Valoriser les espèces de bois québécoises grâce aux traitements - Cecobois
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dulabo AU CHANTIER Valoriser les espèces de bois québécoises grâce aux traitements Étant solide, léger, esthétique et biosourcé, le bois est un matériau aux propriétés uniques. Comme son utilisation en construction permet une séquestration du CO2 de longue durée, elle est for- tement mise de l’avant par les gouvernements et les spécialistes comme stratégie de lutte contre le réchauffement climatique. Certains freins compliquent cependant son utilisation à l’extérieur, comme sa mauvaise réputation face à la dégradation. Il est pour- Crédit © Woodenha Industries tant possible de contourner ce problème et de profiter des nom- breuses vertus du bois. Dans un premier temps, de bonnes pratiques de construction permettent de minimiser l’exposition du matériau aux sources de - J.J. Bernier dégradation. On pourrait penser, par exemple, à une conception qui éviterait les trappes à eau et à boue. Ensuite, il faut choisir un matériau offrant de bonnes propriétés. Certaines espèces, comme Le CIRCERB La publication La chaire industrielle de recherche sur la construction écoresponsable Du Labo au chantier est une en bois (CIRCERB) de l’Université Laval est une plateforme académique nouvelle publication de Cecobois multidisciplinaire et intégrée jumelée à un consortium industriel. Évoluant qui a pour objectif la diffusion des au sein de la Faculté de foresterie, de géographie et de géomatique de travaux de recherche du CIRCERB. l’Université Laval, la chaire oeuvre sur tout le réseau de création de valeur Elle vise la vulgarisation de du secteur de la construction, dans le but de développer des solutions projets réalisés par des étudiants écoresponsables, qui utilisent le bois pour réduire l’empreinte écologique à la maîtrise, au doctorat. des bâtiments. Trois axes de recherche orientent son programme de recherche du CIRCERB: Concevoir, Construire et Exploiter.
Figure 1 Revêtements transparent, semi-transparent et opaque, avec un pigment indigo le cèdre blanc, le cèdre rouge, le séquoia et le cyprès, sont naturellement très résistantes à « La dégradation pouvant la dégradation. Il est possible de les utiliser à être atténuée à l’aide de l’extérieur durant de nombreuses années, voire des décennies avant de devoir les remplacer. Il différents traitements, les s’agit cependant d’espèces plus dispendieuses et moins disponibles. De plus, comme la plu- traitements du bois offrent part d’entre elles ne poussent pas au Québec, l’opportunité de valoriser leur emploi ne permet souvent pas de favoriser l’économie locale et leur empreinte environne- d’excellentes espèces d’ici mentale est alourdie par le transport. Bien que plusieurs des espèces disponibles au Québec en comblant leur lacune. » sont moins naturellement résistantes à la dé- gradation, elles possèdent toutefois de bonnes propriétés physiques en plus d’être très abon- le bois, tandis qu’une faible concentration de dantes et abordables. La dégradation pouvant pigments changera la couleur du bois sans être atténuée à l’aide de différents traitements, dissimuler ses motifs. En contrepartie, plus les traitements du bois offrent l’opportuni- la concentration en pigments est élevée, plus té de valoriser d’excellentes espèces d’ici en le bois sera protégé contre les rayons UV du comblant leur lacune. soleil. Certains revêtements, comme les huiles et Les revêtements les cires, pénètrent dans le bois. Il s’agit de revêtements très pratiques, parce que leur Les revêtements sont une façon pratique et application est facile et qu’ils requièrent assez courante de protéger la surface du bois ex- peu d’entretien. Ils ne forment généralement posé à l’extérieur contre les éléments et la pas de couche continue à la surface du bois, à pourriture. Ils existent sous de nombreuses l’exception de certaines huiles siccatives. Ils ne formes, qui ont chacune leurs forces et leurs vont donc pas se décoller comme une peinture, faiblesses. Cela demande de bien réfléchir mais vont plutôt s’éroder graduellement avec au type de revêtement approprié en fonction le temps. À l’extérieur, ils doivent être rafraîchis