Analyse dynamique de la biodégradation du bois et des composites à base de bois et fibres végétales
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Description

Sous la direction de Patrick Castéra, Stéphane Grelier
Thèse soutenue le 05 octobre 2009: Bordeaux 1
La biodégradation du bois est étudiée pour comprendre et quantifier l’endommagement mécanique résultant. Il apparaît que le bois, et notamment le pin maritime, est sensible à une attaque fongique, faisant baisser sa résistance (en compression ou en fissuration) avant même la constatation d’une perte de masse. Cette observation oblige à développer des outils de détection précoce, comme la relaxométrie RMN, pour détecter l’apparition d’un pathogène sur des structures bois de plus en plus encouragées. Par ailleurs, l’emploi de composites à base de bois s’avère justifié pour rendre durable le matériau, et présente un avantage écologique, grâce au recyclage des éléments comme le plastique. Cet argument « vert » est d’une importance grandissante et requiert le développement de nouveaux procédés de préservation du bois. Ainsi, cette thèse étudie aussi le comportement à plus ou moins long terme des bois imprégnés d’anhydrides et d’huile d’origine végétale, ou encore du bois traité thermiquement. Des domaines autres que la mécanique sont abordés, afin d’expliquer l’ensemble des phénomènes intervenant durant une dégradation et comprendre les axes d’amélioration dans cette discipline « vivante ».
-Biodégradation
-Détection précoce
-Endommagement
-Pin maritime
-Préservation
Wood biodegradation is studied in order to understand and quantify the mechanical damage. Wood, and especially maritime pine, is sensitive to a fungal attack that causes a decrease of its strength (compression or fracture resistance), before a weight loss occurs. This requires developing or ameliorating the tools of early detection, such as NMR relaxometry, in order to detect the appearance of a pathogen in wooden structures that are more and more appreciated. Besides, wooden composites are a good alternative to make the material more durable, and are ecologically interesting, as they permit to recycle some element, like plastics. This “green” effect is of main importance, which implies a development of new ways in wood preservation. This thesis, led in a short as well as in a long term scale, also studies the behaviour of wood, impregnated with anhydrides or oils from a vegetal origin, or even heat-treated wood. Not only mechanics is described, so that many phenomena are explained and perspectives are clarified.
-Biodegradation
-Damage
-Early detection
-Maritime pine
-Preservation
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13848/document

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Langue Français
Poids de l'ouvrage 7 Mo

Exrait

N° d’ordre : 3848

THESE

PRESENTEE A

L’UNIVERSITE BORDEAUX 1

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE
L’INGENIEUR

Par Thibaud SURINI

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPECIALITE : SCIENCES DU BOIS


*****************************************************
ANALYSE DYNAMIQUE DE LA BIODEGRADATION DU
BOIS ET DES COMPOSITES A BASE DE BOIS ET
FIBRES VEGETALES
*****************************************************

Soutenue le : Lundi 5 Octobre 2009


Après avis de :

MM. Pascal TRIBOULOT, Professeur, ENSTIB, Epinal Rapporteurs
Joris VAN ACKER, Professeur, Université de Gand

Devant la commission d’examen formée de :

MM. Gérard VALENTIN, Professeur, Université Bordeaux 1 Président
Pascal TRIBOULOT, Professeur, ENSTIB, Epinal Rapporteur
Joris VAN ACKER, Professeur, Université de Gand Rapporteur
Patrick CASTERA, Chargé de recherche 1, INRA Examinateur
Bertrand CHARRIER, Maître de Conférences,
IUT de Pau et des Pays de l’Adour, Sylvadour Examinateur
Stéphane GRELIER, Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur

-2009- A celle qui a fait de moi,

« cet homme [qui] marchait pur loin des sentiers obliques,
vêtu de probité candide et de lin blanc. »
II Remerciements


Cette thèse est l’aboutissement de 3 ans de travail que l’on peut qualifier de collectif. Je
remercie tout d’abord l’INRA ainsi que la Région Aquitaine, pour le financement de cette étude.
Cependant, l’idée originale est venue de mes encadrants, M. Patrick Castéra et le Prof. Stéphane
Grelier que je remercie avant tout pour leur confiance. Bien qu’encadrant non officiel, j’associe
le Prof. Gérard Valentin, avec qui j’ai pu avoir des discussions scientifiques toujours riches en
enseignements. Je remercie également les Professeurs Pascal Triboulot et Joris Van Acker,
d’avoir accepté d’être les rapporteurs de cette thèse.

