Le matériau bois

I.1.1. Structure anatomique du bois

Le bois croît de manière concentrique. Des couches de cellules nouvelles sont formées entre l’écorce et le bois déjà existant par division cellulaire du cambium. Le bois est ainsi formé de plusieurs couches d’âge et de fonction différente. De l’extérieur vers l’intérieur, on distingue l’écorce ou suber, constitué de cellules mortes, qui assure une fonction protectrice ; le liber, généré comme le bois par l’assise libéro-ligneuse (le cambium), qui permet la circulation de la sève élaborée ; le cambium, dont les cellules, peu différenciées, se divisent pour produire vers l’intérieur des cellules qui se différencient en cellules de xylème secondaire (le bois) et vers l’extérieur en cellules de phloème secondaire (liber) ; l’aubier ou bois jeune est constitué en partie de cellules vivantes, il permet la circulation de la sève brute et l’accumulation des matières nutritives ; au fur et à mesure que l’arbre croît via l’assise libéro-ligneuse, les cellules de l’aubier les plus proches du centre du tronc meurent, elles forment le bois parfait ou duramen qui assure principalement une fonction de soutien. La résistance mécanique et aux agents de pourriture est plus élevée dans le bois parfait, les parois des cellules sont épaissies, l’amidon a disparu, remplacé notamment par des tanins.

74 L’accroissement du bois dans les régions tempérées se fait de manière saisonnière. Il est important au printemps, ralenti en été, puis interrompu pendant la saison froide, formant ainsi des couches successives appelées « cernes annuels » ou « cernes de croissance » qu’il est parfois possible de distinguer à l’œil nu. Le bois de printemps est dit « bois initial » et le bois d’été, « bois final ». Le bois initial est souvent plus riche en cellules conductrices (vaisseaux), alors que le bois final est plus riche en tissus de soutien (fibres).

Le bois est constitué d’une variété importante de type de cellules de morphologie et de fonction différentes. Les types de cellules varient selon les essences et en particulier entre les feuillus et les conifères.

Les conifères présentent une organisation simple et uniforme. Ils sont constitués principalement de fibres-trachéides qui assurent en même temps les fonctions de soutien et de conduction de la sève. Ils comprennent également des rayons ligneux composés de cellules de parenchyme et parfois des trachéides transversales et des canaux résinifères. La structure des feuillus est plus complexe. Les fonctions de soutien et de conduction sont assurées par des cellules différentes. Ils sont ainsi composés de vaisseaux et de fibres ligneuses auxquels s’ajoutent des rayons ligneux, du parenchyme et parfois des fibres trachéides et trachéides vasculaires, etc.

Les caractéristiques morphologiques des cellules et leur agencement entre elles forment le plan ligneux d’une espèce. Celui-ci n’est pas homogène entre les différents bois, par contre il est toujours analysé selon trois sections orthogonales : la section transversale, perpendiculaire aux cellules axiales de la tige sur laquelle on peut observer les cernes de croissance du bois ; la section tangentielle, qui est tangente aux cernes de croissance ; la section radiale, orientée de la moelle à l’écorce, qui suit le sens des rayons ligneux. Les propriétés du bois ne sont pas homogènes dans les trois plans, ceux-ci correspondent aux trois directions d’anisotropie du bois.

75 I.1.2. Composition du bois

I.1.2.1. Composition élémentaire

La composition élémentaire du bois varie assez peu d’une essence à l’autre. Elle se répartit globalement de la manière suivante (en pourcentage de masse du bois anhydre) : le carbone (C) constitue environ 50% de la matière, l’oxygène (O) 42 à 43%, l’hydrogène (H) 6%, l’azote (N) 0.5 à 1%, ainsi que des minéraux sous forme de traces (0.5 à 1% de Calcium, Potassium, Magnésium, Manganèse, Fer, Silicium, etc.).

Ces éléments s’assemblent pour former trois macromolécules principales, la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Le bois est donc un composite de polymères dont les constituants, en proportions variables, forment un réseau rigide et complexe.

I.1.2.2. Constituants organiques

Si la composition élémentaire varie peu, la proportion des trois macromolécules constitutives du bois est variable selon les essences. La cellulose est le constituant le plus important (40 à 50 %), suivie des hémicelluloses (20 à 25 %) et de la lignine (10 à 30 %). Des extractibles (0 à 10 %), substances secondaires variables selon les essences, sont présents en faible quantité ; ce sont des pectines, résines, oléorésines, tannins, matières colorantes, cires, alcaloïdes, acides gras, matières minérales, etc. (Navi et Heger, 2005).

La cellulose est un polymère formé d’une longue chaîne de molécules de glucose. La nature fibreuse du bois résulte de la disposition linéaire, orientée, cristalline de la cellulose.

Les hémicelluloses sont des polymères plus courts. Elles sont de structure amorphe et forment avec la lignine une gangue dans laquelle sont enrobées les fibrilles de la cellulose. La lignine est un polymère tridimensionnel formant de grosses molécules complexes. Comme les hémicelluloses, sa structure varie entre les essences, et en particulier entre feuillus et conifères.

76 I.1.2.3. Teneur en eau

Les propriétés physiques du bois sont fortement conditionnées par sa teneur en eau. Les cellules du bois sur pied sont remplies d’eau libre, qui est nécessaire au fonctionnement physiologique du végétal et circule dans les cellules. Le taux d’humidité d’un bois vert peut atteindre des valeurs supérieures à 100%.

Le bois mort ou abattu sèche ; l’eau libre contenue dans les cellules du bois disparaît progressivement. En deçà du point de saturation des fibres (lorsque l’eau libre a entièrement disparue), il ne reste plus que l’eau liée, imprégnant les membranes cellulaires. La quantité d’eau liée varie et s’équilibre selon les conditions atmosphériques. Le bois est dit matériau hygroscopique, c'est-à-dire qu’il a la capacité de prendre ou perdre de l’humidité en fonction de la température et surtout de l’humidité relative de l’air ambiant.

I.1.3. Propriétés du bois

La variation de la quantité d’eau liée (entre le point de saturation des fibres et l’état anhydre) entraîne des phénomènes de variations dimensionnelles type retrait ou gonflement. Or, le retrait du bois est inégal selon que l’on considère l’un ou l’autre des trois plans anatomiques du bois. C’est un matériau fortement anisotrope.

L’ampleur du retrait varie selon les taxons, mais pour toutes les essences, le retrait tangentiel est prépondérant, le coefficient de retrait radial est environ moitié moins important et le coefficient de retrait longitudinal est d’un ordre de grandeur moins important que les précédents (Guitard, 1987).

Le bois est un matériau poreux. Le degré de porosité est dépendant de la structure anatomique des essences, de même que la densité du bois. Cependant, la densité du bois peut également varier entre les individus d’une même essence comme au sein d’un même individu. Elle est dépendante du degré d’humidité, de la situation géographique, du substrat sur lequel l’arbre a poussé, mais aussi de la situation de prélèvement dans l’arbre. On exprime généralement la densité pour un taux d’humidité égal à 15 % (moyenne entre l’état anhydre et l’état de saturation). La densité influence dans le cas du bois d’autres propriétés, telle la dureté et la résistance à la compression.

77 Enfin le bois présente également des propriétés combustibles et le pouvoir calorifique varie en fonction du taxon, mais aussi en fonction du taux d’humidité, du calibre des grumes mises au feu et de l’état phénologique et physiologique du bois.