622 - Matériaux durables pour des constructions durables

Conditionnée par les exigences environnementales et économiques, la tendance des marchés montre que les bio-composites auront une influence marquée dans plusieurs secteurs de l’industrie manufacturière. C’est dans ce contexte que la conférence s’inscrit et il concerne des méthodes reliées à l’élaboration et à la caractérisation de bio-composites ainsi que des techniques de modélisation et d’optimisation de la mise en forme de produits, en particulier par thermoformage. 

La construction en terre est considérée comme une construction écologique offrant de nombreux avantages en termes d'adaptation au changement climatique et de réduction des émissions de CO2 des bâtiments. L'objectif de l’étude est de faire une simulation numérique de trois murs pour différentes épaisseurs (20 et 30 cm), un mur conçu avec un matériau argileux brut, un mur en torchis contenant 3% de fibres et un mur en torchis avec 6 % de fibres. Les propriétés thermiques des torchis utilisées pour la simulation numérique sont tirées de données expérimentales. Ce travail a pour but d'évaluer, par simulations numériques, les performances thermiques des murs conçus avec l’argile et le torchis pour leur application dans les structures modernes à ossature bois. L’équation de chaleur en régime transitoire à travers l’enveloppe du bâtiment monocouche est résolue en utilisant le schéma de discrétisation par éléments finis. La performance thermique de chaque mur a été étudiée en utilisant les données météorologiques de l’année 2022. Cette simulation est réalisée à l'aide de données climatiques de Johannesburg en Afrique du Sud, Djibouti (Afrique) et Montréal au Canada. Les résultats de la simulation des murs en torchis sont comparés en fonction de la teneur en fibres et de l’épaisseur des murs. L'influence de la température extérieure et de l’irradiation solaire globale sur la température intérieure des murs est évalué. Les résultats ont été excellents pour le torchis.

Les fibres végétales présentent de nombreux avantages à savoir un coût économique et environnemental moindre, avec une faible densité induisant des propriétés mécaniques spécifiques satisfaisantes. Leur incorporation rendrait les équipements plus légers, plus respectueux de l’environnement. Au Sénégal, une plante invasive appelée Typha Australis, causant de nombreux problèmes, est de plus en plus utilisée dans la construction. Cette étude est une valorisation de cette biomasse pour des renforts de biocomposites. Le Typha Australis étudié a été récolté selon la norme sénégalaise de coupe NS 02 – 061. Une extraction manuelle des fibres est faite avec un peigne  en plastique dont l’espacement entre les dents est de 1 mm. Les fibres obtenues sont ensuite séchées au soleil pendant 3 journées afin d’éliminer toute l’humidité. L’objectif est d’étudier les caractéristiques minéralogiques de ces fibres afin d’identifier les substances chimiques organiques et inorganiques présentes dans sa structure moléculaire ainsi que ses propriétés mécaniques telles que la résistance en traction, le module d’Young et l’allongement à la rupture. Les vitesses de traverse, utilisée pour l’étude, sont de de 0,5 mm/min, 5 mm/min et 20 mm/min. Les résultats obtenus montrent des fibres similaires à celles lignocellulosiques d'un point de vue minéralogique, mais montrent également qu’une vitesse de traverse différente ne change quasiment pas la résistance en traction.

L’objectif de cette étude est de mettre en place un protocole global et une démarche pertinente permettant une meilleure compréhension des fibres de la laine des moutons en vue de leurs utilisations optimales comme renforts de nouveaux éco-matériaux présentant des meilleures propriétés physiques et mécaniques. Cette démarche s’articule autour d’une triple approche : biologique/Procédé/Propriétés physiques et mécaniques de ces nouveaux matériaux. En effet, La laine est un matériau protéique appartenant à la famille des kératines. Ces dernières sont classées en deux types selon leurs caractéristiques physiques : les kératines molles et les kératines dures. La laine, comme les cheveux, la corne ou encore les ongles et les plumes, appartient à la famille des kératines dures. De plus, la laine est un matériau à microstructure complexe et hétérogène qui doit être prise en considération pour une véritable maitrise de son incorporation pour l’élaboration de nouveaux éco-matériaux. De ce fait, cette étude exige la mise en place d’un groupe de recherche multidisciplinaire avec un couplage biologique et mécanique. Ainsi, une meilleure compréhension de la microstructure des fibres de laine constitue une base pour mieux cerner leurs natures biologiques qui conditionnent manifestement leur meilleure valorisation. Aussi, la durabilité des produits éco-matériaux intégrant des fibres de laine constitue un grand chalenge pour assurer une meilleure utilisation dans divers domaines industriels.

La valorisation des ressources végétales serait une initiative stratégique pour la fabrication de bio-composites fonctionnels. En effet, les bio-composites bénéficient des caractéristiques intrinsèques des fibres et des plastiques tout en réduisant les coûts de production. De plus, les renforts naturels présentent plusieurs qualités par rapport aux renforts minéraux : faible densité, faible coût et moins abrasif. En ce qui concerne le secteur de la construction, il ne semble pas bénéficier des avantages offerts par les bio-composites. C'est dans ce cadre que s'inscrit le projet et il concerne la valorisation des fibres de bois dans la conception par thermoformage de toitures bio-composites. A cet effet, l'étude est orientée vers la modélisation numérique par thermoformage d'un composite à base de polyéthylène haute densité renforcée par de fibres de bois. Pour la modélisation, les paramètres rhéologiques identifiés à partir du test de cisaillement oscillatoire sont utilisés pour la caractérisation viscoélastique à l'aide de modèle intégral de Lodge. Ensuite, une étude numérique est réalisée sur la mise en forme forme de tôles par thermoformage. 

