Ce travail de recherche consiste en la proposition d’une nouvelle approche de caractérisation non destructive de l’endommagement des matériaux composites (carbone/époxy) sollicités en fatigue par des essais d’auto-échauffement (blocs de chargements croissants). Cette approche est basée sur l’utilisation de plusieurs techniques non destructives appliquées in-situ, en temps réel ou différé, dont l’analyse est, soit redondante soit complémentaire. Au total, six techniques ont été utilisées (émission acoustique, thermographie infrarouge, corrélation d’images numériques, acousto-ultrasons, ultrasons C-scan et ondes de Lamb) et leurs résultats post-traités puis fusionnés à l’aide d’algorithmes basés sur les réseaux de neurones. Les résultats obtenus ont permis d’évaluer et de localiser l’endommagement du matériau et d’estimer sa durée de vie résiduelle. Ce faisant, plusieurs avancés scientifiques ont été obtenus en réalisant, par exemple, une localisation 2D des évènements acoustiques à l’aide seulement de deux capteurs avec une précision millimétrique, ou encore le développement d’une nouvelle technique imagée d’acousto-ultrasons permettant un contrôle hors contraintes de l’état d’endommagement du matériau, …et enfin, le pronostic de la durée de vie résiduelle du matériau basé sur une fusion de données par réseaux de neurones. / This research work consists in a new approach for non-destructive characterisation of damage in composite materials (carbon/epoxy) subjected to fatigue during self-heating tests (increasing load blocks). This approach is based on the use of several non-destructive techniques applied in-situ, in real time or delayed, whose analysis is either redundant or complementary. Six techniques were used (acoustic emission, infrared thermography, digital image correlation, acousto-ultrasound, C-scan ultrasound and lamb waves) and their post-processed results were merged using algorithms based on neural networks. The results obtained made it possible to assess and locate the damage of the material and to estimate its residual life. In doing so, several scientific advances have been obtained by, for example, carrying out a 2D localization of acoustic events using only two sensors with millimetric precision, or the development of a new pictorial acousto-ultrasonic technique allowing an control of the state of material damage at free stress conditions, ... and finally, the prognosis of the residual lifetime of the material based on a data fusion by neural networks.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le développement d'outils pour le diagnostic non-destructif et sans contact de l’état (dégradation) des matériaux de construction, principalement du béton. La thèse est focalisée sur deux techniques d’évaluation utilisant la propagation des ondes ultra-sonores : l'étude de la propagation des ondes de surface et l'analyse des coefficients de réflexion en fonction de l'angle d'incidence (réflectométrie). La partie théorique du travail présente les bases de la modélisation des phénomènes considérés, ainsi que la mise en oeuvre des modèles décrits dans la résolution des problèmes inverses. Un logiciel utilisant des algorithmes d'optimisation pour l'identification des paramètres du modèle sur la base des données de mesure est développé dans le cadre ce travail. La partie expérimentale présente le développement de deux systèmes de mesures ainsi que leur utilisation en laboratoire et sur le terrain. Le but de cette partie est non seulement de développer des outils expérimentaux mais aussi de les rendre opérationnels pour une utilisation courante. Les applications des outils développés pour le diagnostic sont discutées sur la base d'exemples de résultats obtenus en laboratoire et in situ. Ils permettent de spécifier les paramètres tels que la profondeur de la dégradation, la vitesse des ondes de surface et des ondes transversales en fonction de la profondeur pour le matériau testé ainsi que la perméabilité de surface, la porosité et la tortuosité du matériau testé. / The present work concerns the development of tools for non-destructive and non-contact diagnostic of state (degradation) of construction materials, mainly concrete. Attention is focused on two complementary techniques using the propagation of ultrasonic waves, i.e. the study of surface waves propagation and the analysis of reflection coefficients as a function of incidence angle (reflectometry). The theoretical part of the thesis shows the foundations of modelling the considered phenomena, as well as the implementation of the described models in solving the inverse problems. Software developed for this work uses optimization algorithms for identification of model parameters based on the measurement data. The chapters concerning the experimental work shows the construction of two measurement systems developed according to assumptions, including their possible use in both laboratory and field conditions. Applications of the developed diagnostic tools are discussed based on the examples of the results obtained in the laboratory and for the real objects. They allow to specify the parameters such as the depth of degradation, velocity of surface and S-waves as functions of the depth for the tested material and surface permeability, porosity and tortuosity of tested material.

