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Développement de nouveaux matériaux de haute inertie thermique à base de bois

Ce projet a débuté en septembre 2015.

Problématique

Grâce à ses nombreux avantages, le bois a le vent en poupe. Ecologique, léger et esthétique, il ne cesse de nous étonner de par la multiplicité de ses applications. Bien qu’utilisé depuis des millénaires dans le domaine de la construction, il semble raisonnable de penser que nous n’utilisons encore qu’une infime partie de son  potentiel. Sa légèreté permet de faciliter la construction mais induit un effet indésirable : un manque de masse thermique, qui entraine une demande énergétique plus élevée pour maintenir le confort intérieur. Afin d’augmenter la masse thermique des structures en bois, je m’intéresse aux matériaux à changement de phase (PCM en anglais, Phase changing materials). Ces matériaux permettent de stocker une grande quantité de chaleur latente pour une masse et un volume faibles via une transformation physique le plus souvent liquide-solide. En d’autres termes, des composites bois-PCM pourraient permettre une construction légère dotée d’une isolation efficace, ouvrant la voie au développement de maisons passives. En considérant que le chauffage et la climatisation constituent plus de 50 ¨% des dépenses énergétiques domestiques, ces matériaux ont un potentiel écologique et économique considérable.

L’objectif de la recherche

L’objectif de ma thèse est de concevoir ces matériaux. Il conviendra de choisir le PCM, le procédé qui permettra de l’incorporer dans du bois et de réaliser des tests pour déterminer les bénéfices énergétiques. Il sera intéressant d’analyser le cycle de vie des matériaux pour assurer une cohérence écologique.

Méthodologie

Pour les applications intérieures, l’objectif est d’optimiser la conduction thermique des panneaux afin d’engendrer un échange thermique par convection suffisant avec l’air intérieur. Diverses techniques de mise en forme sont envisagées comme l’intégration brute du PCM, la micro ou macro encapsulation, l’intégration des PCM dans une matrice en partie biosourcée. Pour des applications structurelles, des possibilités existent en imprégnation et revêtement. Afin de tester les composites élaborés, il sera possible d’avoir recours à des tests sur panneaux mais aussi à des simulations plus complètes sur un prototype de maison en bois.

Applications potentielles et retombées industrielles

Les possibilités d’intégration de PCM dans l’enveloppe d’un bâtiment sont multiples : toiture, planchers et murs sont autant d’emplacements disponibles. Aujourd’hui, des panneaux PCM à matrice pétro-sourcée sont en circulation et permettent un bénéfice énergétique. Grâce à mes travaux, le domaine de la construction fera un pas de plus dans la construction écologique. Selon l’IEA, (International Energy Agency), la conservation d’énergie thermique par stockage, à la manière des PCM est indispensable pour une efficience énergétique.

Impact du carbone biogénique dans un projet de construction en bois réel et sa considération dans les BIM – Étude de cas

Ce projet a débuté en septembre 2015.

Problématique

En décembre 2015 aura lieu la 21e Conférence des parties de la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques (COP21). Cet évènement majeur soulève les risques associés aux changements climatiques et l’importance de développer des solutions concrètes. Le GIEC a identifié le haut potentiel de lutte aux changements climatiques du secteur du bâtiment.

Le Gouvernement québécois reconnaît le potentiel des bâtiments en bois pour diminuer les émissions de GES : la Charte du bois et le Guide du bois stimulent la séquestration du carbone par une plus grande utilisation du matériau. Cependant, l’impact environnemental réel de ces politiques est difficile à quantifier car les méthodes d’analyse du cycle de vie actuelles ne reflètent pas bien les bénéfices environnementaux du carbone biogénique.

L’objectif de la recherche

L’objectif principal de cette étude de cas est de quantifier les impacts environnementaux réels de l’utilisation du carbone biogénique dans un projet de construction. Ce projet permettra entre autres de fournir des données de référence, de valider les modèles de stockage de carbone développés par Marieke Head (PhD, Polytechnique de Montréal) et de contribuer au développement d’un outil d’analyse d’impact environnemental plus adapté au milieu industriel.