de l’utilisation, mais offre aussi une grande assez régulièrement, mais comme ils ne re- flexibilité permettant de s’ajuster à chaque quièrent aucune forme de préparation du bois, situation. Par exemple, il est possible de jouer il suffit de simplement ajouter une nouvelle avec l’apparence du bois fini simplement en couche sur la précédente. faisant varier la quantité de pigments dans le revêtement. Ainsi, un revêtement sans pigment Bien que certaines émulsions aqueuses sera complètement transparent et conservera existent, les cires sont généralement dissoutes l’apparence naturelle du bois. À l’inverse, un re- dans un solvant organique et peuvent repré- vêtement ayant une forte concentration de pig- senter une source de composés organiques ments sera opaque et couvrira complètement volatils (COV). Pour leur part, les huiles peuvent NOVEMBRE 2020 CONSTRUIREENBOIS 2 dulaboAU CHANTIER
bases) et sa perméabilité à l’eau. De plus, les «(...) la chimie derrière la chaînes de polymères ne sont généralement pas dispersées seules dans la formulation de formulation des revêtements revêtements, mais sont plutôt agrégées en pe- tites particules; la taille de ces particules aura est très complexe, mais aussi un impact sur les propriétés finales de la formulation, comme sa viscosité, et sur celles permet d’obtenir des du revêtement. revêtements très adaptés » Les revêtements filmogènes sont toujours pour chaque situation(...) dispersés dans un diluant, qui peut être un solvant organique ou de l’eau. Les formulations à base de solvant organique sont utilisées avec des polymères extrêmement imperméables à être appliquées directement sur le bois et l’eau, mais ont une empreinte environnemen- « sèchent » en réagissant avec l’oxygène pré- tale plus importante (dégagement de COV). sent dans l’air plutôt qu’en s’évaporant; elles Dans le cas des formulations aqueuses, les libèrent donc moins de COV. Ces revêtements polymères ont une compatibilité beaucoup plus sont efficaces pour ralentir l’entrée d’eau élevée avec l’eau et sont conséquemment plus liquide, mais ne bloquent pas les échanges perméables. Ils représentent cependant une d’humidité et apportent peu de résistance alternative beaucoup plus écoresponsable et aux dommages mécaniques comme les égra- ce type de revêtement est fortement suggéré tignures. Ainsi, bien qu’ils soient fréquemment par les autorités gouvernementales. utilisés sur toutes les surfaces bois, ces re- vêtements sont particulièrement utiles pour Finalement, de nombreux additifs peuvent être protéger les extrémités du bois exposé à l’ex- ajoutés pour modifier les propriétés des for- térieur, puisqu’il s’agit d’une importante porte mulations et revêtements obtenus (Tableau 1). d’entrée pour l’intrusion d’eau. Les revêtements filmogènes, qui forment un film à la surface du bois, offrent une plus Tableau 1 Exemples d’additifs utilisés dans les grande diversité de produits et beaucoup formulations de revêtements de flexibilité. L’élément qui forme le film du revêtement, le liant, est généralement un polymère. Il s’agit d’un composé chimique de Additifs Fonction très grande taille formé par l’addition bout à bout d’un composé de base, le monomère. Pigments Modification de la couleur De nombreuses classes de monomères sont disponibles pour former des revêtements, mais Protection contre la les plus fréquentes en protection du bois sont Biocides biodégradation (champignons, les acryliques et les alkydes. Sous chacune de insectes, moisissures, etc.) ces deux classes, de nombreux monomères aux Absorbeurs Absorption des rayons UV du propriétés différentes sont disponibles pour UV soleil conférer au revêtement les propriétés voulues. Retardateurs Réduction des risques Il est également possible d’utiliser plusieurs de flammes d’incendie monomères différents dans un seul polymère pour obtenir encore plus de contrôle sur les Amélioration de la formation Coalescent propriétés du film. La composition chimique du film par coalescence du polymère n’est cependant pas le seul as- Modificateurs Modification de la viscosité pect qui affectera ses propriétés : sa forme de rhéologie de la formulation (rectiligne ou fortement ramifiée), sa taille et la disposition des différents monomères tout au Contrôle du pH de la Tampon pH long du polymère auront aussi un impact sur formulation plusieurs de ses propriétés comme sa brillance, Diminution des tensions de son temps de séchage, sa flexibilité, sa dureté, Agents surfaces entre le substrat (le sa résistance aux produits chimiques (acides et mouillants bois) et la formulation. NOVEMBRE 2020 CONSTRUIREENBOIS 3 dulaboAU CHANTIER