Les bio-composites à base de fibres naturelles représentent une alternative intéressante face aux plastiques. Ceux-ci présentent un faible coût de production et de bonnes propriétés mécaniques. Vu que les renforts sont de nature lignocellulosique, il est important de caractériser l’impact des pathogènes sur les propriétés de ces matériaux. C'est dans ce cadre que ce projet est inscrit et il concerne, d’une part, de caractériser l’impact des espèces fongiques (Trametes versicolor, Gloephyllum trabeum)  sur les propriétés mécaniques (module d’Young, allongement a la rupture et résistance à la traction) d’une famille de bio-composites, à base d'une résine thermoplastique et de renforts en bois, et, d’autre part, de caractériser l’influence de l’application de l’oxyde de zinc (ZnO) sur leurs propriétés mécaniques de ces bio-composites, préalablement exposés à des espèces fongiques. L’exposition à la pourriture, des essais mécaniques des échantillons exposés ont été réalisés et comparés aux propriétés d'échantillons témoins (non exposés et fabriqués dans les mêmes conditions). Des observations au microscope électronique et analyse EDX ont été réalisées sur des coupes transversales et tangentielles sur les échantillons et mettant en évidence l’action des champignons et corroborer l’action antifongique du ZnO.

La valorisation des rejets agricole offre des opportunité pour le développements de matériaux techniques à haute valeur ajoutée. Dans ce projet des matériaux à structure multi-échelle à base de fibres et nanofibres de cellulose extraites des rejet du palmier et du bananier on été étudiés. Ces matériaux sont en réalité des aérogels des aérogels à base de Dialdéhyde Cellulose (DAC) préparés par la technique de la lyophilisation. Tout d’abord, l’élaboration de DAC est assurée par l’oxydation de la pâte blanchie de cellulose en utilisant le periodate de sodium comme agent oxydant. Ensuite, deux types de DACs ont été préparés avec différents taux de la fraction nanométrique des DAC (DAC0%, et DAC4%). Les matériaux élaborés ont été lyophilisés afin d’obtenir des aérogels de DACs, puis ils ont subi une réticulation par l’hexaméthylène diamine et modifiés chimiquement par réduction. Les aérogels de DACs réticulés ont été soumis à plusieurs techniques de caractérisation dont notamment ; la diffraction des rayons X, la microscopie électronique à balayage, l’analyse thermogravimétrique et l’analyse par spectroscopie infrarouge à Transformée de Fourier. Les aérogels ont été ensuite soumis à une étude de la conductivité thermique afin d’exalter leurs capacités d’isolation thermique potentielles.

Étant donné que l’absorption à l’eau de es matériaux altère leur propriétés d’isolation, les travaux consistent à appliquer des modifications chimiques afin d’augmenter leur caractère hydrophobe.

Ce travail présente une évaluation expérimentale de l'effet de la température sur les propriétés thermiques et les propriétés mécaniques d'un composite tissu de jute/époxy chauffé à différentes températures. Le tissu de jute / époxy est préparé à la température ambiante et avec une fraction volumique fixe de jute (quatre couches de tissu) en utilisant la méthode d'infusion. Le composite est chauffé à différentes températures afin d’examiner l'effet de la température. Les propriétés mécaniques du tissu de jute / époxy chauffé à différentes températures sont soigneusement étudiées. Les résultats montrent que les composites exposés à des températures élevées ont tendance à avoir des propriétés mécaniques les plus faibles. A la température (80°C), le composite montre une grande capacité de déformation due au ramollissement de la matrice ce qui réduit la cohésion entre l'époxy et le tissu de jute. Ce dernier est la raison de la diminution de la contrainte de traction. De plus, le ramollissement de la matrice augmente avec l'augmentation de la température de chauffage. La contrainte de traction la plus faible (réduction de plus de 58 %) est déterminée dans le cas du composite chauffé à la température de 80°C. Les résultats de cette recherche confirment la limitation de l'utilisation du composite dans différentes applications, en particulier à haute température.

Face à la préoccupation croissante de l’impact environnemental des plastiques de synthèses, beaucoup d’effort ont été entrepris pour trouver des alternatives à ces plastiques traditionnels. Dans cette vision, le laboratoire de nanotechnologie et de bioplasturgie (LNBP) de l’UQAT a accentué ses recherches au développement durable des composites verts et semi-verts. Le LNBP a cumulé une expertise variée dans le domaine de développement des composites bois-polymères et celui des composites à base de bioplastiques. L’étendue du spectre de la recherche du LNBP commence au niveau de la valorisation des ressources naturelles par des élaborations de composites à base de thermoplastiques et s’étend jusqu’à la conception de pièces en matériaux composites pour des applications en thermoformage. La combinaison de connaissances techniques et d'infrastructures sophistiquées nous permet de mener des projets de recherche ambitieux et de proposer des solutions novatrices à nos partenaires. Nous travaillons sur des projets de recherche collaboratifs avec des partenaires industriels et académiques pour étudier les propriétés et les performances des matériaux composites. Notre expertise nous a permis de faire progresser le domaine de la science des composites verts et semi-verts et de proposer des solutions innovantes pour répondre aux besoins de l'industrie. Cette communication donnera un aperçu sur une partie des projets sur lesquels nous avons travaillé et d’autres qu’ils sont en cours.