LCPC - Moyens remarquables - Imageur par résonance magnétique (IRM)

Imageur par résonance magnétique (IRM)

L’Imageur par Résonance Magnétique est le dernier en date des grands équipements du LCPC. Similaire aux IRM médicaux, il est l’un des rares appareils au monde entièrement dédiés à des recherches sur les matériaux (principalement dans le domaine du génie civil). Il permet de visualiser dans l’espace, de manière non destructive et non intrusive, une grande variété d’informations physiques (teneur en eau, vitesse de déplacement, temps de relaxation du signal RMN, diffusion moléculaire, transitions de phases,...) sur des systèmes très divers (suspensions argileuses, boues, milieux granulaires, ciments frais, ciments "pris", ?) fixes ou en mouvement (dans le cadre, par exemple d’études rhéologiques). Ses dimensions lui permettent de recevoir des dispositifs complets imager et donc étudier le comportement interne d’échantillons en cours de sollicitation.

L’imageur est installé à l’Institut francilien d’Ingénierie (IFI, Marne-la-Vallée)

L’aimant de l’imageur :
vue de dessous

Mise en place de la cuve
du rhéomètre dans l’imageur
(géométrie Couette)
Unité responsable de l’exploitation :
Laboratoire des matériaux et des structures du génie civil (UMR 113, LCPC-ENPC-CNRS)

Unités de recherche associées :
Divisions BCC et DDGC du LCPC

Secteur d’activité :
L’IRM travaille déjà sur tout un ensemble de matériaux pouvant à terme concerner les secteurs d’activité suivants du LCPC :
 - Ouvrages d’art (bétons, ciments)
 - Géotechnique (pâtes argileuses)
 - Chaussées (bitumes, matériaux granulaires)
 - Environnement et génie urbain (boues)

Contact :
 - Laboratoire des Matériaux et Structures du Génie civil (LMSGC)

Un exemple d’application marquant :
Rhéométrie assistée par IRM

 La rhéométrie, c’est-à-dire la détermination expérimentale du comportement des matériaux, est essentielle dans de nombreux domaines de la recherche et de l’industrie. La viscosité des fluides complexes, qui varie avec les conditions d’écoulement, est utilisée pour prédire les caractéristiques des écoulements lors de la fabrication ou la mise en ?uvre des matériaux, ou comme un paramètre reflétant les interactions physico-chimiques lors de la formulation des produits. Pour mesurer cette viscosité apparente on utilise la plupart du temps des rhéomètres fournissant des informations aux frontières du matériau, tel que l’effort appliqué ou la vitesse moyenne de l’écoulement induit.

 En collaboration avec l’axe Rhéophysique des pâtes et des suspensions du LMSGC, l’axe IRM a développé un ensemble de techniques permettant une détermination « locale » du comportement des fluides complexes. Pour cela on couple IRM et rhéométrie : on détermine le champ de vitesse en tout point du fluide contenu dans un rhéomètre inséré dans l’IRM, pour le mettre en correspondance avec le champ de contrainte, ce qui fournit la loi de comportement locale du matériau. Le principe de base de cette technique avait déjà été utilisé, notamment en Nouvelle-Zélande et en Allemagne, mais après amélioration et systématisation des méthodes de mesure par RMN (résolution, temps de mesure) et d’analyse des profils de vitesse en termes rhéologiques, nous pouvons désormais étudier des matériaux pâteux (bétons, gels, émulsions, argiles, boues, etc).

 Cette technique, couplée éventuellement à des mesures de densité dans l’espace, a l’avantage de fournir des informations certaines concernant divers phénomènes intervenant dans le comportement de ces matériaux (seuil, thixotropie, glissement aux parois, ségrégation, etc.). Ainsi nous avons d’ores et déjà pu montrer que la plupart des matériaux pâteux sont fondamentalement instables : en-dessous d’une contrainte critique ils s’arrêtent brutalement ; au-delà de cette contrainte ils s’écoulent rapidement. Nous avons également pu étudier les phénomènes transitoires observées au sein des pâtes lors de leur démarrage.

