Chapitre II Effet de la teneur en humidité d'équilibre et de la température du bois sur la résistance à la traction du bois d'épinette noire abouté par entures multiples

Table des matières

Des essais ont été effectués afin d'étudier l'influence de la teneur en humidité et de la température du bois lors de l'aboutage par entures multiples du bois d'épinette noire. Des groupes de blocs de bois ont été conditionnés à des teneurs en humidité de 12%, 17% et 20% H. Vingt-quatre heures avant l'usinage et collage, la température des blocs a été amenée à -5°C, 5°C, 12°C ou 20°C. Un total de dix combinaisons de teneur en humidité et de température du bois lors de l'usinage et du collage ont été étudiées. La résistance mécanique des joints obtenue sous les différentes conditions d'essai a largement dépassée les exigences de la norme NLGA SPS-1. Cependant, le bois abouté et collé à une température de -5°C a montré la plus basse résistance à la rupture en traction longitudinale. Le comportement mécanique des joints collés à des températures de 5°C, 12°C et 20°C fut semblable. L'étude de l'effet de la teneur en humidité sur l'aboutage du bois d'épinette noire s'est avérée peu concluante. Ainsi, la résistance mécanique des joints a augmenté à mesure que H diminue de 20% à 12%, mais cela n'a été observé qu'à 20°C. Une étude approfondie utilisant notamment des techniques de réduction de la variance mérite donc d'être réalisée.

The influence of moisture content and temperature of wood during finger-jointing was studied. Wood specimens were equilibrated to obtain 12%, 17% and 20% moisture content (MC). The temperature of wood blocks were brought to either -5oC, 5oC, 12oC or 20°C twenty four hours before machining and gluing process. In total, ten combinations of wood moisture contents and temperatures were investigated. The average ultimate tensile strength of finger-joints fabricated using various temperatures and moisture content treatments met the tensile strength requirements outlined in the Canadian National Lumber Grades Authority (NLGA) SPS 1-2000. However, finger-joints made with wood machined and glued at -5oC exhibited the lowest ultimate tensile strength. The mechanical performance of finger-joints machined and glued at 5°C, 12°C and 20°C was similar. The study of the effect of the moisture content on finger-joined black spruce was not very conclusive. Ultimate tensile strength of finger-joints was found to increase as moisture content decreased from 20% to 12%. However, that was observed only at 20°C. There is a need to expand on this study using reduction of variance techniques to determine the real impact of moisture content on the performance of finger-joined black spruce.

Le matériau bois est souvent exposé à diverses conditions environnementales avant et durant son travail dans une usine d'aboutage. L'entreposage du bois entraîne des problèmes liés à la teneur en humidité et à la température car les conditions ambiantes à l'intérieur de l'usine demeurent souvent non contrôlées. La température du bois est considérée très importante spécialement dans des pays tels que le Canada, lequel est caractérisé par des grandes différences de température entre l'hiver et l'été et même à l'intérieur d'une même saison. Les conditions de teneur en humidité et de température au moment du collage requièrent alors d'être considérées lors de la fabrication de produits structuraux de bois abouté. Cependant, peu d'information existe quant à l'effet de ces variables sur le comportement au collage du bois d'épinette noire.

La teneur en humidité (H) a des effets importants sur les propriétés mécaniques du bois, lesquels doivent être bien compris et pris en considération pour l'usage structural du bois. Gerhards (1982) a analysé les résultats de plusieurs travaux traitant les effets immédiats de la teneur en humidité et de la température sur les propriétés mécaniques du bois. Ces travaux ont été réalisés sur des échantillons de bois libres de défauts. La plupart des propriétés mécaniques augmentent à mesure que la teneur en humidité du bois diminue, lorsque cette dernière se situe en dessous du point de saturation des fibres (environ 30% H) (Green et Evans 2001). Ces propriétés augmentent également à mesure que la température diminue (Gerhards 1982). La plupart des études évaluées par Gerhards (1982) indiquent que la résistance maximale du bois en traction parallèle (UTS) se situe entre 4% et 8% de teneur en humidité (H). Toutefois, l'effet de l’humidité sur les propriétés mécaniques pour les grandes pièces de bois présente un comportement différent. Ainsi, Green et Kretschmann (1994), Kretschmann et Green (1996) et Green et al . (2003a) ont rapporté que la résistance maximale en traction parallèle est atteinte à une teneur en humidité variant entre 10% et 12% (H). Une recherche récente faite sur des colombages a montré que le module de rupture en flexion et l'UTS sont plus faibles à 4% H (15% d’humidité relative) qu'à 15% H (65% d'humidité relative) (Green et Evans. 2003b).

