Design and characterization of a self-sensing cement-based composite
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
It is well known that electrically conductive concrete has a great potential for sensing applications. However, to utilize the full spectrum of sensing applications of electrically conductive concrete composites, most of time, a conductive addition is necessary. Most previous researches using conductive fibers, e.g. in carbon and steel, as the primary conductive material demonstrated a significant improvement in the conductivity of concrete, which also improved the self-sensing ability. Although a study on self-sensing of amorphous metallic fiber-reinforced concrete was carried out at the beginning of this research, the main focus of the work presented was to study the self-sensing properties of plain concrete. This was done by monitoring its electrical resistance by means of a Wheatstone bridge circuit. The advantage of using this type of circuit to measure resistance lies in its great ability to track and detect changes in electrical resistance, even if they are very small. In this thesis, the variation of voltage drop (ΔV) at Wheatstone bridge circuit was monitored under monotonic and cyclic loading. The effects of the voltage input values, stress rate and the alternating current frequency on sensing behaviour at different levels of loading are reported. The variation of voltage drop rate was found to increase with stress rate in non-linear way. It is also found that the voltage input and the frequency affect the sensitivity of the system but the stress rate effect seems to be insignificant. The sensing characteristics of two electrode positions, i.e. attached at the concrete surface or embedded inside the concrete are also investigated. The thesis also examines the efficiency of the Wheatstone bridge to monitor the damage of plain concrete. Three bending tests were performed on notched beams for this study. The results showed that the electrical conductivity was sensitive to cracks. The relationship between ΔV and crack opening was established. The ΔV increased and decreased with crack opening and closing for all cyclic tests. In addition, the effect of electrode positions with respect to the localization of the damage on the sensitivity of the technique was also evaluated. The performance of the Wheatstone bridge circuit to monitor temperature and degree of saturation through electrical resistivity of plain concrete is also reported in the last part of this thesis. The electrical resistivity variation was investigated for four levels of temperature at different degrees of saturation and results showed that the designed tool is efficient to monitor the variation of these conditions.
Abstract FR:
La possibilité d'utiliser les propriétés électriques du béton pour en faire un capteur intelligent capable de détecter de façon autonome des modifications de propriétés mécaniques ou physiques est un sujet très actuel. Cependant jusqu'à ce jour la tendance est d'introduire dans la matrice cimentaire des additions qui vont augmenter la conductivité du béton. La plupart des recherches décrites dans la littérature utilisent des fibres conductrices, à base par exemple de carbone et d'acier, et elles ont démontré une amélioration significative de la conductivité du béton, qui a également amélioré la capacité d'auto-détection. Bien qu'une étude sur l'auto-détection du béton renforcé de fibres métalliques amorphes ait été réalisée au début de cette recherche, l'objectif principal de ce travail est d'étudier les propriétés d'auto-détection du béton sans addition. Cela a été effectué en suivant les modifications de sa résistance électrique en utilisant un pont de Wheatstone. L'avantage d'utiliser ce type de circuit pour mesurer la résistance est lié à sa capacité à détecter et à suivre des changements de résistance électrique du béton, même s'ils sont très faibles. Dans cette thèse, la variation de la chute de tension au pont de Wheatstone a été suivie sous une sollicitation monotone et cyclique. L'influence de la tension électrique, de la fréquence du courant d'alimentation du pont de Wheatstone, du taux et de la vitesse de chargement sur la sensibilité du capteur à différents niveaux de contrainte a été analysée. Il a été constaté que la variation du taux de chute de tension change significativement en fonction de la contrainte appliquée. Il a également été observé que la tension et la fréquence du courant d'alimentation affecte la sensibilité du système, mais que l'effet de la vitesse de chargement ou le taux de contrainte ne semble pas significatif. La comparaison de la sensibilité du capteur en utilisant deux configuration d'électrodes, soit fixées la surface du béton soit noyées dans le béton est également réalisée. La thèse teste également l'efficacité du pont de Wheatstone pour surveiller l'endommagement du béton sans addition. Des essais de traction par flexion sur des poutres entaillées avec contrôle de la propagation de la fissure ont été réalisés. Les résultats ont montré que la réponse du capteur est sensible à la propagation de la dite fissure et surtout à son ouverture. En outre les résultats obtenus sur trois éprouvettes ont démontré la reproductibilité de la réponse du capteur. L'effet de la position des électrodes par rapport à la localisation de l'endommagement sur la sensibilité du capteur a également été évalué. Les résultats ont été confrontés à des mesures de hauteur de fissure obtenues par vidéo-corrélation. La sensibilité du dispositif vis-à-vis de la température et du degré de saturation est décrite dans la dernière partie de cette thèse. Les résultats ont révélé que le capteur est également sensible à ces deux paramètres.