Contribution de l`émission acoustique au suivi de l

Contribution de l’émission acoustique au
suivi de l’endommagement des enrobés
bitumineux
Malick Diakhaté* − Mokhfi Takarli* − Christophe Petit* − David
Marlot**
* Université de Limoges, GEMH, Centre Universitaire de Génie Civil, Bd J. Derche,
F-19300 Egletons
[email protected], [email protected], [email protected]
** Euro Physical Acoustic S.A, Parc de l’Anjoly-ACTIPOLE-5 voie d’Angleterre –
F-13127 Vitrolles
[email protected]
: Ce travail présente les résultats d’une première étude expérimentale portant sur
l’apport de la technique d’émission acoustique au suivi de la fissuration des enrobés
bitumineux. Une chaîne de mesure acoustique est couplée à un essai de fatigue par
cisaillement, et les réponses acoustiques et mécaniques du matériau sont comparées. Le seuil
de détection des évènements est fixé à 40 dB. Les résultats ont permis de montrer qu’une
première intensification de l’activité acoustique se produit lorsque l’éprouvette perd 42% de
sa raideur initiale. D’une manière conventionnelle, la rupture de l’enrobé est considérée
atteinte lorsque l’éprouvette perd 50% de sa raideur initiale. Ce critère correspond à
l’amorçage de la propagation de la fissure démontré par l’analyse acoustique.
RÉSUMÉ
ABSTRACT: This paper focuses on investigating the use of acoustic emission (AE) technique to
characterize the asphalt concrete (AC) behaviour. Under a double shear test, an acoustic
system setup monitors the stress waves generation within the material. Both mechanical
responses and acoustic activities are analyzed. The acquisition threshold is set for 40 dB.
Results analysis allow showing a roughly increase of AE events when the initial value of the
specimen stiffness drops of 42%. Conventionally, the AC failure corresponds to a decrease by
50% of the initial value of the specimen stiffness. This value corresponds with the beginning
of crack growth phases observed by EA analysis.
MOTS CLÉS : Enrobé bitumineux, émission acoustique, endommagement, fissuration, double
cisaillement.
KEYWORDS:
Asphalt concrete, acoustic emission, damage, crack, double shear test.
XXVIIIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. La Bourboule, 2 au 4 juin 2010
1.
2
Introduction
La comprehension des mécanismes de fissuration d’un matériau et le suivi de
l’évolution de son endommagement sont parmi les facteurs clés pour améliorer les
outils de dimensionnement des ouvrages. Suivant le mode de rupture que l’on veut
mettre en évidence et étudier, différents essais et outils d’analyse ont été développés.
La technique d’émission acoustique est une technique très prometteuse à laquelle
on accorde de plus en plus d’attention que ce soit pour la caractérisation du
comportement des matériaux [LAN 99 ; CHE 04 ; WAT 04 ; TAK 08], ou pour le
suivi de l’endommagement des structures en service à travers une étude des
mécanismes de rupture dans le matériau. Ce phénomène résulte d'évènements
acoustiques produits par les déformations locales dans un échantillon ayant lieu avec
suffisamment de brutalité pour libérer de l’énergie générant des pulsations
acoustiques. La technique est très performante dans le sens où elle est capable de
situer dans l’espace et dans le temps, l’évolution de la fissuration et sa localisation.
Toutefois, les difficultés expérimentales sont importantes. Elles sont principalement
liées aux propriétés acoustiques du matériau. En effet, le comportement acoustique
de tout matériau dépend de sa microstructure et ses propriétés physico-mécaniques.
Si la technique d’émission acoustique est largement utilisée dans le suivi de
l’endommagement des matériaux composites et souvent fragiles, son utilisation est
en revanche peu fréquente dans le domaine des matériaux bitumineux [NES 06].
Ce travail traite d’une première approche expérimentale au cours de laquelle
nous nous sommes intéressés à l’apport de la méthode d’émission acoustique dans
l’étude du comportement à la fissuration des enrobés bitumineux. Dans cette
campagne expérimentale, un essai de fatigue par double cisaillement est réalisé sur
une éprouvette en enrobé bitumineux. Cette dernière est instrumentée, et une chaine
de mesure acoustique permet de suivre l’activité acoustique qui se développe au sein
du matériau. Les propriétés mécanique et acoustique évaluées à partir de ces deux
essais sont comparées et interprétées.
2.
