Soutenance mémoire
Le contexte actuel, où il devient nécessaire de protéger les ressources de la planète, est favorable à l’utilisation accrue du bois dans la construction. Longtemps handicapé par ses défauts naturels, les innovations technologiques ont permis d’améliorer ses qualités intrinsèques et d’étendre ses domaines d’applications. Aujourd’hui, la transformation de ce matériau, à l’origine de la fabrication des divers produits et ouvrages qu’on en tire pour le bâtiment, l’ameublement, l’emballage,…est étroitement liée aux progrès les plus récents dans les domaines de l’usinage, du séchage, de la préservation, des assemblages et de la finition.
Si le bois est un matériau de toujours, il est donc et surtout le matériau de l’avenir. Les prochaines décennies seront marquées par la redécouverte des propriétés et des capacités d’innovation qu’il offre. Le bois retrouve la place qu’il n’aurait jamais dû quitter celle de « l’excellence dans le concert des matériaux de construction ». Dans l’esprit de chacun, la notion de matériau composite évoque un matériau «moderne», dont la conception, la fabrication et la mise en œuvre requièrent un niveau de technicité important. C’est en règle générale, un matériau aux performances mécaniques élevées. Sa structure anatomique intime révèle une microstructure alvéolaire multicouche très sophistiquée. C’est cette structure exceptionnelle que l’industrie des composites artificiels (fibres de carbone, fibres de verre…) s’efforce de copier et de reproduire. Dans ce contexte, l’avantage du bois repose indéniablement sur le caractère renouvelable et écologiquement propre de sa production. Ainsi la nature se charge de générer depuis la nuit des temps, un matériau composite des plus modernes.
Le bois traité par haute température : Constat
Les recherches sur le bois traité thermiquement à haute température font l’objet depuis plusieurs décennies de nombreuses publications (Stamm 1946; Bourgois and Guyonnet 1988; Viitaniemi 1997; Kamdem, Pizzi et al. 2000; Xie, Liu et al. 2002; CTBA 2003). Si on connaît depuis des centaines d’années les effets du traitement thermique dans la protection du bois, son exploitation industrielle est toute récente et ce n’est que ces dix dernières années que l’on a scientifiquement étudié cette question. Au début des années 80, l’Ecole des Mines de SaintÉtienne a développé un procédé de traitement industriel sous l’appellation « Bois rétifié® ». Il y a quelques années, l’industrie forestière finlandaise a manifesté son intérêt envers le traitement thermique du bois et commencé à en financer la recherche, ce qui a donné le procédé Thermowood®. Parallèlement d’autres technologies ont émergé comme le procédé « PLATO® » au Pays Bas ou le procédé OHT de Menz Holz en Allemagne (Rapp 2001). Dans le cadre d’un important programme soutenu par l’Union Européenne de 1996 à 1998, PYROW (BRE-CT5006 1998), plusieurs partenaires scientifiques et industriels se sont regroupés pour apporter aux utilisateurs des éléments d’informations pratiques sur les caractéristiques des bois traités et leurs conditions de mise en œuvre.
Mais en quoi consistent ces nouveaux procédés thermiques ? Il s’agit de technologies qui ont pour objectif commun d’appliquer une montée en température progressive du bois en l’absence d’oxygène (l’atmosphère inerte ralentie les réactions thermochimiques et favorise le contrôle du cycle de torréfaction). Ce traitement se définit comme une pyrolyse ménagée qui s’effectue dans un intervalle de températures comprises entre 150 et 280°C, étape intermédiaire entre le séchage et la carbonisation (Fig.I. 1). Des modifications chimiques, notamment des liaisons intermoléculaires (pontages chimiques entre les constituants du bois, réticulation de la matière ligno-cellulosique), confèrent au matériau une meilleure stabilité dimensionnelle (Mouras, Girard et al. 2002) et une meilleure durabilité (Kamdem, Pizzi et al. 2002) au détriment de ses propriétés mécaniques, notamment de sa résilience (Santos Antonio 2000).
LES ENJEUX
Parmi les menaces qui pèsent sur les industries transformatrices ou utilisatrices du bois, il faut accorder une place tout à fait particulière aux conséquences des mesures environnementales, qu’elles soient issues de Bruxelles ou imposées par un consensus international. L’intégration des contraintes d’un développement durable imposant de maîtriser l’ensemble des cycles de vie, de la conception à la fin de vie du matériau, la filière bois se trouve face à des réglementations de plus en plus restrictives (directive biocide 98/8EC, loi sur les déchets, etc.).