 Ces recherches ont notamment été considérées comme l’un des deux faits marquants du Département Sciences pour l’Ingénieur en 2002.

• S. Rodts, Bertrand F., Jarny S. , Poullain P., Moucheront P., 2004. Développements récents dans l’application de l’IRM à la rhéologie et à la mécanique des fluides, C.R. Chimie, 7, 275 ?282.
• Jarny, S., N. Roussel, S. Rodts, R. Le Roy, P. Coussot, 2005. Rheological behavior of cement pastes from MRI velocimetry, à paraître dans Concrete Cement Research.
• N. Huang, G. Ovarlez, F. Bertrand, S. Rodts, P. Coussot, D. Bonn, 2005. Flow of wet granular materials, Physical Review Letters, 94, 028301.
• Rodts, S., J.C. Baudez, and P. Coussot, 2005. From discrete to continuum flow in foams, Europhysics Letters, 69, 636-642.
• Baudez, J.C., and P. Coussot, 2004. Abrupt transition from viscoelastic solid-like to liquid-like behavior in jammed materials, Physical Review Letters, 93, 128302.
• Coussot, P., F. Bertrand and B. Herzhaft, 2004. Rheological behavior of drilling muds ? Characterization using MRI visualization. Oil & Gas Science and Technology ? Rev. IFP, 59, 23-29.
• Bertola, V., Bertrand, F., Tabuteau, H., Bonn, D., and Coussot, P. 2003. Wall slip and yielding in pasty materials. Journal of Rheology, 47-61, 1211.
• Coussot, P., Raynaud, J.S., Bertrand, F., Moucheront, P., Guilbaud, J.P., Huynh, H.T., Jarny, S., and Lesueur, D. 2002. Coexistence of liquid and solid phases in flowing soft-glassy materials. Physical Review Letters, 88, 218301.
• Raynaud, J.S., P. Moucheront, J.C. Baudez, F. Bertrand, J.P. Guilbaud, P. Coussot, 2002. Direct determination by NMR of the thixotropic and yielding behavior of suspensions, Journal of Rheology, 46, 709-732

La technique IRM d’imagerie zébrée permet de voir qualitativement comment des lignes transversales (fictives) sont déformées dans l’écoulement. Sur cette image on peut ainsi voir les déformations tangentielles dans un plan de coupe horizontal dans un fluide confiné entre deux cylindres coaxiaux. Le cisaillement est clairement localisé dans une région proche du cylindre intérieur, alors que le fluide n’est pas déformé près du cylindre extérieur. Des informations quantitatives peuvent être obtenues avec d’autres techniques.

Etude des matériaux cimentaires par IRM

 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) en renseignant sur la teneur en eau libre et sa localisation via des mesures par IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) mais également en informant sur « l’environnement » de l’eau et donc sur la structure/nature de l’échantillon via les mesures de relaxométrie en SRM (Spectroscopie par Résonance Magnétique), permet une approche originale de l’étude des phénomènes d’hydratation et de la structuration des matériaux cimentaires. Elle permet une étude des échantillons avant et après la prise. De plus, l’IRM est une technique non perturbatrice, et se prête parfaitement à la mise en place de suivi longitudinal d’échantillons.

 La RMN permet donc de suivre un même échantillon au cours du temps et d’avoir une information sur la microstructure (une gamme de pores) et sa mise en place (figures 1 et 2) et la répartition de l’eau (figures 3 et 4), à travers le signal des protons de l’eau libre.L’étude des matériaux cimentaires par la SRM d’une part, et l’IRM d’autre part, ont déjà été réalisées ailleurs, mais l’originalité de notre approche présente est de combiner ces deux approches complémentaires et de travailler sur des échantillons de dimensions plus significatives. Pour validation, les résultats RMN sont actuellement confrontés aux méthodes habituellement utilisées : Perte au feu, etc ?

 Ces travaux ont notamment porté au travers différentes collaborations, sur l’étude de la formulation avec l’influence d’adjuvant (SRM ? collaboration ERT45-EVRY), de la stabilité d’une formulation de BAN (IRM principalement ? projet RGCU), ainsi que sur l’étude de l’influence du séchage sur l’hydratation (IRM et SRM ? collaboration S Caré ? Axe poreux du LMSGC), pour ne citer que les plus importantes.