Matériau, corps d’épreuve et dispositif expérimental
2.1 Matériau et corps d’épreuve
L’enrobé bitumineux étudié dans ce travail est de type classique formulé par le
LRPC d’Autun (71). Sa composition granulométrique est d’allure continue, avec un
diamètre maximal des granulats de 6 mm. La teneur en liant est 6,85 ppc. Un moule
de fatigue, de dimensions 600 x 400 x 150 [mm3] (L x l x h) est utilisé pour réaliser
des plaques. Ces dernières sont par la suite sciées pour extraire des éprouvettes de
géométrie et de dimensions telles présentées en Figure 1.
Suivi de l’endommagement des enrobés par émission acoustique
3
Sollicitation
cyclique
Sollicitation cyclique
Ux=Uy=Uz=0
4
Ux=Uy=Uz=0
Metal plate
plate
Metal
Y
X
70 mm
entailles
BBSG
35
Ux=Uy=Uz=0
45 mm
35
Z
Details de
l'éprouvette
Ux=Uy=Uz=0
Sollicitation cyclique
Géométrie de l'éprouvette et principe de l'essai
Ux = Uy = Uz = 0
Dispositif de double cisaillement
Figure 1. Principe de l’essai de double cisaillement (éprouvette et dispositif de
chargement).
Le dispositif d’essai utilisé dans ce travail s’inspire du principe de l’essai de
double cisaillement (Fig. 1), et qui a été utilisé avec succès pour la caractérisation du
comportement à la fissuration des enrobés bitumineux [PET 02]. Le dispositif a été
conçu et réalisé dans le cadre d’un projet de recherche sur la caractérisation du
comportement à la fatigue par cisaillement du collage à l’interface des couches
d’enrobés bitumineux [DIA 07]. Le principe de l’essai est tel que les deux parties
latérales de l’éprouvette sont maintenues fixes tout au long de l’essai, alors que la
partie centrale est entraînée en mouvement en asservissement déplacement ou en
force.
Un dispositif de collage permet d’obtenir une bonne mise en place des casques
métalliques sur les faces supérieure et inférieure de l’éprouvette. Le maintien du
contact casques-enrobé est assuré par une colle en époxy. Cette opération de collage
vise à assurer la bonne transmission, tout au long de l’essai, de la sollicitation
mécanique de cisaillement (alternée et symétrique).
2.2 Dispositif d’émission acoustique
Afin de pouvoir suivre l’activité acoustique au sein de l’enrobé bitumineux, une
chaine de mesure acoustique est mise en place, et est composée de cinq capteurs
piézoélectriques de type R15 (bande de fréquences de 50 à 200 kHz, fréquence de
résonnance à 150 kHz), de cinq préamplificateurs (40 dB) connectés aux capteurs, et
d’un ordinateur équipé de cartes d’acquisition et de traitement de signaux
acoustiques. Un adhésif double-face est utilisé pour fixer les capteurs sur
l’éprouvette et assurer un contact plus uniforme et une meilleure transmission des
ondes à travers la surface d’application. La disposition des cinq capteurs (Fig.2)
XXVIIIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. La Bourboule, 2 au 4 juin 2010
4
permet de localiser les évènements qui se produisent dans chacune des deux zones
de fissuration de l’éprouvette (4 entailles). En effet, un jeu de trois capteurs permet
d’obtenir une solution unique sur la localisation de la source acoustique dans un
plan. Le seuil de détection du signal est fixé et maintenu constant à 40 dB.
Casque
métallique
Enrobé
bitumineux
Ruban Adhésif
Entaille
Capteur piézoélectrique
(R15 type)
Figure 2. Disposition des capteurs acoustiques sur l’éprouvette.
Piston
Dispositif DST
Eprouvette
Cellule de force
Caisson climatique
Vue générale de la presse
servohydraulique
Caisson climatique autour du dispositif
d’essai et de l’éprouvette instrumentée
Figure 3. Machine d’essai et caisson thermique autour du dispositif.
2.3 Chargement mécanique et conditions expérimentales
Afin d’assurer une bonne transmission des sollicitations mécaniques au corps
d’épreuve, douze vis sont utilisées pour liaisonner les casques métalliques collées
sur l’éprouvette et les différentes parties du dispositif d’essai. La figure 3 illustre le
corps d’épreuve mis en place sur la machine d’essai servohydraulique de chez
MTS®. L’essai de fatigue est contrôlé en force à la fréquence de 10 Hz, et est réalisé
à 10°C. Un caisson thermique (Fig.3), placé autour du dispositif d’essai, assure la
régulation de la température au voisinage de l’éprouvette. Six heures de temps sont
nécessaires entre la mise en place de l’éprouvette et le démarrage de l’essai
Suivi de l’endommagement des enrobés par émission acoustique
5
mécanique afin de permettre l’homogénéisation de la température au sein de
l’enrobé bitumineux. Un capteur de déplacement (technologie extensomètre) de
course ± 1 mm permet de mesurer le déplacement relatif entre les parties fixes et
mobiles de l’éprouvette. La force est mesurée par une cellule de capacité ± 100 kN.