Tableau 2 Méthodes pour l’imprégnation du bois Profondeur Méthode Fonctionnement d’imprégnation* Brossage Application du traitement à l’aide d’une brosse ou d’un pinceau. Superficielle Vaporisation Vaporisation du traitement à la surface du bois. Superficielle Trempage Immersion complète de quelques secondes à quelques heures. Superficielle Macération Trempage de plusieurs jours. Faible Le bois est placé sous vide dans un autoclave, puis la solution Vide Moyenne de traitement est ajoutée. Méthodes à Le bois est placé dans un autoclave, puis soumis à des cycles l’autoclave (Bethell, de vide et de hautes pressions (jusqu’à 10 atmosphères) pour Profonde Lowry, Rueping, etc.) favoriser la pénétration du traitement. *La profondeur exacte (quantitative) varie beaucoup selon la perméabilité de chaque espèce. Tous ces paramètres font que la chimie der- ce qui est un avantage important en protection rière la formulation des revêtements est très du bois. Comme les dimensions du bois exposé complexe, mais permet d’obtenir des revête- à l’extérieur ont tendance à changer continuel- ments très adaptés pour chaque situation et se lement en fonction de l’humidité ambiante, une reflète dans le grand choix de produits dispo- souplesse supérieure permet au revêtement nibles sur le marché. de s’ajuster à ces fluctuations sans décoller et prolonge sa durée de vie. Ils sont aussi plus Comme mentionné précédemment, les princi- perméables à l’eau, ce qui permet au bois de paux revêtements filmogènes en protection du sécher plus facilement si celui-ci avait un taux bois sont les acryliques et les alkydes. Ces deux d’humidité trop élevé au moment de l’applica- types de polymères diffèrent grandement, autant tion du revêtement ou encore si de l’eau s’est par leur mode de fonctionnement que par leurs infiltrée. Ils bénéficient également d’une plus propriétés. Par exemple, les revêtements acry- grande résistance à la dégradation causée par liques se forment par coalescence, alors que les les rayons UV du soleil, contrairement aux alk- revêtements alkydes se forment par oxydation. ydes qui jaunissent et sèchent plus rapidement. Dans le premier cas, les particules acryliques se Les alkydes pénètrent cependant plus profon- déforment lorsque le diluant s’évapore et fu- dément dans le bois et ont conséquemment sionnent ensemble pour former un film continu. une adhérence plus élevée. La formation du film dépend donc de la capacité des particules à se déformer, qui est influen- cée par leur dureté et par leur température au L’imprégnation moment de l’application. Comme les propriétés Le bois protégé par un revêtement aura une mécaniques du film dépendent aussi de la dureté surface plus résistante à la dégradation, mais des particules qui le composent, un compromis ne sera protégé que sur les zones couvertes doit être fait entre les propriétés du revêtement par ce dernier. Ainsi, si le bois venait à fendre, et la facilité avec laquelle celui-ci va se former. ou si le revêtement devait craquer ou décoller, Dans le cas des alkydes, qui sont des polymères le bois nouvellement exposé ne bénéficierait à base d’acides gras (comme les huiles végé- d’aucune protection. Il est toutefois possible de tales), les particules du revêtement ne peuvent faire pénétrer des agents de préservation dans pas coalescer. La formation du film provient le bois pour le rendre plus résistant à la dégra- plutôt de la création de liens chimiques entre les dation. Cette méthode de protection s’appelle chaînes de polymère produits par l’oxydation des l’imprégnation. Elle est utilisée depuis très acides gras par l’oxygène présent dans l’air. longtemps et peut être réalisée de diverses Les deux classes de revêtements diffèrent aussi façons en fonction des besoins et des moyens par leurs propriétés. Par exemple, les acryliques à disposition (Tableau 2). Par exemple, des forment des revêtements qui sont plus souples, méthodes simples comme le brossage ou le NOVEMBRE 2020 CONSTRUIREENBOIS 4 dulaboAU CHANTIER
