->

ABSTRAIT

Les matériaux cimentaires dopés avec des nanoparticules de carbone sont des matériaux robustes capables de transduire la contrainte en changements de résistance électrique. Ces propriétés encouragent le développement de capteurs spatialement distribués pour la surveillance de l’état des structures de structures en béton. Pourtant, très peu d’applications de transducteurs constitués de nanocomposites à base de ciment à des éléments structurels ont été documentées. La plupart des applications se limitent à la mesure des réponses statiques.

Les auteurs ont récemment proposé la nouvelle application des technologies nanocomposites à base de ciment pour la surveillance de la santé des structures en béton basée sur les vibrations. Pour cela, des capteurs prismatiques en pâte de ciment dopée aux nanotubes de carbone ont été proposés comme capteurs embarqués pour des structures en béton. Les résultats antérieurs ont montré la promesse de ces capteurs lors des mesures de vibrations. Dans cet article, les auteurs approfondissent la compréhension du comportement dynamique des capteurs à nanotubes de carbone à base de ciment en menant des expériences sur une poutre en béton armé à grande échelle pour l’identification en sortie uniquement des fréquences naturelles.

Les performances du nouveau capteur sont comparées à des jauges de contrainte et des accéléromètres du commerce. Les résultats montrent que le capteur proposé se compare bien aux technologies existantes en matière de surveillance des vibrations. De plus, le capteur nanocomposite est capable de détecter des fréquences élevées, ce qui est rendu possible par un très faible niveau de bruit et un excellent rapport signal sur bruit obtenu à partir de connexions de fils blindés et une adaptation appropriée du processus de fabrication.

DESCRIPTION DES CAPTEURS À BASE DE CIMENT NANOTUBE

Figure 1: Processus de fabrication d’un CNTCS.

Le processus de fabrication du CNTCS est décrit schématiquement sur la figure 1. Premièrement, le plastifiant, de type SKY 521, est ajouté à de l’eau désionisée à raison de 5% du volume d’eau (figure 1 (a)). Deuxièmement, les MWCNT sont ajoutés au mélange (Fig. 1 (b)). La solution de MWCNT est d’abord mélangée avec un agitateur magnétique pendant 10 minutes (figure 1 (c)). Il est suivi de 15 minutes de sonication avec une échographie de 225 W et une sonde de la série Vibra Cell Bioblock Scientific modèle 75043. (Fig. 1 (d)).

Enfin, la solution est mélangée pendant 15 minutes avec un agitateur mécanique avec une vitesse de rotation de 1500 tr / min (Fig. 1 (e)). La solution aqueuse nanomodifiée résultant de la procédure de mélange est ajoutée à la poudre de ciment (figure 1 (f)), et mélangée manuellement pour obtenir la pâte de ciment nanocomposite. Le matériau est ensuite versé dans des moules huilés (Fig. 1 (g)) et les électrodes de cuivre sont noyées dans la pâte (Fig. 1 (h)). 1 Après décantation, l’échantillon est démoulé pour le durcissement (Fig. 1 (i)).

Figure 2: Images SEM du CNTCS: (a) suspension d’eau avec des NTC; et (b) une pâte de ciment composite durcie.

Les analyses SEM sont rapportées sur la figure 2 (a) pour la solution aqueuse avec MWCNT après la procédure de mélange et sur la figure 2 (b) pour un fragment de pâte de ciment nanocomposite durcie. Les deux chiffres démontrent la bonne dispersion des nanotubes et l’efficacité du processus de mélange.

PROCÉDURES EXPÉRIMENTALES

Figure 3: Disposition du montage expérimental et plans du faisceau RC étudié (dimensions en cm).

La configuration du laboratoire comprend (voir Fig. 3): (i) un faisceau RC simplement soutenu; (ii) des capteurs à base de nanotube de carbone à base de ciment, des accéléromètres du commerce, un marteau à impulsion et des jauges de contrainte électriques; (iii) un châssis pour l’acquisition de données avec cinq emplacements; (iv) un module de source d’alimentation pour fournir une entrée électrique stabilisée au CNTCS; (v) un module multimètre numérique pour mesurer la réponse électrique du CNTCS; (vi) un module d’acquisition de données et un convertisseur A / N pour jauges de contrainte; et (vii) un module d’acquisition de données et un convertisseur A / N pour accéléromètres et marteau à impulsions.

RÉSULTATS ET COMPARAISONS

Figure 5: Surveillance des vibrations du faisceau RC à l’aide du CNTCS placé à mi-portée: sortie du capteur avant filtrage passe-haut.

