Choix des essences à tester et identification des essais à effectuer

Les essences de bois choisies pour être caractérisées sont quelques-unes des plus utilisées de l’avis des transformateurs, à travers les domaines. Il s’agit de Afzelia africana (Afzelia) pour l’ameublement, Anogeissus leiocarpus (Faux ébène) pour la charpente et Gmelina arborea (Gmelina) pour la sculpture et la fabrication de tam-tam (voir tableaux 3.1 et 3.2, au chapitre 3). L’analyse exploratoire des conditions de service des œuvres dans les divers domaines d’utilisation, a permis d’identifier les besoins minima en propriétés dont doit jouir le bois suivant ces domaines. Ce qui a conduit à déterminer les propriétés correspondantes à étudier et partant, les essais à effectuer (tableau 4.1). Le tableau 4.2 présente les essais à effectuer selon les caractéristiques à évaluer ainsi que les essences retenues pour être testées. Les caractéristiques retenues pour être déterminées font partie de celles couramment considérées (dans la littérature) dans le cadre de la caractérisation technologique du matériau bois, comme dans les travaux de Campredon (1934), Barij (2006), El Alami (2013), Rajemison (2013), etc.

1.2. Présentation générale des espèces étudiées 1.2.1. Afzelia africana Smith

Afzelia africana (Smith) appelé Lingué au Bénin fait partie de la famille des Caesalpinacées et de la superfamille des légumineuses. L’espèce autochtone des forêts naturelles du Bénin et fournit un bon bois d'œuvre. Le lingué se rencontre aussi dans certains boqueteaux de type xérophile ou tropical sec des savanes boisées de type guinéen entre Parakou et Djougou. On le retrouve également dans les reliques des forêts semi-décidues de lazone classée de la Lama, dans la région de Pobé, le long des galeries dans la région de Bassila et aux abords de rivières dans le bassin du Niger. Sa sylviculture n'est

cependant pas maîtrisée. Le faible taux de reprise et une croissance lente au stade juvénile expliquent les difficultés de régénération (Ahouangonou S. et Bris' B., 1995).

C'est un arbre à la frondaison majestueuse à branches tortueuses et étalées. En savane, il atteint une hauteur de 8 à 10 m alors qu'en forêt, il s'élève plus haut. Son tronc est droit et recouvert d'une écorce écailleuse rougeâtre ou jaunâtre assez épaisse, ce qui lui permet de résister aux feux de savane. Sa tranche est brun clair ou rouge pâte à structure scléreuse (Aubreville, 1959; Anon, 1978). Afzelia africana possède un feuillage vert brillant. La feuille est glabre et porte 4 ou 5 paires de folioles ovales ou largement elliptiques pointues ou obtusément acuminées: les nervures, nervilles et veinules forment un réseau typique saillant sur les deux faces. Les pétiolules sont tordues et ont 6 à 10 mm de long (Ahouangonou S. et Bris' B., 1995).

1.2.2. Anogeissus leiocarpus (DC) Guill. et Perr.

Anogeissus leiocarpus, espèce de la famille des Combretaceae, est un arbre au fût dressé, élargi à la base, parfois légèrement cannelé, à écorce écailleuse gris foncé se desquamant par petites plaques. La cime ovale est formée de branches grêles retombantes à reflets argentés. Il dépasse rarement 12 m de hauteur dans le domaine sahélien mais il peut atteindre 25 m de haut et 1m de diamètre au sud de son aire (Letouzey, 1970; Giffard, 1974 cité parKambou S., 1997).Ses écorces sont fibreuse, avec des écailles fines, grise à beige, à tranche jaunâtre striée de marron. Les feuilles sont opposées à subopposées, à pubescence apprimée, pubescentes et argentées elliptiques à ovales lancéolées de 2-8 x 1,5-3,5 cm. Le limbe à sommet acuminé ou mucroné, à base en coin. Les fleurs sont jaunes, verdâtres et oranges brunâtres au centre, apétale, avec calice à 5 dents triangulaires de 5 à 6 mm de diamètre. Fruits de couleur jaunâtre, samare trapézoïdale de 4-7x6-10 mm, le rameau a un finement pubescent, argenté ou brunâtre. Les pétales sont pubescent de 1 à 6 mm de long.