Crédit © Woodenha Industries - J.J. Bernier Figure 2 Autoclave vide et pression dédié à l’ignifugation dans la masse (bois et matériaux lignocellulosiques). trempage demandent très peu d’équipement et Auparavant, les traitements les plus populaires sont faciles à utiliser par quiconque. Les pro- étaient l’arséniate de cuivre chromé (CCA), duits de préservations auront cependant une le pentachlorophénol (PCP) et la créosote. Il profondeur de pénétration très faible, bien en s’agit de produits très efficaces, car ils sont dessous d’un millimètre. Un trempage plus long extrêmement nocifs contre une large gamme (macération) permet cependant d’imprégner d’organismes (insectes, champignons, moi- certaines espèces plus perméables, comme les sissures, mollusques, etc.) et qu’ils sont peu pins, à une profondeur de quelques millimètres. sujets au lessivage. Cependant, comme leur Cette profondeur est suffisante pour des pièces toxicité a suscité de vives inquiétudes au sein de petite taille comme les clôtures en treillis, de la population, leur usage est maintenant mais ne convient pas pour le bois structurel ou restreint à l’extérieure des zones résidentielles même pour les revêtements architecturaux. Un et commerciales. autoclave industriel (Figure 2) est généralement nécessaire pour traiter les pièces de moyenne À l’intérieur de ces zones, une nouvelle géné- ou de grandes dimensions à l’aide de différents ration de pesticides, beaucoup moins toxiques, protocoles. Par exemple, le bois peut être insé- a fait son apparition. Parmi les plus utilisés ré en lot dans l’autoclave et soumis à un vide se trouvent différents traitements à base de d’environ 1 heure pour le vider de son air. Une cuivre. Utilisés en formulations aqueuses, ces solution de traitement, généralement chaude traitements sont efficaces contre les cham- (environ 70-90 OC), est ensuite acheminée dans pignons et les insectes, mais sont sujets à l’autoclave où elle pénétrera plus facilement se lessiver assez rapidement. De plus, cer- dans le bois vidé de son air. La profondeur taines classes de champignons (dits à pourri- d’imprégnation et la rétention de produits ture brune) sont résistantes à leur action. Ils peuvent être encore amplifiées en ajoutant une sont donc généralement utilisés de manière période de haute pression (jusqu’à 1000 kPa) conjointe avec des composés quaternaires ou en faisant plusieurs cycles de vide et de et des triazoles, deux classes de pesticides pression. organiques. Par contre, comme ces derniers sont peu solubles dans l’eau, un cosolvant L’imprégnation du bois peut se faire avec organique, comme l’ammoniaque ou l’éthano- différentes classes de préservatifs, mais lamine, est requis. Les borates sont également se fait le plus souvent avec des pesticides. une classe de pesticides très populaires, car NOVEMBRE 2020 CONSTRUIREENBOIS 5 dulaboAU CHANTIER
Tableau 3 Exemples de produits utilisés en imprégnation du bois Classe des produits Exemples Protection Arséniate de cuivre chromé (CCA), Sels d’arsenic Champignons, moisissures et insectes arséniate de cuivre ammoniacal (ACZA) Pentachlorophénol PCP Champignons, moisissures et insectes (PCP) Produits du pétrole Créosote Champignons, moisissures et insectes Carbamates Butylcarbamate d’iodopropynyl (IPBC) Champignons et moisissures Triazoles Propiconazole, tébuconazole Champignons et moisissures Composés Chlorure de Champignons, moisissures et insectes quaternaires didécyldiméthylammonium (DDAC) Acide borique, octoborate disodique Borates Champignons, insectes et ignifugation tétrahydraté (DOT) Cuivre Oxyde de cuivre, carbonate de cuivre Champignons et insectes Pyréthrinoïdes Pyréthrine Insectes Résines Résines phénoliques, silicones Eau liquide Champignons, insectes, stabilité Modification du bois Anhydride acétique, formaldéhyde dimensionnelle (humidité) ils ont la capacité de diffuser dans le bois. par imprégnation. En effet, différentes résines Ainsi, une fois qu’ils sont imprégnés dans le peuvent être utilisées pour