Evaluation et COntrôle non Destructifs des milieux dispersifs du génie civil par propagation d’ondes ElectroMagnétiques

Responsables

Xavier Dérobert (Ifsttar/GERS/AI), Amine Ihamouten (CETE de l'Ouest, ERA 17)

Enjeux et objectifs

  • L’essor du génie civil relève en partie de la recherche et du développement des outils de diagnostic préventif, qui fournissent les paramètres utiles pour caractériser les structures du parc français et qui permettent in fine d’estimer un état de dégradation voire un positionnement sur l’échelle de la durée d’exploitation
  • Les méthodes d’auscultations non destructives existantes ont actuellement des difficultés à estimer certaines caractéristiques physiques, chimiques et géométriques des structures avec une précision compatible avec le besoin exprimé par les maîtres d’ouvrages et par la réglementations française et européenne
  • Les méthodes de contrôle et d’évaluation non destructifs (C&END) sont fortement demandées pour des raisons de simplicité de mise en œuvre, de coût réduit, d’altération minime des structures par le carottage et de l’exploitation à grand rendement
  • La réglementation actuelle ne permet plus d’utiliser les sources radioactives permanentes avec la souplesse nécessaire

Pour répondre à ces problématiques, l’ORSI ECODEM aura pour objectifs de :

  • Adopter une approche transversale exploitant la physique des ondes électromagnétiques, du continu aux fréquences radar, pour la caractérisation physique et géométrique des infrastructures dans les domaines des ouvrages d’arts, des bâtiments, des chaussées et des sols
  • Développer des outils de traitement et de modélisation basés sur des modèles physiques capables de prédire l’état de dégradation des ouvrages en bétons hydrauliques, des bâtiments et des sols (i.e. gradients d’indicateurs physiques et hydriques, transversalité et en lien avec l'ORSI APOS) et améliorer la compréhension des phénomènes physiques rencontrés
  • Développer des outils de mesures EM (i.e. l'Equipex Sense-City et le CECP Angers et Rouen seront dédiés au prototypage et à la validation de capteurs innovants) pour quantifier avec une grande précision l’état de dégradation des infrastructures routières, à l’image des délaminations entre les différentes couches de chaussées, lié au processus de collage par exemple (transversalité et en lien avec l’ORSI FISSURES et l’action ciblée 11S113 sur les aspects compacité et densité des enrobés). Dans ce cadre, des productions de maquettes (i.e. radar step-freq) et de prototype (i.e. rayons X) sont prévues pour des besoins en recherche et en opérationnel
  • Mettre en place une méthode d’estimation d’un nouveau paramètre à l’aide du radar géophysique : la rugosité inter-couches et de surface de chaussées et son implication dans les études évoquées ci-dessus et pour le suivi structurel des chaussées

Etat de l'art

La technique radar utilise les propriétés de propagation des ondes électromagnétiques (EM) pour déterminer la géométrie, la structure d’un milieu diélectrique, détecter, localiser, caractériser et identifier des objets ou couches à l’intérieur de ce milieu. Elle présente l’avantage d’être une technique à grand rendement et sans contact, et d’être particulièrement sensible à la teneur en eau des matériaux auscultés. A ce jour, de nombreux progrès sont encore attendu avec cette technologie radar pour la caractérisation des matériaux (dans les domaines chaussées, sols et ouvrages d’art), pour la détection et la caractérisation de structure (détection de canalisation de gaz ou autre, estimation de rugosité de surface …). Les enjeux économiques, environnementaux et l’évaluation du risque font du radar un outil prometteur. A titre d’exemple, les mesures nucléaires de teneur en eau et de densité ont longtemps offert une voie efficace de caractérisation de l’état des structures du génie civil, qui conditionne leur comportement mécanique. La réglementation actuelle ne permet plus d’utiliser les sources radioactives permanentes avec la souplesse nécessaire et il est important de développer des alternatives de mesure qui fournissent les mêmes informations sans sources radioactives permanentes. L’utilisation des méthodes ND basées sur la propagation des ondes EM représente une solution adéquate à ce problème.

A ce jour il existe une grande littérature sur l’évaluation et le contrôle non destructifs par les techniques radar (conférence internationale (GPR), workshop (IWAGPR dont l’organisation en 2013 est portée par l’IFSTTAR et le CETE Ouest iwagpr2013.ifsttar.fr).

