Définition et description du matériau "bois"

Nous ne présentons ci-dessous que les quelques bases et définitions¹ qui seront utiles à la compréhension de la suite du manuscrit, et les précisions nécessaires à chaque échelle seront introduites, au cours du texte, à chaque fois qu’elles auront une implication pour les propriétés physiques et mécaniques considérées. Nous commencerons par quelques brèves définitions du bois puis de ses propriétés physiques et mécaniques, celles qui seront étudiées dans le présent travail. Nous présenterons ainsi les travaux effectués dans ce domaine. Les informations de la littérature concernant des points précis des thématiques abordées dans ce travail seront plus détaillées dans les paragraphes concernés, en les confrontant à nos résultats expérimentaux.

Depuis la préhistoire, l’Homme a utilisé le bois pour sa beauté et son faible coût autant dans le commerce et l’art que dans la construction et l’ameublement. Ce noble matériau, prisé pour son côté esthétique, présente plusieurs avantages uniques tels sa grande disponibilité, son renouvellement permanent et son utilisation écologique positive (Bruce Hoadley, 2000). Ainsi, les connaissances sur le bois découlent de l’expérience de nos ancêtres. Aujourd’hui, cette connaissance pratique est de plus en plus soutenue par des recherches scientifiques qui permettent de développer la "science du bois". La science du bois se veut pluridisciplinaire et nécessite une collaboration étroite entre des disciplines scientifiques telles que l’anatomie du bois, la physique, la mécanique et la chimie pour permettre l’évolution de l’ensemble des technologies liées aux différentes phases de traitement du bois (Navi et Heger, 2005).

II.1.1. Plan ligneux du bois

C’est l'arrangement des cellules du bois et la croissance de l’arbre en hauteur et radialement qui confère au bois ses propriétés orthotropiques, Les éléments constitutifs du bois sont orientés soit parallèlement soit perpendiculairement à un axe de symétrie matérialisé par la moelle. (Figure II.1). Ainsi, Le bois dans l’arbre est caractérisé par deux plans de symétrie matérielles RL et RT et trois directions privilégiées L, R et T :

la direction longitudinale ou axiale (L), parallèle à l’axe du tronc, c'est-à-dire dans la direction des fibres ;

la direction radiale (R), perpendiculaire à l’axe du tronc et passant par le centre ;

1 Pour une information plus détaillée, on pourra se reporter notamment aux cours de (Keller, 1994) pour ce qui concerne l’origine biologique et l’anatomie ; aux atlas d’identification de bois tropicaux basés sur leurs caractéristiques anatomiques (Détienne et Jacquet, 1983 ; Normand et Paquis, 1976 ; et autres). Plus généralement une introduction au matériau bois peut être trouvée, par exemple, dans l’ensemble du volume « le bois, matériau d’ingénierie » (Jodin, 1994). De même pour ce qui concerne les notions d’aubier/duramen et d’extractibles, une synthèse peut être consultée dans (Hillis, 1987).

la direction tangentielle (T), perpendiculaire à l’axe du tronc et tangente aux cernes d’accroissement.

Figure II.1. Les trois sens de lecture du plans ligneux : plan transversal, plan tangentiel, plan radial (in

Bourreau, 2011)

Ce plan ligneux est constant pour une espèce donnée, est généralisable pour une famille ou un groupe d’espèces et présente des analogies avec les espèces voisines (Keller, 1994). Il permet de reconnaître un bois, c’est un caractère systématique. Son étude conduit à la description des bois, à leur connaissance, à l’appréciation de leurs propriétés et permet de préciser les relations entre l’anatomie et les caractéristiques de ce matériau (Jodin, 1994).

II.1.2. Matériau d’origine biologique

Le bois, est un tissu complexe formé de cellules disposées longitudinalement (cellules conductrices, fibres) et transversalement (rayons). Il constitue la plus grande partie du tronc des plantes ligneuses. Est le matériau obtenu à partir du tronc et des branches des arbres. A l’échelle de la microstructure et de la macrostructure, l’étude des parois cellulaires et de leur organisation permet d’expliquer le comportement mécanique du bois. Le terme général de bois regroupe deux grandes catégories d’appellations commerciales : feuillus (angiospermes) et résineux (gymnospermes) (Bourreau, 2011).

II.1.3. Structure anatomique du bois

II.1.3.1. Anatomie du bois à l’échelle macroscopique

Au niveau macroscopique une coupe transversale d’un tronc d’arbre est caractérisée par la présence de : l’aubier, le duramen, l’écorce et le cerne.

II.1.3.1.1. Aubier

C’est la partie vivante du bois (bois de formation récente), situé entre le cambium et le duramen (Bruce Hoadley, 2000), riche en amidon, souvent différencié par la couleur, Il est généralement repéré par une couleur plus claire que la partie interne du bois (duramen), mais ce n’est pas toujours le cas. Une épaisseur importante d’aubier atteste de la vigueur de croissance de l’arbre considéré (Bowyer et al., 2003). Ses couches successives servent au transport de la sève brute et à

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l’accumulation de la matière nutritive (Guitard, 1987). De part sa richesse en matière nutritive, l’aubier est très vulnérable aux attaques des microorganismes et insectes xylophages. Sa durabilité naturelle est donc compromise (Bruce Hoadley, 2000). Nepveu (1987) a indiqué l’importance de l’aubier qui pourrait être qualifié par sa largeur et le nombre de cernes qu’il comporte. Pour les utilisations les plus nobles des bois, en particulier les bois feuillus, l’aubier est purgé. Ceci peut avoir des conséquences notables pour les bois à croissance assez rapide qui présentent souvent des aubiers très larges (cas de chêne rouge de plus de 100 cm de circonférence vendus exclusivement en bois de feu car la duraminisation y était trop peu développée).