Les différentes études ont aussi été réalisées grâce à l’aide et aux conseils de personnes
extérieures au laboratoire. Pour ce qui est de l’approvisionnement, je remercie la scierie Beynel
Manustock et la scierie Lesbats et Fils pour le pin maritime, la scierie Delord pour le chêne, la
scierie Pomarède pour mes baguettes de douglas. Concernant les « manips », je remercie le
CREMEM et particulièrement Mme Elisabeth Sellier pour ses très jolies photographies, Mme
Sylvie Niollet de l’Unité TCEM, ainsi que l’IUT Génie Civil, d’où sont sortis les composites
Bois/ciment. Je voudrais remercier M. Ghislain Simo d’avoir essuyé les plâtres sur le traitement
thermique, ce qui m’a permis un gain de temps pour mon travail expérimental sur le four. Je
n’omettrai pas celui sans qui les essais de fissuration n’auraient pas été possible : M. Xavier
Basile, de la société Zwick/Roell, qui a accepté de nous prêter une machine d’essai adapté à nos
éprouvettes, et m’a formé sur la prise de mesure avec le logiciel TestXpert II. Merci !
Les collaborations ne s’arrêtent pas là, car, même des projets scientifiques ont vu le jour
grâce au soutien d’autres unités de recherche. Je pense tout d’abord à Olivier Pignolet, Jérôme
Peydecastaing et à M. Carlos Vaca-Garcia, du LCA (ENSIACET-Toulouse), qui m’ont permis
d’étudier de nouveaux traitements chimiques élaborés par leur soin. Je pense aussi à Mme
Marie-France Thévenon et Mme Christine Baudassé du CIRAD, ainsi qu’à Mme Fatima
Charrier et M. Bertrand Charrier et Amine Moubarik de Sylvadour, que je remercie vivement
pour leurs précieux conseils et leur disponibilité. C’est aussi grâce à eux que j’ai, entre autres,
appris à compter… des termites !

J’en reviens à mes collègues bordelais, en remerciant tout d’abord toute l’équipe de la
Capitale. S’il serait trop long de citer tous les membres du laboratoire, je voudrais remercier le
Chef Info, Jean-Marc Sibaud, d’avoir partagé cette grande pièce qu’est la salle informatique, et
Stéphane Morel pour ses précieux conseils quotidiens. Au premier étage, je penserai à l’équipe
de l’Institut du Pin, qui m’a initié au p’tit chimiste : je pense à Eric Virol, Gérard Dimier,
Patricia Grandinot, Mélanie Bousquet et l’excellent Jean-Michel Lasnier. Merci de m’avoir fait
oublier les difficultés liées au travail !
III Je voudrais remercier tout particulièrement l’équipe de banlieusards du labo. Je pense
tout d’abord à la bande à Fifi, Sylvain et l’électron libre Jean-Louis (évidaban !). Philippe Taris,
qui m’a confectionné des bâtis résistants à toute épreuve. Je remercie Bernard, qui a toujours été
là quand il s’agissait de m’aider dans mes essais mécaniques, ainsi que Jérôme pour ses conseils
toujours avisés et sa disponibilité. Je n’oublie pas « Jeff » Dumail et je remercie aussi l’esbien
Jean-Luc Coureau, pour son aide et son humour qu’il allie à la perfection avec le sérieux de son
travail. Et je remercie tout naturellement le documentaliste, menuisier, cuistot,… M. Michel
Chassagne, de m’avoir donné envie de travailler le matériau.
Je pense logiquement aux buveurs de thé : l’ami Nafa, pour le rayon de soleil qu’il nous
apporte, et je remercie Mesdames Martine Cosson, Françoise Rodriguez, pour leur bonne
humeur quotidienne. Sans oublier la formidable Myriam (« Mme Chaplain » pour les
stagiaires ;)), pour tout ce qu’elle m’a appris, et il est normal que je souligne ici sa sympathie, sa
présence, son professionnalisme et toutes ses qualités qui font d’elle une chercheuse hors pair.
Après le thé, les thé…sards (actuels et anciens) bien sûr ! Je remercie ainsi Régis,
Marie, Joseph, Maodo, Ricky, Kamal, Thibaut (avec un T ;), Christophe, Mohamed, Arnaud,
Théoneste, Rachid, Emmanuel, Nicolas, Elise, sans oublier Marcel qui m’a initié aux
champignons. Je remercie aussi Agnès pour la joie de vivre qu’elle a apportée au labo et Marion
Carrier, de l’ICMCB, pour ses précieux conseils.

