Un nombre important de structures à travers le monde sont touchées par la réaction alcalis-silice (RAS), mais plusieurs points restent à valider concernant leur diagnostic. Il y a donc un besoin d'un moyen efficace d'identifier le problème, quantifier l'endommagement et faire le suivi des structures dans le temps afin de déterminer notamment l'efficacité des mesures de mitigation. Le projet présenté dans ce mémoire met en relief les travaux de recherches menés dans le cadre d'un contrat de recherche avec le Federal Highway Administration des USA. L'objectif à moyen et long terme est d'élaborer un guide d'utilisation essais non destructifs sur les structures en service qui pourra être intégré à un protocole d'inspection. Ce projet a été scindé en deux parties complémentaires, soit une partie d'essais in situ et une partie en laboratoire où une nouvelle technique non linéaire du saut temporel a été étudiée. La maniabilité et la sensibilité d'une combinaison de techniques acoustiques pour l'auscultation in situ ont été mises à l'épreuve sur des structures en service. Des ponts et viaducs autoroutiers dans le nord-est des États-Unis ont été évalués en utilisant l'impact-écho, la vitesse d'impulsions ultrasonores et le saut temporel, une nouveauté dans le contrôle non destructif. De ces trois techniques, quatre indicateurs ont été étudiés : vitesse provenant de la fréquence de résonance, la vitesse directe, la fréquence centroïde et le saut temporel. Le saut temporel est une technique où des rafales ultrasonores de hautes fréquences balaient le matériau pendant qu'une onde élastique de basses fréquences perturbe le matériau et causant un délai dans la propagation des ultrasons. Contrairement aux autres techniques non linéaires très sensibles mais non applicables sur le terrain, le saut temporel semble pouvoir être utilisé efficacement sur les structures en service. La technique permet également d'évaluer des paramètres linéaires telle que la vitesse d'impulsions ultrasonores en plus du paramètre non linéaire. L'étude a porté sur l'applicabilité à différents niveaux d'endommagement afin d'identifier les avantages et les limites de la technique ainsi que pour optimiser son utilisation avec différentes configurations de transmission. Les configurations indirecte et semi-directe ont été évaluées sur des échantillons de mortiers à différents niveaux d'endommagement généré par les cycles de gel-dégel. Les résultats ont démontré que le saut temporel est plus sensible lorsqu'utilisé en configuration de transmission indirecte, mais également beaucoup plus sensible que les indicateurs linéaires à l'initiation de l'endommagement. Sa sensibilité et sa versatilité (différents indicateurs pour différents niveaux d'endommagement) sont d'un grand intérêt pour l'évaluation rapide des structures.

Le présent mémoire a pour objet d’étudier la relation entre les modes propres de vibration avec les mesures de saut temporel ultrasonore. La méthode de saut temporel est une technique de l’acoustique non linéaire qui s’intéresse à l’évaluation des dommages internes dans le béton notamment à un jeune âge. Elle est basée sur le décalage temporel dans le temps d’arrivée des ondes ultrasonores après que le milieu de propagation ait été soumis à une excitation mécanique par laquelle le réseau de microfissuration interne est perturbé. Son application in situ avait été testée, mais il y avait un consensus général que l’amplitude du saut temporel pouvait dépendre de la nature du mode propre excité de la structure. La méthode a donc été appliquée au laboratoire sur des poutres en béton armé (non endommagé) afin d’étudier cette influence. Les ondes de surface ont été étudiées à cause de leur sensibilité aux variations de propriétés mécaniques du béton. Les résultats obtenus montrent que les valeurs de saut temporel dépendent fortement du mode excité, les modes ayant manifesté d’une façon notable et énergétique dans le spectre de Fourrier d’accélération sont ceux ayant provoqué un décalage temporel significatif. De plus, l’excitation de deux modes par une même amplitude ne produit pas le même effet. Par ailleurs, les résultats indiquent que le choix du mode à exciter est important, car l’excitation d’un mode inapproprié ne révèle pas l’état réel du béton/de l’ouvrage ausculté. Enfin, la présente étude conclut qu’il y a une dépendance entre les modes propres des structures sur les mesures de saut temporel ; la prise en compte de telle dépendance améliore l’efficacité de la technique de saut temporel, et tout dans une configuration simple et optimale. / Abstract : The purpose of this project is to study the relationship between of eigenmodes of vibration and ultrasonic time shift measurements. Indeed, the method of time shift is a technique of nonlinear acoustics which is interested in the evaluation of the internal damage in the concrete especially at early age. It is based on the time shift in the arrival time of the ultrasonic waves after the medium has subjected a mechanical excitation by which the internal microcracking network is disturbed. Its application in situ was recently experienced, but there was a consensus that the amplitude of the time shift could depend on the nature of the excited eigenmode of the structure. The method was applied in the laboratory on reinforced concrete beams (undamaged) to assess their influence. The surface waves were thus investigated in this experiment because of their sensitivity to the variation of the mechanical properties of concrete. The results show that the time shift values depend strongly on the excited mode; the modes which have manifested in a notable and energetic manner in the acceleration spectrum are tho se which have caused a significant time shift. Moreover, the excitation of two modes by the same amplitude does not produce the same effect. Also, the results indicate that the choice of the mode to be excited is important, because the excitation of an ina ppropriate mode does not reveal the actual condition of the concrete or examined structure. Finally, the present study concludes that there is dependence between the eigenmodes of the structures on the time shift measurements; the taking into account of such dependence improves the efficiency of the time shift technique, all in a simple and optimal configuration.

