1.4.1 Retour sur la revue de littérature
Tel qu’observé au chapitre1, il est possible d’effectuer un traitement du bois pour obtenir de nouvelles propriétés physiques ou mécaniques. À l’aide des constatations suivantes, la méthodologie du projet a pu être développée :
— L’application d’un traitement de type acrylate a permis, dans plusieurs travaux, d’augmenter la résistance mécanique du bois, en particulier dans le cas de la dureté des lames de plancher — L’introduction de nanoparticules comme particules de renfort a mené à des améliorations supé-
— L’ajout de minéraux argileux ou d’oxydes métalliques aux solutions de traitement a engendré une densité, un module d’élasticité et une dureté plus élevés à condition d’obtenir une bonne dispersion des particules dans la solution
— L’imprégnation utilisant des cycles vide-pression a été utilisée pour obtenir de fortes rétentions chimiques à l’aide d’essences de bois perméables
— Au Québec, l’industrie de la construction utilise en majorité des produits d’ingénierie fabriqués en épinette noire
— Un assemblage courant pour les produits en lamellé collé est celui de type tige (boulonné) — Le comportement mécanique des assemblages est fortement influencé par le diamètre du connec-
teur et l’orientation de chargement par rapport au fil du bois
Ainsi, les aspects méthodologiques suivants ont découlé d’un raisonnement se basant sur les précé- dentes observations :
— Un traitement d’imprégnation vide-pression à l’aide d’agents acrylate appliqué sur le bois d’épi- nette noire
— L’ajout en faible pourcentage massique de nanoparticules argileuses ou d’oxydes métalliques dans la solution d’imprégation
— La caractérisation de la résistance mécanique du bois selon un assemblage de type tige pour plusieurs diamètres de boulon et selon les orientations parallèle et perpendiculaire au fil du bois
1.4.2 Détermination des paramètres de traitement
Deux systèmes différents ont d’abord été évalués selon une application par imprégnation. Les agents composant les deux systèmes sont présentés au tableau1.1. Les monomères acrylates, 1,6 hexanediol diacrylate (HDDA) et triméthylpropane triacrylate (TMPTA), permettent une faible viscosité et une forte réticulation alors que l’oligomère de polyester acrylate (CN2262) ajoute un comportement plus ductile au système tridimensionnel. Pour ce qui est du deuxième système, l’uréthane acrylate a été choisi pour sa fonction hydroxyle permettant une meilleure interaction avec le caractère polaire du bois. Dans le cas du Laromer LR 9000, ses fonctions isocyanates peuvent réagir avec les groupements hydroxyles du bois et aussi de l’uréthane acrylate. Puisque ces deux derniers produits ont une viscosité plus élevée, une forte proportion de HDDA a dû être utilisée. Le calcul de la quantité d’uréthane acrylate en fonction du LR9000 est basé sur la réaction stœchiométrique entre le nombre hydroxyle de l’uréthane acrylate et le contenu en isocyanates du LR9000.
Suite au test de résistance à l’enfoncement selon la méthode ASTM D5764, les résultats de portance locale pour les deux systèmes n’étaient pas significativement différents. Une augmentation d’environ 50% de la résistance à l’enfoncement a été obtenue. Puisque les composants du système 2 possède des viscosités plus élevées que les agents du système 1, il a été convenu de conserver le système 1 pour la suite des essais.
Système Abréviation Nom Proportion (% masse) Viscosité à 25°C (cp) Densité à 25°C (g/mL) 1 HDDA 1,6 Hexanediol diacrylate 70 9 1,02 TMPTA Triméthylolpropane triméthacrylate 20 106 1,11 CN2262 Acrylate de polyester 10 500 1,10 2 HDDA 1,6 Hexanediol diacrylate 85 9 1,02 UA Uréthane acrylate 00-022 9 20 000 - 60 000 - Laromer LR900 Acrylate isocyanate 6 1200 1,13
TABLE1.1 – Produits chimiques utilisés dans les deux systèmes de solutions
En raison d’une efficacité du traitement satisfaisante malgré le peu de rétention chimique, le procédé d’application du traitement a été revu. Un ciblage unique de la zone de connexion était désiré afin de réduire le volume de produits chimiques nécessaires au traitement. D’abord, un pistolet pulvérisateur a été utilisé pour répartir le traitement à l’intérieur du trou de connexion en effectuant des aller-retours durant 10 secondes. Également, des essais ont été réalisés en n’utilisant que la capillarité du bois pour permettre la pénétration du liquide. Une fois les trous de connexion scellés et remplis de la solution de renfort, un temps de pause de 45min était respecté. Dans les deux cas, les pièces étaient ensuite placées à l’étuve selon la même méthodologie que pour le procédé d’imprégnation. La portance locale du bois suite au traitement de pulvérisation a augmenté de 16% alors que pour le simple remplissage des trous de connexion, une augmentation de 20% a été observée. Puisque ces résultats sont significativement inférieurs à ceux obtenus par imprégnation, le procédé de départ a été préservé.