Enfin, un grand merci à tous ces proches qui savent à quel point ils me sont chers.
Amis, parents, il n’est pas lieu ici de détailler qui ils sont ni tout ce qu’ils m’ont apporté. Qu’ils
sachent que c’est grâce à eux que j’en suis arrivé à un niveau où je me sens tout bonnement
épanoui et heureux.
IV Résumé

L’endommagement mécanique est utilisé pour comprendre et quantifier la
biodégradation du bois. Il apparaît que le bois, et notamment le pin maritime, est sensible à une
attaque fongique, faisant baisser sa résistance (en compression ou en fissuration) avant même la
constatation d’une perte de masse. Cette observation oblige à développer des outils de détection
précoce, comme la relaxométrie RMN, pour détecter l’apparition d’un pathogène sur des
structures bois de plus en plus encouragées. Par ailleurs, l’emploi de composites à base de bois
s’avère justifié pour rendre durable le matériau, et présente un avantage écologique, grâce au
recyclage des éléments comme le plastique. Cet argument « vert » est d’une importance
grandissante et requiert le développement de nouveaux procédés de préservation du bois. Ainsi,
cette thèse étudie aussi le comportement à plus ou moins long terme des bois imprégnés
d’anhydrides et d’huile d’origine végétale, ou encore du bois traité thermiquement. Des
domaines autres que la mécanique sont abordés, afin d’expliquer l’ensemble des phénomènes
intervenant durant une dégradation et comprendre les axes d’amélioration dans cette discipline
« vivante ».

Mots-clés : Biodégradation ; Détection précoce ; Endommagement ; Pin maritime ;
Préservation.



Abstract

The mechanical damage is used in order to understand and quantify the biodegradation
of wood. This material, and especially maritime pine, is sensitive to a fungal attack that causes a
decrease of its strength (compression or fracture resistance), before a weight loss occurs. This
requires developing or ameliorating the tools of early detection, such as NMR relaxometry, in
order to detect the appearance of a pathogen in wooden structures that are more and more
appreciated. Besides, wooden composites are a good alternative to make the material more
durable, and are ecologically interesting, as they permit to recycle some element, like plastics.
This “green” effect is of main importance, which implies a development of new ways in wood
preservation. This thesis, led in a short as well as in a long term scale, also studies the behaviour
of wood, impregnated with anhydrides or oils from a vegetal origin, or even heat-treated wood.
Not only mechanics is described, so that many phenomena are explained and perspectives are
clarified.

Keywords : Biodegradation ; Damage ; Early detection ; Maritime pine ; Preservation.
V Table des Matières