Par ailleurs, la teneur en humidité du bois lors du collage doit tenir compte de celle présente dans l'adhésif. En effet, l'humidité du bois et de l'adhésif affecteront considérablement le processus de mouillage, de pénétration et de durcissement de ce dernier. En général, les adhésifs aqueux collent d'une manière satisfaisante à des teneurs en humidité variant de 6% à 14% H. Cependant, on peut travailler à des gammes d'humidité plus élevées à l'aide des adhésifs ou des procédés spécialisés (Suomi-Lindberg et al. 2002). Par exemple, de résultats satisfaisants pour le collage du bois vert ont été obtenus par une technique d'impression des entures à l'aide d'un gabarit (Strickler 1970). D'autre part, Verreault (1999, 2000) a eu recours à des procédés tels que le New Zealand Greenweld, qui utilise un adhésif de type résorcinol-formaldéhyde mélangé avec le paraformaldéhyde et une solution d'ammonium, le procédé "US soybean" qui utilise une solution protéinique hydrolysée de soya mélangé avec le phénol-résorcinol formaldéhyde et un catalyseur de type paraformaldéhyde ainsi que le procédé à l'uréthanne.

D'autre part, Shuler et al. (1979) ont indiqué que la performance mécanique en flexion de poutres d'épinette de l'est a été affectée par la teneur en humidité des joints lors de l'aboutage. Plus tard, Shuler (1980) a évalué la résistance en traction et en flexion du bois abouté d'épinette de l'est en fonction du temps d'assemblage (10, 20 et 30 min) et de la teneur en humidité (8%, 12% et 14% H). Le bois abouté à faibles teneurs en humidité a montré moins de ruptures dans le bois et une résistance inférieure en traction à la rupture. Cependant, les analyses statistiques ont montré que ni la teneur en humidité, ni le temps d'assemblage n'ont été les principaux responsables de la faible performance du bois abouté. Néanmoins, le but de l'étude de Shuler (1980) était d'observer les caractéristiques de collage plutôt que la performance mécanique. De plus, l'utilisation de petits échantillons, a probablement affecté les conclusions de son étude.

Ngangué (2000) a étudié l'impact de la teneur en humidité sur la performance mécanique des joints à entures multiples d'épinette noire collés avec du phénol-résorcinol formaldéhyde. Cependant, les essais furent plutôt faits sur des petits blocs et non sur du bois abouté. Des paires de blocs de bois de même teneur en humidité ont été collés à 8%, 12%, 16% et 20% H. Des combinaisons de paires de blocs à différentes teneurs en humidité ont été également évaluées. Les écarts de teneur en humidité entre les paires furent ainsi 0%, 4%, 8% et 12% H. La performance au collage a été évaluée à l'aide d'un essai de cisaillement à la ligne de colle. Aucune différence significative a été observée entre les niveaux de 8% à 20% H. Cependant, d'après une analyse de régression, une valeur maximale et donc optimale de 13,5% H fut estimée pour les blocs de bois ayant une même teneur en humidité. D'autre part, des différences significatives ont été observées lorsque la teneur en humidité variait entre les blocs. D'après Ngangué (2000), une variation trop grande de la teneur en humidité, lors de l'utilisation de fours à radio fréquence, fera que l'énergie destinée à la cuisson de l'adhésif sera absorbée plutôt par le bois, en diminuant ainsi le taux de réticulation de la colle.

