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Le Bois,
un matériau pour l’habitat
par
André MERLIN
Laboratoire d’Études et de Recherche sur le
Matériau Bois
Le bois: un matériau d’ingénierie d’origine naturelle
AVANTAGES :
-Facilité de mise en œuvre-Matériau à faible coût énergétique-Isolant thermique-Esthétique-Propriétés mécaniques élevées/poids-Renouvelable-Destructible en fin de vie
INCONVENIENTS :
-sensible à l’humidité-instable dimensionnellement-sensible aux attaques biologiques-instabilité de l’aspect de surface-anisotrope-hétérogène
Conséquences :
Le bois est concurrencé
par d’autres matériaux.
Le bois doit être traité
ou modifié
1 4
24
4560
200
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Bois Béton Verre Polyéthylène Acier Aluminium
Energie nécessaire à la fabrication d’une tonne
de matériau (en mégajoules)
bois béton verre PE acier Al
De la macromoléculeÀ
L’arbre
Qu’est ce que le bois ?
Écorce : isoler et protéger le bois des agressions extérieures
Cambium où se créent les nouvelles cellules du bois accroissement de l’arbre
Bois : conduction de l’eau des racines vers les feuilles + support de l’arbre
aubier ou bois de printemps : permet la conduction de la sève
emmagasine les substances de réserve
duramen ou bois de cœur : se forme à partir de l’aubier
fonction de support de l’arbre
Duramen
Bois de coeur
Ecorce
liber
cambium
aubier
Coupe transversale de bois de chêne
Le bois massif
Le bois massif est un matériau anisotrope
les propriétés varient selon la direction
Très résistant dans la direction longitudinale L
Peu résistant dans les directions radiale et tangentielle
Oxygène
43%
Azote
1%
Carbone
50%
Hydrogène
6%
1 tonne de bois produite par photosynthèse =
1,6 tonne de CO2 absorbé
1,1 tonne d’O2 émis
0,5 tonne de C fixé
Composition du bois
Le bois : un matériau organique de la
forme CxHyOzNw
Bilan Combustion du bois
C H1,44 O0,66 + 1,03O2 = CO2 + O,72 H2O
1Kg de Bois + 1,3Kg Oxygène = 1,8 Kg Gaz carbonique
+ 1m3 O2 1m3 CO2 + 0,5 l H2O
L ’équation de base de la combustion et
de la Photosynthèse!
Le matériau bois :
30000 espèces de végétaux ligneux donnant du bois
Plan ligneux
Résineux (gymnospermes)
"Softwood"
Sapin
Epicéa
Douglas
Pin maritime
Pin sylvestre
Mélèze …
Feuillus (angiospermes)
"Hardwood"
Chêne
Hêtre
Châtaignier
Peuplier …
Bois tropicaux
Eléments du plan ligneux des bois
RESINEUX
FEUILLUS
Le bois : grande variabilité des
propriétés
Fromager (Afrique) 300 kg/m3
Okoumé (Afrique) 400 kg/m3
Red Meranti (Asie) 500 kg/m3
Palissandre (Madagascar) 900 kg/m3
Tatajouba (Amazonie) 1000 kg/m3
Maçaranduba (Amazonie) 1200 kg/m3
Les constituants
du bois à l’échelle
moléculaire
Trois constituants principaux du bois communs à toutes les essences:
- la cellulose- les lignines- les hémicelluloses
Ce sont trois macromolécules
H
O
H
H
H
HOH
OH
O
O
H
H
HO
H
H
OH
H
CH2OH
CH2OH n
H
O
H
H
H
HOH
OH
OO
CH2OH
OO
H
H
HO
H
H
OH
H O
CH2OH
Unité -D-glucopyranosique
Unité cellobiose
La cellulose : macromolécule construite par la répétition du cellobiose
(dimère du glucose) (DP moyen de l’ordre de 5000 dans le bois)
Macromolécule dont la structure linéaire est stabilisée par des liaisons intramoléculaires
et intermoléculaires de type hydrogène thermoplastique
Un exemple : le cintrage ou formage de pièces en bois massif par action
thermo-hydro-mécanique – le bois humide est chauffé avant ou pendant
le cintrage et le formage
La cellulose
Substance organique la plus produite par les êtres vivants
Stockage de 40% du Carbone organique
Nombreux produits d’importance industrielle : papier, coton,viscose,…
La cellulose est de nature fibreuse :