Ego-motion sensors are commonly used for pose estimation in Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) algorithms. Inertial Measurement Units (IMUs) are popular sensors but suffer from integration drift over longer time scales. To remedy the drift they are often used in combination with additional sensors, such as a LiDAR. Pose estimation is used when scans, produced by these additional sensors, are being matched. The matching of scans can be computationally heavy as one scan can contain millions of data points. Methods exist to simplify the problem of finding the relative pose between sensor data, such as the Normal Distribution Transform SLAM algorithm. The algorithm separates the point cloud data into a voxelgrid and represent each voxel as a normal distribution, effectively decreasing the amount of data points. Registration is based on a function which converges to a minimum. Sub-optimal conditions can cause the function to converge at a local minimum. To remedy this problem this thesis explores the benefits of combining IMU sensor data to estimate the pose to be used in the NDT SLAM algorithm.

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Les méthodes de contrôle non destructif (CND) sont essentielles pour estimer les propriétés du béton (mécaniques ou physiques) et leur variabilité spatiale. Elles constituent également un outil pertinent pour réduire le budget d'auscultation d'un ouvrage d'art. La démarche proposée est incluse dans un projet ANR (EvaDéOS) dont l'objectif est d'optimiser le suivi des ouvrages de génie civil en mettant en œuvre une maintenance préventive afin de réduire les coûts. Dans le cas du travail de thèse réalisé, pour caractériser au mieux une propriété particulière du béton (ex : résistance mécanique, porosité, degré de Saturation, etc.), avec des méthodes ND sensibles aux mêmes propriétés, il est impératif de développer des outils objectifs permettant de rationaliser une campagne d'essais sur les ouvrages en béton armé. Dans ce but, premièrement, il est proposé un outil d'échantillonnage spatial optimal pour réduire le nombre de points d'auscultation. L'algorithme le plus couramment employé est le recuit simulé spatial (RSS). Cette procédure est régulièrement utilisée dans des applications géostatistiques, et dans d'autres domaines, mais elle est pour l'instant quasiment inexploitée pour des structures de génie civil. Dans le travail de thèse, une optimisation de la méthode d'optimisation de l'échantillonnage spatial (MOES) originale inspirée du RSS et fondée sur la corrélation spatiale a été développée et testée dans le cas d'essais sur site avec deux fonctions objectifs complémentaires : l'erreur de prédiction moyenne et l'erreur sur l'estimation de la variabilité. Cette méthode est décomposée en trois parties. Tout d'abord, la corrélation spatiale des mesures ND est modélisée par un variogramme. Ensuite, la relation entre le nombre de mesures organisées dans une grille régulière et la fonction objectif est déterminée en utilisant une méthode d'interpolation spatiale appelée krigeage. Enfin, on utilise l'algorithme MOES pour minimiser la fonction objectif en changeant les positions d'un nombre réduit de mesures ND et pour obtenir à la fin une grille irrégulière optimale. Des essais destructifs (ED) sont nécessaires pour corroborer les informations obtenues par les mesures ND. En raison du coût ainsi que des dégâts possibles sur la structure, un plan d'échantillonnage optimal afin de prélever un nombre limité de carottes est important. Pour ce faire, une procédure utilisant la fusion des données fondée sur la théorie des possibilités et développée antérieurement, permet d'estimer les propriétés du béton à partir des ND. Par le biais d'un recalage nécessitant des ED réalisés sur carottes, elle est étalonnée. En sachant qu'il y a une incertitude sur le résultat des ED réalisés sur les carottes, il est proposé de prendre en compte cette incertitude et de la propager au travers du recalage sur