Les essais ont été effectués avec des colombages d'épinette noire à l'état sec de 38 mm x 64 mm de section, provenant de la région de Chibougamau, au Québec. Les défauts des pièces ont été enlevés par l'éboutage de blocs de 20 cm à 91 cm de longueur et répondant alors aux critères de qualité N° 2 et Meilleur de la Commission Nationale de Classification des Sciages (National Lumber Grades Authority 2000a et National Lumber Grades Authority 2000b).

Les blocs ont été placés dans des chambres de conditionnement réglées à 20°C et 65% d'humidité relative (HR), à 22°C et 78% HR et à 2°C et 85% HR. Les humidités nominales d'équilibre furent respectivement de 12%, 17% et 20% H. Ensuite, les blocs équilibrés à 12% et 20% H furent conditionnés à quatre températures (-5°C, 5°C, 12°C et 20°C) pour environ 24 heures avant l'usinage et le collage des entures. Les blocs à 17% H n'ont été amenés qu'à deux températures soit 5°C et 20°C. Ces températures ont été atteintes dans une chambre de climatisation PGC 500 CFM Climate-LAB-AA, modèle N° AA-5470. Un trou de 20 mm de profondeur et 2,4 mm de diamètre, percé sur la face la plus large des blocs, a permis d'insérer un thermocouple et contrôler ainsi le niveau de température désiré. Quelques minutes avant l'usinage et le collage, les blocs étaient enlevés de la chambre de climatisation, enveloppés dans des sacs à plastique et mis à l'intérieur d'une boîte de polystyrène pour maintenir les conditions de température et d'humidité du bois constantes. Les blocs étaient alors usinés et collés dans les 30 secondes suivant leur enlèvement de la boîte de polystyrène. Une machine d'aboutage de Conception RP 2000 a été employée pour la fabrication des entures. Les deux bouts des blocs ont été travaillés suivant leur largeur afin d'obtenir des entures horizontales. La configuration des entures de type sans épaulement a été utilisée étant donné sa bonne performance mécanique (Bustos et al. 2001 et Bustos et al. 2003). Une avance par couteau de 0,84 mm (0,034 pouce) a été obtenue par l'ajustement de la machine à 18,30 m/min (60 pieds/min) de vitesse d'avance et 3500 tr/min de vitesse de rotation des outils et l'emploi de 6 ensembles de couteaux par porte-outil. Les dimensions des entures furent de 28,3 mm de longueur, 0,76 mm de largeur au bout des entures et 6,69 mm de pas (Figure 3.2). Après l'usinage des entures, les blocs ont été collés en suivant les recommandations fournies par le fabricant de l'adhésif. L'adhésif est un système à deux composantes, soit un prepolymère polyuréthanne ISOSET UX-100 mélangé avec un polymère en émulsion ISOSET WD3-A322. L'adhésif fut mélangé tout juste avant d'être utilisé et appliqué sur l'une des faces des blocs à un taux de distribution de 110 g/m2. Le pressage a ensuite eu lieu à 20°C durant environ 20 secondes à une pression constante de 3,75 MPa. Les pièces assemblées ont été éboutées à 2,44 m de longueur afin d'obtenir les échantillons pour les essais de traction. Les échantillons ont été entreposés durant vingt-quatre heures dans la chambre de conditionnement à 20°C et 65% HR, avant d'être testés mécaniquement à la température de la pièce.

Les essais de traction longitudinale ont été réalisés selon la norme ASTM D-198 (American Society for Testing and Materials 1997a) à l'aide d'une machine Metriguard, modèle 412. La contrainte à la rupture en traction fut comparée à celle requise pour une utilisation structurale d'après la norme SPS-1 2000 (National Lumber Grades Authority 2000a). Les essais mécaniques et l'acquisition de données ont été contrôlés avec un logiciel développé par Forintek Canada Corp. Les modes de rupture autour des joints ont été examinés et classifiés selon la norme ASTM D-4688 (American Society for Testing and Materials 1997b). Après les essais mécaniques, deux échantillons ont été coupés de chaque côté du joint récemment cassé pour la détermination de la teneur en humidité et de la masse volumique selon la norme ASTM D 2395-93 (American Society for Testing and Materials 1995). La masse volumique basale moyenne des échantillons fut estimée à 436 kg/m3. Cette estimation fut faite en considérant un retrait volumétrique total de 11,1% et un point de saturation des fibres de 30% H.

