Brevet FR2559262A1 — publié le 19850809

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE NON DESTRUCTIF DANS UNE STRUCTURE EN MASSE. L'invention concerne la détection et la localisation de modifications internes, telles que des fissures, ou des endommagements mécaniques analogues, dans des structures, et notamment des structures en masse. L'invention concerne tout partlculièrement l'auscultation des ouvrages faits de matériaux à base de liant hydraulique. Le but de l'invention est de proposer un moyen d'investigation particulièrement souple et peu onéreux pour les études et recherches sur le comportement à la rupture des matériaux et structures, mais aussi pour la surveillance des ouvrages en béton armé ou en béton précontraint (notamment dans les parties peu accessibles, fondations, structures off shore etc.). Ce but est atteint selon l'invention en ce qu'on dispose dans une région d'observation de la structure au moins une fibre optique liée sans glissement à la structure, on émet au niveau d'une première extrémité de la fibre un signal lumineux qu'on reçoit à la deuxième extrémité, et on examine la variation dans le temps du signal reçu en fonction du signal émis pour conclure à l'apparition d'une modification interne de la structure. Dans le cas de la détection des fissures, l'lnvention est fondée sur l'observation qu'une fibre optique cassante noyée dans une pièce en béton se rompt dès qu'une fissure, se propageant dans le matériau qui l'entoure, l'atteint et que cette rupture provoque une chute presque totale du signal lumineux transmis par la fibre. Il convient toutefois que la fibre soit bien solidaire de la structure examinée, au moins de point en point, pour ne pas glisser lors des déformations de la structure qui accompagnent l'apparition des fissures. D'autre part, il convient que la fibre soit cassante. La plupart des fibres disponibles commercialement ont leur partie optique active entourée d'une gaine de protection en matière synthétique généralement élastique et pouvant glisser par rapport à l'âme. Aussi convient-il de débarasser la fibre optique de sa protection au moins partiellement pour l'utiliser selon le procédé de l'invention ; cela permet de délimiter des zones "sensibles" le long de la fibre (I'existence de ces zones sensibles permettant la localisation de la modification structurelle observée). Avantageusement, on émet, le temps de la mesure, un signal constant, et on conclut à l'apparition d'une fissure coupant la fibre optique en cas de chute brutale du signal reçu. La principale difficulté du procédé réside dans la mise en place des fibres. Ce problème est résolu au moyen de tubes métalliques qui protègent la fibre pendant les opérations de fabrication et sont retirés à la fin de ces opérations, avant le début du durcissement. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus mentionné. Ce dispositif comprend dans une région d'observation de la structure au moins une fibre optique cassante liée sans glissement à la structure, un émetteur de signal lumineux raccordé à une première extrémité de la fibre, un récepteur de signal lumineux raccordé à la seconde extrémité de la fibre, et des moyens d'examen de la variation dans le temps du signal reçu par le récepteur en fonction du signal émis par l'émetteur pour conclure à l'apparition d'une fissure coupant la fibre optique. Avantageusement, l'émetteur et le récepteur sont respectivement une diode électroluminescente et une photodiode. Avantageusement, les moyens d'examen comportent au moins l'un des appareils suivants : volmètre, enregistreur numérique ou graphique, détecteur de seuil ou d'alarme. On peut définir trois types d'utilisation du dispositif dépendant du type de fibres optiques utilisées En détection simple : une ou quelques fibres cassantes sont disposées de manière à "cerner" la zone des fissures admissibles (cas du béton armé) ou à traverser la zone d'apparition des fissures critiques (cas du béton précontraint) ; l'émetteur est une diode électroluminescente et le récepteur une photodiode qui peut être complétée par un dispositif d'alarme ou d'enregistrement quelconque. En localisation précise : le quadrillage d'une zone par des fibres cassantes dont les parties actives (gaine supprimée) sont coordonnées permet, avec une chatne d'auscultation multivoie, d'avoir des informations sur le nombre, la position, la direction des fissures, etc. En extensométrie : l'analyse du signal rétrodiffusé par un appareil de traitement du signal permet d'obtenir les déformatIons tout le long d'une fibre optique non cassante et, par suite, de dresser la carte de l'endommagement du matériau. Le dispositif peut être utilisé dans tous les matériaux moulables dont le domaine normal d'utilisation est limité par l'apparition de fissures ou de défauts pouvant etre assimilés à des discontinuités du champ des déformations. C'est le cas des matériaux à base de liants hydrauliques (mortiers, céramiques, bétons) et de nombreux autres matériaux eomposltes à condition que ceux-ci ntentrainent pas d'altération, ni au cours de la mise en oeuvre, ni à long terme, de la partie active de la fibre (démunie de sa gaine). Par collage en surface7 son application peut etre étendue aux autres matériaux ; mais elle se limite à la partie visible des fissures : pour des matériaux comme le mortier et le béton, présentant un retrait de dessiccation, celles ci sont peu représentatives des fissures internes. Enfin, il faut remarquer que l'efficacité du dispositif dépendra essentiellement