Une fibre : polymère à macromolécules orientées forte anisotropie
Les hémicelluloses : macromolécules ramifiées composées essentiellement
de 5 sucres : le glucose, le mannose, le galactose, le xylose et l’arabinose
et d’acides uroniques
DP plus faible que cellulose de l’ordre de 200
Structure complexe
hémicellulose
cellulose
Les lignines : macromolécules polyphénoliques tridimensionnelles
Structures très complexes
CH
CHH2CO
CO
O
CH
CH2OH
CH3O
CH
HC
O
CH
CH2OH
CH3O OCH3
OCH3
O
OCH3
CH
HC
CH2OH
OCH3
O
CH2OH
HC
CHO
HC
HC
O
CH2OH
CH3O OCH3
O CH2
CH
HC
CH3O
OH
OCH3
CH2OH
CH
CH3O
O
CH-CHOCH2OH-
O
OCH3
CH2OH
HC
CH
OH
CH3OO CH
CO
CH2OH
CH3O
O CH
OH
CH3O OCH3
HC
CH2OH
CH
O
C
CH2OH
OCH3
OCH3
O
OCH3
CH
CH2
HC
CH3O
O
CH-CHOCH2OH-
O
COCHCH2OH
O
OCH3
HC
CH
CO
HC
CH2OH
CHOH
O
CH3O OCH3
HC
CH2OHOCH3
O
OCH3
CH2OH
O
OCH3
HC
HC
CH2OH
O
OCH3
CH
CH
CHO
HC
HC O
CH3O
O
OCH3
CH2
O
OCH3CH3O
CH
OCH3
OH
CHO
CH2OHCH3O
HC
HC
CH2OH
OCH3
O
CO
HC
CH2OH
Phénol
Lignines Cellulose
Hemicellulose
Microfibrilles
Hemicellulose :agent
interfacial entre les lignines
(matrice) et la cellulose (fibre)
Le bois : un composite fibreux naturel
Les substances extractibles du bois :
Molécules de faible masse moléculaire dont la nature et la teneur donnent
les propriétés spécifiques d’un bois: couleur, odeur, durabilité biologique,
pérennité de la couleur,…
Composés solubles dans l’eau ou les solvants organiques
Ce terme de substances extractibles recouvre une grande variété
de composés organiques et minéraux dont la nature chimique et la
teneur varient fortement entre les espèces, les genres et les familles d’arbres.
-Les sucres
-Les terpènes
-Les composés phénoliques
-Les lipides (gommes, cires)
Les composés phénoliques : métabolites secondaires
issus du métabolisme phénolique lors du passage de
l’aubier au duramen
COOH
OH
OH
OH
OH
O
O
OH
OH
O
O
OH
OH
OH
O
O
HO
C
HOOC
HO
C
C
HO
Acide gallique Acide digallique Acide ellagique
Exemples : composés phénoliques simples
O
R2R1 OH
OH
OH
O
O O
O
O
O
OH
OH OH OH
OH
OH
OH
OH
OH
H
O O
O O
OH OH
OH
OH OH
OH
OH
OO
O O
OH OH
OH
OH OH
OH
O
O O
O
O
O
OH
OH OH OH
OH
OH
OH
OH
OH
R1
O O
O O
OH OH
OH
OHOH
OH
O
O O
O
O
O
OH
OH OH OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
O
O O
O
O
O
OH
OH OH OH
OH
OH
OH
OH
OH
R1R2
Vescalagine R1 = H, R2 = OH
Castalagine R1 = OH, R2 = H
Grandinine R1 = H, R2 = L
Roburine E R1 = H, R2 = X
Lyxose (L) R1 = H, R2 = OH
Xylose (X) R1 = OH, R2 = H
R2
Roburine A R1 = H, R2 = OH Roburine D R1 = OH, R2 = H
Roburine B R1 = H, R2 = L Roburine C R1 = H, R2 = X
R1R2
Vescaline R1 = H, R2 = OH
Castaline R1 = OH, R2 = H
Des molécules phénoliques plus
complexes : les tanins condensés
Eléments constitutifs
CelluloseHémicellulosesLignineExtractiblesMatières minérales (K, Ca, Mg, Si)
SèveRéserves (amidon)
+Aubier
Constituants chimiques du bois
Bois
macromolécules Substances de faible masse
moléculaire
polysaccharides
cellulose hémicelluloses lignines extractibles cendres
feuillus ~ 45 % ~ 30 % ~ 20 % ~ 7 % ~ 1 %résineux ~ 50 % ~ 20 % ~ 30 % < 5 % ~ 2 %
Les propriétés du bois dans la construction
Le bois, des qualités pour construire
matériau :
- isolant
- résistant au feu
- pérenne
- résistant aux atmosphères agressives
- adapté aux zones sismiques
- permettant une construction sèche et légère
- de confort et de santé
Une poutre de 3 m de portée :
capable de supporter 20 tonnes, pèse :
3 m
- 60 kg en épicéa
- 80 kg en acier
- 300 kg en béton armé
Le rapport performances mécaniques / densité
est à l’avantage du bois par rapport à ses concurrents
Avec une conductibilité thermique () très faible,
le bois est un bon isolant thermique.