Introduction générale 1
er1 Chapitre : Un sujet largement abordé, mais qui reste à étudier… 3
I. Introduction......................................................................................... 4
II. Les causes de la biodégradation.......................................................... 4
2.1. Le bois, un matériau appétant… ................................................................... 4
2.1.1. Constitution ...................................................................................................4
2.1.2. Organisation..................................................................................................6
2.2. … pour de nombreux prédateurs .................................................................. 7
2.2.1. Menace animale.............................................................................................7
2.2.2. Menace bactériologique ................................................................................9
2.2.3. Menace fongique .........................................................................................10
2.2.3.1. Les peu nuisibles....................................................................................10
2.2.3.2. Les pourritures .......................................................................................11
2.2.4. Conditions de développement......................................................................13
2.3. « Biodégradation » ne se résume pas à « dégradation biologique »........... 14
2.3.1. Des relations de Causes à Effets .................................................................14
2.3.1.1. De la molécule… ...................................................................................14
2.3.1.2. … au tissu ligneux .................................................................................15
2.3.1.3. De la chimie à la mécanique ..................................................................17
2.3.2. La perte de masse : l’arbre qui cache la forêt ............................................18
2.3.3. Pertinence des essais...................................................................................18
III. La durabilité naturelle ....................................................................... 19
3.1. Les normes en vigueur ................................................................................. 19
3.2. Les différences entre individus .................................................................... 21
3.2.1. Variabilité inter-espèce ...............................................................................21
3.2.2. Variabilité intra-arbre.................................................................................21
3.3. Les composites............................................................................................ 22
3.3.1. Les panneaux...............................................................................................22
3.3.2. Le Bois/Plastique.........................................................................................25
3.3.2.1. Usages et fabrication..............................................................................25
3.3.2.2. De multiples intérêts ..............................................................................26
3.3.2.3. Durabilité ...............................................................................................27
3.3.3. Le Bois/Ciment ............................................................................................28
3.3.3.1. Un matériau pas toujours « compatible » …..........................................28
3.3.3.2. … mais très souvent durable..................................................................30
IV. Préservation....................................................................................... 31
4.1. Traitements préventifs ................................................................................ 31
VI 4.1.1. Modifications sur bois massif… ..................................................................31
4.1.1.1. … par imprégnation de produits chimiques ..............................................31
• Comment fixer le cuivre ? 32
• Le bore 33
• Traitements divers 33
4.1.1.2. … par modifications de la paroi cellulaire ................................................34
• L’estérification 34
• L’acétylation 34
• L’éthérification 35
4.1.1.3. … par traitements thermiques ...................................................................36
• Principe et intérêts 36
• Paramétrage 37
• Propriétés du matériau 38
• Préservation 40
• Procédés brevetés 41
4.1.2. Traitements des composites.........................................................................42
4.2. Traitements curatifs .................................................................................... 42
4.2.1. Traitements..................................................................................................42
4.2.2. Détection précoce........................................................................................43
4.2.2.1. Méthodes chimiques ..............................................................................43
4.2.2.2. Méthodes hygroscopiques......................................................................43
4.2.2.3. Méthodes physiques...............................................................................44
ème2 Chapitre : Des outils pour la détection précoce ..........................46
I. Introduction....................................................................................... 47
II. Les dégâts encourus .......................................................................... 47
2.1. Au sein d’une poutre................................................................................... 47
2.2. Entre différentes essences de bois .............................................................. 49
2.2.1. Protocole de la dégradation fongique.........................................................49
2.2.1.1. Choix des essences et échantillonnage...................................................49
2.2.1.2. Préparation du milieu de culture ............................................................50
2.2.1.3. Dégradation des éprouvettes ..................................................................51
2.2.2. Observations anatomiques ..........................................................................52
2.2.2.1. Préparation des échantillons...................................................................53
2.2.2.2. Phénomènes observés ............................................................................53
2.2.2.3. Discussion..............................................................................................55
2.2.3. Conséquences mécaniques ..........................................................................56
2.2.3.1. Protocole ................................................................................................57
2.2.3.2. Endommagement dynamique.................................................................58
2.2.3.3. Discussion..............................................................................................61
2.2.3.4. Limites de l’étude ..................................................................................62
III. Emploi de critères mécaniques pertinents ........................................ 63
3.1. Mécanique de la fissuration ........................................................................ 63
3.1.1. Un essai (fra)cassant...................................................................................63
3.1.2. Méthode.......................................................................................................64
VII 3.1.2.1. Echantillonnage......................................................................................64
3.1.2.2. Une dégradation contrôlée .....................................................................67
3.1.2.3. Essai de fissuration ................................................................................68
3.1.3. Résultats ......................................................................................................71
3.1.3.1. Efficacité de l’échantillonnage...............................................................71
3.1.3.2. Conséquences de la dégradation ............................................................72
3.1.4. Discussion ...................................................................................................75
3.2. L’analyse vibratoire : une perspective intéressante .................................... 77
3.2.1. Théorie.........................................................................................................77
3.2.2. Un protocole à envisager ............................................................................77
IV. La relaxométrie ................................................................................. 78
4.1. Principe théorique ....................................................................................... 78
4.2. Applications au bois.................................................................................... 79
4.3. Protocole utilisé .......................................................................................... 80
4.3.1. Impacts de la biodégradation......................................................................80
4.3.2. Le relaxomètre et séquences utilisées..........................................................81
4.3.3. Influence des extractibles ............................................................................82
4.4. Résultats...................................................................................................... 83
4.5. Discussion................................................................................................... 86
4.6. Pertinence de la méthode et limites ............................................................ 88
V. Conclusion ........................................................................................ 88