Son pédoncule est de 5 à 15 mm de long avec des fleurs jaune verdâtre, hermaphrodites, parfumées montrant un disque. Anogeissus leiocarpus est reconnue pour l'Afrique de l'Ouest. L'importance de l’espèce se reflète dans ses multiples utilisations :

le bois dur, foncé, imputrescible et résistant aux insectes est utilisé en construction et en menuiserie (CTFT, 1989, cité par Kambou S., 1997 ); de plus, il est préférentiellement utilisé comme bois de feu et de carbonisation à cause de son excellent pouvoir calorifique (Maydell, 1983 cité parKambou S., 1997).

1.2.3. Gmelina arborea Roxb. ex Sm.

Gmelina arborea est une Dicotyledone qui fait partie de la famille des Verbénacées et de la sous famille des Viticoideae. Gmelina arborea est souvent rangée dans la famille des Lamiaceae. L’aire naturelle de l’espèce est très vaste. Dans les zones de forêt dense humide sempervirente, les arbres atteignent 20 à 30 m de haut avec des troncs nets de branches jusqu’au 2/3. Son port devient souvent arbustif en conditions de forêts sèches. Cet arbre à croissance rapide, est très utilisé pour le reboisement dans de nombreuses régions

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chaudes du monde. Il se développe particulièrement dans les régions à forte pluviosité (Formad environnement, 2013).

Le tronc est un fût cylindrique fréquemment courbe mais généralement droit atteignant 80 à 140 cm de diamètre légèrement renflé à la base, sans contreforts à cime dense à branches largement étalées. Les arbres isolés forment de très grosses branches. L'écorce est lisse ou rugueuse devenant plus ou moins écailleuse sur les vieux sujets, liégeuse, grise à beige clair ou gris jaunâtre, à tranche jaunâtre devenant brun pâle à l’air. Les branches sont glabres de couleur grise. Le bois de cœur est brun pâle à brun jaunâtre, parfois avec une nuance rose, et peu distinct de l’aubier qui est blanchâtre, épais de 5–7 cm, et qui présente parfois une nuance verdâtre ou jaunâtre. Le fil est droit à contrefil, le grain grossier. Les cernes de croissance sont bien distincts dans les régions à saison sèche marquée, non distincts dans les autres régions. Le bois est légèrement huileux au toucher (Formad environnement, 2013).

2. Matériels et méthodes

2.1. Protocoles expérimentaux

2.1.1. Caractéristiques des massifs de bois utilisés

Les essences ayant fait l’objet de caractérisation sont Afzelia africana, Anogeissus leiocarpus et Gmelina arborea. Les caractéristiques des massifs de bois utilisés pour les essences caractérisées, sont résumées dans le tableau 4.3.

Thème : La filière bois au Bénin : Etude de l’adéquation entre propriétés technologiques et usages des essences locales de bois d’œuvre Page 88 Tableau 4.1 : Essences à tester et démarche d’identification des essais à effectuer selon les caractéristiques à déterminer.

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(1) : Humidité au point de saturation des fibres ; Densité ; Rétrait (2) : Résistances en compression et en flexion ; Module en flexion

(3) : Densité ; Rétractabilité ; Imprégnabilité ; Esthétique ; Qualité de la finition Propriétés

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Tableau 4.2 : Présentation des essais à effectuer et grandeurs déterminées, selon les essences retenues.

