Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Imagerie de micro-fissures par interférométrie de la coda non linéaire

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse Acoustique

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription ECOLE CENTRALE NANTES

Ecole doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)

Directeur de thèse prévu ABRAHAM Odile  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - GeoEND

Co-directeur de thèse prévu TOURNAT Vincent  -  CNRS  -  LAUM

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte
*********
Le développement de structures à forte valeur ajoutée exposées à des conditions environnementales sévères nécessite la mise au point et le suivi de matériaux cimentaires innovants et adaptés à chaque situation. C’est notamment le cas pour des applications comme les éoliennes flottantes, certains parcs solaires, les centrales nucléaires nouvelles générations ou pour l’extension de la durée de vie des centrales existantes.

Dans ce contexte, l’usage de bétons fibrés à ultra-hautes performances se répand. En effet, ils présentent une meilleure résistance mécanique permettant la mise au point de structures élancées en plus d’une très bonne durabilité grâce à leur faible perméabilité (Pimienta et Chanvillard, 2005; Wang et al., 2014). Néanmoins, une fissuration fine et répartie peut aussi y apparaître à cause de leur grande sensibilité au jeune âge impactant leur efficacité réelle malgré leurs caractéristiques exceptionnelles. Ainsi la mise au point et l’emploi de ces matériaux destinés à être exposés à des conditions sévères crée un besoin en terme de développement de méthodes de suivi non-destructif.

De ce fait, le sujet du contrôle non destructif des bétons à ultra-hautes performances gagne de l’intérêt depuis une dizaine d’années. La technique d’émission acoustique a par exemple été appliquée avec succès à des matrices de bétons à ultra-hautes performances dans le but de suivre leur fissuration et leur cicatrisation (Granger et al., 2007) puis a été étudiée pour des formulation incluant des fibres dans le cadre de la localisation des fissures (Wang et Guo, 2018) avec les limitations propres à la méthode comme la réalisation des essais lors du chargement mécanique. Les méthodes ultrasonores linéaires, telles que la mesure de vitesse d’ondes ultrasonores, ont prouvé leur intérêt et ont permis la mesure des propriétés élastiques comme cela peut-être fait classiquement pour les bétons ordinaires non fibrés (Hassan et Jones, 2012). Il est aussi intéressant de noter que la combinaison de plusieurs méthodes non-destructives est une voie intéressante pour la caractérisation de ces matériaux cimentaires (Tsioulou et al., 2017). Néanmoins, la caractérisation fine de la fissuration de ces matériaux et de leur processus d’apparition restent peu étudiée au regard du développement rapide de leur emploi pour la réalisation d’ouvrages sensibles.

Parallèlement, les méthodes acoustiques non-linéaires développées ces dernières années sur les matériaux cimentaires ordinaires permettent d’accéder à des informations supplémentaires, parfois plus précises que les méthodes linéaires et ce plus précocement. Elles ont permis notamment le suivi de l’endommagement (Antonaci et al., 2010), de la microfissuration et de sa cicatrisation (Hilloulin et al., 2016, 2014; Zhang et al., 2012) et aussi du retrait (Kim et al., 2017).

Ainsi la localisation de la fissuration par imagerie et surtout sa caractérisation régulière et non intrusive tout au long de la durée de vie de ces ouvrages critiques en béton à ultra-hautes performances offre de nombreuses perspectives de recherche.

Objectifs
*********
L’interférométrie de la CODA ultrasonore non linéaire (NCWI) permet de suivre en laboratoire (Hilloulin et al., 2016, 2014; Zhang et al., 2012) et sur site (Legland et al., 2017) l’endommagement précoce de matériaux très hétérogènes comme le béton. Des travaux très récents relient les nouvelles observables NCWI, initialement uniquement obtenues expérimentalement, à des propriétés intrinsèques des zones fissurées via une modélisation numérique avec la méthode des éléments spectraux (Chen et al., 2017). Des lois reliant les dimensions de la zone fissurée, ses propriétés visco-élastiques effectives, les tailles des fissures aux observables NCWI ont été obtenues numériquement et validées expérimentalement au laboratoire sur des matériaux modèles présentant des fissures contrôlées.

Dans la continuité de ces travaux, l’objectif de la thèse est de développer et de valider une méthode d’imagerie qui, à partir des observables non linéaires NCWI, permettra de localiser et caractériser dans des milieux très hétérogènes des fissures ou des zones micro-fissurées inaccessibles aux méthodes d’imagerie linéaires. Il s’agira de localiser, dimensionner et quantifier le niveau d’endommagement de zones fissurées avec une méthode acoustiques non linéaire de type pompe sonde qui allie une onde basse fréquence qui modifie les contacts au niveau des lèvres des fissures à une onde haute fréquence, la coda, qui présente la sensibilité nécessaire pour détecter ces modifications.

