Cours gratuit la méthode des solutions salines saturées

Essais de sorption

Caractéristiques générales

Nos expériences se sont concentrées sur la désorption à des humidités relatives élevées et à deux niveaux de température. Plus spécifiquement il s’est agi d’une deuxième désorption réalisée suite à une désorption partielle (jusqu’à environ 60% HR) suivie d’une saturation intégrale du bois.
La sorption a fait donc appel à deux techniques complémentaires utilisées dans des travaux antérieurs (Cloutier et Fortin 1991; Hernández et Bizoň 1994; Almeida et Hernández 2006a, 2006b; Hernández et Pontin 2006): une sorption conventionnelle avec des solutions salines saturées et une sorption réalisée au moyen d’une membrane poreuse sous pression. La technique de solutions salines saturées a été utilisée pour cinq conditions d’équilibre (de 50% à 96% HR). De plus, quatre autres conditions ont été réalisées par la technique de la membrane poreuse sous pression. Le tableau 4 précise les humidités relatives utilisées pour les deux techniques mentionnées. Ces humidités relatives ont permis de représenter convenablement la gamme des humidités situées à proximité de la saturation des membranes.

Méthode des solutions salines saturées

Bassins à température constante

Entre 50% et 96% (HR), la sorption a été réalisée dans une chambre dont la température était d’environ 24ºC. Le matériel a été disposé dans quatre bassins à température constante comportant chacun dix cellules de sorption (figure 18). Ces bassins, sont de grandes cuves en tôle, remplis d’eau, et comportant des ouvertures circulaires à leur partie supérieure. Dans ces ouvertures sont logés des vases de pyrex qui constituent les cellules de sorption. L’ensemble est isolé de tous côtés par un panneau de polystyrène expansé de 25 mm d’épaisseur qui est enfermé à son tour, sauf au-dessus, par une enceinte en bois. D’autres couches de polystyrène expansé sont moulées aux couvercles de vases de pyrex et assurent l’isolation du dessus du bassin. Pour les bassins à 25°C, lorsque la température s’abaisse, le thermomètre à contact logé au milieu du bassin actionne les agitateurs disposés aux extrémités; l’agitation produit un léger échauffement de l’eau qui maintient la température constante à ± 0,01ºC durant des périodes prolongées. Cela assure ainsi le maintient de l’humidité relative dans les cellules de sorption. Deux thermomètres différentiels placés près des extrémités ont servi à contrôler la température de l’eau et son uniformité au millième de degré près. Pour les bassins à 50°C, six éléments de 300 W chaque et trois thermocouples type T avec une précision de ± 0,5°C, ont été placés par bassin. Un contrôleur de type PID (Proportional Integral Differential) avec une précision de 0,4°C régulait la température désirée. Une pompe assurait la circulation de l’eau à l’intérieur du bassin.

Cellules de sorption

Les cellules de sorption sont constituées d’un vase à couvercle rodé, en pyrex, servant généralement comme dessiccateur à vide. Au fond de chaque cellule sont placées des solutions salines saturées, lesquelles règlent l’humidité relative de l’air. Ainsi, lorsqu’un soluté est ajouté à l’eau, l’humidité relative de l’air au-dessus de la solution est réduite en fonction de la fraction molaire du soluté comme le stipule la loi de Raoult (Siau 1995).
Pour une solution saturée, l’humidité relative de l’air demeurera constante si la température est maintenue constante. Pour les essais à 25°C, les vingt éprouvettes de chaque groupe ont été reparties en deux dessiccateurs de dix éprouvettes chacun, lesquelles furent déposées en une rangée au-dessus de la solution saline. Par contre, pour les essais à 50°C les vingt éprouvettes de chaque groupe ont été déposées dans un seul dessiccateur en deux rangées séparées l’une de l’autre par un treillis métallique enduit de vinyle. L’ensemble était tenu à environ cinq centimètres du fond du dessiccateur par une plaque de porcelaine perforée. À cause de la grande solubilité de la solution de ZnSO4 à 50°C, ce groupe a été reparti en deux dessiccateurs de dix éprouvettes chacun. Un même volume de solution saline a été utilisé pour chaque cellule de sorption soit environ 800 ml. Dans les cas particuliers où l’on a procédé au contrôle des masses en cours d’essais, dix des vingt échantillons étaient placés dans une cage en plexiglas. Les échantillons étaient appuyés sur la face tangentielle et leur position finale dans les cellules a été notée afin d’évaluer l’influence éventuelle de celle-ci sur l’équilibre atteint.
Les sels ont été choisis pour obtenir les conditions d’équilibre désirées. Il s’est agi des solutions aqueuses saturées de bromure de sodium (NaBr), de chlorure de sodium (NaCl), de chlorure de potassium (KCl), de sulfate de zinc (ZnSO4) et de sulfate de potassium (K2SO4). L’utilisation et les caractéristiques de ces sels ont été précisées entre autres par Greenspan (1977), Rockland (1960) et Almeida (2006).
Par ailleurs, les conditions de sorption ont été effectuées généralement dans une seule étape. Le matériel d’essai a été disposé dans dix cellules de sorption reparties dans quatre bassins.

