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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MANTOURI DE CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL MEMOIRE Présenté en vue de l’obtention du grade de Magistère en Génie Civil Option : Matériaux Par Med Abdelhafid Bouhamla Soutenue le 2010 devant la commission d’examen : Président : Dr: HOUARI HACENE Professeur Université Mentouri Constantine. Rapporteur : Dr: AHMED BEROUAL M.C.A Université Mentouri Constantine. Examinateurs : Dr: MED NACER GUETTECHE M.C.A Université Mentouri Constantine. Dr: KAMEL ABDOU M.C.A Université Mentouri Constantine. CARACTERISATION DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION PAR LES METHODES ELECTRIQUES CAS DES INCLUSIONS DANS LES PATES PURES A mes parents. A mon épouse et mes enfants. A tous les miens. Remerciements Ce travail a été réalisé au sein du laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de l’Université Mentouri de Constantine en collaboration avec le laboratoire Microsystèmes et Instrumentations (LMSI) - Département d’Eléctronique - Université Mentouri -Constantine. Je remercie Monsieur le Professeur S.Sahli Directeur du LMSI qui m’a accueilli dans son laboratoire et a mis à ma disposition l’appareil de mesure. Je remercie Monsieur le Président et Messieurs les membres du jury pour l’honneur qu’il me font en acceptant de juger ce travail. J’exprime ma profonde gratitude et ma reconnaissance envers Monsieur le Docteur Beroual Ahmed pour l’aide qu’il ma apportée tout au long de ce travail. Je remercie également toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail. 1 Tables des matières Introduction Générale p5 Bibliographie p7 CHAPITRE I : PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX-PERMITTIVITE ET RESISTIVITE ELECTRIQUE I.1 Introduction p9 I.2 Classification des matériaux p9 I.2.1 Classification basée sur la conductivité électrique p9 I.2.2 Classification basée sur les niveaux d’énergie p9 I.2.3 Classification basée sur la permittivité diélectrique p10 I.2.4 Classification basée sur la susceptibilité magnétique p11 1. 3 Permittivité électrique p11 I.3.1 Phénomènes de polarisation p12 I.3.1.2 Polarisation électronique p13 I.3.1.3 Polarisation ionique (ou atomique) p13 I.3.1.4 Polarisation dipolaire (ou d’orientation) p14 I.3.1.5 Polarisation macroscopique (ou de charge spatiale) p14 I.3.1.6 Polarisation interfaciale p15 I. 3.2 Permittivité p16 I.3.2.1 Permittivité relative p16 I.3.2.2 Permittivité absolue p16 I.3.2.3 Permittivité relative complexe p17 I.3.2.4 Facteur de dissipation diélectrique p17 I.3.3 Facteurs influençant les propriétés diélectriques de matériaux p17 I.3.3.1 Fréquence p18 I.3.3.2 Température p19 I.3.3.3 Humidité et d’autres impuretés p20 I.3.3.4 Structure physique et chimique p20 2 I.3.3.5 Intensité du champ alternatif p20 I.4 Permittivité effective et champ d’excitation p21 I.5 Théories des milieux effectifs p23 I.6 Influence de la géométrie des inclusions sur la permittivité p26 I.7 Conclusion p27 Bibliographie p28 CHAPITRE II : METHODES NON DESTRUCTIVES DE CARACTERISATION DES HETEROSTRUCTURES II.1 Introduction p31 II.2 Méthodes de caractérisation p31 II.2.1 Inspection visuelle p31 II.2.2 Méthode thermique p31 II.2.3 Méthode électrique – résistivité p32 II.2.4 Méthodes diélectriques p32 II.2.4.1 Méthode capacitive p32 II.2.4.2 Méthode T.D.R. (Time Domain Reflectometry) p33 II.2.5 Méthode acoustique (ultra sons) p34 II.2.6 Méthodes magnétiques p34 II.2.7 Méthodes des rayons X p35 II.8 Conclusion Bibliographie p36 CHAPITRE III:METHODES DE MESURE DE LA PERMITTIVITE ET DE LA RESISTIVITE ELECTRIQUE III.1 Introduction p40 III.2 Mesures au pont p40 III.3 Méthodes du circuit résonnant p41 3 III.4 Méthode de la double résonnance p42 III.5 Mesures par lignes de transmission p42 III.6 Mesure dans le domaine des ondes micrométriques p43 III.7 Conclusion p43 Bibliographie p44 CHAPITRE IV : CARACTERISATION EXPERIMENTALE DES MATERIAUX AVEC INCLUSIONS IV.1 Introduction p46 IV.2 Caractérisation de la pâte de ciment p47 IV.2.1 Influence de la concentration d’eau sur la constante diélectrique et la résistivité de la pâte de ciment p47 IV.2.2 Influence des cavités d’air sur la constante diélectrique et la résistivité de la pâte de ciment p53 IV.2.3 Echantillons en pâte de ciment avec des inclusions en verre p58 IV.2.4 Echantillons en pâte de ciment avec des inclusions en acier p62 IV.3 Conclusion p67 Conclusion générale p68 Annexe p71 4 INTRODUCTION GENERALE 5 Introduction : L’inspection efficace des structures existantes est devenue un très grand enjeu à cause des aspects environnementaux, économiques et sociopolitiques. Pratiquement toutes les structures exposées à l’environnement naturel subissent des détériorations avec le temps. L’évaluation de ces détériorations a constitué pendant longtemps un problème. Elle ne se faisait que par un processus destructif à savoir le prélèvement direct d’échantillons de la structure (carottage) ; ce qui laisse des dommages à divers degré et par conséquent affaiblit cette dernière (la structure) et affecte souvent sa performance et sa durabilité. De ce fait, l’intégrité structurale doit être garantie en développant des stratégies optimales d’entretien. Pour cela, de nouvelles techniques permettant