Le travail de développement du problème inverse s’appuiera dans un premier temps sur des milieux très hétérogènes présentant des non-linéarités localisées parfaitement connues. Les observables numériques (éléments spectraux), et expérimentales sur des milieux modèles maîtrisés (comme une plaque en acier perforée avec des non linéarités acoustique de contact simulées par des vis), permettront de tester la pertinence et la robustesse du problème inverse retenu.

Il conviendra ensuite de développer les outils pour le dimensionnement d’un protocole expérimental optimal et opérationnel en relation avec le milieu réel retenu : le béton fibré ultra haute performance.

Profil recherché
***************
Propagation d'onde (acoustique, sismique, ultrasonore)
Problème inverse
Traitement du signal et des données,
Instrumentation
Python, Matlab ou Scilab - ou autres outils pour le calcul scientifique
Différences finies / éléments finis

Références
***********
Antonaci, P., Bruno, C.L.E., Gliozzi, A.S., Scalerandi, M., 2010. Monitoring evolution of compressive damage in concrete with linear and nonlinear ultrasonic methods. Cem. Concr. Res. 40, 1106‑1113. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2010.02.017

Chen G., Pageot D., Legland J.-B., Abraham O., Chekroun M., Tournat V., Numerical modeling of ultrasonic coda wave interferometry in a multiple scattering medium with a localized nonlinear defect, Wave Motion, 72, pp228-243, 2017. http://dx.doi.org/10.1016/j.wavemoti.2017.03.004

Granger, S., Loukili, A., Pijaudier-Cabot, G., Chanvillard, G., 2007. Experimental characterization of the self-healing of cracks in an ultra high performance cementitious material: Mechanical tests and acoustic emission analysis. Cem. Concr. Res. 37, 519‑527. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2006.12.005

Hassan, A.M.T., Jones, S.W., 2012. Non-destructive testing of ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC): A feasibility study for using ultrasonic and resonant frequency testing techniques. Constr. Build. Mater. 35, 361‑367. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.04.047

Hilloulin, B., Legland, J.-B., Lys, E., Abraham, O., Loukili, A., Grondin, F., Durand, O., Tournat, V., 2016. Monitoring of autogenous crack healing in cementitious materials by the nonlinear modulation of ultrasonic coda waves, 3D microscopy and X-ray microtomography. Constr. Build. Mater. 123. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.06.138

Hilloulin, B., Zhang, Y., Abraham, O., Loukili, A., Grondin, F., Durand, O., Tournat, V., 2014. Small crack detection in cementitious materials using nonlinear coda wave modulation. NDT E Int. 68. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2014.08.010
Kim, G., Kim, J.Y., Kurtis, K.E., Jacobs, L.J., 2017. Drying shrinkage in concrete assessed by nonlinear ultrasound. Cem. Concr. Res. 92, 16‑20. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2016.11.010

Legland J.-B., Zhang Y., Abraham O., Durand O., Tournat V., Evaluation of crack status in a meter-size concrete structure using the ultrasonic nonlinear coda wave interferometry, JASA, 142, 2233, 2017. http://dx.doi.org/10.1121/1.5007832

Pimienta, P., Chanvillard, G., 2005. Durability of UHPFRC specimens kept in various aggressive environments, in: Proceedings of the 10th International Conference On Durability of Building Materials and Components LYON [France] 17-20 April 2005.

Tsioulou, O., Lampropoulos, A., Paschalis, S., 2017. Combined Non-Destructive Testing (NDT) method for the evaluation of the mechanical characteristics of Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC). Constr. Build. Mater. 131, 66‑77. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.11.068

Wang, J.Y., Guo, J.Y., 2018. Damage investigation of ultra high performance concrete under direct tensile test using acoustic emission techniques. Cem. Concr. Compos. 88, 17‑28. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2018.01.007

Wang, W., Liu, J., Agostini, F., Davy, C.A., Skoczylas, F., Corvez, D., 2014. Durability of an Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) under progressive aging. Cem. Concr. Res. 55, 1‑13. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2013.09.008

Zhang, Y., Abraham, O., Grondin, F., Loukili, A., Tournat, V., Le Duff, A., Lascoup, B., Durand, O., 2012. Study of stress-induced velocity variation in concrete under direct tensile force and monitoring of the damage level by using thermally-compensated Coda Wave Interferometry. Ultrasonics 52, 1038‑1045. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.ultras.2012.08.011

Mots-clefs: Interférométrie de la coda non linéaire, Ultrason, Problème inverse, Evaluation Non Destructive, Imagerie, NCWI, coda, Béton, BFUP, fissure

