205 - La construction biosourcée : contexte, matériaux et systèmes

Sachant que l'énergie intrinsèque d'un bâtiment performant énergétiquement pèse lourdement sur l'énergie totale nécessaire dans une construction, il est primordial de s'intéresser au choix des matériaux structuraux. Par son stockage en carbone et le peu d'émissions produits lors de sa transformation, le bois permet de réduire l'empreinte environnementale, lorsque comparé à l'acier et au béton.  Toutefois, par rapport à son homologue en acier, une poutre en bois aura un volume supérieur à sollicitation mécanique égale.  Le design des structures est principalement gouverné par les éléments d'assemblages, là où les contraintes sont supérieures. Afin d'accroître l'utilisation du bois dans les constructions de grandes tailles, les zones de connexion doivent être renforcées. Dans le cadre de ce projet, une stratégie de renfort du bois a été développée pour l'épinette noire, espèce fréquemment retrouvée dans les produits structuraux massifs. L'imprégnation utilisant un procédé vide-pression a été retenue afin d'appliquer un traitement à base d'acrylates sur le bois. Cette présentation traitera de l'apport du traitement sur la résistance d'un assemblage boulonné. Les facteurs de diamètre de boulon, orientation de chargement et ajout de nanoparticules ont été évalués. Les avantages d'un nouveau matériau à base de bois plus performant utilisé dans les connexions permettraient de promouvoir le bois dans les constructions de grandes tailles et de réduire l'impact environnemental des bâtiments.

Le bois à l'extérieur est sujet à des dégradations dues aux conditions climatiques et notamment au rayonnement ultra-violet (UV) du soleil. Le rayonnement UV peut initier des réactions chimiques dans les matériaux. Il en résulte un changement des propriétés chimiques et physiques. La demande du marché pour les finitions claires est en augmentation. Cependant ce sont les plus fragiles au rayonnement du fait de leur transparence.

L'utilisation de finition a pour but d'embellir mais aussi de protéger le bois de la dégradation. Des stabilisateurs d'UV sont ajoutés aux matériaux ou dans une finition appliquée sur la surface pour réduire la dégradation photochimique. Les stabilisateurs d'UV utilisés dans l'industrie sont eux- mêmes sujets à des dégradations dans la finition. Le projet a comme objectif général de développer un système de finition durable et transparente pour la protection contre les UV du fini et du bois et permettre le maintien des propriétés dans le temps.

L'idée est d'encapsuler des absorbeurs d'UV organiques dans des microsphères de polymères. On pourra alors avoir une diffusion de l'absorbeur d'UV à travers les pores des microsphères. L'intérêt pour l'industrie est de proposer un produit durable et de procurer des avantages et rendre compétitive l'utilisation du bois en extérieur en construction.

Le lambris extérieur est sujet à des problèmes de stabilité dimensionnelle en raison de la photodégradation, l'oxydation du bois, le changement de la teneur en humidité et la pourriture. Un revêtement peut lui être appliqué mais celui-ci doit être renouvelé tous les 5 à 10 ans. Pour contrer ces effets négatifs, il est nécessaire de créer un matériau à base de bois pouvant performer sur une longue durée. La modification chimique du bois par imprégnation à l'aide de glycérol, un co-produit de la fabrication de biodiesel, et de l'acide citrique a déjà été étudiée. Ces deux réactifs sont intéressants pour leur biodégradabilité, leur non-toxicité et leur disponibilité. Des résultats encourageants de cette étude ont montré une grande stabilité dimensionnelle du bois traité, et une meilleure dureté. Cependant, ce procédé nécessite des améliorations afin de le projeter à l'échelle industrielle. Dans ce but, une optimisation des conditions de polymérisation du polymère glycérol-acide citrique-bois est à l'étude : remplacement du co-réactif liquide utilisé actuellement par un co-réactif solide (nanoargile). Les avantages recherchés sont une accélération des  réactions d'estérification entre les hydroxyles du bois, du glycérol et les fonctions acide de l'acide citrique. De plus, l'utilisation de ces nanoargiles permet d'ajouter une barrière naturelle à l'eau au niveau du bois imprégné, ce qui permettrait une amélioration supplémentaire de sa stabilité dimensionnelle.

Les nanoparticules (NPs) fascinent autant qu'elles inquiètent. Si de nombreuses recherches ont déjà prouvé les nombreux bénéfices qu'elles apporteraient pour l'industrie de la construction, l'ombre sanitaire plane toujours. Aujourd'hui encore, Il est difficile d'appréhender tous les effets de celles-ci sur l'environnement et l'être humain, ce qui n'a pas empêché la commercialisation de certains produits. Quels sont-ils ? Sont-ils répandus ? Doit-on alors s'attendre à un nouveau scandale de l'amiante ?

À côté de ce discours alarmiste se cache de véritables questions pour l'industrie de la construction de demain. Les nouvelles propriétés apportées par les NPs sont très souvent compatibles avec le développement durable et les dangers associés ne devraient pas diaboliser leur utilisation sans considérer une étude complète sur le cycle de vie. De la construction à la démolition d'un bâtiment, nombreux sont les moments cruciaux où l'impact des NPs est à prendre en compte.

Un état de l'art sur ces questions primordiales et des pistes de réflexion seront donnés durant cet exposé à l'aide d'un exemple précis : le dioxyde de vanadium, mon sujet de doctorat.

