Publié le 19 décembre 2024
Le bois démontre un potentiel surprenant et étendu, bien au-delà de la construction. Cinq chercheurs et chercheuse d’IMT Mines Alès partagent leurs travaux sur le bois et ses multiples facettes, ainsi que les questionnements que son utilisation soulève en matière de performance et de durabilité.
Matériau ancestral aux applications modernes, le bois est un acteur clé de la transition écologique. Entre durabilité, recyclage et innovation, il démontre un potentiel surprenant et étendu, bien au-delà de la construction. Crédits : Unsplash.
Utilisé depuis des millénaires dans le domaine de la construction, le bois connaît aujourd’hui un regain de popularité. Écologique et durable, ce matériau traditionnel suscite un intérêt accru dans un contexte de transition environnementale. Plus qu’un matériau de construction d’habitat, il présente des propriétés intéressantes pour l’ingénierie de produits hautement techniques, comme des satellites.
Pour Stéphane Corn, enseignant-chercheur au centre des matériaux d’IMT Mines Alès (C2MA), « le bois est un matériau complexe, utilisé depuis les débuts de l’humanité, mais qui continue de nous surprendre par la diversité de ses applications ». Au sein du centre, plusieurs chercheurs et chercheuses explorent ainsi de nouvelles façons de valoriser cette ressource naturelle, en étudiant ses potentialités à différentes échelles : de la structure massive aux fibres de bois, en passant par les panneaux de particules. Leurs expertises se rencontrent sur plusieurs projets, à la croisée des disciplines.
L’un des principaux enjeux de l’utilisation du bois en tant que matériau d’ingénierie est sa durabilité et sa capacité à répondre aux exigences modernes de performance technique. Au sein de l’équipe Durabilité des éco-Matériaux et Structures (DMS), Stéphane Corn met au point des méthodes de caractérisation et de modélisation des propriétés mécaniques de nombreux matériaux sous différentes conditions d’usage. En étroite collaboration avec les équipes de recherche du Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) et du Cirad de Montpellier, il teste notamment différentes essences de bois.
Le chercheur en mécanique des matériaux mène pour cela des essais statiques classiques – l’application d’une force sur des échantillons de bois afin de mesurer leur résistance et leur rigidité – mais également des analyses vibratoires. « En faisant légèrement vibrer un échantillon du matériau, nous mesurons ses fréquences de résonance à partir desquelles nous identifions, sans l’endommager, sa rigidité tridimensionnelle et sa capacité à amortir des vibrations », détaille-t-il. Un point crucial pour la stabilité des structures exposées à des vibrations, qu’il s’agisse de causes naturelles (activité sismique…) ou plus quotidiennement des activités humaines (travaux à proximité, fonctionnement de machines…). « Ces méthodes d’analyse, généralement appliquées à l’auscultation et la modélisation prédictive du comportement des édifices et des structures, permettent donc également la caractérisation non destructive de matériaux en laboratoire », ajoute-t-il.
Outre ses performances mécaniques, le bois doit également faire ses preuves sur une autre propriété essentielle des matériaux de construction : le comportement au feu. « De nombreux matériaux biosourcés sont sensibles à un phénomène très peu étudié et difficile à détecter : le feu couvant, c’est-à-dire la combustion lente mais sans flamme des matériaux », contextualise Rodolphe Sonnier. Ce chercheur au sein de l’équipe Polymères, Composites et Hybrides (PCH) s’intéresse notamment à l’ignifugation du bois. « Nous cherchons à démontrer que, selon l’essence d’arbre ou la partie du bois utilisée, comme l’écorce ou le duramen [le cœur du bois], les comportements face au feu peuvent varier. Certains bois présentent naturellement une meilleure résistance au feu, et nous explorons également des traitements biosourcés, à base de résines ou de retardateurs de flamme naturels, pour améliorer cette caractéristique », précise-t-il.
Après plusieurs étapes de fractionnement et de préparation (en haut, de gauche à droite), le bois agroforestier peut ensuite être utilisé pour la production de matériaux composites biosourcés (en bas). Crédits : IMT Mines Alès, Agroof.