3.
Résultats et discussions
3.1 Analyse du comportement mécanique
Dans ce paragraphe, on s’intéresse aux propriétés mécaniques de l’enrobé telles
que la raideur de l’éprouvette, l’angle de déphasage et l’énergie dissipée au cours de
l’essai cyclique. La raideur de l’éprouvette est définie comme le rapport entre le
signal de force et celui de déplacement (Eq. 1). Nous nous intéressons à l’évolution
du module de la raideur de l’éprouvette au cours de l’essai. Cette évolution, ainsi
que celle de l’angle de déphasage entre la force et le déplacement sont présentées en
Figure 4.
∆Fk
∆Fk
iϕ
*
∆K S ,k = K S ,k (iw ) =
⋅e k =
S ⋅ ∆u k
S ⋅ ∆u k
(1)
Avec (pour le cycle de chargement N° k) : ∆KS,k le module de la raideur au
cisaillement de l’éprouvette ; ∆Fk l’amplitude de la force appliquée ; ∆uk l’amplitude
du déplacement relative mesurée ; ϕk l’angle de phase entre les signaux de force et
de déplacement ; S la sections cisaillées.
Par ailleurs, nous nous sommes également intéressés à l’évolution de l’énergie
dissipée par cycle au cours de l’essai. Pour chaque cycle de chargement, l’énergie
dissipée « surfacique » WD,k (puisque nous ne connaissons pas l’épaisseur de la
bande cisaillée) est calculée comme suit (Eq. 2) :
W
D, k
( k)
= π ⋅ ∆Fk ⋅ ∆u k ⋅ sin ϕ
(2)
Par ailleurs, dans le but de déterminer le nombre de cycles à la rupture du
matériau, Rowe [ROW 96] propose d’évaluer le taux d’énergie dissipée ERD (Eq. 3).
ER
D
=
k ⋅W
W
D ,1
(3)
D, k
La figure 5 présente les courbes d’évolution de l’énergie dissipée par cycle ainsi
que celle du taux d’énergie dissipée au cours de l’essai.
XXVIIIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. La Bourboule, 2 au 4 juin 2010
6
1,0
50
Déphasage
0,8
40
0,6
30
0,4
20
0,2
10
0,0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Nombre de cycles de chargement
4000
4500
Angle de déphasage [°]
Valeurs normalisées de la Raideur de
l'éprouvette
Raideur
0
5000
Figure 4. Courbes d’évolution de la raideur de l’éprouvette et de l’angle de
déphasage entre la force et le déplacement relatif pendant l’essai de fatigue.
4,0E+05
700
Energie dissipée
Taux d'énergie
3,0E+05
525
2,5E+05
2,0E+05
350
1,5E+05
1,0E+05
Taux d'énergie dissipée
Energie dissipée par cycle [J/m²]
3,5E+05
175
5,0E+04
0,0E+00
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Nombre de cycles de chargement
4000
4500
0
5000
Figure 5. Evolution de l’énergie et du taux d’énergie dissipée par cycle.
Lorsqu’on s’intéresse à l’évaluation du nombre de cycle à la rupture NR, on peut
se baser :
• d'une part sur le critère classique qui définit ce nombre NR comme étant le
nombre de cycles de chargement qui conduit à une chute de moitié de la valeur
initiale de la raideur de l’éprouvette (Fig. 4). Ainsi, nous obtenons une valeur de NR
égale à 2300 cycles ;
• et d’autre part sur la méthode d’analyse de Rowe (Eq. 3, Fig. 5). Nous obtenons
ainsi une valeur de NR égale à 2500 cycles.