diminuer sa per- bois, ils continuent à migrer plus profondément méabilité à l’eau. Ces résines, qui remplissent dans celui-ci durant les mois et les années les nombreuses cavités présentes dans le bois, qui suivent. En plus de leurs propriétés anti- sont très hydrophobes. Elles ne sont donc pas septiques, ils permettent l’ignifugation du bois de simples barrières physiques contre l’entrée (protection contre les incendies). Cependant, d’eau, mais elles ont également une affini- comme ils peuvent se promener librement té chimique très faible avec celle-ci pour la dans le bois, ils sont encore plus sujets à lessi- repousser plus efficacement. Par contre, elles ver que les traitements à base de cuivre. ne sont pas efficaces pour empêcher l’entrée de l’humidité ambiante. Le bois peut également Différentes classes de composés organiques être ignifugé à l’aide de composés chimique peuvent également être utilisées pour protéger comme les borates. Le bois ainsi traité brûle le bois contre la biodégradation. Il s’agit de plus lentement, propage les flammes moins composés généralement très efficaces, donc vite, génère moins de fumée en brûlant et présents à plus faible concentration dans le cesse du brûler si la source de la flamme est bois. Comme ils ont une affinité avec l’eau qui neutralisée. est moindre, ils résistent assez bien au lessi- vage. Ils doivent cependant être dissous dans Finalement, certains composés peuvent modi- un solvant organique volatil, comme le white fier la structure chimique du bois. La modifica- spirit, et représentent donc une source de COV. tion chimique la plus utilisée est l’acétylation, Les classes les plus utilisées sont les carba- où l’on imprègne le bois avec de l’anhydride mates, les triazoles, les composés quaternaires acétique. Ce composé chimique réagit ensuite et les pyréthrinoïdes. Comme leur efficacité avec les parois cellulaires du bois pour offrir un varie d’un organisme à l’autre, ils sont généra- produit plus résistant. Le bois ainsi modifié a lement utilisés en mélanges ou conjointement une affinité avec l’eau moindre, une plus grande avec des traitements à base de cuivre. résistance aux champignons et aux insectes, ainsi qu’une stabilité dimensionnelle accrue. La résistance à la biodégradation n’est pas la seule propriété du bois pouvant être améliorée NOVEMBRE 2020 CONSTRUIREENBOIS 6 dulaboAU CHANTIER
La barrière pénétrante Lors d’un récent projet de doctorat au sein « Les essais ont démontré de la Chaire industrielle de recherche sur la une réduction notable du construction écoresponsable en bois (CIRCERB) de l’université Laval, un nouveau traitement gonflement du bois à la du bois a été développé. Ce traitement, mis suite de l’exposition à une » au point par Simon Pepin sous la direction de Pierre Blanchet et la codirection de Véronic humidité relative élevée. Landry, est qualifié de barrière pénétrante. Cette appellation souligne que le traitement contient, dans une seule formulation, certains éléments qui imprègnent le bois (partie péné- Le traitement a été testé sur de l’épinette trante) et une résine acrylique (partie barrière). blanche (Picea glauca Moench (Voss)), une espèce québécoise considérée imperméable aux La première partie de ce projet de recherche traitements. Les essais (Figure 3) ont démontré a permis de développer une partie pénétrante une réduction notable du gonflement du bois à aqueuse à base d’oxydes d’amines et de fongi- la suite de l’exposition à une humidité relative cides organiques (IPBC et propiconazole). Les élevée. Ils ont également révélé que la taille des oxydes d’amines sont des composés chimiques oxydes d’amines influence leurs performances, très peu toxiques, retrouvés notamment dans puisque les oxydes d’amines plus massifs de nombreux détergents et produits de soins apportaient plus de stabilité dimensionnelle. corporels. Ils ont la particularité de pouvoir Un test de biodégradation avec le champignon diffuser dans le bois, permettant de l’imprégner à pourriture brune Rhodonia placenta a mon- sans avoir recourt aux méthodes traditionnelles tré que les oxydes d’amines et les fongicides nécessitant un autoclave; un simple trempage diminuaient la perte de masse causée