Références :

• Paméla Faure*, Sabine Caré, Chrystelle Po and Stéphane Rodts. An MRI-SPI and NMR relaxation study of drying ?hydration coupling effect on microstructure of cement-based materials at early age. Magnetic Resonance Imaging, Volume 23, Issue 2, February 2005, Pages 311-314.
• Sabine Caré*, Paméla Faure. Caractérisation de la microstructure des matériaux à matrice cimentaire : méthodes « classiques » et IRM. Acte colloque Microstructure et propriété des Matériaux, mars 2005.
• Paméla Faure*, Sabine Caré. Suivi par IRM et par T1 de l’effet du couplage hydratation-séchage sur la microstructure de pâte de ciment. CRASS, en cours de révision.

Mesure SRM du temps de relaxation T 1 par Inversion Récupération (IR).
Les temps de relaxation sont influencés par l’environnement des protons. Au cours de la prise, la structuration progressive du matériau affecte l’environnement de l’eau et amène une évolution des temps de relaxation (T 1 comme T 2). Ainsi, on peut voir sur le graphique représentant l’évolution des composantes en T 1 au cours du temps :

• la présence de deux composantes dès le début de l’expérience : l’une est attribuée à l’eau libre, l’autre à une eau qui serait entravée/encapsulée (plusieurs hypothèses : flocs, pores CSH, mais plus probablement pores ettringitiques)

l’évolution de ces composantes, vers des petites valeurs. Cette évolution, associée à différentes phases de l’hydratation, permet de suivre l’avancement de la réaction d’hydratation.
Mesure SRM du temps de relaxation T 1 par Inversion Récupération (IR).
 Avant la prise : Les composantes en T 1 sont sensible à la nature du ciment, à la formulation, et l’observation de telle ou telle composante permet de suivre l’un ou l’autre des aspects (c.f. graphique).
Après la prise : Il y a également une répartition des composantes en T 1 influencée par l’avancement de l’hydratation, et les conditions de conservation de l’échantillon. D’après la bibliographie (Korb et al) les mesures de T1 après la prise donne accès à une gamme de pores allant de quelques Angströms à quelques centaines d’Angströms.

Image IRM réalisée avec la séquence Single Point Imaging 3D (SPI)

 
  Bloc de béton à partir de ciment blanc, après séchage (à 40°C), puis après 10 jours d’imbibition. Les zones claires correspondent à la présence d’eau, les « taches » noires aux granulats.

Profil IRM réalisée avec la séquence Single Point Imaging 1D (SPI)

 Cette expérience donne accès à une évaluation de la répartition de la quantité d’eau libre. Cela permet ainsi de suivre la cinétique des réactions d’hydratation pour un échantillon en cure étanche, et l’influence du séchage, par exemple, sur l’évolution de la quantité d’eau libre dans le cas de séchage en ambiance contrôlée. Caractéristiques techniques :
Type
Spectromètre RMN Brüker, système Avance 24/80 DBX

Champ magnétique
ajustable entre 0.5 et 2.4 Teslas, réglé actuellement à 0.5 T (20MHz en proton)

Tunnel
vertical, diamètre 40 cm

Radio Fréquence
Deux sondes proton : 20MHz et 100MHz, de type cage d’oiseau, (20cm de diamètre, hauteur, 30cm)
Temps de pulse pi/2 a 20MHz à pleine puissance : 100us

Détection
Fréquence d’échantillonnage max. : 1MHz

Gradients
Valeur max. : 5G/cm dans les trois directions
Zone de linéarité : sphère de diamètre 10cm
temps de montée : 200us / stabilisation : 300us

Année de mise en service : 1999

Pour en savoir plus :
 - A propos des potentialités de l’IRM en rhéologie : Callaghan, " Rheo-NMR : nuclear magnetic resonance and the rheology of complex fluids ", Rep. Prog. Phys., 62 (1999) 599-670
 - Contacter l’équipe  : LMSGC.resp@lcpc.fr