Le choix des nanoparticules à inclure dans la solution du système 1 a été déterminé selon la facilité de dispersion. Une observation de la sédimentation des particules en solution a été effectuée à des intervalles de 24h pour un total de 72h. Quatre produits différents ont été testés selon une dispersion finale à 1% en masse de nanoparticules en solution dans le HDDA : la montmorillonite (CLAYTONE APA (Byk Additives & Instruments, Allemagne)), l’oxyde de silice (AEROSIL R 7200 (Evonik In- dustries AG, Allemagne)), l’oxyde de silice en solution à 50% dans le HDDA ((N3605) Byk Additives & Instruments, Allemagne)) et l’oxyde d’aluminium à 30% dans le HDDA ((N3602) Byk Additives & Instruments, Allemagne)). De plus, deux méthodes de dispersion ont été évaluées pour chacune de ces particules. L’utilisation d’une sonde ultrasons permet des temps de dispersion courts alors que le mélangeur à haute vitesse permet d’effectuer un volume plus élevé de solution. Suite à la dispersion des différents échantillons et à l’observation de la sédimentation, il est apparu que l’oxyde de silice en solution à 50% dans le HDDA (N3605) offrait les meilleures performances alors que la montmo-
rillonite était celle qui obtenait les résultats les moins satisfaisants. Les travaux présentant l’apport des nanoparticules N3605 sont présentés dans le chapitre 2 de ce manuscrit.
Afin de mesurer l’effet de l’orientation de chargement et du diamètre de boulon sur l’efficacité du traitement, les essais d’enfoncement d’un boulon ont été effectués selon trois diamètres de boulons et deux orientations. Pour chaque niveau de facteur, un groupe d’échantillons non traités et un groupe d’échantillons traités ont été soumis aux essais mécaniques. Ces résultats sont présentés au chapitre 3. En parallèle, des essais exploratoires avec deux autres types de connecteurs ont été réalisés. Des plaques métalliques reliant deux pièces de bois 38 mm x 89 mm ont été préparées pour évaluer l’effi- cacité du traitement dans un assemblage soumis à un effort de traction. Toutefois, lors de la réalisation du test de traction, une compression du bois dans les mords du banc d’essai mécanique n’a pas per- mis d’obtenir des résultats valables à l’analyse de l’effet du traitement sur la résistance à la rupture en traction. La configuration du test a dû être repensée et les résultats ne sont pas inclus dans ce mémoire. Un autre type d’assemblage testé, est celui des goujons collés. Une tige filtée en acier de 8 mm de diamètre avec une section résistante de 36,6 mm2a été utilisée. Un perçage de 12 mm dans la direction du fil du bois a permis d’insérer la tige et d’effectuer le collage à l’aide de la résine époxyde Sikadur 330. La figure1.1, adaptée deLartigau(2013), présente la configuration des assemblages utilisée lors du test pull-compression.
FIGURE1.1 – Configuration de l’assemblage du test pull-compression (adaptée de Lartigau, 2013)
Avec une densité augmentée par la polymérisation dans le bois à l’intérieur du trou de perçage, le dia- mètre relié à la section résistante à l’intérieur du trou serait augmenté. Ainsi, puisque le diamètre est re- lié à la résistance en cisaillement selon l’équation1.1, la performance lors du test de pull-compression d’un goujon collé serait améliorée suite au traitement.
τ = P
Dans le même raisonnement, la raideur pourrait être augmentée en fonction d’une densité plus éle- vée du bois. Celle-ci a été calculée comme étant la pente de la partie rectiligne de la courbe force- déplacement, plus précisément entre les limites à 25% et 50% de la charge maximale.
Les résultats de l’essai pull-compression avec les goujons collés sur du bois traité et non traité sont présentés dans la figure1.2. Contrairement aux hypothèses formulées précédemment, le bois traité n’a pas performé avantageusement. D’après l’observation des échantillons postérieurement aux essais mé- caniques, il apparait que la rupture s’est effectuée presqu’en totalité à la limite du bois et de l’adhésif pour le bois traité. Afin d’évaluer la résistance du bois, c’est plutôt une rupture dans les fibres du bois qui est recherchée. Considérant une cohésion de l’adhésif avec le bois principalement mécanique, il est possible de supposer que le polymère réduit la porosité du bois à l’interface du trou et donc, limite l’adhérence de la colle époxy. Ceci permet d’expliquer la baisse de 25% de la résistance au cisaillement des échantillons traités par rapport aux non traités. Une diminution semblable, 22%, est également remarquée pour la raideur. Le glissement plus prononcé lors du cisaillement entre l’adhésif et le bois serait à la base de ce résultat. En définitive, la rugosité du bois pourrait être augmentée pour contrer le remplissage des pores par le polymère. L’utilisation d’un adhésif réagissant avec les agents utilisés lors de l’imprégnation pourrait être réfléchie.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 R és is tan ce en ci sai ll em en t ( M P a) Témoin Traité 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 R aid eu r ( N /mm) Témoin Traité a) b)
FIGURE1.2 – Résistance au cisaillement (a) et raideur (b) lors du test pull-compression pour le groupe
Chapitre 2
The Effects of Acrylate Impregnation of
Black Spruce Timber as Connectors
Strength
2.1
Résumé
L’imprégnation d’une solution de renfort dans le bois d’épinette noire a été conduite afin d’augmenter la portance locale du bois dans un assemblage boulonné. La solution consistait en du 1,6 hexane- diol diacrylate, du triméthylpropane triacrylate, et un oligomère de polyester acrylate. Une deuxième solution, avec ajout à 1% en masse de nanoparticules de SiO2 a été utilisée afin d’évaluer l’apport
des nanoparticules sur le traitement. Le test de résistance à l’enfoncement d’un boulon dans le bois a été réalisé pour les groupes d’échantillons de bois traité avec et sans nanoparticules, ainsi que pour le groupe d’échantillons de bois non traité. Les traitements ont offert des performances semblables, soit une augmentation de près de 50% de la portance locale du bois par rapport aux échantillons non traités. La microscopie électronique a permis d’observer une profondeur de pénétration du liquide à l’intérieur du bois de seulement 100µm. Ainsi, considérant une faible rétention chimique, la capacité structurale de l’épinette noire a été significativement augmentée.