Suivi de l’endommagement des enrobés par émission acoustique
Phase 6
Phase 5
Phase 4
Phase 3
Phase 0
Phase 2
2,0E+03
a)
Phase 1
250
7
1,6E+03
150
1,2E+03
Evènements
Energie
100
8,0E+02
50
4,0E+02
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Energie acoustique [aJ]
Nombre cumulé d'évènements
200
0,0E+00
400
Temps d'essai [s]
Phase 6
Phase 5
Phase 4
Phase 3
Phase 0
Phase 2
2,0E+05
b)
Phase 1
250
1,6E+05
150
1,2E+05
Evènements
Energie
100
8,0E+04
50
4,0E+04
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Energie acoustique [aJ]
Nombre cumulé d'évènements
200
0,0E+00
400
Temps d'essai [s]
Phase 6
Phase 5
Phase 4
Phase 3
Phase 0
Phase 2
1,0E+07
c)
Phase 1
250
8,0E+06
150
6,0E+06
Evènements
Energie
100
4,0E+06
50
2,0E+06
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Energie acoustique [aJ]
Nombre cumulé d'évènements
200
0,0E+00
400
Temps d'essai [s]
Figure 6. Evolution du nombre d’évènements localisés et de l’énergie acoustique
(a/ phases 0-3 ; b/ phases 0-5 ; c/ phases 0-6).
3.2 Analyse des enregistrements acoustiques
Dans la norme française AFNOR, l’émission acoustique est définie comme un
phénomène de création d’ondes élastiques transitoires, provoquées par des microdéplacements locaux au sein d’un matériau. La norme ASTM privilégie les aspects
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énergétiques du phénomène. On parle alors de dissipation d’énergie à partir de
source localisée. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à l’analyse de deux
paramètres de la signature acoustique de l’enrobé sous charge : d’une part,
l’évolution du nombre d’évènements localisés dans les zones de fissuration, et
d’autre part l’évolution de l’énergie acoustique.
La figure 6 présente les courbes d’évolution de ces deux propriétés acoustiques.
Sur cette figure, on remarque que les évènements fortement énergétiques
apparaissent vers la fin de l’essai cyclique, en d’autres termes pendant la macrofissuration de l’enrobé (Fig. 6.c). Par ailleurs, l’analyse conjointe de l’évolution de
ces deux paramètres acoustiques montre que le processus de fissuration de l’enrobé
sous chargement cyclique se caractérise par un ensemble de phases successives. Le
passage d’une phase à une autre s’accompagne d’une augmentation régulière du
nombre d’évènements et une intensification de leurs énergies. La comparaison des
propriétés acoustiques et mécaniques de l’enrobé étudié est présentée dans le
paragraphe suivant.
3.3 Analyse mécanique-EA
L’analyse conjointe des données mécaniques et acoustiques présentées dans la
figure 7 nous amène aux constations suivantes :
• En fixant le seuil de détection des sources acoustiques à 40 dB, les évènements
localisés apparaissent après une chute de 42% de la valeur initiale de la raideur de
l’éprouvette. Ces premiers évènements sont annonciateurs de l’initiation de la
fissuration dans le matériau (phase 0 ; Fig. 7 et 6.a) ;
• Entre 42 et 49%, les évènements augmentent très légèrement et leurs énergies
restent relativement faibles (phases 0 et 1 ; Fig. 7 et 6.a);
• A partir du seuil critique de 49% de perte de raideur, on constate principalement
une augmentation significative de l’énergie des évènements acoustiques (phase 2 ;
Fig. 7 et 6.a). Ce seuil correspond parfaitement au critère classique de rupture des
enrobés (50% de perte de raideur) ;
• Au-delà de la phase 2 ; on observe une succession de phases avec augmentation
systématique de l’énergie des évènements acoustiques à chaque phase (phases 2 à 6 ;
Fig. 6 et 7). Ce comportement peut être facilement attribuer une propagation d’une
fissure en mode palier ; la fissure se propage à travers la matrice puis elle est freinée
au contact d’une inclusion rigide (granulat). Pour franchir cet obstacle deux cas de
figures sont possibles : un contournement de l’inclusion (fissuration inter-granulaire)
ou un passage en force à travers cette dernière (fissuration intra-granulaire). La
variation de pente de la courbe donnant l’évolution du nombre cumulé d’évènements
en fonction du temps (ou nombre de cycles) témoigne de la nature de l’élément
traversé par la fissure. Ainsi, une faible pente peut correspondre à une propagation
dans la matrice bitumineuse dont la résistance à la fissuration est inférieure à celle
des granulats. Par ailleurs, la rupture dans le film de bitume conduit normalement à
des émissions acoustiques faiblement énergétiques. Dans le cas de cette étude, le
pilotage mécanique en force favorise probablement la fissuration intra-granulaire
Suivi de l’endommagement des enrobés par émission acoustique
9
(rupture brutale). Cependant, des essais complémentaires sont nécessaires pour
évaluer la répétabilité de l’essai, renforcer les observations tirées de cette étude, et
pour avoir suffisamment de résultats pour identifier des signatures acoustiques
propres à chaque mécanisme de fissuration ;
• Le nombre d’évènements croît de manière exponentielle au-delà d’une chute de
70% de la raideur de l’éprouvette. Les évènements générés dans cette dernière phase
ont des énergies très importantes par rapport aux phases précédentes. Ceci peut
correspondre un changement d’échelle (micro-macro) de la fissuration.