Positionnement du bois traité par haute température dans un contexte de développement durable
Historique
En l’espace de seulement un demi siècle, le niveau de vie d’une partie de l’humanité a plus augmenté que pendant deux millénaires. Plus le temps passe, plus la société civile prend conscience de l’urgence de mettre en place une solidarité planétaire pour faire face aux grands bouleversements des équilibres naturels. Ainsi, au cours des années 1980, le grand public découvre les pluies acides, le trou dans la couche d’ozone, l’effet de serre, la déforestation massive, la désertification, la pollution de l’eau et des sols,… Se posent alors ces questions fondamentales : comment concilier progrès économique et social sans mettre en péril l’équilibre de la planète ? Comment répartir les richesses entre les pays riches et ceux moins développés à l’heure où la planète semble déjà asphyxiée par le prélèvement des ressources naturelles ? C’est pour apporter des réponses concrètes à ces questions qu’est né le concept de développement durable. Un concept que l’on résume aujourd’hui d’une simple phrase : « un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs ».
C’est en 1971 que le Club de Rome publie « Halte à la croissance ». Face à la surexploitation des ressources naturelles liée à la croissance économique et démographique, cette association privée internationale créée en 1968 prône la nécessité d’associer la protection de la nature au développement économique. C’est dans un climat de confrontation et de conciliation entre l’écologie et l’économie que se tient la Conférence des Nations Unies sur l’environnement Humain, à Stockholm, en 1972, conférence qui sera à l’origine du premier vrai concept de développement durable, baptisé à l’époque éco-développement. Il en découlera la création du Programme des Nations Unies pour l’Environnement (PNUE) ainsi que le Programme des Nations Unies pour le Développement (PNUD) et la plupart des ministères de l’environnement. La notion de développement durable apparaît lors de la 42éme session des Nations Unies en 1987. En 1992, a lieu le Sommet de la Terre à Rio. Le concept de développement durable repose alors sur trois grands principes :
– la prise en considération de l’ensemble du cycle de vie des matériaux,
– le développement de l’utilisation des matières premières et des énergies renouvelables,
– la réduction des quantités de matière et d’énergie utilisées lors de l’extraction des ressources naturelles, de l’exploitation des produits et de la destruction ou du recyclage des déchets.
Positionnement de la technologie
L’augmentation de la population mondiale exerce une pression croissante sur les forêts riches en bois de haute qualité destinés à la construction. Une exploitation irréfléchie des ressources tropicales peut conduire à un déclin des stocks en bois de haute qualité et au développement «non durable». Pour soulager la pression sur les forêts naturelles, l’utilisation des bois de plantation en substitution c’est à dire d’essences à croissance plus ou moins rapide, peuvent être une solution pour répondre aux besoins des populations en matière de bois. Cependant, les bois de plantation sont différents du point de vue de leurs propriétés anatomiques, physiques et mécaniques…, de leurs homologues de forêts naturelles, ce qui pose des problèmes technologiques et commerciaux. A cet effet, les technologies d’amélioration de la durabilité des bois vont dans le sens du développement durable car elles peuvent améliorer significativement la qualité de ces bois. L’imprégnation chimique du bois soulève de plus en plus d’interrogation. La gestion des déchets et plus généralement du cycle de vie des matériaux limitera progressivement leur utilisation dans la préservation des bois. Si techniquement, aucune alternative n’est proposée pour substituer ces traitements chimiques, les industriels se tourneront vers des matériaux non renouvelables ce qui va à l’encontre du développement durable notamment en matière d’émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le bois traité thermiquement se positionne favorablement.
