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 pour le captage de la flèche à mi-travée (flèche maximale).

Les roulettes sont de diamètre 40mm et de longueur 40mm. Elles servent d’appuis sans frottement au cours de l’essai, en quatre (04) contacts. La figure 4.10 montre une photographie de l’ensemble du dispositif en cours d’essai.

( = 2 + )

P/2

P/2

a0 a a0

P/2

P/2

Eprouvette Quatre (04)

cylindres

Comparateur (Capteur de déplacement)

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c) Collecte des données

Pour chaque essai, l’évolution de la charge et de la flèche correspondante a été enregistrée au moyen de deux caméras : une pour l’affichage des valeurs de charges et une autre pour les indication du comparateur. Les mesures ont été effectuées en deux temps :

- 1^er temps (Mesure du module d’Young) : chargement à une vitesse constante de 4 mm/min jusqu’à 9 mm au plus avec enregistrement des déplacements (la flèche) au comparateur (figure 4.10.a) et des valeurs de charges correspondantes, puis arrêt de l’essai et récupération du capteur comparateur ;

- 2^ème temps (Mesure de la contrainte à la rupture) : reprise de l’essai avec un déplacement à vitesse constante de 4 mm/min jusqu’à la rupture de l’éprouvette (figure 4.10.b), et enregistrement de la charge maximale P.

Figure 4.10 : Dispositif de flexion quatre (04) points conçu et réalisé ; en cours d’essai, avec l’éprouvette pendant le premier temps de chargement (a) et le deuxième temps (b).

Les caractéristiques recherchées ont été déterminées comme suit :

 Le module d’élasticité, exprimé en MPa, a été calculé à partir de l’équation ci-après pour chaque éprouvette essayée. Pour cela, la courbe effort – flèche (mesuré par le comparateur) a été tracée pour chacune des éprouvettes essayées (voir figures à l’annexe 3.2.1.b) ; puis la pente = ∆ ⁄∆ de la partie linéaire de celle-ci a été déterminée.

(a)

(b)

La pente de ces droites sont ensuite utilisées pour calculer les modules des éprouvettes à leur humidité respective. Ces valeurs de modules ont été converties

=( − ) ∗ (2 + 2 − )

8 ℎ ∗

avec : EF : module d’élasticité en flexion (MPa) ;

l : distance entre les axes des appuis cylindriques (mm) ;

a : distance mesurée entre les axes des têtes de chargement (mm) ; b : largeur mesurée de l’éprouvette (mm) ;

h : hauteur mesurée de l’éprouvette (mm) ;

p : pente de la partie linéaire de la courbe effort– flèche;

F : effort résultant à l’éprouvette ;

f : flèche en milieu de l’éprouvette ou des axes extrêmes du dispositif (mm)

 La contrainte de rupture σF), exprimée en MPa, a été déterminée avec l’équation ci-après :

=3 ( − ) 2 ℎ² Avec :

: contrainte de rupture en flexion (MPa) ;

P : charge maximale à la rupture en flexion ou valeur maximale de F (N) ; l : distance entre les axes des appuis cylindriques (mm) ;

a : distance mesurée entre les axes des têtes de chargement (mm) ; b : largeur mesurée de l’éprouvette (mm) ;

h : hauteur mesurée de l’éprouvette (mm).

 La valeur moyenne et l’écart-type aussi bien du module d’élasticité que de la contrainte de rupture pour l’ensemble des éprouvettes essayées, sont calculés.

L’analyse comparative des valeurs de moyennes calculées et d’autres déjà existantes 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.

2.3.3. Réalisation de l’essai de compression axiale

Cet essai a été effectué sur toutes les trois (03) essences retenues. Il consiste à appliquer un effort de compression de façon progressive et parallèlement au fil du bois (NF B 51-007 (1985)). L’effort a été appliqué de façon progressive, de la valeur zéro jusqu’à la rupture de l’éprouvette, à une vitesse de 2 mm/min. Les essais ont été réalisés sur une machine d’essais «SATEC» équipée d’un dispositif d’essai constitué de deux plateaux dont l’un est munis d’une rotule. Dix (10) éprouvettes de dimensions 60 mm (L) x20 mm (R) x 20 mm (T) ont été utilisées par essence. La contrainte de rupture ( ), exprimée en MPa, a été déterminée pour chaque éprouvette avec l’Équation ci-après :

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= ∗ où :

P : charge maximale (N) ;

a et b : dimensions de la section transversale de l’éprouvette (mm)

 La valeur moyenne et l’écart-type de la contrainte de rupture pour l’ensemble des éprouvettes essayées, sont calculés. L’analyse comparative de la moyenne calculée avec une autre déjà existante ainsi qu’entre espèces étudiées, a été faite en utilisant le test statistique de t de Student.