250
1,0
Evènements
Raideur
0,9
0,8
50% de chute : critère conventionnel
de rupture des enrobés
0,6
0,5
100
- 70%
- 63%
- 57%
- 53%
- 49%
150
0,4
Raideur normalisée
0,7
- 42%
- 43%
Nombre cumulé d'évènements
200
0,3
50
0,2
0
1
2
3
4
5
6
0,1
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0,0
450
Temps d'essai [s]
Figure 7. Evolution du nombre cumulé d’évènements en fonction du niveau
d’endommagement de l’enrobé.
4.
Conclusions et perspectives
Ce travail présente les résultats d’une première étude expérimentale au cours de
laquelle nous nous sommes intéressés à l’apport de la technique d’émission
acoustique dans la caractérisation et le suivi de l’endommagement des matériaux
bitumineux. Une chaîne de mesures acoustiques est couplée à un essai mécanique
qui permet de caractériser le comportement à la fissuration de l’enrobé sous une
sollicitation de fatigue par cisaillement (pilotage en force, 10 Hz, 10°C). Les
comportement mécanique de l’enrobé étudié est analysé à partir des courbes
d’évolution de la raideur de l’éprouvette et de l’énergie dissipée au cours de l’essai.
Les courbes d’évolution de l’énergie de chaque évènement acoustique, et du nombre
cumulé d’évènements nous informent sur l’activité de fissuration dans le matériau.
L’analyse des résultats a montré une apparition d’une activité acoustique à partir
de 42% de perte de raideur montrant ainsi une initiation de fissuration dans le
matériau (phase d’endommagement). Le critère de rupture conventionnel (50% de
perte de raideur) coïncide parfaitement avec le début d’une succession de phases
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acoustiques assimilées à une propagation de fissure en mode palier (matrice
bitumineuse-granulat). Les phases acoustiques se caractérisent d’une évolution
régulière du nombre d’évènements. L’augmentation systématique de l’énergie des
évènements d’une phase à une autre témoigne d’un changement progressif de
l’échelle de fissuration (micro à macro).
Cependant, ces conclusions issues de cette première approche expérimentale
doivent être validées et enrichies à travers d’essais et analyses complémentaires. Des
analyses statistiques et fréquentielles permettront de définir des signatures
acoustiques propres à chaque mécanisme de fissuration.
Par ailleurs, une analyse préliminaire a montré la faisabilité d’une localisation
spatiale des évènements acoustiques ; mais ceci nécessite la prise en compte de la
vitesse de propagation des ondes en fonction de l’endommagement progressif du
matériau. Une telle approche permet une identification temporelle du front de
propagation et de la surface de rupture.
1. Bibliographie
[CHE 04] Chen B., Liu J. « Experimental study on AE characteristics of three-point bending
concrete beams ». Cement and Concrete Research, 34 (2004); pp. 391 – 397.
[DIA 07] Diakhaté M. « Fatigue et comportement des couches d’accrochage dans les
structures de chaussée ». Thèse de Doctorat, Université de Limoges, 2007.
[LAN 99] Landis E. N. « Micro-macro fracture relationships and acoustic emissions in
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[NES 06] Nesvijski E., Marasteanu M. « Spectral analysis of acoustic emission of cold
cracking asphalt ». Non Destructive Testing, 11, N°10, 2006, 18 p.
[PET 02] Petit C., Laveissière D., Millien A. « Modelling of reflective cracking in pavements:
fatigue under shear stresses ». Proceedings of the 3rd International Symposium on 3D FE
for pavement analysis, design and research, 2002, p. 111 – 123.
[ROW 96] Rowe G. M. « Application of the dissipated energy concept to fatigue cracking in
asphalt pavements », Ph.D. thesis, University of Nottingham, UK, 1996, 448 p.
[TAK 08] Takarli M., Prince W., Siddique R. « Damage in granite under heating/cooling
cycles and water freeze–thaw condition ». International Journal of Rock Mechanics &
Mining Sciences 45, 2008, p. 1164–1175.
[WAT 04] Watanabe K., Niwa J., Iwanami M., Yokota H. « Localized failure of concrete in
compression identified by AE method ». Construction and Building Materials, 18, 2004,
p. 189 – 196.