les résultats des données fusionnées. En propageant ces incertitudes, on obtient des valeurs fusionnées moyennes par point avec un écart-type. On peut donc proposer une méthodologie de positionnement et de minimisation du nombre des carottes nécessaire pour ausculter une structure par deux méthodes : la première, en utilisant le MOES pour les résultats des propriétés sortis de la fusion dans chaque point de mesure et la seconde par la minimisation de l'écart-type moyen sur la totalité des points fusionnés, obtenu après la propagation des incertitudes des ED. Pour finir, afin de proposer une alternative à la théorie des possibilités, les réseaux de neurones sont également testés comme méthodes alternatives pour leur pertinence et leur simplicité d'utilisation. / Non-destructive testing methods (NDT) are essential for estimating concrete properties (mechanical or physical) and their spatial variability. They also constitute an useful tool to reduce the budget auscultation of a structure. The proposed approach is included in an ANR project (EvaDéOS) whose objective is to optimize the monitoring of civil engineering structures by implementing preventive maintenance to reduce diagnosis costs. In this thesis, the objective was to characterize at best a peculiar property of concrete (e.g. mechanical strength, porosity, degree of saturation, etc.), with technical ND sensitive to the same properties. For this aim, it is imperative to develop objective tools that allow to rationalize a test campaign on reinforced concrete structures. For this purpose, first, it is proposed an optimal spatial sampling tool to reduce the number of auscultation points. The most commonly used algorithm is the spatial simulated annealing (SSA). This procedure is regularly used in geostatistical applications, and in other areas, but yet almost unexploited for civil engineering structures. In the thesis work, an original optimizing spatial sampling method (OSSM) inspired in the SSA and based on the spatial correlation was developed and tested in the case of on-site auscultation with two complementary fitness functions: mean prediction error and the error on the estimation of the global variability. This method is divided into three parts. First, the spatial correlation of ND measurements is modeled by a variogram. Then, the relationship between the number of measurements organized in a regular grid and the objective function is determined using a spatial interpolation method called kriging. Finally, the OSSM algorithm is used to minimize the objective function by changing the positions of a smaller number of ND measurements and for obtaining at the end an optimal irregular grid. Destructive testing (DT) are needed to corroborate the information obtained by the ND measurements. Because of the cost and possible damage to the structure, an optimal sampling plan to collect a limited number of cores is important. For this aim, a procedure using data fusion based on the theory of possibilities and previously developed is used to estimate the properties of concrete from the ND. Through a readjustment bias requiring DTs performed on carrots, it is calibrated. Knowing that there is uncertainty about the results of DTs performed on carrots, it is proposed to take into account this uncertainty and propagate it through the calibration on the results of the fused data. By propagating this uncertainty, it is obtained mean fused values with a standard deviation. One can thus provide a methodology for positioning and minimizing the number of cores required to auscultate a structure by two methods: first, using the OSSM for the results of fused properties values in each measuring point and the second by the minimization of the average standard deviation over all of the fused points obtained after the propagation of DTs uncertainties. Finally, in order to propose an alternative to the possibility theory, neural networks are also tested as alternative methods for their relevance and usability.

