Humidité du bois

L'humidité dans le bois existe sous deux formes. La première forme est en eau libre se trouvant dans les cavités cellulaires ou lumens, les espaces intercellulaires, les ponctuations où elle circule librement. La deuxième présente dans la paroi cellulaire est appelée eau liée, eau sorbée ou eau hygroscopique, cette eau est très difficile à séparer du bois. La teneur en humidité du bois vert nous renseigne sur la quantité d'eau (libre et liée) dans l'arbre sur pied, elle est souvent exprimée en pourcentage du poids anhydre du bois (équation 1). La teneur en humidité du bois à l’état vert varie d'une espèce à l’autre (de 50 % à plus de 200 %), et étroitement liée avec la densité.

H(%) = [(Mh – M0)/M0]× 100 (1) Avec : M0 : poids de l’échantillon anhydre en kg

Mh : poids de l’échantillon humide en kg H(%) : Humidité en %

Un bois avec une humidité de 230% (cas du peuplier fraîchement abattus) contiendra donc 230 kg d’eau pour 100 kg de matière sèche.

Les autres méthodes permettant de quantifier l’humidité dans le bois sont :

- La mesure de la résistance électrique du bois, cette méthode est fiable que lors que le bois est à un taux d’humidité inférieur à 25 % (Siau, 1984),

- La mesure par la densitométrie radiologique (Polge, 1966). La différence d’adsorption entre radiographies d’un échantillon humide et anhydre permet d’accéder, après étalonnage, à la répartition de la teneur en (Quéméré, 1982),

- La mesure de l’attenuation d’une source de rayon gamma à l’aide d’un compteur de photons (Perré, 1987),

- La mesure par tomographie à rayon X, méthode récemment développé à l’INRA – Champenous par le Laboratoire d’Etude des Ressouces Forêt-Bois (LERFoB) (Freyberger et al, 2009).

Ces deux dernières techniques sont très performantes car non destructives. Cependant, les rayons X sont plus commodes à utiliser que les rayons gamma.

Placé dans une ambiance à humidité relative comprise entre 0 et 99 %, le bois se stabilise à une humidité dite « d’équilibre hygroscopique ». Cette eau hygroscopique est absorbée sur les fonctions hydroxyles des constituants chimiques de la paroi cellulaire (hémicellulose, cellulose, lignine, classés ici par ordre décroissant d’affinité pour l’eau). L’énergie de liaison des molécules d’eau à la matrice solide (liaisons hydrogène ou forces de VAN DER WAALS) est de l’ordre de 20 joules par mole (Bary-Lenger et al, 1999).

Jusqu’à un taux d’humidité du bois de 5 à 6 %, l’eau est adsorbée en couche monomoléculaires. Au dessus de ce taux, les nouvelles couches de molécules d’eau s’adsorbent successivement en s’attachant sur la première jusqu’au point de saturation des fibres (PSF) (Feuillat, 1996).

Le PSF définit la limite supérieure du domaine hygroscopique, pour la quelle les parois cellulaire sont saturées alors que les lumens sont encore vides. Nombreuses propriétés varient en fonction de la valeur du PSF (retrait-Gonflement, résistance mécaniques,….).

Les courbes d’équilibre entre la teneur en eau du bois et l’humidité relative de l’air pour une température donnée sont les isothermes de sorption (figure I.37). Les différences de capacité de sorption entre les différentes espèces ligneuses peuvent être associées à des variations de la composition chimique du bois en particulier du taux d’extractibles (Wangaard et Granados, 1967 in Feuillat, 1996). L’humidité d’équilibre dépend aussi largement de l’histoire du matériau. Ainsi, la première désorption présente un caractère nettement différent par rapport aux désorptions suivantes.

Figure I 37.Exemple d’isothermes de sorption

(bois de pin) dans le plan température-humidité (source : TCI)

Au dessus du PSF (humidité de l’air est supérieur à 99 %, bois immergé dans l’eau par exemple), l’eau remplit les cavités cellulaires. Cette eau est retenue par des forces d’origine capillaire résultat de l’interaction entre les molécules d’eau et la surface du bois. Dans le cas d’un capillaire d’un diamètre petit, l’attraction entre les molécules des parois et du liquide peut devenir plus importante que celle des molécules du liquide entre elles, avec le résultat que la surface devient incurvée, formant un ménisque concave vers la phase vapeur (figure I.38). Cette incurvation a pour effet que les tangentes de deux points voisins de la surface ne sont pas colinéaire, mais forment un angle plus grand que 180° vers la phase liquide. Une molécule en surface du liquide est donc sujette à une attraction plus forte que dans le cas d’une surface plane, ce qui se traduit macroscopiquement par une réduction de la pression partielle de vapeur ( in Kaumann, 1983, in Feuillat, 1996).

Figure I 38. Effet de rayon de courbure du ménisque sur la valeur de la pression capillaire

(d’après Perré, 1992 in Feuillat, 1996)

Dans le bois, l'eau se déplace par l'intermédiaire de nombreux chemins. Les principaux sont les cavités dans les cellules (figure I.39), les chambres de ponctuation et les ouvertures de membrane de ponctuation dans les parois cellulaires au niveau de la marge (figure I.40)

Figure I 39. Cavité des trachéides

Figure I 40. Chemins de déplacement de déplacement de l’eau dans le bois

Le mouvement de l'eau dans ces passages a lieu longitudinalement dans les cellules et latéralement de cellule à cellule par l'intermédiaire des membranes de ponctuation (figures I.17 à I.25) Le transport convectif d'un fluide au sein du bois ne peut exister que si les espaces vides sont interconnectés par des ouvertures. Le transport au travers des parois des cellules est négligeable (Wiedenbeck, 1990). Pour les résineux, le transport de l’eau se fait dans les trachéides, mais les canaux résinifères peuvent être la voie principale du flux pour le bois séché (figure I.41). Pour l'ensemble des essences, le flux convectif longitudinal pendant le séchage ou pendant l’humidification du bois, est limitée par la taille, le nombre et l’état des paires de ponctuations (ouvertes ou fermée) situées entre deux trachéides ou deux vaisseaux voisins.

Figure I 41. Canal résinifère en coupe transversale dans le bois de printemps (BI) d’un Douglas

(Elaieb et al., 2012)