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.

<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>

La thermographie infrarouge est une méthode largement employée pour la caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux. L’avènement des diodes laser pratiques, peu onéreuses et aux multiples caractéristiques, étendent les possibilités métrologiques des caméras infrarouges et mettent à disposition un ensemble de nouveaux outils puissants pour la caractérisation thermique et le contrôle non desturctif. Cependant, un lot de nouvelles difficultés doit être surmonté, comme le traitement d’une grande quantité de données bruitées et la faible sensibilité de ces données aux paramètres recherchés. Cela oblige de revisiter les méthodes de traitement du signal existantes, d’adopter de nouveaux outils mathématiques sophistiqués pour la compression de données et le traitement d’informations pertinentes. Les nouvelles stratégies consistent à utiliser des transformations orthogonales du signal comme outils de compression préalable de données, de réduction et maîtrise du bruit de mesure. L’analyse de sensibilité, basée sur l’étude locale des corrélations entre les dérivées partielles du signal expérimental, complète ces nouvelles approches. L'analogie avec la théorie dans l'espace de Fourier a permis d'apporter de nouveaux éléments de réponse pour mieux cerner la «physique» des approches modales.La réponse au point source impulsionnel a été revisitée de manière numérique et expérimentale. En utilisant la séparabilité des champs de température nous avons proposé une nouvelle méthode d'inversion basée sur une double décomposition en valeurs singulières du signal expérimental. Cette méthode par rapport aux précédentes, permet de tenir compte de la diffusion bi ou tridimensionnelle et offre ainsi une meilleure exploitation du contenu spatial des images infrarouges. Des exemples numériques et expérimentaux nous ont permis de valider dans une première approche cette nouvelle méthode d'estimation pour la caractérisation de diffusivités thermiques longitudinales. Des applications dans le domaine du contrôle non destructif des matériaux sont également proposées. Une ancienne problématique qui consiste à retrouver les champs de température initiaux à partir de données bruitées a été abordée sous un nouveau jour. La nécessité de connaitre les diffusivités thermiques du matériau orthotrope et la prise en compte des transferts souvent tridimensionnels sont complexes à gérer. L'application de la double décomposition en valeurs singulières a permis d'obtenir des résultats intéressants compte tenu de la simplicité de la méthode. En effet, les méthodes modales sont basées sur des approches statistiques de traitement d'une grande quantité de données, censément plus robustes quant au bruit de mesure, comme cela a pu être observé. / Infrared thermography is a widely used method for characterization of thermophysical properties of materials. The advent of the laser diodes, which are handy, inexpensive, with a broad spectrum of characteristics, extend metrological possibilities of infrared cameras and provide a combination of new powerful tools for thermal characterization and non destructive evaluation. However, this new dynamic has also brought numerous difficulties that must be overcome, such as high volume noisy data processing and low sensitivity to estimated parameters of such data. This requires revisiting the existing methods of signal processing, adopting new sophisticated mathematical tools for data compression and processing of relevant information.New strategies consist in using orthogonal transforms of the signal as a prior data compression tools, which allow noise reduction and control over it. Correlation analysis, based on the local cerrelation study between partial derivatives of the experimental signal, completes these new strategies. A theoretical analogy in Fourier space has been performed in order to better understand the «physical» meaning of modal approaches.The response to the instantaneous point source of heat, has been revisited both numerically and experimentally. By using separable temperature fields, a new inversion technique based on a double singular value decomposition of experimental signal has been introduced. In comparison with previous methods, it takes into account two or three-dimensional heat diffusion and therefore offers a better exploitation of the spatial content of infrared images. Numerical and experimental examples have allowed us to validate in the first approach our new estimation method of longitudinal thermal diffusivities. Non destructive testing applications based on the new technique have also been introduced.An old issue, which consists in determining the initial temperature field from noisy data, has been approached in a new light. The necessity to know the thermal diffusivities of an orthotropic medium and the need to take into account often three-dimensional heat transfer, are complicated issues. The implementation of the double singular value decomposition allowed us to achieve interesting results according to its ease of use. Indeed, modal approaches are statistical methods based on high volume data processing, supposedly robust as to the measurement noise.