Un dispositif factoriel a été appliqué pour évaluer les effets principaux et l'interaction entre deux facteurs: la teneur en humidité et la température du bois (procédure SAS-GLM). Une analyse de variance à deux critères de classification (Two-way ANOVA) a été effectuée pour évaluer les données (SAS Institute 1998). Au besoin, des comparaisons multiples de Fisher ont été effectuées pour déterminer les différences significatives entre les moyennes. L'hypothèse de normalité a été vérifiée par l'utilisation du test Shapiro-Wilk et l'homogénéité de variances par des tests de Levene et Bartlett.

La valeur moyenne et l'écart-type de la contrainte à la rupture en traction (UTS) en fonction de la température et de la teneur en humidité sont consignés au Tableau 2.1 . La Figure 2.1 résume les valeurs de UTS en fonction de la température pour les différentes valeurs de teneur en humidité (12%, 17% et 20% H). Les coefficients de variation de l'UTS ont varié de 11,5% à 20,4% pour les diverses conditions d'essai. Cette variabilité ne semble pas avoir été affectée ni par la variation de la température ni par celle la teneur en humidité du bois. L'ANOVA sur la contrainte à la rupture en traction longitudinale a montré une interaction significative entre la teneur en humidité et la température du bois. Les comparaisons multiples ont indiqué qu'il y a eu des différences significatives sur l'UTS entre les températures du bois pour chaque condition de teneur en humidité ( Tableau 2.1) . Les résultats ont révélé qu'à 12% H, la résistance en traction la plus élevée (34,17 MPa) a été atteinte à 20°C ce qui représente 44% de plus que la valeur la plus basse obtenue à -5oC (23,67 MPa). À 20% H, la plus faible UTS a été obtenue à –5°C encore. La tendance générale que l'on observe est donc que la température du bois au moment de collage affecte la performance mécanique du bois abouté d'épinette noire. Cette influence se manifeste principalement lorsqu'on passe de -5°C à des températures au-dessus de 5°C. Ainsi, pour des températures du bois au-dessus de 5°C, l'UTS a été en moyenne de 32,6 (MPa) à 12% H et de 29,8 (MPa) à 20% H. Ces contraintes ont alors été de 38% et 20% plus élevées respectivement, que les contraintes obtenues lorsque le bois a été collé à –5°C. L'effet de la température peut être expliqué par les différents taux d'évaporation et de diffusion de l'eau suivant l'application de l'adhésif. En effet, lorsque la température est très basse, l'évaporation et la diffusion sont plus lents, ce qui a pour effet de diminuer le taux de polymérisation (River et al. 1991, Marra 1992). Le bois conditionné à 17% H a montré des résultats similaires à ceux observés à 12% et 20%. Les résultats ont suggéré que l'effet de la température sur l'UTS entre 5°C et 20°C semble être assez faible. Ceci s'applique à toutes les teneurs en humidité étudiées.

La Figure 2.2 montre la contrainte à la rupture en traction longitudinale (UTS) obtenue lorsque la température avant usinage et collage était de -5°C, 5°C, 12°C et 20°C. Les

a. Le nombre de répétitions varie de 6 à 16.

b. Les chiffres entre parenthèses correspondent à l'écart-type.

c. Les moyennes à l'intérieur d'une colonne ou d'une ligne, suivie d'une même lettre, ne sont pas statistiquement différentes au seuil de 5% de niveau de probabilité. Les lettres en majuscules sont utilisées pour la comparaison entre températures (ligne) et les lettres en minuscules correspondent à la comparaison entre teneurs en humidité (colonne), et cela pour chaque teneur d'humidité et température considérées séparément.

