Influence de la contrainte due à la déformation sismique sur la loi d’évolution des microfissures dans des essais TPB sur béton utilisant la technologie AE

Pourquoi les microfissures dans le béton pendant les séismes comptent

Lorsqu’un séisme secoue une ville, la sécurité des ponts, des tunnels et des bâtiments dépend de la manière dont le béton qui les compose se fissure. Cette étude examine de près les microfissures qui se forment et croissent dans le béton lorsqu’il est fléchi à des vitesses proches de celles ressenties lors d’un séisme. En « écoutant » le son des fissures qui se créent, les chercheurs montrent que des sollicitations plus rapides peuvent donner l’impression que le béton est plus résistant tout en rendant sa rupture plus brutale et fragile, avec des conséquences importantes pour la sécurité des structures.

Comment l’équipe a testé un chargement de type sismique

Les chercheurs ont fabriqué des poutres en béton munies d’une entaille initiale et les ont pliées en configuration de flexion trois points, chaque poutre reposant sur deux appuis pendant qu’une charge s’appliquait au milieu. Ils ont contrôlé précisément la vitesse d’application de la charge, depuis des conditions très lentes, presque statiques, jusqu’à des vitesses proches de celles induites par un séisme. Parallèlement, ils ont utilisé des capteurs d’émission acoustique, qui fonctionnent comme de petits microphones, pour capter les ondes élastiques libérées chaque fois qu’une microfissure se formait ou croissait à l’intérieur du béton. Cela leur a permis d’enregistrer à la fois le comportement visible de la poutre et l’activité fissurale invisible qui se produisait en profondeur.

Le béton devient plus résistant mais plus fragile quand la vitesse de chargement augmente

Les essais de flexion ont montré que le comportement du béton diffère selon la vitesse de chargement. Lorsque le taux de déformation augmentait, passant de quasi statique au niveau sismique, la charge maximale supportée par les poutres augmentait d’environ un tiers, et l’énergie requise pour propager une fissure à travers la poutre augmentait sensiblement de la même manière. Ce renforcement apparent s’explique par le fait que l’eau contenue dans les pores et les micro-espaces du matériau ne peut pas s’échapper rapidement aux taux de chargement élevés, générant une résistance supplémentaire qui ralentit la croissance des fissures. Toutefois, si les poutres supportaient des charges plus élevées, leur rupture devenait plus brutale, avec moins d’avertissement visible et une chute plus prononcée de la charge dès que la fissure principale se développait.

De chemins sinueux à des ruptures franches

En examinant les surfaces rompues, les chercheurs ont constaté que les trajectoires des fissures évoluaient avec la vitesse de chargement. Sous chargement lent, les fissures contournaient les gros agrégats, suivant les zones de liaison plus faibles entre les granulats et le mortier. Les surfaces de rupture étaient rugueuses et de nombreux granulats grossiers restaient intacts, signe d’une rupture plus progressive et ductile. Sous chargement rapide, les fissures principales étaient plus droites et traversaient directement plusieurs agrégats. Ce mode de rupture franc, en perçage, indique que le matériau n’a pas eu le temps de chercher un chemin plus facile et a rompu les éléments plus résistants du squelette interne, concentrant les dommages dans une zone étroite.

Écouter les fissures pour cartographier les dommages cachés

Les mesures d’émission acoustique ont fourni une image détaillée du développement des microfissures. Avec l’augmentation de la vitesse de chargement, le nombre d’événements enregistrés et l’énergie acoustique cumulée ont augmenté, montrant qu’un endommagement interne plus intense avait lieu. À faibles vitesses, ces événements étaient dispersés le long de la poutre, correspondant à une large zone endommagée et à une fissure principale tortueuse. À des vitesses plus élevées, les signaux se sont regroupés près de l’entaille initiale, révélant que de nombreuses microfissures fusionnaient en une ligne de rupture unique et focalisée. L’analyse des formes d’onde enregistrées a aussi montré que le type de fissure dominant évoluait, passant de fissures d’ouverture, qui séparent les faces, à des fissures de glissement, qui les font coulisser l’une sur l’autre, lorsque la vitesse de chargement augmentait.

Ce que cela implique pour la conception parasismique

L’étude conclut que, sous sollicitation de type sismique, le béton peut supporter des contraintes plus élevées mais a tendance à rompre de manière plus soudaine, avec des fissures plus droites et dominées par le cisaillement, offrant peu d’avertissement préalable. Ce compromis entre résistance et ductilité signifie que les règles de conception basées uniquement sur des essais lents et statiques peuvent sous-estimer le risque de rupture fragile lors de séismes réels. Les résultats suggèrent que les ingénieurs devraient prendre en compte la manière dont les schémas de fissuration et les dommages internes évoluent avec la vitesse de chargement, renforcer les zones des structures susceptibles de subir des fissures de cisaillement et utiliser des systèmes de surveillance capables de détecter des changements de comportement fissural avant qu’ils n’entraînent un effondrement brutal.

Citation: Xiao, D., Wen, L., Cao, Y. et al. Influence of seismic strain stress on evolution law of microcracks in concrete TPB tests using AE technology. Sci Rep 16, 15483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49968-0

Mots-clés: rupture du béton, chargement sismique, vitesse de déformation, microfissures, émission acoustique