Un capteur «jetable
» pour suivre sans discontinuité les propriétés rhéologiques des mortiers et bétons

 
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Le transport et l’exploitation des mortiers et bétons requièrent le contrôle de leurs propriétés rhéologiques1. À cet égard, les tests normalisés utilisés en laboratoire industriel et sur chantier font appel à des méthodes empiriques qui ne caractérisent souvent qu’indirectement les propriétés mécaniques. Les rhéomètres spécifiques, quant à eux, restent lourds et peu adaptés à l’utilisation sur chantier. Le Laboratoire d’analyse des interfaces et de nanophysique2 (LAIN) a donc mis au point un procédé industriel simple et peu coûteux, basé sur un capteur acoustique à champ proche3, sensible aussi bien à l’évolution de la viscosité qu’à l’apparition du seuil de cisaillement4.
Schéma des capteurs et de leur fonctionnement.

La prise des mortiers et bétons peut être suivie par les techniques ultrasonores. Ces techniques sont basées sur la mesure de la vitesse longitudinale et de la vitesse transverse des ondes acoustiques par des méthodes échographiques. Précises et fiables, mais lourdes à mettre en oeuvre, ces techniques sont limitées au domaine élastique. En effet, lorsque le milieu est fluide, la vitesse longitudinale varie peu et le mode transverse ne se propage pas. Or, l’optimisation de l’addition d’adjuvants, fluidifiants permettant le transport du béton, nécessite le contrôle de la rhéologie du milieu, avant la prise, dans l’état fluide.

Une technique fondée sur le champ proche acoustique a ainsi été développée au LAIN. Elle consiste à étudier les modifications des conditions de résonance d’un pavillon acoustique ou sonotrode, en fonction de l’évolution des propriétés rhéologiques du milieu dans lequel la sonde est immergée. Les mesures sont très sensibles à l’évolution de la viscosité du milieu et au seuil de cisaillement.

Les principaux avantages d’un tel procédé sur les dispositifs existants sont l’automatisation et le suivi sans discontinuité depuis l’état fluide jusqu’à l’état solide. L’accroissement de la sensibilité des mesures est obtenu en jouant sur la géométrie de la sonde en contact avec le milieu. Appréhender la sensibilité à la viscosité permet l’étude du rôle des fluidifiants, mais aussi l’étude du phénomène de fausse prise ; la prise elle-même est caractérisée très précisément. L’adaptation de la géométrie de la sonde au suivi des propriétés élastiques en fait un instrument d’étude de la maturométrie des bétons. La méthode en présence a trouvé plusieurs applications dans le domaine des mortiers et bétons.

Le principe utilisé pour le suivi des propriétés rhéologiques des mortiers et bétons s’applique au contrôle de la réticulation5 des polymères. Les applications concernent le suivi de la prise des colles, le séchage des peintures, des encres et le durcissement des vernis. Des milieux aussi fragiles que les gels peuvent être contrôlés de façon non-destructive grâce à la très faible amplitude des mouvements de la sonde, quelques dizaines de nanomètres. Ainsi, les phénomènes de gélification, vieillissement («aging») et synérèse6 sont caractérisés dans les milieux sol-gel inorganiques et dans les produits laitiers.

Références :
• B. Cros, J. Y. Ferrandis. Characterization of the cement setting by acoustic near field, Sensors & Actuators B : Chemical, 60 (1999) pp. 200-207.
• B. Cros, J. Y. Ferrandis, M. Pauthe. Étude de la mise en œuvre des polymères par champ proche acoustique. La Revue de Métallurgie - Science et Génie des Matériaux, 96 (1999) pp. 1537-1545.

1 Propriétés visqueuses modifiées par l’ajout de fluidifiants ou l’apparition d’une fausse prise liée au ciment, propriétés visco-élastiques qui évoluent avec le durcissement du matériau et sa prise ou encore propriétés élastiques qui permettent de caractériser le durcissement après la prise et l’augmentation des résistances mécaniques du béton.

2 CNRS-Université Montpellier 2.

3 Brevet français.

4 Procédé appliqué dans le cadre d’une prestation pour la société Vicat.

5 Formation de liaisons chimiques suivant les différentes directions de l’espace au cours d’une polymérisation.

6 Expulsion du liquide d’un gel.