Résumé : La connaissance de la fiabilité d’une structure dans sa durée de vie est d’une importance stratégique. Plusieurs méthodes non destructives ont ainsi été développées pour évaluer l’état des ouvrages en béton. Parmi ces techniques, les méthodes basées sur l’acoustique non linéaire ont démontré une performance satisfaisante en laboratoire pour détecter les microfissures de façon précoce. L’objectif de cette thèse consiste à apporter de nouvelles idées contribuant au développement de la méthode du saut temporel ultrasonore (en tant que méthode acoustique non linéaire) pour l’évaluation in situ des structures en béton. Ce travail porte plus particulièrement sur la caractérisation du béton atteint de réaction alcalis-silice (RAS). L’originalité de ce travail réside principalement dans l’utilisation des sollicitations naturelles auxquelles les ouvrages d’art sont soumis comme source d’excitation du milieu pendant l’application du saut temporel (ST). La sollicitation fournie par le passage d’un véhicule sur un tablier d’un pont est l’un des exemples de ces sources naturelles. Un programme expérimental a donc été mis sur pied, qui consiste en une phase d’étude au laboratoire et à une phase d’étude sur site. Deux dalles de béton réactif et une dalle de béton non réactif (1,40×0,75×0,3 m[indice supérieur 3]) ont été fabriquées en laboratoire afin d’évaluer l’idée générale de cette thèse. Pour générer les ondes d’excitation de basses fréquences requises pour les essais ST, un vérin hydraulique a été utilisé comme sources d’impact simulant le passage d’un véhicule. Avec ce protocole d’essais, la progression de la RAS a été caractérisée dans les dalles réactives. Il a été démontré que le ST peut détecter sans équivoque la RAS à partir d’une expansion de 0,03%. Les résultats montrent également que la perturbation des éléments structuraux par le passage d’un véhicule serait exploitable pour les investigations in situ. L’effet de la température sur le comportement acoustique non linéaire du béton a également été étudié : les mesures acoustiques non linéaires sont plus fiables dans une plage de température entre 10[degré]C et 30[degré]C. Des essais préliminaires ont été effectués sur le tablier d’un petit pont en béton. Les perturbations requises ont été fournies par le passage d’un camion dans une plage de vitesses variant de 20 km/h à 50 km/h; en utilisant deux types d’excitation (naturelle et amplifiée en utilisant des obstacles). Les résultats ont démontré qu’on peut appliquer la méthode ST sur site en utilisant l’excitation naturelle générée par un camion. Les expériences faites dans cette thèse révèlent la faisabilité de la méthode du ST pour évaluer l’état des structures en béton, notamment celles qui sont dégradées par la RAS. // Abstract : Reliability of a structure during its service life is strategically important. Several non-destructive methods have been developed to evaluate the condition of concrete structures. Among these techniques, the methods based on nonlinear acoustic have shown an excellent performance in laboratory for detecting micro-cracks at early ages. The objective of the thesis is to work on new ideas, which may contribute to develop the method of Ultrasonic Time Shift (as a nonlinear acoustic method) for evaluating concrete structures. This thesis focused was on concrete elements suffering from Alkali-Silica Reaction (ASR). The originality of the work is related to the idea that the natural vibrations, which exist in structures, can be used for perturbing structural elements during a Time Shift test. For instance, the vibration generated by a vehicle passing on a bridge is one of the examples of the natural resources of vibration. To reach the objective of this thesis, a research program was conducted in two phases: 1) experiments in laboratory; 2) field experiments. Two concrete slabs with reactive coarse aggregates and one with nonreactive aggregate were fabricated in the lab in order to assess the main idea of the thesis. A hydraulic actuator with an impact form loading pattern was used to generate low frequency waves (used to perturb the test-media) for tests of Time Shift (TS). Such loading pattern is similar to the loading imposed by a vehicle passing on a bridge deck. The progression of ASR-damage in the concrete slabs was successfully tracked using the developed methodology. It was shown that the TS can detect ASR from an expansion level about 0.03%.The results also show that the new methodology used for exciting structural elements can be used for field investigations. The effect of the temperature on nonlinear acoustic behavior of the concrete was also assessed. This investigation revealed that measurements in temperatures ranged from 10oC to 30oC can lead to better results. Some filed tests were carried out on a concrete slab of a small-size bridge. The required perturbations for the tests were provided by a truck. The velocity of the truck ranged from 20 km/h to 50 km/h.; using two types of perturbation (natural and exaggerated using some obstacles on surface). The results showed that the TS is an applicable method for field investigations, where the required perturbations are provided by a truck. The performed experimental program revealed the feasibility of the method of Time Shift for evaluating concrete structures, specifically those damaged by ASR.