par le de quelques secondes suffit. Ils permettent champignon, mais qu’ils étaient beaucoup aussi la solubilisation des fongicides organiques plus efficaces utilisés ensemble. Des essais de dans l’eau, ainsi que leur transport dans le bois. profondeur d’imprégnation ont montré que la Finalement, ils ont des propriétés antisep- pénétration des fongicides se produit unique- tiques, ce qui leur permet d’améliorer la résis- ment par les extrémités du bois et de façon tance fongique du bois traité, et améliorent la très limitée. De leur côté, les oxydes d’amines stabilité dimensionnelle. entrent dans le bois aussi bien par les bouts Figure 3 Essais de gonflement (A), de résistance à un champignon (R. placenta)(B), de profondeur d’imprégnation des fongicides (C), de profondeur d’imprégnation des oxydes d’amines (D), et de quantification des fongicides (avant et après lessivage)(E). OA = Oxyde d’amine NOVEMBRE 2020 CONSTRUIREENBOIS 7 dulaboAU CHANTIER
que par la surface, et ce, à une profondeur une preuve de concept intéressante du point de beaucoup plus importante. Comme ces derniers vue de la possibilité d’imprégner et de peinturer possèdent de bonnes propriétés antifongiques, le bois en une seule étape, mais nécessiterait ils permettent donc d’obtenir une protection encore beaucoup de travail pour avoir des per- efficace sous la surface du bois. Finalement, des formances commercialement acceptables. essais quantifiant les fongicides imprégnés par le traitement ont montré qu’ils atteignent des niveaux suffisants pour respecter les normes Conclusion encadrant la préservation du bois (0.040 kg/m3), Que ce soit pour sa performance ou pour des et ce, même après deux semaines de lessivage motivations esthétiques, écologiques et éco- par immersion dans l’eau. nomiques, toutes les raisons sont bonnes pour intégrer le bois québécois à la construction de bâtiments. Bien que le bois puisse être perçu comme un matériau moins résistant à la dé- « (...)il existe de gradation, il existe de nombreuses façons de le protéger et d’ajouter des années à sa vie. Il est nombreuses façons de possible de protéger sa surface à l’aide d’un revê- tement, de loger des agents de préservation dans protéger (le bois) et ses cavités, de modifier sa structure chimique ou encore de combiner ces méthodes. Bien qu’il d’ajouter des années existe déjà un choix très diversifié de traitements, à sa vie » ce qui permet de bien s’adapter aux différentes conditions d’utilisation du bois, de nombreux travaux de recherche sont toujours en cours pour améliorer les traitements existants et pour en développer de nouveaux, dont le traitement par Lors de la deuxième partie du projet, une résine barrière pénétrante développé à la Chaire indus- acrylique a été ajoutée à la formulation dévelop- trielle de recherche sur la construction écores- pée précédemment. L’objectif était de permettre ponsable en bois (CIRCERB). Ce traitement se au traitement d’imprégner le bois tout en lui distingue des autres traitements de deux façons ajoutant une première couche de peinture. Cet différentes, soit parce qu’il imprègne le bois par objectif a bien été atteint, mais au coût d’un diffusion, plutôt que par pression, et parce qu’il revêtement moins performant. En effet, il a été permet d’appliquer une première couche de observé que si les oxydes d’amines diminuaient revêtement en même temps qu’il imprègne. l’absorption d’eau sur l’épinette sans revête- ment, ils ont plutôt augmenté la perméabilité de Bien qu’il ne soit pas encore suffisamment dé- la résine. Par contre, la perméabilité à l’humidité veloppé pour être utilisé dans des bâtiments, ce n’a pas semblé être affectée par le traitement. traitement est un exemple concret des avancées Les oxydes d’amines ont également diminué innovantes dans le domaine de la protection du l’adhésion du revêtement, et ce, particulière- bois. C’est pourquoi je vous invite à rester à l’affût ment lorsqu’un gros oxyde d’amine était utilisé. des développements futurs qui permettront de Cette partie du projet a donc permis de faire valoriser davantage ce matériau formidable. Partenaires du CIRCERB Partenaires majeurs Cecobois ®
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