L'évaluation de la résistance interfaciale des systèmes barrière thermique EB-PVD est primordiale afin de pouvoir contrôler la production d'aubes de turbine revêtues et d'améliorer la compréhension des phénomènes d'écaillage de la céramique qui se produisent en fonctionnement. L'essai d'adhésion par choc laser LASAT qui s'appuie sur la propagation bidimensionnelle des ondes de choc (le phénomène LASAT-2D) consiste à mesurer le diamètre de fissure interfaciale pour différents tirs effectués à densité de puissance laser croissante. L'application de l'essai LASAT sur une pièce industrielle nécessite d'effectuer le choc du côté revêtu de céramique. Un adhésif vinylique protecteur ainsi qu'un milieu de confinement par adhésif transparent sont utilisés afin de générer un choc en surface de la céramique. La propagation de l'onde de choc est étudiée à travers des expériences spécifiques ainsi qu'une simulation numérique. La fissuration de l'interface est révélée par la présence d'une tache qui est mesurée par observation optique du dessus de la céramique. La reproductibilité de l'essai LASAT appliqué côté céramique est établie. Dans l'optique de valider un protocole de contrôle non destructif, le cyclage thermique est utilisé pour évaluer la nocivité d'une zone choquée présentant ou non des fissures. La présence de fissures à l'interface entre l'alumine et la zircone ne diminue pas la durée de vie à écaillage d'aubes de turbines lors du cyclage thermique. La tenue mécanique initiale de la céramique est comparée de manière qualitative et quantitative pour différents échantillons et qualitativement pour plusieurs aubes de turbine. L'évolution de la résistance interfaciale en fonction du cyclage thermique est étudiée. On démontre également sur plusieurs échantillons une corrélation entre l'adhérence initiale mesurée par LASAT et la durée de vie à écaillage par cyclage thermique. / The assessment of the interface strength of EB-PVD thermal barrier coating (TBC) is a key issue to control the production and better understand the ceramic spallation that will occur during life duration of coated turbine blades. The Laser Shock Adhesion Test (LASAT) involving bi-dimensional shock wave propagation, namely the LASAT-2D, consists in measuring the interfacial crack diameter when implementing a set of laser shocks with increased laser power densities. Applying the LASAT onto an industrial blade requires implementing the laser shock onto the ceramic side. A protective vinylic adhesive tape and a confinement by transparent adhesive tape are used to generate the shock on the ceramic. Shock wave propagation is studied through specific experiments and a numerical simulation. The interfacial crack is revealed by the presence of a spot that could be measured on a top-view optical image of the ceramic. Reproductibility of the LASAT applied on the coated side of the TBC is thereby established. Harmfulness of a loaded area with and without cracks is investigated thanks to thermal cycling in order to validate a non-destructive protocol. The presence of cracks at the interface between alumina and zirconia does not reduce the life duration of coated turbine blades in thermal cycling. Initial adhesion strength is compared both qualitatively and quantitatively for different samples and qualitatively for some turbine blades. Evolution of the interface strength with thermal cycling is presented. A correlation between initial adhesion and time of spallation of the ceramic is demonstrated on different samples.

Les budgets alloués aux réparations des ouvrages et du patrimoine bâti ont atteint un niveau important. Une démarche scientifique est donc réfléchie pour réduire ces budgets par la mise en place d’outils visant à optimiser et fiabiliser le diagnostic structural des ouvrages. Les méthodes de contrôle non destructif (CND) constituent l’une des voies adaptées. Ces techniques reposent sur des principes physiques bien connus et les sociétés de service en proposent aujourd’hui un emploi courant, mais de nombreux verrous subsistent. Les deux besoins majeurs des gestionnaires d’ouvrages sont celui de l’optimisation de la stratégie de reconnaissance (où mesurer ? en combien de points ? avec quelle(s) techniques(s) et quelle précision ?) et celui de la quantification des propriétés mécaniques des matériaux ou des indicateurs de durabilité telles que la résistance à la compression, l’épaisseur carbonatée, le taux d’humidité. La question est comment déduire ces propriétés et ces indicateurs des mesures faites ? Et quelles sont la précision et la fiabilité de l’évaluation ?Cette thèse s’inscrit dans le cadre de deux projets nationaux de recherche : le projet ACDC-C2D2 et le projet ANR EvaDéOS. L’objectif principal est d’analyser la variabilité issue du CND pour ensuite remonter à la variabilité spatiale des bétons en conditions réelles. Les techniques de CND considérées sont choisies parmi les plus complémentaires : radar, résistivité électrique, ultrasons et rebond (scléromètre). Les résultats sont obtenus à partir d’une large campagne expérimentale effectuée sur des dalles d’un site test et sur deux ouvrages. L’analyse de la variabilité des CND a permis d’évaluer le nombre minimal de mesures nécessaire pour un niveau de confiance souhaité. D’autre part, la