Une communication est impulsive chaque fois que le signal portant des informations est intermittent dans le temps et que la transmission se produit à rafales. Des exemples du concept impulsife sont : les signaux radio impulsifs, c’est-à-dire des signaux très courts dans le temps; les signaux optiques utilisé dans les systèmes de télécommunications; certains signaux acoustiques et, en particulier, les impulsions produites par le système glottale; les signaux électriques modulés en position d’impulsions; une séquence d’événements dans une file d’attente; les trains de potentiels neuronaux dans le système neuronal. Ce paradigme de transmission est différent des communications continues traditionnelles et la compréhension des communications impulsives est donc essentielle. Afin d’affronter le problème des communications impulsives, le cadre de la recherche doit inclure les aspects suivants : la statistique d’interférence qui suit directement la structure des signaux impulsifs; l’interaction du signal impulsif avec le milieu physique; la possibilité pour les communications impulsives de coder l’information dans la structure temporelle. Cette thèse adresse une partie des questions précédentes et trace des lignes indicatives pour de futures recherches. En particulier, nous avons étudié: un système d'accès multiple où les utilisateurs adoptent des signaux avec étalement de spectre par saut temporel (time-hopping spread spectrum) pour communiquer vers un récepteur commun; un système avec un préfiltre à l'émetteur, et plus précisément un transmit matched filter, également connu comme time reversal dans la littérature de systèmes à bande ultra large; un modèle d'interférence pour des signaux impulsifs. / A communication is impulsive whenever the information-bearing signal is burst-like in time. Examples of the impulsive concept are: impulse-radio signals, that is, wireless signals occurring within short intervals of time; optical signals conveyed by photons; speech signals represented by sound pressure variations; pulse-position modulated electrical signals; a sequence of arrival/departure events in a queue; neural spike trains in the brain. Understanding impulsive communications requires to identify what is peculiar to this transmission paradigm, that is, different from traditional continuous communications.In order to address the problem of understanding impulsive vs. non-impulsive communications, the framework of investigation must include the following aspects: the different interference statistics directly following from the impulsive signal structure; the different interaction of the impulsive signal with the physical medium; the actual possibility for impulsive communications of coding information into the time structure, relaxing the implicit assumption made in continuous transmissions that time is a mere support. This thesis partially addresses a few of the above issues, and draws future lines of investigation. In particular, we studied: multiple access channels where each user adopts time-hopping spread-spectrum; systems using a specific prefilter at the transmitter side, namely the transmit matched filter (also known as time reversal), particularly suited for ultrawide bandwidhts; the distribution function of interference for impulsive systems in several different settings.

Une communication est impulsive chaque fois que le signal portant des informations est intermittent dans le temps et que la transmission se produit à rafales. Des exemples du concept impulsife sont : les signaux radio impulsifs, c’est-à-dire des signaux très courts dans le temps; les signaux optiques utilisé dans les systèmes de télécommunications; certains signaux acoustiques et, en particulier, les impulsions produites par le système glottale; les signaux électriques modulés en position d’impulsions; une séquence d’événements dans une file d’attente; les trains de potentiels neuronaux dans le système neuronal. Ce paradigme de transmission est différent des communications continues traditionnelles et la compréhension des communications impulsives est donc essentielle. Afin d’affronter le problème des communications impulsives, le cadre de la recherche doit inclure les aspects suivants : la statistique d’interférence qui suit directement la structure des signaux impulsifs; l’interaction du signal impulsif avec le milieu physique; la possibilité pour les communications impulsives de coder l’information dans la structure temporelle. Cette thèse adresse une partie des questions précédentes et trace des lignes indicatives pour de futures recherches. En particulier, nous avons étudié: un système d'accès multiple où les utilisateurs adoptent des signaux avec étalement de spectre par saut temporel (time-hopping spread spectrum) pour communiquer vers un récepteur commun; un système avec un préfiltre à l'émetteur, et plus précisément un transmit matched filter, également connu comme time reversal dans la littérature de systèmes à bande ultra large; un modèle d'interférence pour des signaux impulsifs. / A communication is impulsive whenever the information-bearing signal is burst-like in time. Examples of the impulsive concept are: impulse-radio signals, that is, wireless signals occurring within short intervals of time; optical signals conveyed by photons; speech signals represented by sound pressure variations; pulse-position modulated electrical signals; a sequence of arrival/departure events in a queue; neural spike trains in the brain. Understanding impulsive communications requires to identify what is peculiar to this transmission paradigm, that is, different from traditional continuous communications.In order to address the problem of understanding impulsive vs. non-impulsive communications, the framework of investigation must include the following aspects: the different interference statistics directly following from the impulsive signal structure; the different interaction of the impulsive signal with the physical medium; the actual possibility for impulsive communications of coding information into the time structure, relaxing the implicit assumption made in continuous transmissions that time is a mere support. This thesis partially addresses a few of the above issues, and draws future lines of investigation. In particular, we studied: multiple access channels where each user adopts time-hopping spread-spectrum; systems using a specific prefilter at the transmitter side, namely the transmit matched filter (also known as time reversal), particularly suited for ultrawide bandwidhts; the distribution function of interference for impulsive systems in several different settings.