Les résultats des programmes de recherche du RST, des projets ANR et européens (ACTENA, SENSO, MAREO, COST TU1208,…), des OR closes (11N065, 11N071, 11N073, 13N051, 11N081, …) et ORSI en cours (APOS, FISSURES) ont montré tout le potentiel des outils basés sur la propagation des ondes EM pour la caractérisation des matériaux du génie civil. En effet, une première corrélation entre les observables ND (i.e. constante diélectrique) et les caractéristiques physiques liées à l’état de dégradation des infrastructures (chaussées, ouvrages d’art, réseaux et canalisations, …) a été mise en évidence, et cela en se basant essentiellement sur une approche directe orientée « matériau ».

Nous proposons donc à travers cette ORSI une approche surjective (dont les actions envisagées s’appuient sur des recherches et résultats antérieurs issus du RST) et originale qui consiste à se focaliser sur les bases de la propagation des ondes EM, du continu aux fréquences radar, pour les caractérisations physiques et géométriques des milieux du génie civil en améliorant les performances des technologies et des traitements GPR. Cette organisation de recherche va permettre de rassembler et de coordonner les actions des spécialistes de l'électromagnétisme de Ifsttar et du CEREMA. Enfin, cela permettra d’aboutir d’une part, à une transversalité dans les domaines d’application (ouvrages d’art, chaussées, bâtiments, …) avec un diagnostic physique allant de la caractéristique microstructurale à la caractéristique macrostructurale et d’autre part, à une complémentarité avec les autres ORSI traitant les problèmes directement liés au matériau (APOS, Fissures, …).

Sujets traités

Afin de répondre à la problématique posée, l’organisation de l’ORSI se décomposera en 3 thèmes qui seront déclinés en un ou plusieurs sujets :

Thème 1 : Caractérisation électromagnétique des matériaux dispersifs pour l'estimation de leur teneur en eau (responsable : X. Dérobert – GERS – IFSTTAR)

  • Sujet 1 Application aux structures en béton hydraulique
  • Sujet 2 Application aux matériaux du bâti ancien
  • Sujet 3 Application aux sols

Thème 2 : Caractérisation physique des couches de chaussées (responsable : C. Fauchard – ERA23 – CEREMA)

  • Sujet 4 Mesure de la densité des enrobés bitumineux par GPR
  • Sujet 5 Mesure de la densité des enrobés bitumineux par rayons X
  • Sujet 6 Etude de la sensibilité des ondes EM au collage des couches de chaussées

Thème 3 : Détection et caractérisation des structures par GPR (responsable : C. Le Bastard – ERA17 – CEREMA)

  • Sujet 7 Cartographie des réseaux de canalisation
  • Sujet 8 Estimation de la rugosité d’interfaces de chaussée par radar ultra large bande
  • Sujet 9 Evaluation des défauts d’intégrité des chapes d’étanchéité

Partenariats

Participants AI – COSYS – MAST (IFSTTAR), ERA17 – DLRCA – DLRB (CETE Ouest), ERA23 – ERA DOF Blois – CECP Rouen – CER Rouen (CETE NC), CSTB, Université de Nantes, SUBATECH Ecole des Mines de Nantes, IETR, Ecole Centrale de Nantes, LR d’Autun – unité DETC/DESPES (CETE Lyon), EDF, Ecole Polytechnique de Montréal, Université Paris 6, UMR Sisyphe, CETE Ile de France, USIRF/EIFFAGE, LECAP Rouen.

Intégration du projet européen TUD COST Action TU1208 Civil Engineering Applications of Ground Penetrating Radar

Produits principaux visés

    • Nouveaux patins d’électrodes associées au Capteur Capacitif SYMeCC
    • Maquettes : radar à sauts de fréquence pour l’auscultation mono-offset des chaussées, des ouvrages d’arts et des bâtiments  
    • Modèle inverse WGM pour l’estimation des caractéristiques diélectriques et géométriques et milieux multi-couches (gradients)
    • Finalisation du prototype rayons X pour la mesure de la densité des chaussées
    • Système asservis pour les mesures radar à sauts de fréquence multi-offsets
    • Rapports annuels de recherche relatifs aux projets intégrés à l’ORSI
    • Articles scientifiques dans des revues techniques et des revues internationales

    Thèses associées

    • Carole Kaouane (2011-2015) Estimation de la teneur en eau massique d’un sol par inversion conjointe de sa permittivité effective et de sa résistivité apparente
    • Thèse Usirf (2014-2017) Mesure radar de la compacité pour la réception des chaussées neuves
    Cartographie Radar 3D d'une poutre VIPP
    Cartographie Radar 3D d'un réseau de canalisations