(W.m-1.K-1)
Aluminium 230
Acier 52
Granite 3.5
Béton 1.75
Plâtre 0.5
Chêne 0.23
Sapin, épicéa 0.12
Liège 0.10
Balsa 0.054
Laine minérale 0.040
Valeur moyenne pour le bois :
= 0.12 W.m-1.K-1
Comparaison avec d’autres matériaux de construction courants.
Matériau pérenne
Norvège 15°s.
Japon 17°s.
Rouen 16°s.
Station d’épuration
Matériau résistant aux atmosphères agressives
Hangar à sel
Matériau adapté aux zones sismiques
Inconvénients liés au caractère naturel du
bois
- sensibilité aux agents biologiques
- sensibilité aux agents physicochimiques
et climatiques
Le bois : un matériau
biodégradable
Causes de Vieillissement du Bois
Agents physico-chimiques
- humidité
- rayonnement U.V.
- température
- agents chimiques
Agents biologiques
- champignons
- bactéries
- insectes
Protection nécessaire pour accroître sa durée de vie
Dégradations esthétiques
Piqures noiresEchauffures
Bleuissement
- pourritures molles, brunes et blanches
Dégradation de la structure: Champignons
- Champignons de coloration
Insectes
- les termites
- les capricornes
- les vrillettes
Techniques de traitements
Techniques de faibles coûts faciles à mettre en oeuvre
- séchage
- badigeonnage
- aspersion
- déplacement de sève
- diffusion
Techniques industrielles
- trempage
- méthodes vide / pression
Les Produits de préservation
- propriétés multiples : fongicides, bactéricides,
insecticides...
- efficaces à long terme
- bonne pénétration et distribution dans le bois
- bonne rétention dans le bois
- non toxiques pour l’homme et l’environnement
- ne pas modifier l’aspect et les autres propriétés
du bois
Différentes catégories de produits utilisés
- les produits huileux ou goudrons
- les produits hydrosolubles
- les produits organiques
Oléothermie(Montpellier)
Mélange en
profondeur d’huile
végétale et
d’adjuvants chauffés à
moins de 150°C
Phase de chauffe, puis
phase de
refroidissement.
Bois rond de châtaignier
Alternatives aux techniques de préservation classique
Utilisation d’essences naturellement durables-Approche valable pour des applications particulières, mais non généralisable
- Problèmes de coûts, d’approvisionnement, de sylvicultures…
Modification Chimique
- Modification de la structure des constituants du bois à l’aide de différents réactifs
chimiques
- Augmentation de la résistance aux micro-organismes et aux insectes
- Hydophobation, stabilisation dimensionnelle…
Modification thermique- Dégradation contrôlée du matériau
- Modification plus ou moins importante de la structure des constituants du bois
- Hydophobation, stabilisation dimensionnelle…
-Augmentation de la résistance aux champignons et dans certains cas aux insectes
Nouveaux matériaux à base de bois-Composites bois/plastiques, bois/liant minéral…
- Composites Bois/polymères…
Réactivité du matériau
Bois matériau fortement hygroscopique du fait de la présence des nombreuses fonctions alcool
présentes aussi bien sur la cellulose, les hémicelluloses et la lignine
Présence d’autres fonctions en quantités moins importantes
- des carbonyles (cétones et aldéhydes)
- des doubles liaisons
- des structures aromatiques
Dans tous les cas matériau relativement inerte du fait de son insolubilité impliquant l’emploi de
composés très réactifs
Problèmes de pénétration et de diffusion des réactifs dans le bois. Réaction avec le bois ou dans
le bois ?