Durée de conditionnement

La sorption a été contrôlée directement dans une des cellules par la mesure de la masse de dix échantillons. Les échantillons étaient disposés sur un support en méthacrylate de méthyle ou d’aluminium, qu’un fil reliait à une balance de 0,001 g de précision. Cela a permis d’obtenir des pesées précises en peu de temps sans modifier les conditions de la sorption. Ce type de contrôle a été utilisé avec succès par plusieurs chercheurs (Bizoň 1995, Arévalo 2002).
Les pesées ont été effectuées à des intervalles réguliers, ce qui a permis de suivre le conditionnement durant la sorption. En général l’équilibre de la teneur en humidité a été considéré comme atteint lorsque le changement d’humidité était d’au plus 0,007% (H) par jour lorsque calculé sur un intervalle d’au moins une semaine. À ce moment, les éprouvettes ont été retirées des dessiccateurs pour prendre immédiatement leur masse et leurs dimensions et effectuer par la suite les essais de compression tangentielle.
Le temps de conditionnement pour la méthode des solutions salines a varié entre 113 jours (bouleau jaune à 58% HR) et 531 jours (bouleau jaune à 96% HR) à 25°C, et entre 97 jours (bouleau jaune à 51% HR) et 109 jours (hêtre à 96% HR) à 50°C.

Méthode de la membrane poreuse sous pression

Au-dessus de 96% (HR), la sorption a été réalisée selon la méthode de la membrane poreuse sous pression. Cette méthode a été initialement développée pour étudier la relation entre la teneur en humidité et la pression appliquée dans les sols. Celle-ci permet le contrôle très précis de hautes valeurs d’humidité relative de l’air. Il a été ainsi possible d’obtenir quatre points de mesure entre 96% et 100% d’humidité relative de l’air, intervalle visé spécialement par ce travail. Une description détaillée de cette méthode est présentée par Fortin (1979) ainsi que par Cloutier et Fortin (1991).
La méthode utilise le concept de potentiel hydrique, lequel est décrit en détail par Siau (1984,1995). Ce concept est dérivé de la thermodynamique classique et il est défini comme étant la différence entre l’énergie libre de Gibbs spécifique de l’eau à l’état sous étude et celle à l’état de référence. L’état de référence généralement utilisé est une nappe d’eau libre et pure à la pression atmosphérique, à une élévation donnée et à la température de l’eau à l’état sous étude (Fortin 1979, Cloutier et Fortin 1991). Ces derniers auteurs ont considéré le gradient de potentiel hydrique comme étant la force motrice du mouvement de l’humidité dans le bois. Ce concept peut aussi être appliqué à l’étude de l’effet des forces de capillarité sur le mouvement de l’eau liquide dans le bois (Siau 1995). Le potentiel hydrique est normalement exprimé en termes d’énergie par unité de masse, soit en Jkg-1. La relation entre le potentiel hydrique, l’humidité relative de l’air et le rayon de courbure de l’interface entre l’eau et l’air à 25ºC et 50°C est présentée au tableau 5. Selon Cloutier et Fortin (1991), le potentiel hydrique augmente avec la température et la teneur en humidité d’équilibre.
La figure 19 illustre l’appareil de sorption qui a été utilisé dans le cadre du présent travail. Les parties principales sont l’enceinte à pression ou extracteur, la membrane poreuse, une source d’air à haute pression et un système de régulation de la pression. La membrane utilisée est constituée d’une feuille d’acétate de cellulose ayant des pores dont le diamètre moyen est de 24 Å, ce qui lui permet de résister à des pressions d’air pouvant aller jusqu’à 10000 kPa sans se désaturer. La méthode est alors conçue sur le principe que les pores dans la membrane sont suffisamment petits pour retenir une certaine quantité d’eau grâce aux forces capillaires, et cela même sous l’effet de la pression appliquée. La membrane demeure ainsi perméable à l’eau mais imperméable à l’air. Les échantillons de bois humide en contact avec la membrane poreuse perdent de l’eau jusqu’à ce qu’ils s’équilibrent avec le potentiel hydrique imposé grâce à la pression appliquée (Cloutier et Fortin 1991).

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