points obtenus, couvrent les teneurs en humidité qui vont de 12% H à 20% H. L'ANOVA a indiqué que la teneur en humidité a affecté la performance du bois d'épinette noire abouté seulement à 20°C. Aucun effet significatif de la teneur en humidité a été rencontré à -5°C, 5°C et 12°C. Les résultats suggèrent que le nombre de répétitions (variant de 6 à 16) n'a probablement pas été suffisant pour détecter des différences significatives. La technique de jumelage de groupes d'éprouvettes devrait être mieux contrôlée afin de réduire la variation due à d'autres paramètres. À 20°C, l'UTS du bois abouté testé à 12% H a été de 18% ou 24% plus élevée que les pièces collées à 17% H ou 20% H, respectivement. Le nombre de répétitions à cette condition d'essai (16), était plus élevé que les deux autres conditions, ce qui rend donc ce résultat plus fiable. Ce résultat concorde également avec ceux rapportés par Green et Kretschmann (1994) et Kretschmann et Green (1996) indiquant que l'UTS du bois massif diminue à mesure que la teneur en humidité augmente. Par ailleurs, ce résultat est aussi en accord à ce que Steiner (1986) et Ashland (1999) recommandent. Lorsque l'adhésif ISOSET UX100 est combiné avec ISOSET WD 3-A322, l'eau de cette composante réagit avec le polymère isocyanate ISOSET UX-100 pour initier le procédé de durcissement de l'adhésif. C'est pourquoi la compagnie des adhésifs Ashland recommande que la teneur en humidité du bois soit entre 6% et 16% H mais qu'elle soit de préférence située

Température du bois (°C)

Figure 2. 1. Influence de la température avant usinage et collage sur la contrainte à la rupture en traction longitudinale du bois d'épinette noire abouté à trois conditions de teneurs en humidité.

entre 8% et 12% H (Ashland 1999). Steiner (1986) suggère également que l'étendue idéale pour coller le bois avec des adhésifs de type isocyanate se situe entre 8% et 12% H.

La qualité de la ligne de colle a été évaluée par la proportion de rupture dans le bois d'après la norme ASTM D4688 (American Society for Testing and Materials 1997b). Généralement, la proportion de rupture dans le bois était très élevée. Plus de 80% des

Figure 2. 2. Influence de la teneur en humidité avant usinage et collage sur la contrainte à la rupture en traction longitudinale du bois d'épinette noire abouté à quatre conditions de température.

échantillons ont eu une rupture de type 3 et 4. La rupture de type 3 est produite d'une part tout au long du profil avec quelques bris à la racine des entures. La rupture de type 4 se présente d'autre part dans la racine des entures, principalement avec un pourcentage élevé de rupture dans le bois. Il n'y a pas eu de rupture provoquée par un mauvais collage, ce qui confirme que le procédé d'application et de durcissement de l'adhésif a été relativement adéquat.

Les conditions de température et de teneur en humidité au moment de l'usinage et du collage affectent la performance mécanique du bois abouté d'épinette noire. Le bois abouté et collé à une température de -5°C a montré la plus basse résistance à la rupture en traction longitudinale. Le comportement mécanique des joints collés à des températures de 5°C, 12°C et 20°C fut semblable. L'effet de la teneur en humidité sur l'aboutage à entures multiples du bois d'épinette noire s'est avéré peu concluant. Ainsi, une augmentation significative de l'UTS a été observée à mesure que H diminue de 20% à 12%. Cependant, ce comportement ne fut observé qu'à une seule température (20°C) parmi les quatre étudiées. Une étude approfondie utilisant notamment des techniques de réduction de la variance, ou alors avec un plus grand nombre d'échantillons de façon à réduire l'erreur standard, mérite donc d'être réalisée. Finalement, les résultats mécaniques obtenus sous les différentes conditions de température du bois et de teneur en humidité ont tout de même dépassé les exigences de la norme NLGA SPS-1 (National Lumber Grades Authority 2000a) pour la qualité N° 2 et Meilleur. La grande performance du bois abouté à des conditions diverses de teneurs en humidité et de température est une indication de la bonne qualité de collage avec l'adhésif du type isocyanate.

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