Méthodologie

Les objectifs de ce projet seront atteints en trois phases. Premièrement, l’ensemble du bâtiment sera modélisé dans Revit, un logiciel de modélisation des données du bâtiment (BIM). Deuxièmement, une analyse de cycle de vie (ACV) du Bâtiment K sera réalisée avec le logiciel OpenLCA selon les normes ISO14040 et 14044. Enfin, l’outil Uncertain but Useful Building Information (UBUBI) sera utilisé avec le modèle BIM pour obtenir une estimation des impacts environnementaux; les résultats seront comparés à ceux obtenus par l’ACV traditionnelle.

Applications potentielles et retombées industrielles

L’étude de cas permettra de documenter les bénéfices environnementaux réels du carbone biogénique dans les projets de construction, ce qui pourrait devenir un argument-clé pour l’utilisation du matériau bois dans les grands projets de construction. De plus, les entreprises utilisant les logiciels BIM bénéficieront de l’outil UBUBI,  dont les estimations seront validées par ce projet. Les retombées de ce travail contribueront à rendre les analyses de cycle de vie plus complètes et accessibles aux entreprises et aux professionnels du milieu de la construction du Québec et d’ailleurs.

La collaboration dans la procédure d’appel d’offres et les contrats publics

Problématique

La procédure d’appel d’offres publique, instaurée par la Loi sur la construction des organismes publics et ses règlements corollaires, ne permet l’utilisation que d’une poignée de modes de réalisation des travaux de la construction. Ce processus rigide ne favorise pas l’utilisation de procédés innovants comme la conception intégrée, qui permet de réunir les intervenants pertinents en amont du déroulement des activités de conception et de construction.

L’objectif de la recherche

Favoriser l’implantation de ce mode de réalisation des travaux aurait pour impact de réduire les délais et les coûts dans la construction des édifices publics, en plus d’offrir des bâtiments plus efficaces au plan énergétique. Le bois, en tant que matériau de la construction publique, s’en trouverait ainsi favorisé.

Méthodologie

Identifier les parties prenantes au réseau de la construction et au processus d’appel d’offres public québécois.

Identifier et comparer les différents modes de réalisation des travaux publics au Québec, en plus d’en dégager les caractéristiques cibles.

Répertorier les perceptions des parties prenantes quant au processus de conception intégrée (PCI) et au processus d’appel d’offres québécois.

Isoler les composantes vitales du PCI par l’analyse des différentes visions, fondements théoriques et applications pratiques.

Caractériser les barrières au PCI au niveau légal, réglementaire, contractuel, institutionnel et technique.

Comparer le cadre juridique québécois applicable au PCI et à la procédure d’appel d’offres à celui de juridictions étrangères.

Applications potentielles et retombées industrielles

La réduction des délais et des coûts permettra une saine gestion des fonds publics et une véritable concurrence, des concepts prônés par le gouvernement provincial dans la Loi sur la construction des organismes publics. L’approche de conception intégrée rendra possible la création d’édifices novateurs, confortables et adaptés aux besoins des organismes publics. L’utilisation de bois, de techniques innovantes de même que l’amélioration de l’efficacité énergétique jouent un rôle clé pour la réduction des gaz à effet de serre, l’une des problématiques environnementales phares de l’industrie de la construction.

 

Optimisation multi-objectif de bâtiments en bois : vers le net-zéro en énergie et en carbone sur la vie du bâtiment

Problématique

Il est relativement facile d’optimiser une conception en tenant compte d’un seul critère, comme le coût par exemple. Cependant, lorsque nous avons un système complexe (un bâtiment dans ce cas-ci), et que l’on veut optimiser plusieurs critères en même temps, cela devient beaucoup plus compliqué. Ce projet vise donc à surmonter cette problématique : Comment optimiser la conception d’un bâtiment en bois net-zéro en tenant compte de plusieurs critères liés au bilan énergétique et en carbone?