H
O
H
H
H
HOH
OH
O
O
H
H
HO
H
H
OH
H
n
H
O
H
H
H
HOH
OH
OOHO
CH2OH
CH2OH
CH2OH
H
H
H
H
H
HO
O
H
O
H
HO
H
HO
H
H
O
OHO
H
O
H
HO
OH
H
H
O
H
H
H
H
H
HO
H
HO
OCH3CO
O
HH
HO
OCH3O
HOCCH3
O
HOOC H
H
OH
CO
O
CH
CH2OH
CH3O
CH
HC
O
CH
CH2OH
CH3O OCH3
OCH3
O
OCH3
CH
HC
CH2OH
OCH3
O
CH2OH
HC
CHO
HC
HC
O
CH2OH
CH3O OCH3
O CH2
CH
HC
CH3O
OH
OCH3
CH2OH
CH
CH3O
O
CH-CHOCH2OH-
O
OCH3
CH2OH
HC
CH
OH
CH3O
OH
OCH3
HC
CH
CHOH
OH
CH3O OCH3
HC
CH2OHOCH3
O
OCH3
CH2OH
OH
Bois OH Réactivité similaire à celle des alcools
Furfurylation(Wood Polymer Technology)
Sites de production
Lituanie 2000
Norvège 2003
L’acétylationGreffage par l’anhydride
acétique
CH3C
OC
CH3
O
O
+ Base
___________OH OH
Bois Bois
OH___________
CH3C
OC
CH3
O
O
HBase
O
Bois
OHO
C O
CH3
___________
+
CH3 C
O
OH
(Ets AKBV –Allemagne)
PRINCIPE
Modification de la structure chimique du
matériau par traitement thermique pour
des températures comprises entre 200 et
250°C lui conférant des propriétés
nouvelles en particulier de stabilité
dimensionnelle et de durabilité.
Bois traités thermiquement
Traitement qui ne nécessite pas l’addition
de composés chimiques
Bois rétifié : Procédé NOW® (New Option Wood)
Procédé développé en France dans les années 70 consistant à chauffer le bois dans un
four à des températures de 210 à 240°C pendant plusieurs heures (8 à 10 heures) sous
atmosphère inerte, production actuelle 8500m3/an, prix : 150-160€/m3
Un exemple de procédé de traitement thermique du bois
Avantages
- résistances aux attaques fongiques
- stabilité dimensionnelle
- traitement non polluant
Inconvénients
-propriétés mécaniques
-clouage, visage
- Fissuration
- changement de couleur
- assemblage
- maîtrise du processus
LE BOIS : UN MATERIAU ESTHETIQUE
Couleur du bois : duramen
Grande variabilité des couleurs
Spectre de réflexion : (a) bois, (b) lignines ,(c) cellulose
Parmi les constituants macromoléculaires principauxdu bois, seules les lignines absorbent dans le procheUV - visible
Queue de bande dans le visible participationdes lignines à la couleur du bois.
Dans un arbre, partie centrale (duramen) la plus colorée qui définit la couleur du bois
substances formées lors de la duraminisation et issues du métabolisme phénoliquequi contribuent le plus à la couleur et assurent la diversité des couleurs
des différentes essences de bois.
Relation entre la composition phénolique d ’un bois et la couleur
La couleur du bois n’est pas immuable
Exposition en extérieur en années 1 2 3 4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 5 10 15 20 25 30
écart de couleur
lum
ina
nce
in
itia
le
afrique
amérique du
nord
amérique du
sud
europe
Bois européens : grande diversité de la durabilité de leur couleur naturelleBois africains et sud américains les plus foncés : meilleure durabilité
padouk
Padouk : bois foncé peu durable pigment peu stable photochimiquement
Grande variabilité dans la durabilité de la couleur
Vers un déterminisme de la durabilité de la couleur naturelle ?
Origine de la diversité des couleurs naturelles des différentes essencesde bois : les substances extractibles qui absorbent la lumière visible pardes chromophores phénoliques.
