simplicité et de
sa portabilité, ce qui la rend idéale pour les essais sur le terrain.
- Deux sondes (électrode) :
La méthode à deux sondes est utilisée pour mesurer la résistivité électrique glo-
bale du béton. Dans cette technique, l’échantillon de béton est placé entre les deux
électrodes et le potentiel est mesuré après application du courant. Normalement,
une éponge humide est utilisée pour assurer le contact entre les plaques d’électrodes
et la surface du béton[11]. Comme le courant traverse la majeure partie du béton,
cette technique donne une meilleure indication de la résistance électrique du béton.
12

22. 3.2 Résistivité électrique
Figure 3.3 – Méthodes de mesure de la résistivité électrique[11]
13

23. Chapitre 4
Méthodes électromagnétiques
4.1 Radar
Cette technique se caractérise par la localisation rapide des cavités dans les chaus-
sés, détecter des armatures, des cordes précontraints, des défauts (vides, fissures)
dans le béton, ainsi elle permet de réaliser des mesures rapides en mode 2D pour
marquage simple sur la structure ou en mode 3D pour obtenir une cartographie
complète des voiles, dalles, poutres, etc.
Elle utilise le principe des courants de Foucault. Lorsqu’il y a un changement
dans la quantité de matériau ferromagnétique sous la tête de recherche, par exemple
par la présence d’une barre d’armature ou d’un autre objet métallique, il y a une
augmentation de l’intensité du champ de même il résulte une augmentation de la
tension détectée par l’appareil. Le couvercle d’une barre peut également être déter-
miné si un calibrage approprié peut être obtenue pour la taille particulière de la
barre et les matériaux faisant l’objet de l’enquête[12]. La plupart les instruments
disposent d’une procédure permettant d’estimer à la fois la taille des barres et la
distance entre elles de la sonde à la barre lorsqu’aucun de deux n’est pas connu.
Les propriétés des ondes électromagnétiques sont exploitées, par exemple en vi-
tesse, en amplitude de l’onde directe ainsi que les différents échos. Il faut savoir que
la vitesse et l’amplitude dépendent de la permittivité diélectrique du matériau qui
est dépendant des teneurs en eau et en chlorures des bétons[6]. Cette technique est
aussi utilisée comme une technique complémentaire en combinaison avec d’autres
14

24. 4.2 Technique capacitive
mesures CND plus locales (résistivité électrique, ultrason) pour améliorer l’évalua-
tion des propriétés des bétons (ex. saturation, porosité, résistance mécanique) .
Figure 4.1 – Radar
4.2 Technique capacitive
Le principe de cette méthode est fondé sur la mesure de la fréquence de réso-
nance d’un circuit oscillant entre deux électrodes posées sur le béton. La fréquence
de résonance oscille en fonction de la constante diélectrique du béton qui dépend
de la teneur en eau. . Cette méthode est utilisée principalement pour la mesure de
la teneur en eau dans les bétons[6]. Plusieurs électrodes de tailles variables peuvent
être montées en parallèle pour modifier le volume de mesure ou la profondeur d’ac-
tion . Dans la pratique et pour les ouvrages en béton armé, il y a constamment
un gradient important d’humidité dans le béton. Les mesures capacitives donnent
une information sur la constante diélectrique moyenne du béton sur les premiers
centimètres(voir figure 4). Ces données prennent en compte la teneur en eau à pro-
fondeurs distincts avec une modération attachée à la distance électrodes des couches
15

25. Chapitre 4 Méthodes électromagnétiques
examinées.
Figure 4.2 – Principe du dispositif de mesure en surface de la technique capacitive
16

26. Chapitre 5
Méthodes thermiques
Les méthodes thermiques sont éprouvées sous forme de techniques de thermogra-
phie infrarouge. Le principe est fondé sur le gradient de températures sous-jacentes
naturelles ou artificielles du matériau hétérogène présentant une anomalie (discon-
tinuité) ou un défaut (ex- cavité, délaminage, décollement, fissure), un tracé d’hu-
midité, un foyer d’incendie, etc. Cette technique fait l’établissement d’une carte de
température de la surface auscultée à l’aide d’une caméra infrarouge mesurant des
rayonnements thermiques[6]. L’affichage de cette carte se fait sous forme de ther-
mogrammes, puis l’étude des données enregistrées se fait à partir d’un ordinateur,
équipé d’un logiciel de traitement d’images spécifique.
La thermographie infrarouge passive est essentiellement utilisée pour la mise en
évidence d’anomalies. Les premiers emplois de la thermographie infrarouge pas-
sive sont faits pour la détection de délaminage sur les tabliers de pont en béton
armé, et sur les chaussées. Après un tel développement, elle devienne utiliser pour
l’auscultation d’ouvrages de construction comme les bâtiments, les gaines de béton
précontraint, les conduits et les sites miniers .
17

27. Chapitre 5 Méthodes thermiques
Figure 5.1 – Détection d’anomalie par la méthode infrarouge[12]
18

28. Conclusion
Ce travail bibliographique nous a permis de découvrir les techniques de contrôle
non destructif (CND) qui composent une des voies jointes pour estimer la variabilité
spatiale et les propriétés du matériau béton. Cela concerne l’exploitation de l’onde
directe radar ou des ondes de haute fréquence pour la caractérisation du béton. Une
technique capacitive pour la mesure de teneur en eau dans le béton a été démontrée.
L’éventualité de la technique infrarouge comme technique à grande productivité ont
été prouver. Le rapport a montré l’importance des techniques de CND, en particulier
celles dont la mise en œuvre est rapide (comme la thermographie ou le radar) pour
le zonage ou pour le classement des ouvrages à l’échelle d’un parc. Un autre point
très important qui est la combinaison de plusieurs méthodes. Ceci peut expliquer au
terme de complémentarité, car la confirmation d’une technique par un autre renforce
le diagnostic.
19

30. Bibliographie
[1] Destructive and Non- Destructive Testing for Concrete in Sudan - A Compa-
rative Study Adil par M. EL-Bashir, Salih EL-Hadi. M. Ahmed,Dec. 2015.
[2] Lucien Pliskin « le béton »,Centre de recherche sur la culture technique, Neuilly-
sur-Seine (FRA),1992
[3] The McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology, 10th Edition,2003.
[4] Evaluation of the concrete quality using destructive and non–destructive tests
,MOJ Civil Engineering,2018.
[5] Le Controle non destructif des structures en béton ,CETE Méditerranée,15 juin
2004.
[6] Évaluation non destructive des structures en béton armé Étude de la variabilité
spatiale et de la combinaison des techniques,Ngoc Tan NGUYEN,2014.
[7] CONTROLE NON DESTRUCTIF DU BETON Méthode Combinée ( ultrason-
scléromètre), Centre National d’Etudes et de Recherches Intégrées du Bâtiment
1998
[8] https ://www.ndt.net/article/0298/streett/streett.htm
[9] Expertise des ponts à étagement de l’autoroute Dufferin-Montmorency par mé-
thodes géoradar et relevé de potentiel,2012
[10] Half-Cell Potential Mapping Of Reinforced Concrete A Cheaitani & A Col-
lyer,2011
[11] Electrical Resistivity of Concrete,Hamed Layssi, Pouria Ghods, Aali R. Aliza-
deh, and Mustafa Salehi,2015
[12] Guidebook on non-destructive testing of concrete structures,2002
21