corrélation spatiale des données a été modélisée par l’analyse variographique. Les résultats montrent que, dans certain cas, les mesures de CND ne sont pas spatialement indépendantes. Les longueurs de corrélation identifiées dépendent de la propriété mesurée ainsi que du béton de l’ouvrage ausculté. La connaissance de ces longueurs de corrélation est un résultat nouveau qui permettra d’une part de mieux estimer la variabilité spatiale des bétons et d’autre part d’alimenter de manière plus réaliste les calculs fiabilistes des ouvrages. Elle permet également d’identifier un pas d’échantillonnage optimal sur ouvrage dans le cadre du suivi temporel ou pour effectuer des analyses complémentaires (ex. carottage, CND complémentaire ou plus fiable) et de représenter au mieux la cartographie spatiale des propriétés du béton.Dans le cadre du projet de recherche ANR EvaDéOS, les effets de la carbonatation et des gradients de teneur en eau (gradient d’humidité) sur les techniques CND ont été étudiés. Ce travail a pour objectifs d’étudier la sensibilité des techniques de CND à évaluer ces deux indicateurs de durabilité ainsi que leur impact sur la variabilité des mesures de CND. En laboratoire, des campagnes expérimentales ont été réalisées sur corps d’épreuve ayant différentes profondeurs de carbonatation ou des gradients d’humidité. L’effet de la carbonatation a été quantifié pour certains observables : résistivité électrique, vitesse ultrasonore et rebond. En ce qui concerne la variabilité des mesures de CND, l’effet de la carbonatation est seulement notable dans le cas du béton saturé, en particulier pour la variabilité locale de la résistivité électrique et du rebond. Cet effet reste faible par rapport à l’effet du degré de saturation. Les premiers résultats montrent également que les mesures de la résistivité électrique permettraient de suivre des gradients d’humidité dans le béton. / The budgets assigned to the repair of structures and built heritage have reached an alarming level. A scientific approach is needed to reduce these budgets by implementing tools for a more reliable and optimal assessment of existing structures. Non-destructive testing (NDT) techniques constitute one of approaches adapted to real conditions. These techniques are based on well-known physical principles. Many companies offer their services in NDT domain today but many challenges remain. The two particular needs of structure managers are the optimization of the assessment strategy (where to measure? how many testing points? what technique(s) and what precision?) and the quantification of mechanical properties of materials or durability indicators such as the compressive strength, the carbonation depth, the moisture content. The questions are how to estimate these properties from measurements performed, and what are the accuracy and reliability of the evaluation?This thesis is part of two French research projects: ACDC-C2D2 and ANR EVaDéOS. The main objective is to analyze the variability of non-destructive testing (NDT) measurements for assessing the spatial variability of concrete in real conditions. NDT techniques considered are chosen as being complementary: radar, electrical resistivity, ultrasonic, rebound hammer. The results are obtained from a wide campaign of measurements, which was performed on concrete slabs of a testing site and on two existing structures. The analysis of the NDT variability makes it possible to assess the necessary minimum number of measurements for a desired level of confidence. Furthermore, the spatial correlation of the data was modeled using the variogram analysis. In some cases, the results show that NDT measurements are not spatially independent. The correlation lengths identified depend on the measured property and the concrete of the structure inspected. They are a new result, which will provide on one hand a better evaluation of spatial variability of concrete and on the other hand a more realistic input of reliability calculations of structures. The correlation length allows also the identification of an optimal sampling distance on existing structure within the monitoring time or the implementation of additional analyses (eg. core, complementary or more reliable NDT) and a better representation of the spatial mapping of concrete properties.Within the framework of the ANR EvaDéOS research project, the effects of carbonation and of moisture gradients on NDT measurements were studied. This work aims to study the sensitivity of NDT techniques for assessing these two durability indicators and their impact on the variability of NDT measurements. In laboratory, the experimental surveys were carried out on testing specimens having different depths of carbonation or moisture gradients. The effect of carbonation was quantified for several parameters: electrical resistivity, ultrasonic pulse velocity and rebound hammer. With respect to the variability of NDT measurements, the effect of carbonation is only significant in the case of saturated concrete, in particular for the local variability of electrical resistivity and rebound hammer. This effect is weak in comparison with the effect of saturation degree. The first results show also that the measurements of electrical resistivity would follow moisture gradients in concrete.