ème3 Chapitre : Les traitements de « nouvelle génération » ................90
I. Introduction....................................................................................... 91
II. Etude des Anhydrides Alkényles Succiniques (ASA)...................... 91
2.1. Présentation des molécules ......................................................................... 91
2.1.1. ASAM...........................................................................................................92
2.1.2. ASABu..........................................................................................................93
2.2. Le protocole ................................................................................................ 93
2.2.1. L’imprégnation............................................................................................94
2.2.2. Des essais mécaniques consécutifs..............................................................95
2.2.2.1. Deux méthodes complémentaires de flexion .........................................95
2.2.2.2. Compression ..........................................................................................97
2.2.3. Résistance fongique.....................................................................................97
2.3. Résultats...................................................................................................... 98
2.3.1. Influence physique du traitement.................................................................98
2.3.2. Homogénéité des propriétés entre deux extrémités...................................100
2.3.3. Comportement à la diffusion .....................................................................101
2.3.4. Efficacité antifongique...............................................................................101
2.4. Discussion................................................................................................. 102
VIII III. Les traitements thermiques ............................................................. 104
3.1. Les effets sur la chimie du bois ................................................................ 104
3.1.1. Protocole de dosage de l’alpha-cellulose, hémicelluloses et lignine........104
3.1.1.1. Etapes préparatoires.............................................................................104
3.1.1.2. Dosage et distinction des polysaccharides...........................................105
3.1.1.3. Dosage de la lignine de Klason............................................................105
3.1.2. Résultats et discussion...............................................................................106
3.2. L’originalité de traiter sous-vide............................................................... 108
3.2.1. Intérêts et matériel utilisé..........................................................................108
3.2.2. La préparation du bois ..............................................................................109
3.2.3. Les traitements envisagés..........................................................................109
3.2.4. Les tests de caractérisation du bois torréfié..............................................110
3.2.4.1. Résistance à la flexion..........................................................................110
• Protocole 110
• Résultats 110
3.2.4.2. Stabilité dimensionnelle.......................................................................112
• Cycle de mesure 112
• Résultats 114
3.2.4.3. Durabilité face aux termites .................................................................115
• Protocole 115
• Résultats 116
3.3. Le traitement thermique est-il réellement non polluant ? ......................... 118
3.3.1. Analyse par GC/MS des substances extraites lors du traitement..............118
3.3.1.1. Protocole ..............................................................................................118
3.3.1.2. Résultats...............................................................................................118
3.3.2. Analyse de cycle de vie..............................................................................119
3.4. Discussion sur le bois traité thermiquement............................................. 120
IV. Les composites................................................................................ 122
4.1. Le Bois/Plastique ...................................................................................... 122
4.1.1. Protocole ...................................................................................................122
4.1.2. Résultats et interprétation .........................................................................122
4.2. Le Bois/ciment.......................................................................................... 124
4.2.1. Intérêts de l’essai.......................................................................................124
4.2.2. Protocole ...................................................................................................124
4.2.2.1. Confection des éprouvettes ..................................................................124
4.2.2.2. Biodégradation.....................................................................................125
4.2.2.3. Test de compression.............................................................................126
4.2.3. Résultats ....................................................................................................126
4.2.3.1. Avant dégradation................................................................................126
4.2.3.2. Après dégradation ................................................................................128
4.2.4. Discussion .................................................................................................131
V. Conclusion ...................................................................................... 132
ème4 Chapitre : La durabilité à long terme...........................................133
IX I. Introduction..................................................................................... 134
II. Vieillissement naturel ..................................................................... 134
2.1. Rappels bibliographiques.......................................................................... 134
2.2. Protocole ................................................................................................... 136
2.2.1. Préservation ..............................................................................................136
2.2.2. Vieillissement naturel ................................................................................137
2.2.2.1. Pourquoi un vieillissement naturel ?....................................................137
2.2.2.2. L’exposition .........................................................................................137
2.2.2.3. L’échantillonnage ................................................................................137
2.2.3. Les mesures ...............................................................................................138
2.3. Caractérisations du vieillissement ............................................................ 139
2.3.1. Analyse des données météorologiques ......................................................139
2.3.1.1. Protocole ..............................................................................................139
2.3.1.2. Analyse des données............................................................................139
2.3.2. Rugosimétrie..............................................................................................142
2.3.2.1. Protocole ..............................................................................................142
• Mesures des profils 2D 142
• Comment traiter les données ? 143
2.3.2.2. Résultats...............................................................................................145
2.3.2.3. Discussion et limites de la méthode.....................................................148
2.3.3. Colorimétrie ..............................................................................................151
2.3.3.1. Principe théorique ................................................................................151
2.3.3.2. Protocole ..............................................................................................152
2.3.3.3. Résultats...............................................................................................152
2.3.3.4. Discussion............................................................................................155
2.3.4. Analyse physico-mécanique.......................................................................157
2.3.4.1. Impacts du traitement préalable ...........................................................157
2.3.4.2. Impacts du vieillissement.....................................................................158
• Sur la masse 158
• Sur les données mécaniques 160
2.4. Essais de biodégradation, post-vieillissement .......................................... 163
2.4.1. Protocole ...................................................................................................163
2.4.2. Résultats ....................................................................................................163
2.5. Discussion et limites ................................................................................. 164
III. Des perspectives à envisager… ...................................................... 167
3.1. La durée de vie......................................................................................... 167
3.2. Le changement d’échelle ......................................................................... 168
IV. Conclusion ...................................................................................... 169
Conclusion générale 170
Bibliographie XI
Listes : Abréviations, Figures, Tableaux, Equations, Annexes XXXIV
Annexes XLII
X

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