L’objectif de la recherche

Ce projet vise à développer une méthodologie d’optimisation de la performance énergétique de bâtiments en bois de haute performance en tenant compte simultanément d’un ensemble de critères.

Méthodologie

Un ensemble d’indicateurs de performance sera d’abord élaborés et pourront toucher l’énergie, la structure, l’esthétisme, etc. Des outils de simulation de bâtiments seront ensuite intégrés dans une stratégie d’optimisation multi objectif, en incluant dans l’analyse les phases de construction, d’opération et déconstruction. Les bilans d’énergie, d’eau, de carbone seront optimisés sur le cycle de vie du bâtiment. Les éléments critiques de la conception seront mis en évidence afin d’aider les législateurs, les concepteurs et les opérateurs à réduire la trace environnementale des bâtiments. Une analyse de sensibilité sera réalisée pour évalue l’impact des paramètres incertains du problème. Finalement, à partir des familles de solutions optimales créées, une analyse multicritère sera élaborée pour faciliter le choix d’un design par des concepteurs.

Applications potentielles et retombées industrielles

Dans un premier temps, les outils développés pourraient être utilisés en pratique par les professionnels lors de la conception de bâtiments en bois. Cela permettra par exemple aux architectes et ingénieurs de définir les paramètres de conception d’un bâtiment en bois nette zéro qui minimise l’impact environnemental et le coût du bâtiment.

D’autre part, la méthodologie développée sera appliquée pour optimiser différents bâtiments types. Les résultats obtenus seront analysés pour mettre en évidence les combinaisons gagnantes, les règles générales qui se dégagent. Ces résultats correspondant à des compromis optimaux entre les fonctions et contraintes du bâtiment aideront à améliorer la conception des bâtiments. Enfin, ces mêmes résultats pourront être d’une grande utilité pour les acteurs municipaux et gouvernementaux, les firmes de génies conseils et les architectes qui s’intéressent à l’efficacité énergétique, à la réduction de l’empreinte écologique des bâtiments au Québec de même qu’à la valorisation du bois et de ses produits dérivés.

Optimisation des conditions de polymérisation d’un biopolymère

Problématique

Le lambris extérieur est sujets à des problèmes de stabilité dimensionnelle causés par la photo dégradation, l’oxydation du bois, le changement de la teneur en humidité et la pourriture. Pour contrer ces aspects négatifs, il est nécessaire de créer un matériau à base de bois plus résistant pour performer dans le temps. La modification chimique du lambris par une imprégnation à cœur en utilisant du glycérol, sous-produit lors de la fabrication de biodiesel, et de l’acide citrique a été étudiée. Ces deux réactifs sont intéressants par leur biodégradabilité, leur non-toxicité et leur disponibilité. Des résultats encourageants de cette étude montraient une grande stabilité dimensionnelle du bois traité. Cependant, ce procédé nécessite des améliorations dans le but de le projeter à l’échelle industrielle.

L’objectif de la recherche

Il est important d’optimiser le procédé d’imprégnation du bois par la glycérine et l’acide citrique dans le but d’obtenir des paramètres (température, temps…) acceptables pour faciliter son exécution à l’échelle industrielle. Chaque étape du procédé sera pensée et évaluée dans une optique de mise à l’échelle industrielle (étude de faisabilité, étude de coûts).

Méthodologie

Le premier axe est l’optimisation de la polymérisation du glycérol et de l’acide citrique dans bois. Les paramètres étudiés pour l’optimisation du procédé sont le catalyseur, le ratio glycérine/acide citrique, la température, le temps. Il est aussi intéressant de faire une étude comparative entre l’imprégnation à cœur et l’imprégnation en surface pour choisir celle qui serait la plus adaptée pour l’industrie tout en gardant les résultats escomptés sur la stabilité dimensionnelle. Le deuxième axe est l’étude de chaque étape de cette modification du bois et son développement sur papier à l’échelle industrielle. Une étude du coût sur ce procédé industriel sera effectuée.