Essences

ESSAIS

Essais physiques Essais mécaniques

Densité Retrait Dureté

Compression axiale Flexion 4 points Contrainte

Normale de rupture

Contrainte Normale de rupture

Module d’élasticité

Afzelia africana x x x x x x

Anogeissus leiocarpus x x x x x x

Gmelina arborea x x x x x x

Tableau 4.3 : Caractéristiques des massifs de bois utilisés pour les essais

Essences

Forme du massif

(brut d’où sont prélevées les éprouvettes)

Provenance du massif

Dimensions du massif Gmelina

arborea Bille (sélectionnée) Nord-Bénin Diamètre moyen 42 cm Afzelia

africana Madrier (sélectionné) Nigéria

Diamètre moyen de la bille de provenance 70cm Anogeissus

leiocarpus Bille (sélectionnée) Commune de Bassila

Diamètre moyen 50 cm

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2. Matériels et méthodes

2.1. Caractéristiques des massifs de bois utilisés

Les caractéristiques des massifs de bois utilisés, sont résumées dans le tableau 4.3.

2.2. Essais de caractérisation physique

Ces essais comprennent principalement les essais de détermination de l’humidité maximum, de densités et de retraits totaux.

2.2.1. Protocole de prélèvement des éprouvettes

Les éprouvettes destinées aux essais physiques sont confectionnées pour chaque essence étudiée, en partant de planches d’épaisseur 30 mm, globalement dépourvue de défauts (nœuds, fissures, fibres torses, contre fils, altération,…) et prélevée dans le plan radial (planche diamétrale). Ces planches sont ensuite rabotées à une épaisseur de 20mm puis passées à la scie circulaire pour être découpées parallèlement à la direction longitudinale afin d’obtenir des règles de section 20x20 mm², uniquement dans le duramen. Celles-ci sont enfin découpées pour qu’on obtienne les cubes de 20x20x20 mm³. C’est ainsi que ces éprouvettes sont confectionnées suivant les directions usuelles d’orientation du bois (Longitudinale, Radiale, Tangentielle) pour répondre donc aux exigences imposées par la norme française NF B 51- 008 (El Alami, 2013).

La figure 4.1 montre les étapes du processus depuis la bille (ou le madrier) jusqu’à l’obtention des éprouvettes cubiques.

Figure 4.1 : Protocole de confection des éprouvettes cubiques (pour la caractérisation physique)

Après usinage à l’atelier de menuiserie (sur des machines de précision), les éprouvettes obtenues pour les essences étudiées sont présentées à la figure 4.2, ci-après :

Scie circulaire

Planche travaillée

Dégauchisseuse et à la Raboteuse Débitée Scie à ruban

Bille

Figure 4.2 : Eprouvettes cubiques utilisées pour les essais de caractérisation physique 2.2.2. Essai de détermination de l’humidité

L’essai de la détermination de l’humidité du bois utilise des éprouvettes cubiques de 20 mm d’arête (normes NF B 51- 004, NF B 51- 005). La teneur en eau est définie comme étant la masse d'eau contenue dans une pièce de bois en termes de pourcentage de sa masse anhydre. Elle peut donc s'exprimer comme suit :

(%) = −

∗ 100

avec : H : humidité de l’échantillon (%),

MH : masse de l’échantillon à l’humidité H, M0 : masse anhydre de l’échantillon.

Cette formule a permis de déterminer l’humidité maximum par immersion libre du bois des essences en utilisant la masse de l’échantillon à l’état saturé (MS) à la place de celle à l’humidité H (MH).

Pour mesurer cette teneur en eau, nous utilisons la méthode gravimétrique qui consiste à peser l’échantillon à l’humidité H et après dessiccation à l’étuve à 103 ± 2°C jusqu’à l’obtention d’une masse constante (norme ASTM D2016 – 74).

Eprouvettes de Afzelia africana Eprouvettes de Gmelina arborea

Eprouvettes de Anogeissus leiocarpus

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Cette technique est précise et est utilisée autant en laboratoire que dans l’industrie comme méthode de référence. Il s’agit toutefois d’une méthode destructive nécessitant plusieurs heures avant l’obtention de la valeur cherchée.

L’essai de détermination de l’humidité du bois se fait souvent en accompagnement aux essais mécaniques car les caractéristiques mécaniques du bois dépendent, entre autres de sa teneur en eau.