La présence d'impuretés à la surface des fibres naturelles et leur nature hydrophile sont respectivement responsables de la mauvaise mouillabilité et l'absence de compatibilité chimique avec des matrices polymères hydrophobes. Ceci conduit à la production de matériaux composites aux propriétés mécaniques limitées. Dans les dernières années, plusieurs études ont été menées afin de résoudre ces difficultés. Par exemple, l'utilisation du mixage intensif, des traitements thermiques (plasma) ou chimiques (l'acétylation), l'utilisation des polyoléfines fonctionnalisés et les agents de couplage. Mais la plupart de ces méthodes présentent des limitations qui ne maximisent pas le plein potentiel de ces matériaux en termes de propriétés mécaniques. Par exemple, la réduction du ratio d'aspect (L/D) des fibres lors du mixage intensif, la dégradation thermique (thermo-oxydation) lors des traitements thermiques et la mauvaise dispersion lors de l'utilisation des agents de couplage limitent les améliorations possibles. Ce travail propose une approche alternative qui consiste à modifier les fibres (chanvre) par un prétraitement alcalin suivit d'un traitement de surface avec un agent de couplage (MAPE) dans un solvant (1,2,4-trichlorobenzene), avant leur introduction dans du polyéthylène pour fabriquer des matériaux composites (30% de chanvre) par des procédés de mise en œuvre à l'état fondu. Les résultats obtenus montrent une augmentation importante de la contrainte maximale des composites renforcés.

Avec un chiffre d'affaires croissant et dépassant les 81,6 milliards d'euros en 2012, la pérennité de l'industrie des matériaux composites ne semble pas pouvoir être mise en cause. Pourtant, une nouvelle problématique émerge sous la forme de la question environnementale. En effet, de nombreux composites ont un impact environnemental fort, que cela soit lié à leur production ou à leur caractère non biodégradable.

De nombreuses recherches ont été réalisées sur l'utilisation de fibres de cellulose en raison de leur faible coût, de leur disponibilité et de leur biodégradabilité. Bien que les résultats soient des plus encourageants, plusieurs limites ont tendu à apparaître. En effet, les matrices thermoplastiques ont un caractère hydrophobe. A l'inverse, la cellulose a un caractère hydrophile. Leur interaction est donc limitée.

Notre approche consiste à rendre hydrophobe les filaments de cellulose via un traitement chimique par des chlorures d'acide gras. Le but final est l'obtention de composites présentant les meilleures propriétés physiques possibles.

La cellulose modifiée a été caractérisée à l'aide de l'IR et d'analyse XPS. Les propriétés physiques et mécaniques des composites ensuite obtenus ont également été étudiées.

Développement d'une mousse biosourcée contenant jusqu'à 40 % (p/p) de lignine, un tensio-actif et un durcisseur : Il s'agit d'une mousse d'isolation thermique et acoustique, fabriquée dans le laboratoire de la Chaire de recherche industrielle en environnement et biotechnologie (CRIEB), du Centre de recherche sur les matériaux lignocellulosiques (CRML) de l'Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR). La microstructure des mousses obtenues a été déterminée par microscopie électronique à balayage (MEB), la densité et la porosité par pycnométrie et les propriétés acoustiques et thermiques ont été aussi évaluées. Les analyses microscopiques montrent que la mousse a une porosité moyenne de 90%, le diamètre moyen des cellules est de 100 μm avec des interconnexions comprises entre 5 et 7 μm. La conductivité thermique varie entre 0.016 et 0.030 W/m.K.

Les composites à fibres naturelles (CFN) par leurs caractéristiques et leur impact écologique assez intéressants suscitent de plus en plus un grand intérêt pour la réalisation des applications à usage courant. Plusieurs études ont montré qu'ils présentent des propriétés mécaniques intéressantes. Du fait de leur faible densité, ces fibres naturelles rentrent en compétitivité avec fibres synthétiques pour des applications en ingénierie de structure. Malgré ce fort enthousiaste pour l'utilisation des CFN pour des applications de structure, peu de recherches sont consacrées à l'étude de leur durabilité. Les études sur la durabilité sur un matériau se traduisent par l'évaluation de son comportement en fatigue et l'évaluation des effets de certains facteurs environnementaux.

Le but de notre travail est d'étudier donc l'influence de la fatigue et du vieillissement hygrothermal d'un CFN fait à base de fibres de lin à matrice époxy en utilisant différents techniques de mesure comme l'émission acoustique et la thermographie infrarouge. Les résultats montrent une bonne endurance en fatigue du lin/époxy et une influence du vieillissement sur les propriétés en fatigue du matériau. Les analyses des tests par émission acoustique ont montré que cette perte des propriétés est liée à l'affaiblissement au niveau de l'interface fibre/matrice causée par la diffusion de l'eau dans le matériau.

Les assemblages sont une partie critique des structures en bois, ce sont  ceux-ci qui permettent d'obtenir un mode de rupture ductile. Ce mode est préférable, puisqu'il donne lieu à une grande déformation avant effondrement. Les assemblages à petits diamètres sont fréquemment utilisés dans les constructions en bois et on suppose qu'ils amènent une rupture ductile. L'objectif de ce projet est d'évaluer une nouvelle méthode de calcul proposée par M. Pouyan Zarnani. Cette méthode propose une utilisation plus permissive des assemblages dans les calculs des charpentes en bois et permet au concepteur de déterminer avec précision le mode de rupture. Plus de 70 essais en traction résistants à des charges variant de 40kN à 800kN ont été effectués dans les laboratoires de l'Université Laval. Tous les modes de rupture ont été observés, mais l'emphase a été portée sur le mode fragile puisque c'est celui-ci qui est le plus variable et le moins souhaitable. Ces essais ont permis de valider la nouvelle méthode puis de la comparer avec celle présentement utilisée au Canada. Les résultats sont très concluants puisqu'ils démontrent une meilleure prédiction de la résistance et des modes de ruptures, tout en comblant les lacunes de la méthode actuelle. Une fois finalisée, la méthode sera proposée dans les règles des calculs des charpentes en bois pour permettre aux ingénieurs de concevoir les structures plus sécuritaires.