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Table des matières
INTRODUCTION
I.1 – INTRODUCTION
I.2 – LES ENJEUX
I.2.1 – POSITIONNEMENT DU BOIS TRAITE PAR HAUTE TEMPERATURE DANS UN CONTEXTE DE DEVELOPPEMENT DURABLE
I.2.1.a – Historique
I.2.1.b – Positionnement de la technologie
I.2.2 – ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX
I.2.2.a – Une alternative à l’utilisation massive des produits chimiques de préservation
I.2.2.b – Bilan carbone
I.2.3 – ENJEUX ECONOMIQUES
I.2.3.a – Gestion du cycle de vie du matériau
I.2.3.b – Valorisation d’essences peu durables ou difficilement imprégnables
I.2.4 – SYNTHESE
I.3 – LES TECHNOLOGIES
I.3.1 – LE PROCEDE HOLLANDAIS
I.3.2 – LE PROCEDE ALLEMAND
I.3.3 – LE PROCEDE FINLANDAIS
I.3.4 – LE PROCEDE FRANÇAIS
I.3.5 – SYNTHESE
I.4 – LES LIMITES TECHNIQUES ET SCIENTIFIQUES AU DEVELOPPEMENT DE CETTE TECHNOLOGIE
I.4.1 – REPRODUCTIBILITE ET ABSENCE DE CERTIFICATION
I.4.2 – MODELISATION DU PROCEDE : BESOIN D’OUTIL NUMERIQUE ADAPTE
I.5 – CONCLUSION
II.1 – INTRODUCTION
II.2 – ANATOMIE DU BOIS
II.3 – COMPOSITION CHIMIQUE DU BOIS
II.3.1 – LA CELLULOSE
II.3.2 – LES HEMICELLULOSES
II.3.3 – LES LIGNINES
II.3.4 – LES COMPOSES EXTRACTIBLES
II.2 – L’ANALYSE THERMIQUE
II.2.1 – TECHNIQUES EXPERIMENTALES
II.2.2 – DETERMINATION DES PARAMETRES CINETIQUES
II.2.3 – CINETIQUE DE LA DEGRADATION THERMIQUE DU BOIS
II.2.4 – CINETIQUE DE LA DEGRADATION THERMIQUE DE LA CELLULOSE
II.2.5 – CINETIQUE DE LA DEGRADATION THERMIQUE DES HEMICELLULOSES
II.2.6 – CINETIQUE DE LA DEGRADATION THERMIQUE DES LIGNINES
II.2.7 – ENTHALPIES DES REACTIONS DE PYROLYSE
II.2.8 – SYNTHESE
II.3 – ETUDE THEORIQUE DE LA DEGRADATION THERMIQUE DES CONSTITUANTS DU BOIS A
PARTIR DU MODELE RETENU
II.3.1 – HYPOTHESE DE MODELISATION POUR LA SUITE DE L’ETUDE
II.3.2 – DETERMINATION DES PARAMETRES DU TRAITEMENT THERMIQUE : TEMPERATURE ET TEMPS DE SEJOUR
II.3.3 – INTERPRETATION DES MODELES CINETIQUES
II.3.4 – METHODE DE CALCUL DEVELOPPE DANS MATLAB
II.3.5 – RESULTATS ET DISCUSSION
II.4 – CONCLUSION
III.1 – INTRODUCTION
III.2 – LE MATERIEL VEGETAL
III.2.1 – ECHANTILLONAGE
III.2.2 – DIMENSION DES EPROUVETTES
III.3 – LE REACTEUR EXPERIMENTAL
III.3.1 – LE FOUR DE TRAITEMENT
III.3.2 – CHAINE D’ACQUISITION ET DE COMMANDE
III.3.3 – CONTROLE DU TAUX D’OXYGENE DANS LE REACTEUR
III.4 – MESURE DES PROFILS DE TEMPERATURE
III.4.1 – ETALONNAGE DES THERMOCOUPLES
III.4.2 – CONTROLE DE L’HOMOGENEITE DES TEMPERATURES DANS LE REACTEUR
III.4.4 – EVOLUTION DES TEMPERATURES DURANT LE TRAITEMENT
III.5 – DETERMINATION DE LA PERTE DE MASSE EN CONTINU
III.5.1 – LE DISPOSITIF DE PESEE
III.5.2 – CINETIQUES MESUREES
III.6 – MESURE DU COUPLE PRESSION/TEMPERATURE DANS L’ECHANTILLON
III.6.1 – DISPOSITIF DE MESURE DE LA PRESSION PAR CAPTEURS DEPORTES
III.6.2 – DISPOSITIF DE MESURE DE LA PRESSION PAR CAPTEUR EMBARQUE
III.6.3 – EVOLUTION DE LA PRESSION INTERNE AU COURS DU TRAITEMENT THERMIQUE
III.7 – CARACTERISATION DU TRAITEMENT THERMIQUE DU BOIS DE HETRE PAR SPECTROMETRIE PROCHE INFRAROUGE (SPIR)
III.7.1 – PRINCIPE DE LA SPECTROMETRIE INFRAROUGE
III.7.2 – L’APPAREILLAGE
III.7.3 – ECHANTILLONAGE
III.7.4 – LA CALIBRATION
III.7.4.a – Répétabilité de la mesure
III.7.4.b – Analyse des spectres
III.7.4.c – Analyse en composantes principales (ACP)
III.7.4.d – Analyse Factorielle Discriminante (AFD)
III.7.5 – PREDICTION / AFFECTATION DES SPECTRES DES PIECES DE BOIS DE FORTE EPAISSEUR
III.7.5.a – ACP de l’ensemble des échantillons de bois
III.7.5.b – Analyse discriminante
III.7.6 – SYNTHESE
CONCLUSIONS
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