Soutenance de thèse de Manda RAMANIRAKA

Ce travail de thèse traite de la caractérisation de la microstructure de milieu multidiffusant, principalement du béton, à l’aide des ondes ultrasonores multiplement diffusées. La structure hétérogène du béton entraine la diffusion multiple des ondes ultrasonores aux fréquences d’auscultation d’intérêt (250kHz-750kHz). Le signal reçu comprend alors une partie cohérente et une partie incohérente. Cette dernière est caractérisée par une longue coda qui correspond à des trajets longs et complexes à l’intérieur du milieu sondé. Elle est porteuse d’informations sur la microstructure. Pour exploiter cette coda, l’évolution de l’intensité moyenne est analysée. L’approximation de cette évolution par une équation de diffusion permet de mesurer, temporellement ou spatialement, le paramètre « diffusivité ». La diffusivité est sensible à la microstructure du béton et à ses évolutions au cours de sa vie. De nombreux travaux le montrent par des évaluations qualitatives. Il est montré qu’une analyse quantitative de cette grandeur pour ausculter le matériau reste difficile du fait du biais entre les hypothèses simplificatrices (établissement du régime de diffusion, solutions 1D ou 2D, influence des conditions aux limites) et la réalité sur l’élément ausculté (différents régimes existants, géométrie 3D, influence des bords) ainsi que sur les conditions de mesure (tailles et positions des capteurs, nature de la source). Plusieurs approches alternatives sont explorées afin d’analyser la coda sur un spectre large : lorsque le régime de diffusion n’est pas établi (conversion de mode, répartition spatiale de l’intensité) ou lorsque la réverbération masque la diffusion multiple (pics de réverbération cohérente, équipartition de l’énergie, libre parcours moyen élastique). Les simulations numériques, combinées aux différents modèles analytiques, constituent notre principal outil de travail car elles permettent d’aborder les différents cas de figures. Pour cela, le béton est généralement considéré comme étant simplement un milieu biphasique granulats/mortier, avec un contact parfait à leurs interfaces. Nous reconsidérons cette représentation en prenant en compte l’Interfacial Transition Zone (ITZ) et montrons que ce dernier a un rôle important sur la propagation des ondes ultrasonores. Un modèle d’ITZ intégrant des caractéristiques réalistes est défini et implémenté numériquement. Les effets de l’ITZ sur les paramètres ultrasonores (vitesse, atténuation et diffusivité) sont évalués, puis validés expérimentalement. Cette nouvelle approche numérique conduit à des modèles directs plus aboutis. Elle permet d’envisager à long terme la résolution de problèmes inverses sur les caractéristiques physiques de la microstructure du béton.

This work deals with the characterization of the microstructure of scattering medium, such as concrete, with multiply scattered ultrasonic waves. In fact, the high heterogeneity of concrete makes the ultrasonic waves multiply scattered at the frequency range of interest (from 250 to 750kHz). The recorded signal is thus composed of a short coherent part and a long incoherent part called coda. The latter corresponds to long and complex paths inside the probed medium and brings information about the microstructure. The averaged intensity’s evolution is analyzed in order to exploit the coda. Fitting this evolution with a solution of the diffusion equation allows to measure, temporally and spatially, the diffusivity parameter. The diffusivity is shown to be sensitive to the concrete’s microstructure and its evolution over time, but those approaches are qualitative. A quantitative measurement of the diffusivity remains challenging because of the bias between the simplifying assumptions generally used (diffuse regime, 1D or 2D solutions, no boundary’s effect) and the reality about the material (different sorts of regimes, 3D geometry, boundary’s contribution) and about the measurement (nature of sensors and emitted wave). Many alternative approaches are explored in this work that aims to allow a characterization on a wide range of situations: when the diffuse regime is not reached or when reverberation masks multiple scattering contribution. Numerical simulations, combined with existing theoretical models, constitute an ideal tool because they allow to consider many cases without being expensive. In these cases, concrete is generally considered as a two-phase medium (aggregates/mortar) with a perfect contact at their interfaces. We reconsider this approach by taking into account the Interfacial Transition Zone (ITZ) and we show that it has an important role on ultrasonic wave propagation. A numerical model which accounts for realistic characteristics of ITZ is developed. The effects of ITZ on ultrasonic parameters (velocity, attenuation and diffusivity) are evaluated and validated with experimental data. This new approach leads to better direct numerical models and allows to think about the inverse problems on the concrete’s microstructure characterization.