Parmi les diverses déclinaisons du bois, les fibres occupent une place centrale dans les recherches menées au C2MA : de nombreux travaux y sont dédiés à leur développement et leur caractérisation pour une utilisation dans des matériaux composites. Historiquement, IMT Mines Alès bénéficie d’une expertise de longue date dans l’étude des fibres de renforcement. Initialement centrées sur des matériaux synthétiques, les recherches se sont progressivement orientées vers des solutions plus écologiques. « C’est ainsi que nous sommes passés de la fibre de verre à la fibre végétale et, au fil des collaborations, à la fibre de bois », relate Stéphane Corn.
Tandis que la plupart des échantillons de bois à l’échelle macroscopique sont issus de la xylothèque du Cirad, les échantillons dits « fractionnés » proviennent, eux, de la halle technologique FRD-Lab : la première plateforme européenne dédiée à l’extraction et à la caractérisation des fibres, granulats et semi-produits végétaux, et partenaire d’IMT Mines Alès depuis plus de 10 ans sur des projets de recherche. L’obtention des fibres de bois est un processus complexe qui nécessite soit un broyage et un tamisage pour obtenir des résidus fibreux de dimensions contrôlées, soit un procédé de défibrage – ou explosion à vapeur – qui utilise une pression mécanique pour produire des fibres unitaires de haute densité.
Ces fibres sont ensuite caractérisées et sélectionnées pour être utilisées comme charges ou renforts dans des matériaux composites. Au sein de l’équipe PCH, les enseignants-chercheurs Clément Lacoste et Nicolas Le Moigne s’intéressent à la fois aux propriétés de ces fibres de bois, à leur intégration dans des composites, et aux propriétés finales de ces matériaux. En combinant analyses dimensionnelle, physico-chimique et mécanique, leurs travaux visent à développer des fibres végétales, en alternative aux fibres synthétiques, qui soient plus écologiques tout en restant performantes. Le projet AGROBRANCHE, financé par l’Ademe, en est un exemple.
La durabilité de ces matériaux composites, comme des panneaux de particules, ne tenant pas qu’au bois, les matières et liants employés sont également étudiés par les scientifiques. « Une des problématiques des panneaux à base de bois, dans l’ingénierie par exemple, est l’utilisation de colles avec du formaldéhyde », signale Clément Lacoste. Au fil du temps et du vieillissement des colles et résines synthétiques, des panneaux de bois peuvent effectivement émettre des composés organiques volatils (COV), nuisant à la qualité de l’air intérieur, voire cancérogène comme le formaldéhyde.
Pour tenter de réduire ces risques sanitaires, le chercheur œuvre donc au développement de bio-adhésifs à partir de résines polymères d’origine naturelle. Il collabore également avec l’équipe de recherche sur les interactions du bois avec leur environnement (RIME). « Nous évaluons la qualité de l’air intérieur des bâtiments pour identifier les sources de polluants et trouver des solutions pour réduire les émissions », expose Valérie Desauziers, Professeur et responsable de l’équipe RIME. « Cela inclut aussi bien l’étude des bois massifs que des matériaux composites et des panneaux de particules, en allant des matériaux de construction à la décoration et l’ameublement. Nos recherches sont ainsi transversales et complémentaires à celles des équipes PCH et DMS », complète-t-elle.
Pour ces évaluations, la chercheuse s’appuie sur des méthodes classiques d’analyse de l’air et d’essais d’émission, mais a aussi développé avec son équipe des méthodes de mesures in-situ, permettant d’identifier les matériaux sources de polluants dans un bâtiment. « Il y a deux approches : les analyses ciblées, pour détecter des polluant connus et/ou réglementés, comme le formaldéhyde, et les analyses non ciblées pour les composés émergents », spécifie-t-elle. « Nous savons que, face à une réglementation de plus en plus exigeante, les constructeurs font évoluer leurs matériaux. Nous développons donc de nouvelles méthodologies pour identifier et quantifier les nouveaux additifs, ainsi que des substances non intentionnellement ajoutées, dont on connaît encore peu ou mal l’impact sur la santé. »
Cette étude des émissions liées au vieillissement des matériaux en bois s’inscrit dans le cadre plus général de l’analyse du cycle de vie (ACV) de ces matériaux. L’équipe RIME étudie ainsi chaque étape du cycle de vie des matériaux bois depuis leur fabrication pour en évaluer l’empreinte environnementale. Comme le souligne Nicolas Le Moigne : « L’utilisation du bois dans des applications matériaux invite à une réflexion sur la gestion et la valorisation optimale des ressources – sont-elles issues de forêts naturelles ou gérées par l’activité humaine ? Quelle(s) essence(s) d’arbre ? – et sur les fractions valorisées et valorisables – est-ce que l’on utilise des résidus ? du bois d’œuvre ? Quels sont leurs spécificités et avantages en lien avec l’application visée ? »
Le développement d’adhésifs biosourcés et biodégradables permet d’obtenir de nouveaux produits bois comme par exemple ce panneau issu exclusivement de produits forestiers locaux (pin maritime). Crédits : Clément Lacoste.
