Wireless Nano Sensors for Embedded Durability Monitoring in Concrete

Making the construction industry more sustainable requires the extension of the life of structures, achievable through the anticipation of structural deficiencies. Structural deficiencies often originate at the core of concrete structures from micro scale defects, whose detection is the key to predict structural ageing. The in-situ, real-time detection of such defects remains a major scientific and technological challenge and no cost effective technique is currently available. In this thesis, we present the design, fabrication and validation of the first wireless nano sensor node for embedded monitoring of concrete structures.The device is composed of 3 main parts: a sensing element, a conditioning circuit and an antenna. The first is a highly reproducible, hysteresis-free, flexible sensor fabricated by inkjet printing carbon nanotubes (CNTs) on polymer. We achieved the batch production of more than 140 sensors and also demonstrated low dispersion in device resistance as well as in its sensitivity to strain and temperature. The sensor also responds to humidity and pH, indicating that this fabrication process is adapted to the creation of a multifunctional nano sensor.The low-cost, low-power conditioning circuit adapts the sensors’ output to the input requirements of a regular analog-to-digital converter (ADC), compensating for temperature sensitivity. The antenna is specifically designed to maximise transmission through concrete for the wireless communication of the measurements. Power is supplied by a battery enabling the operation of the node for over 5 years. The circuitry is housed in a protective casing to insulate it from the harsh concrete environment. The volume of the assembled device is more than 3 times smaller than state of the art embedded nodes for concrete.The devices are tested both in laboratory conditions and in real-size concrete structures. The outputs of the sensors embedded in a mortar slab under 3-point bending tests suggest that the devices are capable of detecting the opening of micro cracks caused by increasing load. Moreover, continuous outdoor deployment since December 2014 demonstrates that this setup may be capable of detecting thermal-induced micrometric deformations and suggests that our technology provides a higher durability for embedded monitoring than commercial metallic strain gauge. In conclusion, the scientific and technological results of this research show the strong applicative potential of wireless nano sensors for embedded monitoring of concrete materials.
Mettre en œuvre le développement durable en construction nécessite de prolonger la durée de vie des structures grâce à la détection précoce des fragilités structurales. Celles-ci trouvent très souvent leur origine au cœur même des structures, au niveau de défauts micrométriques. Détecter ces défauts in situ et en temps réel représente un défi scientifique et technologique majeur et aucune solution bas coût n’est actuellement disponible. Cette thèse présente le premier nanocapteur intelligent sans fil pour le suivi noyé des structures en béton. Le système est composé de trois parties : un élément sensible, un circuit de conditionnement du signal, et une antenne. Le premier est un capteur de déformation fabriqué par impression jet d’encre de nanotubes de carbone sur polymère. Ces capteurs sont fabriquées en série, jusqu’à 140 à la fois. Ils ne présentent pas d’hystérésis, résistent aux cyclages mécaniques, et sont très reproductibles en termes de résistance et de sensibilité (en température et en déformation) au sein d’une même série. Les capteurs sont sensibles également au pH et à l’humidité, ce qui suggère que cette technologie pourrait être adaptée à la création de nano capteurs multifonctionnels. Le circuit de conditionnement est à bas coût et faible consommation énergétique. Il met en forme le signal du capteur tout en compensant sa sensibilité à la température. L’antenne a été conçue pour maximiser sa portée à cœur du béton, permettant ainsi la communication sans fil des mesures du capteur vers l’utilisateur. Le système, protégé par un boitier spécialement conçu, est alimenté par une batterie pour une durée de vie estimée à plus de 5 ans. Le volume total du système final est plus de 3 fois inférieur à l’état de l’art des capteurs noyés.De nombreuses expériences en laboratoire ainsi que dans une structure en béton de taille réelle suggèrent que le dispositif est capable d’observer à la fois l’ouverture de micro fractures dues à des charges appliquées et les déformations micrométriques dues à des dilatations thermiques. De plus, nos capteurs à base de nanotubes ont montré une durabilité plus importante au cœur du béton que des capteurs de déformation métalliques commerciaux. En conclusion, les résultats scientifiques et technologiques de ces travaux montrent le fort potentiel applicatif des nano capteurs sans fil pour l’instrumentation noyée des matériaux cimentaires.