Les transducteurs ultrasonores font l'objet de nombreux développements en contrôle non-destructif (CND) industriel. Utilisé ponctuellement et périodiquement, le CND ultrasonore permet d'établir des diagnostics sur la santé des matériaux. La caractérisation ultrasonore en temps réel constitue un outil de surveillance de l'évolution des propriétés physiques lors de la fabrication des matériaux composites. Dans ce contexte, des études sont menées au LOMC pour optimiser le procédé de fabrication des matériaux composites par RTM (Resin Transfer Molding) afin d’améliorer la qualité du produit. Ce travail de thèse consiste à développer des méthodes ultrasonores pour le suivi des propriétés viscoélastiques d’un composite pendant la phase de production. Les propriétés viscoélastiques sont étudiées à l’aide de modèles théoriques, de simulations numériques et de résultats expérimentaux. Des études de calibration ont été menées afin d’étudier les facteurs d’influence sur le suivi de propriétés ultrasonores lors de la mise en oeuvre d’un procédé RTM. Le suivi des paramètres viscoélastiques de résines époxy est effectué dans un premier temps à basse température au cours d'une polymérisation isotherme et d’une post-cuisson. Ensuite, une approche basée sur la méthode de caractérisation en émission/transmission a été développée afin d’étudier le comportement à haute température. La modélisation de la réponse électroacoustique par série de Debye (DSM) a été effectuée en se basant sur des approches analytiques. L’utilisation des transducteurs multiéléments permet la localisation et le dimensionnement de défauts lors du déplacement de fibres de carbone dans une résine liquide, entre des moules. / The developments based on ultrasonic transducers are nowadays numerous in the industrial non-destructive testing (NDT). Used punctually and periodically, the ultrasonic NDT is used for health diagnostics of materials. Ultrasonic characterization in real time allows a physical properties monitoring during the manufacturing of composite materials. In this context, studies are conducted in LOMC in view to optimize the manufacturing process of composite materials using RTM (Resin Transfer Molding) in order to improve the product quality. This work consists to develop ultrasonic methods for the monitoring of viscoelastic properties during the production phase of composites. The viscoelastic properties are studied using theoretical models, numerical simulations and experimental measurements. Calibration studies were carried out to study the influencing factors on the monitoring of ultrasonic properties during the RTM process. The monitoring of viscoelastic parameters of epoxy resins is performed in a first time at low temperature during an isothermal polymerization and a post-curing. Then, an approach based on the transmission mode characterization was developed to study high-temperature behavior. Based on analytical approaches, the electroacoustic response was simulated by Debye series method (DSM). The use of phased array transducers was investigated for the location and sizing of defects during the movement of the carbon fiber in a liquid resin between the molds.

Aircraft scheduled maintenance requirements are rapidly extending and developing due to rapid evolution of small aircraft. This evolution leads to implementation of until recently exclusively airliner class maintenance standards. In the field of general aviation and FAR 23/ EASA CS-23 especially, preventive maintenance based on part replacing or repairing is still dominant. DAMAGE TOLERANCE philosophy implementation into an aircraft design influences maintenance procedures, which are adjusted to older SAFE LIFE philosophy. Aircraft manufactures are developing new ways, how to integrate requirements of damage tolerance application into scheduled maintenance procedures. Huge airliner manufactures (FAR 25/ CS-25) are using the ATA MSG-3 intelligent maintenance approach based on inspection. This dissertation thesis develops intelligent scheduled maintenance methodology, utilizing ATA MSG-3 procedures, expert knowledge and Multiple Criteria Decision Analysis (MCDA).