Les figures 4.11 a et b suivantes, montrent quelques éprouvettes de compression et de dureté après les essais.

Figure 4.11 : Eprouvettes de compression (a) et de dureté (b), après essai.

(a) : Eprouvettes de d’essai de compression rompues

(b) : Eprouvettes de dureté rompues après essai

3. Résultats et Discussion

Les caractéristiques déterminées sont celles physiques et mécaniques des trois essences de bois ayant fait l’objet du présent travail, que sont Afzelia africana, Gmelina arborea et Anogeissus leiocarpus. Les différentes données d’essai ainsi que les étapes des traitements ayant conduit aux valeurs des caractéristiques recherchées sont présentées à l’annexe… les résultats obtenus (valeurs des caractéristiques) sont présentés dans les tableaux récapitulatifs 4.4 et 4.5.

3.1. .Caractéristiques physiques des essences étudiées

Les caractéristiques physiques déterminées pour les essences étudiées sont les densités, anhydre et basale, les coefficients de retraits volumique, radial et tangentiel totaux ainsi que la dureté Monnin.

Les densités anhydres moyennes obtenues sont de 0,52 avec un écart-type de 0,12 pour Gmelina arborea ; 0,77 avec un écart-type de 0,08 pour Afzelia africana et 0,86 avec un écart-type de 0,01 pour Anogeissus leiocarpus. La comparaison à l’aide du test de t de Student montre qu’il y a de différence significative au seuil de 5% entre les densités anhydres moyennes de ces espèces (considérées deux à deux).

En ce qui concerne la densité basale, Gmelina arborea présente une moyenne de 0,47 avec un écart-type de 0,10 ; Afzelia africana une moyenne de 0,69 avec un écart-type de 0,08 et Anogeissus leiocarpus une moyenne de 0,74 avec un écart-type de 0,01. La comparaison à l’aide du test de t de Student révèle qu’il n’y a pas de différence significative au seul de 5% entre les densités basales moyennes de Afzelia africana et Anogeissus leiocarpus alors que ces moyennes sont supérieures à celles de Gmelina arborea. Cette équivalence ou non différence de densité basale constatée entre Afzelia africana et Anogeissus leiocarpus pourrait être liée à la nature des deux espèces.

Ainsi, nous pouvons dire que, de façon globale, la densité (anhydre ou basale) de Afzelia africana plus forte que celle de Gmelina arborea mais plus faible que celle de Anogeissus leiocarpus. Gmelina arborea est un bois léger (densité inférieure à 0,65) alors que Anogeissus leiocarpus et Afzelia africana sont des bois mi-lourd à lourd (densité au voisinage 0,85).

La teneur en eau maximum moyenne déterminée pour Gmelina arborea est de 116,46% avec un écart-type de 20,92% contre 67,88% avec un écart-type de 14,74% pour Afzelia africana et 60,97 % avec un écart-type de 1,47% pour Anogeissus leiocarpus. Pour ces deux dernières espèces, il n’y a pas de différence significative au seuil de 5%, selon le test de t de Student. Donc Anogeissus leiocarpus et Afzelia africana ont pratiquement les mêmes teneurs en eau maximum qui reste presque la moitié de celle de Gmelina arborea.

Pour ce qui est des retraits, Gmelina arborea présente un retrait volumique total de 10,76% avec un type de 2,31% pour un retrait radial total de 3,71% avec un écart-type de 0,72% et un retrait tangentiel de 6,93% avec un écart-écart-type de 1,14% ; ces retraits

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dimensionnels sont marqués par une anisotropie de retrait caractérisée par le rapport RT/RR

(tangentiel divisé par radial) de 1,90 avec un écart-type de 0,33. Afzelia africana présente un retrait volumique total de 11,26% avec un écart-type de 2,62% pour un retrait radial total de 3,32% avec un type de 0,74% et un retrait tangentiel de 4,84% avec un écart-type de 1,67% ; son rapport RT/RR est de 1,45 avec un écart-type de 0,34.

Quant à Anogeissus leiocarpus, son retrait volumique total est de 16,94% avec un écart-type de 0,83% pour un retrait radial total de 5,25% avec un écart-écart-type de 0,38% et un

Quant à Anogeissus leiocarpus, son retrait volumique total est de 16,94% avec un écart-type de 0,83% pour un retrait radial total de 5,25% avec un écart-écart-type de 0,38% et un

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