de détecter la détérioration (défauts) interne d’une structure sans l’endommager ont connu le jour à savoir les techniques non destructives (TND). Actuellement, ces techniques sont largement utilisées pour l’évaluation in-situ de l’état des structures en béton tels que les ponts, les bâtiments et particulièrement les centrales nucléaires. Leur importance résulte de leur nature non envahissante, de la vitesse des mesures, de la non perturbation du service durant la collecte de données et de l’évaluation quantitative. Il existe plusieurs TND ; chacune d’elle est basée sur un principe physique donnée permettant de fournir différentes informations relatives aux propriétés physiques du matériau. Ces paramètres, tels que la vitesse d’onde électromagnétique et ultrasonique, la résistivité électrique etc. sont interprétées en termes de caractéristiques du matériau. Parmi ces techniques, nous pouvons citer: la méthode thermique [1], les méthodes nucléaires [2], la méthode basée sur la mesure de la résistivité appelée « méthode électrique » [3 - 5] et les méthodes basées sur la mesure de la permittivité diélectriques appelées « méthodes diélectriques » [6 - 8]. Ces dernières ont connu un développement remarquable ces dernières années. Ainsi, plusieurs techniques basées sur la détermination de la permittivité diélectrique relative (ou constante diélectrique) ont vu le jour : la méthode capacitive [1,6] : la méthode de réflectométrie connue sous l’appellation T.D.R (Tim Domain Reflectometry) [7,8] et les méthodes radars [9,10]. Les TND ont généralement des applications potentielles selon deux axes essentiels : - détection des inclusions - caractérisation et quantification de ces inclusions. 6 Les exigences pour chaque application diffèrent d’une TND à une autre. La détection des inclusions seules exige une technique donnée qui identifie qu’une inclusion est présente, et donne une indication approximative de sa localisation alors qu’une autre technique est utilisée pour la détermination de la nature et l’ampleur de ces inclusions avec une approximation suffisante pour permettre une évaluation technique. Dans ce travail de recherche, nous proposons une nouvelle technique permettant la détection d’une inclusion dans une matrice cimentaire ainsi que sa concentration (volume apparent) et sa nature. Cette méthode est basée sur la mesure de la permittivité diélectrique et de la résistivité électrique du matériau. Ce manuscrit comporte quatre chapitres. Le premier chapitre est consacré aux principales caractéristiques des matériaux et plus particulièrement à la permittivité diélectrique (constante diélectrique) et aux phénomènes de polarisation apparaissant dans les matériaux lorsqu’un champ électrique leur est appliqué. Nous donnons également la définition de la résistivité électrique, autre paramètre important caractéristique des matériaux. Dans le deuxième chapitre, nous exposons les différentes méthodes de classification des matériaux ainsi que les différentes techniques non destructives permettant leur caractérisation. Dans le troisième chapitre, nous présentons les différentes techniques de mesure de la permittivité diélectrique et de la résistivité électrique. Le quatrième chapitre, qui constitue l’essentiel de notre travail, présente le dispositif expérimental utilisé pour la mesure des deux caractéristiques principales de nos matériaux, à savoir la permittivité diélectrique et la résistivité électrique, ainsi que les résultats expérimentaux obtenus. Les applications de cette méthode y sont également discutées. 7 Bibliographie [1] B. Pincent, D. Méline and J. Auriol, Measurement of the moisture content variation in non satured, compacted clays, Geoconfine 93, Arnould, Barrès and Côme (eds), 1993. [2] J.P. Baron, La mesure de la teneur en eau par les méthodes nucléaires, Journées de Physique. L.C.P.C., 1987, pp.151-156. [3] P.J. Tumidajski, A.S. Schumacher, S. Perron, P. Gu and J.J. Beaudoin, On the relationship between porosity and electrical resistivity in cementitious systems, Cement and Concrete Research, Vol. 26, No. 4, 1996, pp. 539-544. [4] P.J. Tumidajski, Electrical conductivity of Portland cement mortars, Cement and Concrete Research, Vol. 26, No. 4, 1996, pp. 529-534. [5] Zhongzi Xu, Ping Gu, Ping Xie and J.J. Beaudoin, Application of A.C. impedance techniques in studies of porous cementituous materials, Cement and Concrete Research, Vol. 23, 1993, pp. 1007-1015. [6] Davis J.L., Chudobiak W.J., In situ method for measuring relative permittivity of soils, Geological Survey of Canada, Ottawa, 1975, paper 75-1, A, pp.75-79. [7] G.C. Topp, J.L. Davis, A.P. Annan, Electromagnetic determination of soil water content using T.D.R. Evaluation of installation and configuration of parallel transmission lines, Soil Science Society of America. Journal, Vol. 46, 1982. [8] G.C. Topp, J.L. Davis, Measurement of soil water content using T.D.R. : a field evaluation, Soil Science Society of America. Journal, Vol. 49, 1985. [9] O. Buyukozturk, H.C. Rhim, Radar Imaging of concrete specimens for nondestructive testing, Construction and Building Materials, Vol. 11, N° 3, 1997, pp. 195-198. [10] H.C. Rhim, O. Buyukozturk, Electromagnetic properties of concrete at uploads/Ingenierie_Lourd/ memoire-ok-bou5848 1 .pdf