II.1.3.1.2. Duramen

À l’inverse de l’aubier, c’est un ensemble de cellules mortes, bois âgé et stable dans lequel les échanges sont ralentis, et comportant peu d’amidon, il est considéré comme du bois non fonctionnel. Appelé souvent bois de cœur, ou bois parfait. Il est composé de membranes épaisses et dures, marqué par l’absence de la circulation des éléments nutritifs. On appelle l’opération de transformation de l’aubier en duramen la duraminisation, qui est le résultat de changement biochimique et physiologique au niveau des cellules de parenchymes (Datta et al., 1987 ; Magel et al., 1994). Contrairement à l’aubier il est plus résistant aux attaques d’insectes et maladies cryptogamiques plus particulièrement si ce type de bois est traité par des produits de préservation ce qui va lui conférer une durabilité plus longue (Jacquiot et al., 1973). Pour la plupart des espèces, le duramen présente une meilleure résistance à la pourriture et à l’attaque d’insectes xylophages. Cette caractéristique est due à la présence de molécules biologiquement actives synthétisées lors de la duraminisation, ainsi qu’à la disparition de substances de réserve consommées par les agents de dégradation biologique (Amusant et al., 2004 ; Wong et al., 2005).

La formation du duramen est un aspect majeur de la qualité du bois. Elle améliore les propriétés mécaniques du bois, accroît sa durabilité et modifie sa couleur. Les processus conduisant à la formation et à l’extension du duramen n’ont jamais été réellement explicités jusqu’à présent Pour de nombreuses essences, cette distinction de couleur entre l'aubier et le duramen n'existe pas (Jacques et

al., 1990). Il existe aussi du bois intermédiaire représentant les couches les plus internes de l’aubier

qui forment la transition entre ce dernier et le duramen (Klumpers, 1994). La zone de transition a une épaisseur faible et est variable au cours d’un cycle de duraminisation (Bergström, 2000).

II.1.3.1.3. Ecorce

C’est un tissu protecteur constitué anatomiquement par une assise de cellules mortes formant l’assise subéro-phellodermique. Ce tissu appelé aussi le suber manchon.

II.1.3.1.4. Cerne

C’est la matière ligneuse fabriquée par l’arbre au bout d’une année. En climat tempéré, les cernes se distinguent facilement grâce à un arrêt ou un ralentissement significatif de la croissance de l’arbre pendant l’hiver (bois final). En climat tropical, la différenciation peut être plus compliquée du

fait que ce changement s’opère lors des saisons des pluies (Cote, 1984 ; Wem, 1987). Ainsi, pour les bois tropicaux, le terme de cernes annuels n’est souvent pas réellement applicable, ils sont de ce fait un indice très précieux pour dénombrer l’âge de l’arbre en comptant le nombre de cernes à la base du tronc (Jacquiot, 1955). La largeur des cernes est aussi un bon indicateur de la vitesse de croissance (Figure II.2).

Figure II.2. Structure générale du tronc d’un arbre (Rémond, 2004)

II.1.3.2. Anatomie du bois à l’échelle microscopique

Pour l'anatomiste, il existe deux types de bois : les bois homoxylés caractéristiques des gymnospermes (pins, sapins, épicéas, thuyas, cyprès, etc.), et les bois hétéroxylés caractéristiques des angiospermes dicotylédones (chêne, hêtre, tilleul, bouleau, merisier, etc.). Ces bois diffèrent par les cellules qui les composent, les premiers ne contiennent que des trachéides qui assurent à la fois le soutien et la conduction de la sève, alors que les seconds, renferment deux types d’éléments verticaux : des fibres de type trachéide qui assurent le soutien et des vaisseaux qui assurent la conduction (Figure II.3 et II.4).

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Figure II.4. Vue schématique d’un plan ligneux d’une essence résineuse (à gauche) et d’une

essence feuillue (à droite) (Bouet et Humbert, 2003)

Lors de la formation du bois dans l’arbre, et en réponse aux contraintes dues à son environnement, l’organisation cellulaire est unique pour chaque essence de bois. Bien que différente, celle des résineux reste sensiblement la même, contrairement aux feuillus, dont l’organisation est bien différenciée en fonction des essences. Pour les feuillus, trois grandes familles peuvent être identifiées : les bois à zone poreuse initiale, ceux à pores diffus ou encore les semi poreux (Figure II.5) (Keller, 1994).

(A) Fraximus excelsior (B) Fagus sylvatica (C) Acer pseudoplatanus

Figure II.5. Vue de la section transversale d’un feuillu poreux (A), semi-poreux (B) et à pores diffus

(C) (LERFoB, 2012)