Dans ce cycle de vie, le réemploi et la fin de vie sont des étapes particulièrement étudiées, notamment au regard de récentes règlementations comme la loi AGEC sur la gestion des déchets issus du secteur de la construction. Clément Lacoste et Stéphane Corn collaborent par exemple avec Didier Perrin, également chercheur d’IMT Mines Alès, sur un projet avec l’éco-organisme Valdelia pour évaluer les propriétés mécaniques résiduelles et ainsi, la recyclabilité de mobilier usagé. Valérie Desauziers rappelle de son côté que le réemploi de ces matériaux nécessite de s’assurer qu’ils ne dégagent pas de substances nocives, comme cela peut être le cas d’anciens produits de charpente traités avec des biocides désormais interdits.
À l’aune de ces analyses, les recherches sur les matières et produits associés au bois prennent tout leur sens. En évaluant l’impact environnemental des matériaux à base de bois – notamment les panneaux de particules, couramment utilisés – tout au long de leur cycle de vie, les scientifiques espèrent donc orienter les choix des constructeurs vers des solutions non-toxiques, plus respectueuses de l’environnement, avec moins de composés synthétiques difficiles à recycler.
Si ces recherches soulignent les défis liés à l’utilisation des matériaux à base de bois, elles révèlent aussi leur richesse et leur potentiel. « Le bois, dans sa diversité naturelle, est une source de recherche quasi inépuisable, et l’avancement des connaissances permet de mieux en appliquer les propriétés ! », s’enthousiasme Stéphane Corn.
Le développement plus récent des nanomatériaux cellulosiques issus du bois, léger et performant, en est une illustration, avec des applications possibles dans de nombreux secteurs industriels allant de l’emballage à l’optoélectronique, en passant par l’automobile, l’aéronautique et le biomédical. En valorisant les propriétés du bois sous toutes ses formes, en collaboration avec leurs partenaires académiques et industriels, les équipes de recherche alésiennes prouvent donc que ce dernier n’est pas qu’un matériau traditionnel, mais bien un matériau d’avenir, prêt à relever les défis de l’ingénierie et de la construction durable.
Le bois peut également contribuer à des initiatives locales visant à fabriquer des matériaux plus respectueux de l’environnement pour l’éco-construction. Le projet PANTHER2Guyane (PANneaux THErmiques issus de la valorisation des Ressources bois Résiduelles en Guyane), mené par l’UMR EcoFoG, dédiée à l’écologie des forêts de Guyane, en est un exemple concret. Ce projet ANR vise à produire des panneaux d’isolation thermique pour les habitations guyanaises à partir de co-produits de la filière bois guyanaise. « L’idée est de mettre en place un processus de fabrication qui utilise des espèces locales, bois à croissance rapide ou connexes de scierie, en nous appuyant sur la relation entre les propriétés spécifiques du bois et celles des panneaux finaux », explique Nicolas Le Moigne. « C’est un exemple typique de projet vertueux, tant au niveau de l’application visée que du circuit court entre les ressources et la fabrication des panneaux, et donc de l’impact environnemental des produits finis. »
Preuve du dynamisme actuel autour des produits bois, Le séminaire IMT « Vers des produits bois à hautes performances environnementales et durables » s’est tenu le 26 septembre dernier à IMT Mines Alès en hybride. Il a regroupé différents acteurs académiques (CIRAD, ECOFOG, LMGC, IMT Mines Alès, Mines Albi), centre technique (FCBA) et industriels de la filière (VALDELIA, XYLAE, WOODOO), et a permis de présenter les récents développements sur ce thème et d’envisager la mise en place d’actions structurantes (chaire, projet collaboratif…).