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	Acoustique
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	ECOLE CENTRALE NANTES
Ecole doctorale	Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)
Directeur de thèse prévu	ABRAHAM Odile - Université Gustave Eiffel - GERS - GeoEND
Co-directeur de thèse prévu	TOURNAT Vincent - CNRS - LAUM
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Contexte ******* Le développement de structures à forte valeur ajoutée exposées à des conditions environnementales sévères nécessite la mise au point et le suivi de matériaux cimentaires innovants et adaptés à chaque situation. C’est notamment le cas pour des applications comme les éoliennes flottantes, certains parcs solaires, les centrales nucléaires nouvelles générations ou pour l’extension de la durée de vie des centrales existantes. Dans ce contexte, l’usage de bétons fibrés à ultra-hautes performances se répand. En effet, ils présentent une meilleure résistance mécanique permettant la mise au point de structures élancées en plus d’une très bonne durabilité grâce à leur faible perméabilité (Pimienta et Chanvillard, 2005; Wang et al., 2014). Néanmoins, une fissuration fine et répartie peut aussi y apparaître à cause de leur grande sensibilité au jeune âge impactant leur efficacité réelle malgré leurs caractéristiques exceptionnelles. Ainsi la mise au point et l’emploi de ces matériaux destinés à être exposés à des conditions sévères crée un besoin en terme de développement de méthodes de suivi non-destructif. De ce fait, le sujet du contrôle non destructif des bétons à ultra-hautes performances gagne de l’intérêt depuis une dizaine d’années. La technique d’émission acoustique a par exemple été appliquée avec succès à des matrices de bétons à ultra-hautes performances dans le but de suivre leur fissuration et leur cicatrisation (Granger et al., 2007) puis a été étudiée pour des formulation incluant des fibres dans le cadre de la localisation des fissures (Wang et Guo, 2018) avec les limitations propres à la méthode comme la réalisation des essais lors du chargement mécanique. Les méthodes ultrasonores linéaires, telles que la mesure de vitesse d’ondes ultrasonores, ont prouvé leur intérêt et ont permis la mesure des propriétés élastiques comme cela peut-être fait classiquement pour les bétons ordinaires non fibrés (Hassan et Jones, 2012). Il est aussi intéressant de noter que la combinaison de plusieurs méthodes non-destructives est une voie intéressante pour la caractérisation de ces matériaux cimentaires (Tsioulou et al., 2017). Néanmoins, la caractérisation fine de la fissuration de ces matériaux et de leur processus d’apparition restent peu étudiée au regard du développement rapide de leur emploi pour la réalisation d’ouvrages sensibles. Parallèlement, les méthodes acoustiques non-linéaires développées ces dernières années sur les matériaux cimentaires ordinaires permettent d’accéder à des informations supplémentaires, parfois plus précises que les méthodes linéaires et ce plus précocement. Elles ont permis notamment le suivi de l’endommagement (Antonaci et al., 2010), de la microfissuration et de sa cicatrisation (Hilloulin et al., 2016, 2014; Zhang et al., 2012) et aussi du retrait (Kim et al., 2017). Ainsi la localisation de la fissuration par imagerie et surtout sa caractérisation régulière et non intrusive tout au long de la durée de vie de ces ouvrages critiques en béton à ultra-hautes performances offre de nombreuses perspectives de recherche. Objectifs ***** L’interférométrie de la CODA ultrasonore non linéaire (NCWI) permet de suivre en laboratoire (Hilloulin et al., 2016, 2014; Zhang et al., 2012) et sur site (Legland et al., 2017) l’endommagement précoce de matériaux très hétérogènes comme le béton. Des travaux très récents relient les nouvelles observables NCWI, initialement uniquement obtenues expérimentalement, à des propriétés intrinsèques des zones fissurées via une modélisation numérique avec la méthode des éléments spectraux (Chen et al., 2017). Des lois reliant les dimensions de la zone fissurée, ses propriétés visco-élastiques effectives, les tailles des fissures aux observables NCWI ont été obtenues numériquement et validées expérimentalement au laboratoire sur des matériaux modèles présentant des fissures contrôlées. Dans la continuité de ces travaux, l’objectif de la thèse est de développer et de valider une méthode d’imagerie qui, à partir des observables non linéaires NCWI, permettra de localiser et caractériser dans des milieux très hétérogènes des fissures ou des zones micro-fissurées inaccessibles aux méthodes d’imagerie linéaires. Il s’agira de localiser, dimensionner et quantifier le niveau d’endommagement de zones fissurées avec une méthode acoustiques non linéaire de type pompe sonde qui allie une onde basse fréquence qui modifie les contacts au niveau des lèvres des fissures à une onde haute