Figure 5: Surveillance des vibrations du faisceau RC à l’aide de CNTCS placé à mi-portée: sortie du capteur avant filtrage passe-haut (a); sortie du capteur après filtrage passe-haut (b); sauter sur la sortie du capteur (c); tracé détaillé de la fenêtre de la sortie de la jauge de contrainte à l’emplacement du CNTCS (d).

Figure 7: Analyse temps-fréquence de la mesure de la déformation et sortie CNTCS correspondante au quart de portée: jauge de contrainte (a); et CNTCS (b).

La figure 7 montre des tracés temps-fréquence dans la plage de 0 à 300 Hz en utilisant la distribution de Choi-Williams (équation (5)) pour les sorties CNTCS et jauges de contrainte placées au quart de portée. Le signal de la jauge de contrainte montre une fréquence unique autour de 27 Hz. Le tracé temps-fréquence de la jauge de contrainte ne présente pas de fréquences plus élevées, en raison d’un niveau de bruit plus important dans les mesures. Le signal émis par le CNTCS montre la même 9 fréquence fondamentale autour de 27 Hz, avec un temps de décroissance beaucoup plus court.

Figure 9: Formes de mode identifiées à l’aide de signaux enregistrés par des accéléromètres et des tracés polaires associés. Les composants modaux verticaux et latéraux sont représentés respectivement en modes vertical et latéral.

Les modes identifiés sont cinq modes verticaux, notés V1, V2A, V2B, V3 et V4, cinq modes latéraux, notés L1 à L5, et deux modes latéraux supplémentaires, notés LS1 et LS2. La signification des modes V2A et V2B sera clarifiée ci-dessous. Les formes de mode identifiées sont reportées sur la figure 9.

Figure 10: Identification des fréquences naturelles avec CNTCS.

Figure 10: Identification des fréquences propres avec CNTCS: première valeur singulière normalisée des données d’accélération latérale (a); première ligne de valeur singulière normalisée des données d’accélération verticale (b); pics de la PSD normalisée de la sortie de CNTCS (c) (la zone grise désigne la région filtrée).

CONCLUSIONS

Dans cet article, l’utilisation de capteurs composites à base de ciment avec des nanotubes de carbone a été proposée pour la surveillance des vibrations des structures RC. Des transducteurs prismatiques en pâte de ciment multifonctionnelle à détection de déformation dopée avec des nanotubes de carbone ont été préparés avec un processus de fabrication optimisé pour améliorer la dispersion des MWCNT.

Les expériences de vibration couvraient une gamme de fréquences dans une mesure jamais étudiée dans les travaux précédents. Les résultats des expériences ont été comparés à des accéléromètres et jauges de contrainte matures et disponibles dans le commerce. Les résultats globaux ont montré que les nouveaux capteurs nanocomposites à base de ciment sont prometteurs pour l’identification des fréquences naturelles en sortie uniquement. Les conclusions spécifiques de ce travail sont les suivantes.

• Le CNTCS produit de très petits niveaux d’intensités de courant et nécessite donc l’utilisation de multimètres de haute précision pour les mesures. Le processus de fabrication sur mesure du CNTCS a abouti à une sensibilité accrue associée à une résistance électrique élevée sans contrainte. De plus, un blindage amélioré du circuit électrique reliant le capteur, les modules d’acquisition de données et de puissance à l’aide d’un câble coaxial a presque éliminé le bruit électromagnétique et a permis l’identification modale sur une plage de fréquences allant jusqu’à 500 Hz.
• Les CNTCS présentent un comportement d’entrée-sortie non linéaire, avec une hystérésis plus importante pendant la compression que pendant la décompression.
• La polarisation électrique du CNTCS entraîne des distorsions de signal à des fréquences basses449 qui peuvent être éliminées en utilisant un filtrage passe-haut (dans cet article, au-dessus de 10 Hz). Cela peut limiter les applications de la solution de détection aux signaux dont l’énergie est concentrée à des fréquences relativement élevées. Ici, il a été possible d’identifier une fréquence fondamentale située autour de 27 Hz.
• Les résultats des tests expérimentaux ont démontré que la sortie des capteurs à base de ciment contient les composantes spectrales de tous les modes de vibration verticaux identifiés par les capteurs du commerce. Des différences non significatives ont été observées entre les résultats du CNTCS et des accéléromètres.
• Le comportement non linéaire des capteurs nanocomposites se traduit par des effets de distorsion harmonique qui ont produit une fréquence super-harmonique parasite égale au double du fondamental. Cet effet pourrait être filtré via un traitement post-signal.

Source: Université d’État de l’Iowa
Auteurs: Filippo Ubertini | Annibale L. Materazzi | Antonella D’Alessandro | Simon Laflamme

Télécharger le projet