La durabilité de la couleur naturelle d ’un bois doit êtreégalement
liée aux caractéristiques de ses substances extractibles
Action stabilisante des substances
extractibles :
effet physique de filtre : coloration
effet chimique : action antioxydante
essence E* rendement d'extraction*
pin radiata 19,31 1,4
merkulang 6,23 2
peuplier 18,67 2,9
azobé 3,64 3,4
merbau 4,98 4
meranti 3,69 4,6
eucalyptus (maroc) 5,78 5,2
kotibié 8,46 5,7
chêne liège (maroc) 9,71 5,7
curupixa 6,39 5,8
touari 9,12 6,1
movingui 11,58 7,4
chêne vert (maroc) 7,29 7,5
févier 13,44 7,8
mérisier US 5,12 7,9
mérisier européen 5,42 8,2
noyer 7,98 8,4
bubinga 5,96 9
etiomé 5,25 9,2
makaranduba 3,3 10
thuya (maroc) 4,38 10,2
bilinga 6,89 10,2
iroko 8,1 10,2
dabema 2,89 10,3
teck 2,2 10,6
chêne européen 5,25 11,7
padouk 23,88 13
sucupira 0,96 13,8
ipé 6,89 14
mambodé 2,57 14,2
pitchpin 6,1 14,4
wengé 14,06 14,4
* en poucentage
Si on exclut les bois de padouk et Wengé qui ontdes comportements particuliers :
Les bois les plus affectés par la lumière solairecontiennent peu de substances extractibles
Toutefois certains bois pauvres en substances extractibles (azobé, méranti, merbau) ontune bonne durabilité de leur couleur naturelle.
Explication ? : caractère antioxydant de ces substances extractibles
0
5
10
15
20
25
30
35
azobé merbau merisier ipé peuplier pin
radiata
AAO
DE 800
AAO : Activité antioxydante mesurée par la capacité à inhiber l’oxydation dulinoléate de méthyle
Sur ce panel réduit d ’essences : les substances extractibles des bois les moins durables ont les plus faibles AAO
Pour augmenter la durabilité de l’aspect d’un ouvrage en bois, on applique
un revêtement de surface (finition) transparent (polymère réticulé)
Finition transparente
lumière
oxygène eau
Rôle de la finition :
En utilisation intérieure barrière à lumière UV et oxygène
En utilisation extérieure barrière à lumière UV et oxygène
mais surtout barrière à l’eau
1. AUJOURD’HUI 80% DES PRODUITS
BOIS SONT COLLES
2. 40% A 60% DU CÔUT DU PRODUIT BRUT
EST DU A LA COLLE
Les colles les plus utilisées dans l’industrie du bois
sont des polymères thermodurcissables synthétisés
par condensation du formaldéhyde (méthanal) avec
- du phénol (colles phénol-formaldéhyde PF)
- de l’urée (colles urée-formaldéhyde UF)
Colles UF :
urée formaldéhyde ou méthanal
Résine UF
Inconvénient des colles UF : émanations de formaldéhyde
CH H
O
2 MILLIONS DE
TONNES DE
COLLE PFUTILISEES
POUR LE BOIS
DANS LE
MONDE
Un exemple d’utilisation des colles UF dans le fabrication des charpentes
SYNTHESE MUF
N N
NH2N NH2
NH2
N N
N NH2H2N
NH
CH2
NH
C
O
N
CH2OH
CH2
N N
N
NH
CH2OHNH
CH2OH HOH2C
NHHOH2C C
O
NH
CH2OH+
a) b)
c)
Résine MUF (c): produit de condensation entre la mélamine (a) et l’urée-
formaldéhyde (b).
mélamine urée-formaldéhyde
MUF * durcissement en condition de pH acide
MAIS LA MELAMINE EST
TRES CHERE !!
= RECHERCHE DES SYSTEMES,
METHODES, SYNTHESES NOUVELLES
POUR DES PERFORMANCES EGALES AVEC
UN TAUX PLUS BAS DE MELAMINE
COLLAGE PAR
AUTOCONDENSATION DES
TANNINS VEGETAUX
COLLAGE ECOLOGIQUE SANS
ALDEHYDES
Le soudage
Assemblage de 2 pièces
d ’une matière solide par
fusion de parties en
contact
Soudage Collage
Assemblage de 2
éléments par
interposition d ’un
troisième, la colle, qui
présente une affinité
adhésive avec chacun des
deux
PAS D’ ADHESIF
Branson type 2700
La machine utilisée pour le soudage
Echantillon
F
Echantillon fixe
Echantillon mobile
Résultats MEB Apparence caractéristique
de la ligne de soudure
Soudage de tourillons
Cliché MEB: Enchevêtrement des fibres à 90°
Soudage de tourillons
Assemblages par soudage
MERCI de votre
attention