fréquence, la coda, qui présente la sensibilité nécessaire pour détecter ces modifications. Le travail de développement du problème inverse s’appuiera dans un premier temps sur des milieux très hétérogènes présentant des non-linéarités localisées parfaitement connues. Les observables numériques (éléments spectraux), et expérimentales sur des milieux modèles maîtrisés (comme une plaque en acier perforée avec des non linéarités acoustique de contact simulées par des vis), permettront de tester la pertinence et la robustesse du problème inverse retenu. Il conviendra ensuite de développer les outils pour le dimensionnement d’un protocole expérimental optimal et opérationnel en relation avec le milieu réel retenu : le béton fibré ultra haute performance. Profil recherché *********** Propagation d'onde (acoustique, sismique, ultrasonore) Problème inverse Traitement du signal et des données, Instrumentation Python, Matlab ou Scilab - ou autres outils pour le calcul scientifique Différences finies / éléments finis Références ********* Antonaci, P., Bruno, C.L.E., Gliozzi, A.S., Scalerandi, M., 2010. Monitoring evolution of compressive damage in concrete with linear and nonlinear ultrasonic methods. Cem. Concr. Res. 40, 1106‑1113. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2010.02.017 Chen G., Pageot D., Legland J.-B., Abraham O., Chekroun M., Tournat V., Numerical modeling of ultrasonic coda wave interferometry in a multiple scattering medium with a localized nonlinear defect, Wave Motion, 72, pp228-243, 2017. http://dx.doi.org/10.1016/j.wavemoti.2017.03.004 Granger, S., Loukili, A., Pijaudier-Cabot, G., Chanvillard, G., 2007. Experimental characterization of the self-healing of cracks in an ultra high performance cementitious material: Mechanical tests and acoustic emission analysis. Cem. Concr. Res. 37, 519‑527. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2006.12.005 Hassan, A.M.T., Jones, S.W., 2012. Non-destructive testing of ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC): A feasibility study for using ultrasonic and resonant frequency testing techniques. Constr. Build. Mater. 35, 361‑367. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.04.047 Hilloulin, B., Legland, J.-B., Lys, E., Abraham, O., Loukili, A., Grondin, F., Durand, O., Tournat, V., 2016. Monitoring of autogenous crack healing in cementitious materials by the nonlinear modulation of ultrasonic coda waves, 3D microscopy and X-ray microtomography. Constr. Build. Mater. 123. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.06.138 Hilloulin, B., Zhang, Y., Abraham, O., Loukili, A., Grondin, F., Durand, O., Tournat, V., 2014. Small crack detection in cementitious materials using nonlinear coda wave modulation. NDT E Int. 68. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2014.08.010 Kim, G., Kim, J.Y., Kurtis, K.E., Jacobs, L.J., 2017. Drying shrinkage in concrete assessed by nonlinear ultrasound. Cem. Concr. Res. 92, 16‑20. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2016.11.010 Legland J.-B., Zhang Y., Abraham O., Durand O., Tournat V., Evaluation of crack status in a meter-size concrete structure using the ultrasonic nonlinear coda wave interferometry, JASA, 142, 2233, 2017. http://dx.doi.org/10.1121/1.5007832 Pimienta, P., Chanvillard, G., 2005. Durability of UHPFRC specimens kept in various aggressive environments, in: Proceedings of the 10th International Conference On Durability of Building Materials and Components LYON [France] 17-20 April 2005. Tsioulou, O., Lampropoulos, A., Paschalis, S., 2017. Combined Non-Destructive Testing (NDT) method for the evaluation of the mechanical characteristics of Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC). Constr. Build. Mater. 131, 66‑77. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.11.068 Wang, J.Y., Guo, J.Y., 2018. Damage investigation of ultra high performance concrete under direct tensile test using acoustic emission techniques. Cem. Concr. Compos. 88, 17‑28. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2018.01.007 Wang, W., Liu, J., Agostini, F., Davy, C.A., Skoczylas, F., Corvez, D., 2014. Durability of an Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) under progressive aging. Cem. Concr. Res. 55, 1‑13. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2013.09.008 Zhang, Y., Abraham, O., Grondin, F., Loukili, A., Tournat, V., Le Duff, A., Lascoup, B., Durand, O., 2012. Study of stress-induced velocity variation in concrete under direct tensile force and monitoring of the damage level by using thermally-compensated Coda Wave Interferometry. Ultrasonics 52, 1038‑1045. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.ultras.2012.08.011
Mots-clefs:	Interférométrie de la coda non linéaire, Ultrason, Problème inverse, Evaluation Non Destructive, Imagerie, NCWI, coda, Béton, BFUP, fissure

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