2.2.3. Essais de densités

 L’essai de la détermination de la densité du bois à une humidité H (DH) consiste à mesurer, en moyenne, la masse rapportée au volume des éprouvettes cubiques de 20 mm d’arêtes (normes NF B 51- 004, NF B 51-005). Ces essais ont été effectués sur dix (10) éprouvettes par essence.

= où : MH: masse de l’éprouvette à l’humidité H, VH: masse de l’éprouvette à l’humidité H.

 Les masses sont mesurées à l’aide d’une balance de type ‘’HC8 302 ADAM’’ (figure 4.3.a). Les volumes sont mesurés en utilisant le principe de la poussée d’Archimède mis en œuvre à l’aide d’un contenant à moitié rempli d’eau et de la balance (figure 4.3.b). Ces techniques sont pratiquées pour tous les cas de besoin de mesure de masse et de volume, dans le cadre du présent travail.

 La densité basale ou l’infradensité notée "Db" est un indicateur de rigidité. La mesure de ce paramètre bénéficie d’une erreur minimale puisque la masse anhydre et le volume saturé sont deux mesures où les sources d’erreurs sont minimales. Elle est déterminée comme le rapport de la masse de l’éprouvette à l’état anhydre par son volume à l’état saturé, selon la norme française NF B 51-005 ; elle est exprimée comme suit :

= avec :

M0 : masse de l’éprouvette à l’état anhydre, Vs : volume de l’éprouvette à l’état saturé.

 La densité anhydre D0 est le rapport de la masse anhydre M0 par le volume V0 à l’état anhydre:

= avec :

V0 : volume de l’éprouvette à l’état.

 Notons que la densité étant une grandeur adimensionnelle, les rapports ci-dessus donnant Db et D0 sont en réalité divisés par la masse volumique de l’eau pure qui est égale à 1g/cm³.

 A l’issue des essais, les données recueillies (M0, V0, VS) ont permis de calculer les densités (Db et D0) pour chaque éprouvette.

La densité moyenne et l’écart-type de l’ensemble des éprouvettes, sont ensuite calculés.

L’analyse comparative, des moyennes calculées et d’autre déjà existantes, a été faite en utilisant le test de t de Student (test de comparaison de deux moyennes). Ces analyses statistiques ont été faites à l’aide du logiciel Excel de Microsoft office 2010.

2.2.4. Essais de retraits

Ces essais consistent à déterminer les variations de longueur dans les sens radial et tangentiel, mais aussi les variations de volume des éprouvettes entre l’état saturé et l’état anhydre. Les mesures de retrait total radial, tangentiel, et volumique ont été réalisées en suivant la norme NF B 51-006. Ces essais ont été effectués sur les mêmes éprouvettes utilisées pour les essais de densité, c’est-à-dire sur dix (10) cubes de 20 mm de côté, par essence.

Pour les mesures de retrait radial total et de retrait tangentiel total, les dimensions des éprouvettes ont été relevées dans les directions radiales et tangentielles, à l’état saturé et à l’état anhydre. Un pied à coulisse au 20^ème a été utilisé à cet effet (figure 4.3.c).

Pour le retrait volumique, il s’agit de déterminer les volumes à l’état saturé, puis à l’état anhydre en suivant le même protocole de mesure de volume que pour les mesures de densité ou de masse volumique.

Ces paramètres de retraits sont obtenus par les Equations …. :

= −

∗ 100 avec :

RR : retrait radial total (%) ; LRS : dimension de l’éprouvette à l’état saturé dans le sens radial (mm) ; LR0 : dimension de l’éprouvette à l’état anhydre dans le sens radial (mm) ;

= −

∗ 100 avec :

RT : retrait radial total ( %) ; LTS : dimension de l’éprouvette à l’état saturé dans le sens tangentiel (mm) ; LT0 : dimension de l’éprouvette à l’état anhydre dans le sens tangentiel (mm) ;

et :

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= −

∗ 100 avec :

