Microtomographie

Contact : Patrick Aimedieu

Le laboratoire Navier possède un microtomographe à rayons X (Ultratom, de marque RX Solutions), qui comporte deux générateurs permutables (Hamamatsu: 230 kV et 160kV), ainsi que deux imageurs échangeables (Varian et Photonic Science).

L’ensemble du projet (tomographe et dispositifs de sollicitation) a été financé par l’École des Ponts ParisTech, la région Ile-de-France (au travers du programme SESAME 2007), l’Institut Carnot VITRES, le CNRS (par l’intermédiaire de la Fédération Francilienne de Mécanique, Matériaux Structures et Procédés) et l’Ecole Polytechnique, au travers des laboratoires LMS et PMC et sur crédits de la chaire Science des Matériaux pour la Construction Durable soutenue par la société Lafarge. Les dispositifs de sollicitation sont financés par les laboratoires partenaires (Navier, LMS et CdM) sur ressources propres ou projets spécifiques (Carnot, ANR, GnR Matinex…).

Il est la plupart du temps utilisé pour faire des images d’échantillons de forme cylindrique ou parallélépipédiques, ex situ ou in situ lorsque des expériences sont directement réalisées sur l’appareil. Hors essais in situ, ceux-ci peuvent être imagés seuls ou en série verticale, grâce à des scripts adaptés.

Les informations obtenues concernent la microstructure (pores, parois, homogénéité/hétérogénéité), la déformation, la fissuration, l’endommagement… Elles peuvent être qualitatives et quantitatives (principalement spatiales).

L’estimation qualitative et comparative de la densité du matériau à partir des niveaux de gris est souvent possible. Dans certains cas, ceux-ci permettent même d’apporter des informations quantitatives, par exemple sur la densité ou l’humidité.

Les tailles de voxels vont typiquement de 0,8 microns à plusieurs dizaines de microns. L’ordre de grandeur du diamètre des échantillons va du millimètre au décimètre, et leur hauteur du millimètre à une trentaine de cm.

Il est principalement utilisé au laboratoire Navier pour étudier les matériaux utilisés en génie civil sur les thématiques du laboratoire, mais est également très bien adapté aux matériaux composites à fibres, aux céramiques et aux matériaux polymères, à condition que la texture des images soit suffisamment riche (e.g. les matériaux imprimés en 3D). Il peut enfin dans certains cas être utilisés avec les métaux, par exemple pour l’étude de macro-fissures ou lors de l’étude de pores générés par des essais de traction.

Les essais in situ vont de la réalisation d’essais de traction ou compression sur éprouvettes, à l’observation de l’imbibition de matériaux, ou de tests rhéologiques… La palette est donc large et adaptable en fonction des besoins des expérimentateurs, jusqu’à une masse pour l’ensemble dispositif expérimental-éprouvette de 100kg.

Les techniques de corrélation d’images volumiques permettent enfin d’étudier l’évolution tridimensionnelle de déplacements, de déformation et de fissurations tridimensionnelles…

Cette thèse a permis entre autre l’obtention, en se basant sur les mêmes images, de la mesure des déformations et de la teneur en eau à partir des niveaux de gris, d’échantillons soumis à une imbibition progressive.

dispositif expérimental in situ d’imbibition de l’échantillon.

coupe axiale.

champ de déformation superposé sur l’image d’une projection.

exemple de coupe ou est montrée la teneur en haut locale en cours d’essai (coupe verticale et orthoradiale).

Cette thèse a consisté à étudier les propriétés hydromécaniques de mélanges de poudre/pellets de bentonite. Des campagnes d’essais in situ de longue durée (à l’échelle de l’année) d’hydratation ont été réalisées avec le microtomographe. Elles ont permis d’étudier l’évolution du gonflement de ce matériau au cours du temps.

dispositif expérimental en place sur le microtomographe.

plan de la cellule en PMMA utilisée.

exemple d’évolution de la microstructure au cours du temps, montrant le gonflement puis la disparition progressive des pellets.