Applications potentielles et retombées industrielles

Le procédé de modification chimique du lambris par le glycérol et l’acide citrique montre déjà des résultats très intéressants sur la stabilité dimensionnelle du bois traité tout en prenant en compte l’aspect environnemental d’un tel traitement. L’optimisation de ce procédé pourrait faciliter sa mise en place à l’échelle industrielle. De plus, l’étude du coût du procédé mis à l’échelle industrielle permettrait au partenaire du projet, l’industrie MAIBEC de se projeter sur une potentielle mise en place du procédé dans le but de développer une nouvelle gamme de produits pour revêtement extérieur.

Systèmes de protection de nouvelle génération contre les UV

Problématique

Le bois est un matériau utilisé pour la construction et la décoration. C’est un matériau solide, léger, facile à utiliser et à transformer qui possède également de grandes qualités environnementales. Le bois est le seul matériau de construction renouvelable et exige aussi moins d’énergie de transformation que d’autres matériaux. Les revêtements de bois pour les applications extérieures sont soumis aux conditions atmosphériques telles que la lumière, l’oxygène, l’humidité, la moisissure et la pollution qui produisent une dégradation irréversible. Le rayonnement ultraviolet (UV) peut initier des réactions chimiques dans le bois ce qui en résulte à une décoloration et une perte des propriétés chimiques et physiques. Pour empêcher cette dégradation, on utilise des absorbeurs d’UV dans les revêtements. Pour certains de ces absorbeurs, leurs efficacités s’amenuisent dans le temps.

L’objectif de la recherche

Le projet a comme objectif général de développer un système de finition durable et transparent pour la protection contre les UV du revêtement et du bois et permettre le maintien des propriétés du produit dans le temps. Plus spécifiquement, le projet a pour objectif : – D’améliorer la durabilité d’un revêtement par une libération progressive de l’agent absorbant; – De mettre au point un système de libération basée sur la réponse à un stimulus extérieur (lumière); – D’établir des comparaisons entre les deux approches et déterminer l’efficacité des systèmes.

Méthodologie

Étude bibliographique des méthodes couramment utilisées dans l’industrie des peintures et vernis. Sélection de différents absorbeurs d’UV. Sélection de différentes méthodes d’encapsulation et polymères à tester. Étude des cinétiques de libération et diffusion. Comparaison des libérations prolongées (diffusion dans le temps) et des libérations programmées (réponse à un stimulus extérieur – les UV ou la lumière visible). Formulation de vernis de différentes compositions. Caractérisation et tests de vieillissement des revêtements les plus performants.

Applications potentielles et retombées industrielles

Ce projet de recherche est un projet lié à une problématique industrielle de valorisation de l’usage du bois pour des applications extérieures. Cette situation favorise l’émergence et l’utilisation de matériaux issus du bois qui, de toute évidence, augmentent la part de marché disponible aux produits forestiers. Grâce à des améliorations des revêtements anti-UV durables, l’utilisation de produits forestiers dans le domaine de la construction pourrait être augmentée. L’amélioration de la durabilité du bois permet aux entreprises des produits forestiers de résister à la concurrence et développer de nouveaux marchés.

Développement de revêtements acryliques aqueux thermochromes dans une approche de haute efficacité énergétique

Problématique

Dans le secteur du bâtiment au Canada, un gain en énergie important peut être obtenu avec l’optimisation des processus de régulation thermique. En effet, cette dépense est double : en hiver, les faibles températures (-20°C / -30°C) sont régulées par chauffage, alors que l’été les températures élevées (30- 35°C) sont contrôlées par climatisation. L’idéal serait alors de développer un revêtement intelligent qui permettrait d’influer dans les deux cas, c’est-à-dire qui pourrait emmagasiner la chaleur en périodes froides et la repousser en périodes chaudes. L’autre avantage de ce revêtement serait de limiter les défauts du bois pouvant être engendrés par la chaleur.