B : retrait volumique total ( %) ; VS : volume de l’éprouvette à l’état saturé (mm³) ; V0 : volume de l’éprouvette à l’état anhydre (mm³)

Les coefficients de retrait volumique total ont calculés en utilisant la formule :

=

Figure 4.3 : Mesure de masse (a) et volume (b)

 A l’issue des essais, les données recueillies (LR0, LRS, LT0, LTS, V0, VS) ont permis de calculer les retraits totaux (RR , RT et RV) pour chaque éprouvette. L’analyse comparative, des moyennes calculées et d’autre déjà existantes, a été faite en utilisant le test de t de Student. Ces analyses statistiques ont été faites à l’aide du logiciel Excel de Microsoft Office 2010.

2.2.5. Essais de dureté

Les essais de dureté Monnin ont été réalisés en suivant la norme NF B 51-013 (1985). Ces essais servent à déterminer la résistance à la pénétration sur la face radiale du bois à l’aide d’un cylindre métallique de diamètre 30mm.

a) Matériels utilisés :

Huit (08) éprouvettes ont été testées, par essence (figure 4.4). Les dimensions de ces éprouvettes sont de 100 mm (L) x 20 mm (R) x 20 mm (T) (Rajemison, 2013). Elles ont été confectionnées selon la norme NF B51-002. Toutefois, elles ont été testées à une humidité H voisine de 12% après conditionnement à l’étuve à une température de 35°C pendant sept (07) jours puis protection avec papier aluminium.

(a) (b)

Les essais ont été réalisés sur une machine d’essais de type presse mécanique de marque

«SATEC». Elle n’était pas au départ équipée de dispositif d’essai de dureté ; nous avons dû alors en fabriquer un.

b) Le dispositif réalisé pour l’essai de dureté :

La conception et la fabrication du dispositif que nous avons confectionné ont été faites de façon à respecter les exigences du procédé Monnin, qui obéit à la norme Française standard NF B 51-013 (1985). La principale exigence selon ce procédé est de réaliser avec l’éprouvette, un contact au moyen d’un cylindre de diamètre 30mm de manière à obtenir à l’issue de l’essai une empreinte en forme de calotte cylindrique. C’est alors que le dispositif que nous avons réalisé est en acier de construction (d’usage général) et constitué d’un cylindre de diamètre 30 mm monté en liaison pivot dans une forme en U présentant une large surface d’appui destinée à établir une liaison plan-plan avec le plateau supérieur de la machine d’essai. La figure 4.5 montre une photographie du dispositif isolément (a) et en cours d’essai (b).

Figure 4.4 : Eprouvettes d’essai de dureté de 20x20x100mm³

[Vue en bout des éprouvettes montrant le respect de la disposition des cernes]

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Figure 4.5 : Dispositif d’essai de dureté réalisé (a), en cours d’essai (b)

La charge a été appliquée progressivement à une vitesse de 0,8 mm/min jusqu’à obtenir la charge maximale de 1960 N sur l’éprouvette. La largeur de l’empreinte a été mesurée sur l’éprouvette aussitôt après avoir déchargé l’éprouvette à l’aide d’un pied à coulisse au 20^ème.

Le calcul de la valeur de la dureté Monnin (N) a été effectué en utilisant l’équation :

= 1

15 − 0.5 900 − ² Où ‘’a’’ est la largeur de l’empreinte, en millimètre.

Lors de ces essais, les résultats sont arrondis à la première décimale si N ≥ 3,3, et arrondis à la deuxième décimale si N < 3,3.

 La valeur moyenne de la dureté et l’écart-type pour l’ensemble des éprouvettes essayées, sont calculés. L’analyse comparative de la valeur de la moyenne calculée avec une autre déjà existante ainsi qu’entre espèces étudiées, a été faite en utilisant le test de t de Student à l’aide du logiciel Excel de Microsoft Office 2010.