<p>Developing a reliable in-situ non-destructive testing method to determine the strength of in-place concrete is critical because a fast-paced construction schedule exposes concrete pavement and/or structures undergoing substantial loading conditions, even at their early ages. Conventional destructive testing methods, such as compressive and flexural tests, are very time-consuming, which may cause construction delays or cost overruns. Moreover, the curing conditions of the tested cylindrical samples and the in-place concrete pavement/structures are quite different, which may result in different strength values. An NDT method that could directly correlate the mechanical properties of cementitious materials with the sensing results, regardless of the curing conditions, mix design, and size effect is needed for the in-situ application.</p><p>The piezoelectric sensor-based electromechanical impedance (EMI) technique has shown promise in addressing this challenge as it has been used to both monitor properties and detect damages on the concrete structure. Due to the direct and inverse effects of piezoelectric, this material can act as a sensor, actuator, and transducer. This research serves as a comprehensive study to investigate the feasibility and efficiency of using piezoelectric sensor-based EMI to evaluate the strength of newly poured concrete. To understand the fundamentals of this method and enhance the durability of the sensor for in-situ monitoring, this work started with sensor fabrication. It has studied two types of polymer coating on the effect of the durability of the sensor to make it practical to be used in the field.</p><p>The mortar and concrete samples with various mix designs were prepared to ascertain whether the results of the proposed sensing technique were affected by the different mixtures. The EMI measurement and compressive strength testing methods (ASTM C39, ASTM C109) were conducted in the laboratory. The experimental results of mortar samples with different water-to-cement ratios (W/C) and two types of cement (I and III) showed that the correlation coefficient (R²) is higher than 0.93 for all mixes. In the concrete experiments, the correlation coefficient between the EMI sensing index and compressive strength of all mixes is higher than 0.90. The empirical estimation function was established through a concrete slab experiment. Moreover, several trial implementations on highway construction projects (I-70, I-74, and I-465) were conducted to monitor the real-time strength development of concrete. The data processing method and the reliable index of EMI sensing were developed to establish the regression model to correlate the sensing results with the compressive strength of concrete. It has been found that the EMI sensing method and its related statistical index can effectively reflect the compressive strength gain of in-place concrete at different ages.</p><p>To further investigate the in-situ compressive strength of concrete for large-scale structures, we conducted a series of large concrete slabs with the dimension of 8 feet × 12 feet × 8 inches in depth was conducted at outdoor experiments field to simulate real-world conditions. Different types of compressive strength samples, including cast-in-place (CIP) cylinder (4” × 6”) – (ASTM C873), field molded cylinder (4” × 8”) – (ASTM C39), and core drilled sample (4” × 8”) – (ASTM C42) were prepared to compare the compressive strength of concrete. The environmental conditions, such as ambient temperatures and relative humidity, were also recorded. The in-situ EMI monitoring of concrete strength was also conducted. The testing ages in this study were started from 6 hours after the concrete cast was put in place to investigate the early age results and continued up to 365 days (one year) later for long-term monitoring. The results indicate that the strength of the CIP sample is higher than the 4” x 8” molded cylinder , and that core drilled concrete is weaker than the two aforementioned. The EMI results obtained from the slab are close to those obtained from CIP due to similar curing conditions. The EMI results collected from 4 × 8-inch cylinder samples are lower than slab and CIP, which aligns with the mechanical testing results and indicates that EMI could capture the strength gain of concrete over time.</p><p>The consequent database collected from the large slab tests was used to build a prediction model for concrete strength. The Artificial Neuron Network (ANN) was investigated and experimented with to optimize the prediction of performances. Then, a sensitivity analysis was conducted to discuss and understand the critical parameters to predict the mechanical properties of concrete using the ML model. A framework using Generative Adversarial Network (GAN) based on algorithms was then proposed to overcome real data usage restrictions. Two types of GAN algorithms were selected for the data synthesis in the research: Tabular Generative Adversarial Networks (TGAN) and Conditional Tabular Generative Adversarial Networks (CTGAN). The testing results suggested that the CTGAN-NN model shows improved testing performances and higher computational efficiency than the TGAN model. In conclusion, the AI-guided concrete strength sensing and prediction approaches developed in this dissertation will be a steppingstone towards accomplishing the reliable and intelligent assessment of in-situ concrete structures.</p><br>