L’objectif de la recherche

Les infrarouges (IR) présentent la particularité d’être les principaux rayons responsables des transferts de chaleur. En ce sens, le matériau développé permettrait à un édifice en bois d’absorber les IR en-deçà d’une température limite choisie (Tlim) pour ensuite les réfléchir au-delà de cette température. Ce comportement peut être ajouté à une finition à l’aide de nanoparticules de dioxyde de vanadium (VO2). Cet oxyde présente une transition de phase cristallographique à une température Tt = 68°C qui peut être modifiée par dopage avec les bons éléments (W, Mo, etc.) pour atteindre Tlim. Durant cette transition, nommée MIT (Metal to Insulator Transition), le VO2 alterne entre une structure rutile et monoclinique avec pour conséquence une modification des bandes énergétiques et donc du comportement électromagnétique (absorption ou réflexion des rayons électromagnétiques).

Méthodologie

• Synthèse et dopage des nanoparticules de VO2 (NPs) et caractérisation (tailles et Tt)

• Incorporation efficace des NPs dans la matrice polymère acrylique

• Préparation de formulations acryliques extérieures pour le bois

• Évaluation du comportement durant l’utilisation (efficacité énergétique et test de vieillissement)

Applications potentielles et retombées industrielles

Les applications potentielles sont la finition pour le bois à haute efficacité énergétique, par exemple pour le lambris ou le bardeau, permettant de limiter les coûts énergétiques en diminuant à la fois les besoins en chauffage et en climatisation. Cela permettrait aussi de développer une finition innovatrice pour les manufacturiers de produits du bois afin d’offrir des produits sur le marché avec un nouvel attribut. Le développement de cette finition intelligente permettrait aux matériaux du bois d’être bien adaptés au climat dans lequel il serait utilisé et en particulier le climat canadien.

Modèles d’affaires orientés marchés pour la construction non-résidentielle en bois

Problématique

Le bois représente un grand potentiel de développement économique pour le Québec et pour l’industrie de la construction. La construction en bois peut aussi être un moyen de lutte aux changements climatiques. Ce matériau est présentement sous-utilisé; aucun des acteurs leaders de la filière bois n’a encore saisi le créneau de la construction en bois. Pourquoi? Comment se positionner stratégiquement afin d’y arriver?

L’objectif de la recherche

Proposer un modèle de réseau d’entreprises favorisant une plus grande utilisation du bois en construction non-résidentielle et multifamiliale en se basant sur des projets exceptionnels à l’échelle internationale.

Objectifs spécifiques:

1- Cartographier les modèles d’affaire et les filières bois existants mondialement.

2- Établir des parallèles entre le développement de filières existantes (ex: aluminium) et celui de la filière bois.

3- À partir du point de vue d’acteurs leaders de la filière bois, définir le meilleur modèle d’affaire qui permettra de gagner des parts de marché et de se positionner stratégiquement en construction en bois au Québec.

Méthodologie

Afin de réaliser cette recherche, une cartographie des modèles d’affaire et des filières bois existants sera premièrement réalisée et ils seront, dans un deuxième temps, comparés. Un modèle d’affaire sera par la suite élaboré puis proposé comme modèle à suivre et à mettre en place par les entreprises leaders du réseau.

Une prospection de l’impact d’une plus grande utilisation du bois dans la construction sera considérée.

Applications potentielles et retombées industrielles

Ce projet souhaite provoquer l’émergence d’un champion en construction en bois au Québec et par conséquent, une utilisation accrue de ce matériau. Ultimement, ce changement permettra de diminuer  les émissions de CO2 et contribuera à limiter l’impact du secteur de la construction sur les changements climatiques.