de la compréhension des différents mécanismes de ruine possibles, dont l'analyse conduira à une disposition optimale des fibres. Les caracteristiques essentielles du matériel utilisé dans le cas de la détection de fissures sont les suivantes - La fibre optique : pour les matériaux à base de liant hydraulique, toutes les fibres minérales (verre ou silice) conviennent. Toutefois, leur sensibilité dépend de leur diamètre. Un appareil, décrit ci-après, permet de déterminer, pour un matériau et une fibre donnés, l'ouverture de fissure provoquant la rupture de la fibre. Ainsi, pour les bétons ordinaires, une fibre courante, en silice, de diamètre 133/200 (diamètre du coeur 133je, avec gaine optique:200)1, et gaine de protection : 359p) rompt pour une ouverture de fissure de moins de 50 microns. L'appareil précité comprend un moule à béton (40 x 20 x 2cm) en deux parties, avec une articulation à un bout et une vis micrométrique à l'autre ; une languette métallique permet d'amorcer une fissure médiane dans le béton. - Les tubes de mise en place : le procédé de mise en place de la fibre dans le béton nécessite l'emploi d'un tube de protection provisoire. C'est un tube métallique, de diamètre intérieur supérieur à celui de la fibre utilisée et de rigidité suffisante pour maintenir la fibre en place au cours de la mise en oeuvre. Dans les bétons armés ou précontraints, ce tube peut être fixé au ferraillage passif à intervalles réguliers et le tube courant de diamètre 4/2mu convient parfaitement. Ce tube est en général rectiligne pour pouvoir être retiré après mise en place du matériau. Toutefois, pour éviter de trop grandes longueurs de- transfert, il est possible d'utiliser deux tubes pour une seule fibre l'un, non rectiligne, restera en place, l'autre, rectiligne, sera ripé après mise en place du matériau. Dans ce cas, il faut prévoir un manchon de raccordement à l'extrémité du tube fixe pour éviter le cisaillement de la fibre au cours des opérations de fabrication. - L'émetteur : c'est une diode électroluminescente avec son support, permettant un centrage satisfaisant sur la fibre, et son alimentation. Pour les applications des deux premiers types mentionnés plus haut, les diodes électroluminescentes de qualité courante suffisent et les tolérances sur le centrage sont de l'ordre de 10 microns. - Le récepteur : c'est une photodiode avec son support permettant un centrage satisfaisant sur la fibre. Pour les applications des deux premiers types, les spécifications sur les photodiodes et leur support sont les mêmes que sur les diodes électroluminescentes. L'appareillage complémentaire depend du niveau et du type, d'application : voltmètre, enregistreur numérique ou graphique, détecteur de seuil et alarme, etc. La mise en oeuvre du procédé comprend les étapes suivantes - préparatlon de la fibre optique La préparation de la fibre optique comprend deux opérations : la coupe aux extrémités et la suppression de l'enduit de protection. Pour des applications des deux premiers types, des surfaces de coupe de qualité satisfaisante sont obtenues par flexion manuelle, à condition d'avoir préalablement rayé la fibre au moyen d'une lame en alumine. Pour les applications du troisième type, des méthodes permettant d'obtenir des surfaces de coupe de qualité supérieure sont proposées par les fabricants et fibres. La gaine de protection des fibres courantes est en époxy-acrylate. Elle peut etre supprimée par attaque au chlorure de méthylène. Après repérage et marquage de la partie de fibre destinée à traverser la zone de détection, on trempe-cette partie dans une solution de chlorure de méthylène. L'attaque est très rapide et visible. Les produits de décomposition peuvent etre éliminés au bout de quelques secondes au moyen dlun chiffon propre, en coton par exemple. - mise en place des tubes La mise en place du ou des tubes s'effectue après préparation des moules et, s'il y en a, du ferraillage. Si le tracé de la fibre est rectiligne, et Jusqu'a des longueurs de l'ordre du mètre, le percement du moule, à un diamètre légèrement supérieur au tube, suffit au maintien de celui-ci au cours de la fabrication. Au-delà, il y a généralement des armatures qui permettent une fixation du tube. Cette fixation doit autoriser le glissement du tube par translation sur lui-même, au moins pour ce qui concerne la partie rectiligne du tube si celui-ci est en deux parties. - enlèvement du tube Le tube, ou la partie rectiligne du tube si celui-ci est en deux parties, est retiré, par translation sur lui-même, de manière à obtenir la mise en contact du matériau sur toute la surface de la fibre, au moins dans sa partie active (zone de détection). Cette opération s'effectue après mise en place du matériau, et avant le début de la prise ou de son durcissement. Pour les bétons, dont la mise en place nécessite une pervibration, elle aura lieu au cours de la pervibration, un peu avant la fin de celle-ci afin d'obtenir une adhérence complète. En cas d'utilisation d'aiguilles vibrantes, on veillera à ce que cellesci ne s'approchent pas à moins de 20 cm de la fibre. - mesures La rupture de la fibre conduisant à une chute de signal lumineux, toujours supérieure à 50 %, la mesure pour les applications de deux premiers types ne pose aucun problème particulier. Pour les fibres de longueur inférieure à dix mètres, il n'y a pas d'étalonnage à effectuer. Mais il faut tout de meme prévoir, tout de suite après la mise en oeuvre, une mesure initiale pour vérifier le bon fonctionnement de l'ensemble émetteur -fibre- récepteur. Au-delà de quelques dizaines de mètres, notamment lorsque la fibre comporte des connecteurs, l'atténuation initiale cesse d'être négligeable et la mesure initiale sera faite avec précision. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique du dispositif de détection, - la figure 2 est un graphique représentant d'une part (courbe a) le diaphragme d'allongement, et d'autre part (courbe b) le signal reçu en fonction de la force de traction s'exerçant sur un échantillon témoin. On voit sur la figure 1 un moule 1 dans lequel une masse 2 de béton est coulée. Avant la mise en place du béton, on a installé dans des perçages du moule i un tube 3 contenant la fibre 8 dénudée au moins en partie. Ce tube 3 a été retiré avant la prise de la masse 2. Un extrémité de la fibre 4 est tenue dans un bloc connecteur 5 en aluminium contenant la diode électroluminescente émettrice et reliée à une alimentation électrique 6. L'autre extrémité de la fibre 4 est tenue dans un bloc connecteur 7, contenant la photodiode et relié à un circuit comprenant une alimentation 8 et des appareils permettant d'examiner le signal électrique tourné par la photodlode et représentatif du signal lumineux reçu ; ces appareils peuvent comprendre un voltmètre 9, un enregistreur numérique eticu graphique 10, un détecteur de seuil et alarme sonore eticu visuelle 11, etc. Comme on le voit sur la figure 2 représentant un enregistrement réalisé au cours d'un essai de flexion dune poutrelle en béton armé, une atténuation instantanée de l'ordre de 9 h du signal électrique (courbe b) et donc du signal lumineux reçu se produit au moment où la fissure atteint la fibre optique (le plateau supérieur du diagramme d'allongement a est significatif de la rupture de la poutrelle). L'vessai se falt à vitesse de déformation imposée pour avoir une propagation stable de la fissure. Ainsi, l'observation des moyens d'examen 9, 10, 11 permet de déceler l'apparition d'une fissure traversant la zone d'implantation de la fibre optique 4. Cette observation peut se faire de manière continue ou ponctuelle, selon la nature des ouvrages auscultés. La description qui précède, faite en liaison avec l'utilisation de fibres cassantes (fibres minérales) pour la détection de fissures ou endommagements analogues, s'applique aussi en partie (préparation des fibres, mise en place des tubes et enlèvement) aux fibres plastiques déformables (fibres synthétiques) utilisée en extensométrie. Dans le cas de l'extensométrie, un étalonnage préalable de l'atténuation du signal lumineux dans la fibre en fonction du niveau et de la nature de la solllcitation est indispensable, contrairement à la détection de fissures où- seule la constatation de l'arrêt du signal est importante. REVENDI CATIONS 1. Procédé de contrôle non destructif dans une structure, notamment une structure de béton, caractérisé en ce qu'on dispose dans une région d'observation de la structure (2) au moins une fibre optique (4) liée sans glissement à la structure (2), on émet au niveau d'une première extrémité de la fibre (4) un signal lumineux qu'on reçoit à la deuxième extrémité, et, on examine la variation dans le temps du signal reçu en fonction du signal émis pour conclure à l'apparition d'une modification interne de la structure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une fibre cassante et en ce qu'on examine la variation dans le temps du signal reçu en fonction du signal émis pour conclure à l'apparition d'une fissure coupant la fibre optique. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on émet un signal constant et on conclut à l'apparition d'une fissure coupant la fibre optique (4) en cas de chute brutale du signal reçu. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ee qu'on utilise des fibres minérales. 5. Procédé selon la revendscation 1, caractérisé en ce qu'on utilise des fibres plastiques. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'avant de les disposer dans la région d'observation, on débarasse les fibres (4) de leur gaine de protection, sur au moins une partie de leur longueur. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, mis en oeuvre dans une structure en masse moulable, caractérisé en ce qu'avant le moulage de la masse (2), on dispose des fibres optiques (4) dans des tubes (3) qu'on met en place dans le moule (1) de la structure, on dispose la masse moulable (2) dans le moule et on retire les tubes (3) sans entratner les fibres (4), avant la prise de la masse moulable (2). 8. Dispositif de contrôle non destrutif dans une structure, notamment d'une structure de béton, caractérisé en ce qu'il comprend dans une région d'observation de la structure (2) au moins une fibre optique (4) liée sans glissement à la structure (2), un émetteur (5) de signal lumineux raccordé à une première extrémité de la fibre (4), un récepteur (7) de signal lumineux raccordé à la seconde extrémité de la fibre (4), et des moyens d'examen (9,10,11) de la variation dans le temps du signal reçu par le récepteur en fonction du signal émis par l'émetteur pour conclure à l'apparition d'une modification interne de la structure. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'émetteur (5) et le récepteur (7) sont respectivement une diode électroluminescente et une photodiode. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les moyens d'examen comportent au moins l'un des appareils suivants : voltmètre (9), enregistreur numérique ou graphique (10), détecteur de seuil ou d'alarme (11 > .