2.3. Essais de caractérisation mécanique

L’anisotropie du bois rend nécessaire la recherche des caractéristiques en prenant en compte la direction des fibres. Il en résulte que les mesures doivent prendre en compte la disposition du fil du bois par rapport aux sollicitations appliquées. Pour cela, nous préparons toujours des éprouvettes dépourvues d’anomalies et défauts et dont le fil des

(a) (b)

fibres est bien rectiligne suivant la direction longitudinale. Afin d’être facilement identifiable chaque éprouvette est codée par deux (02) lettres et un (01) chiffre :

- La première lettre du code représente l’initiale du nom (genre) de l’essence (exemple : dans ‘’aC1’’, le ‘’a’’ représente ‘’Afzelia africana’’) ; mais pour faire la différence entre Afzelia africana et Anogeissus leiocarpus dont les initiales sont toutes ‘’a’’, nous avons choisi de nommer Anogeissus leiocarpus ‘’b’’.

- La deuxième lettre représente l’initiale du nom de la sollicitation (exemple : dans ‘’aC1’’, le ‘’C’’ représente ‘’Compression’’) ;

- Le chiffre indique le numéro de l’éprouvette (exemple : dans ‘’aC1’’, le ‘’1’’

représente ‘’Eprouvette 1’’) ;

2.3.1. Prélèvement des éprouvettes de compression et flexion

Au total, pour chacune des trois (03) essences étudiées, deux (02) catégories d’éprouvettes en forme de parallélépipède rectangle sont découpées en respectant les trois directions (R, T, L) à partir des planches – comme décrit selon la figure 4.1 - suivant la direction du fil du bois. La démarche reste la même que pour les éprouvettes de l’essai de dureté.

- La première catégorie comprend (08) éprouvettes de dimensions 20x20x60 mm³ destinées aux essais de compression axiale. ;

- la deuxième catégorie d’éprouvettes de dimensions 20x20x360 mm³, est destinée à l’essai de flexion quatre (04) points. Ces éprouvettes ont été confectionnées selon les normes en vigueur (NF B51-002). Toutefois, elles ont été testées à une humidité H voisine de 12% après conditionnement à l’étuve (figure 4.8) à une température de 35°C pendant sept (07) jours puis protection avec papier aluminium.

Les figures 4.6 et 4.7 montrent quelques exemplaires des éprouvettes utilisées.

Figure 4.6 : Eprouvettes d’essai de compression (20x20x60mm³)

Anogeissus leiocarpus Afzelia africana Gmelina arborea

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Figure 4.8 : Eprouvettes d’essais mécaniques conditionnées à l’étuve

Flexion Compression (20x20x60mm³)

Compression (30x30x90mm³) Dureté

Figure 4.7 : Eprouvettes d’essai de flexion quatre (04) points (20x20x360mm³) déballées du papier aluminium.

2.3.2. Réalisation des essais de flexion 4 points

Les caractéristiques de flexion considérées sont le module d’Young EF et la contrainte de rupture, en flexion statique σF. Les éprouvettes sont de dimensions 360 mm (L) x 20 mm (R) x 20 mm (T) et sept (07) éprouvettes par essence, ont été testées.

a) Principe de l’essai

Les essais ont été réalisés en suivant la norme NF B 51-008 (1987). Le schéma de principe est présenté à la figure 4.9.

Figure 4.9 : Schéma de principe de la flexion quatre (04) points b) Matériels utilisés :

La machine d’essais utilisée est une presse de marque SATEC. Mais elle n’était pas équipée de dispositif de flexion approprié répondant aux exigences de la norme suscitée.

Nous avons alors dû concevoir et fabriquer un dispositif de flexion quatre points.

Le dispositif de chargement conçu et réalisé pour l’essai de flexion 4 points : Le dispositif conçu et réalisé est constitué de deux parties :

- La partie supérieure constituée d’un support rigide et de deux roulettes cylindriques libres à axes parallèles distants et,

- La partie inférieure constituée également d’un support rigide et de deux roulettes cylindriques libres à axes parallèles mais muni d’un support de comparateur

- La partie inférieure constituée également d’un support rigide et de deux roulettes cylindriques libres à axes parallèles mais muni d’un support de comparateur

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