ZAIRA MELISSA SILVA LATORRE
VARIATION DES PROPRIÉTÉS DES BOIS DE
BOULEAU JAUNE ET DE HÊTRE À GRANDES
FEUILLES EN FONCTION DE L’HUMIDITÉ
D’ÉQUILIBRE À DEUX TEMPÉRATURES
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en sciences du bois
pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
DÉPARTEMENT DES SCIENCES DU BOIS ET DE LA FORÊT FACULTÉ DE FORESTERIE ET DE GÉOMATIQUE
UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC
MARS 2007
Remerciements
J’aimerais remercier mon directeur de recherche, le professeur Roger Hernández, pour son support, intérêt et surtout encouragement tout au long de ce projet. Je tiens également à remercier Mme Tatjana Stevanovic, qui m’a permis de venir faire des études à l’université Laval.
Je voudrais aussi exprimer ma gratitude au professeur Yves Fortin et à Mme Giana Almeida pour leurs conseils et leurs commentaires très précieux.
J’ai aussi beaucoup apprécié la collaboration de tous les techniciens, et de tous mes amis qui m’ont aidé d’une manière ou d’une autre au progrès de ce travail.
À tout le Département des sciences du bois et de la forêt et à l’Université Laval.
Finalement, je remercie toute ma famille et spécialement ma mère pour leur soutien moral et à Benoit St-Pierre pour son aide et encouragement constant qui m’a permis de terminer ce travail de recherche.
Résumé
L’objectif principal de cette étude a été d’établir l’effet de la teneur en humidité d’équilibre sur les propriétés du bois à deux niveaux de température. Deux espèces feuillues tempérées ont été étudiées, soit le bouleau jaune et le hêtre à grandes feuilles. La région près du point de saturation des fibres (PSF) a été particulièrement visée. Deux méthodes de désorption d'humidité aux températures de 25°C et 50°C ont été appliquées, soit la méthode des solutions salines saturées et celle de la membrane poreuse sous pression. Celles-ci ont été couplées avec des mesures du retrait ainsi qu’à des essais de compression tangentielle. Les résultats ont montré qu’à l’équilibre de sorption, le retrait du bois a commencé avant même d'atteindre le PSF. Alors, ces résultats indiquent qu’une perte de l’eau hygroscopique a lieu en présence d’eau liquide. L’eau liquide qui reste à ce moment serait localisée dans les tissus les moins perméables du bois, soit les rayons ligneux. Une augmentation de la température augmenterait la perméabilité de ces tissus en facilitant la désorption de l’eau restante. Ainsi, la teneur en humidité d’équilibre marquant le début des changements des propriétés du bois diminue avec une augmentation de la température. Cette valeur se rapprocherait ainsi du PSF au fur et à mesure que la température s’élève. De plus, le retrait du bois de hêtre à 50°C semble avoir été affecté par un léger collapse localisé dans les zones plus faibles du bois. Enfin, l’hygroscopicité et les propriétés mécaniques du bois ont été plus faibles à 50°C qu’à 25°C.
A Dios ante todo, a mis padres Olga y Julio, a mis hermanos Sandra y Julito, y a Benoit
Table des matières
Remerciements...i
Résumé... ii
Table des matières ...iv
Liste des tableaux...vi
Liste des figures ... viii
Introduction...1
Chapitre 1...3
Revue de littérature...3
1.1. Hygroscopicité et domaine hygroscopique...3
1.2. Hystérèse de la sorption d’humidité ...5
1.3. Hystérèse à saturation d’humidité...7
1.4. Effet de l’hystérèse à saturation sur les propriétés du bois...11
1.5. Effet de la température sur les propriétés du bois...17
1.6. Objectifs et hypothèses du travail...18
Chapitre 2...22
Matériel d’essai...22
2.1. Espèces ligneuses...22
2.2. Préparation et sélection des éprouvettes ...22
2.3. Jumelage et principales caractéristiques des éprouvettes ...25
Chapitre 3...29
Méthode expérimentale...29
3.1. Traitements préalables des éprouvettes ...29
3.2. Essais de sorption...31
3.2.1. Caractéristiques générales...31
3.2.2. Méthode des solutions salines saturées...32
3.2.3. Méthode de la membrane poreuse sous pression...36
3.3. Essais mécaniques...39
3.3.1. Essais de compression ...39
3.3.2. Mesure des déformations ...42
3.4. Mesure des dimensions du bois ...43
Chapitre 4...44
Exécution des essais...44
4.1. Sorption d’humidité ...44
4.1.1. Méthode des solutions salines saturées...44
4.1.2. Méthode de la membrane sous pression ...44
4.1.3. Détermination de la teneur en humidité d’équilibre ...45
4.2. Compression tangentielle...47
4.3. Détermination du retrait...49
Chapitre 5...51
Présentation des résultats ...51
Chapitre 6...71
6.1. Précision des mesures et variabilité ...71
6.2. Hygroscopicité du bois ...73
6.3. Le point de saturation des fibres ...83
6.4. Relation entre l’humidité d’équilibre du bois et le retrait...84
6.5. Relation entre la teneur en humidité d’équilibre et la compression tangentielle..89
Conclusion ...92
Liste des tableaux
Tableau 1. Caractéristiques physico-mécaniques des espèces étudiées (d’après Jessome 2000)...23 Tableau 2. Caractéristiques anatomiques quantitatives des espèces étudiées (d’après
Almeida et Hernández, 2006c). ...23 Tableau 3. Identification et jumelage des éprouvettes...27 Tableau 4. Caractéristiques des conditions de sorption d'humidité utilisées et
destination des groupes d’éprouvettes. ...28 Tableau 5. Relation entre le potentiel hydrique, l’humidité relative et le rayon
capillaire à 25°C et 50°C. ...37 Tableau 6. Vitesses de déplacement de la traverse mobile de la machine à essai
mécanique en fonction de la teneur en humidité moyenne de l’éprouvette...41 Tableau 7. Temps final requis pour l’obtention de l’équilibre d’humidité pour les
deux espèces étudiées. ...46 Tableau 8. Changements de la teneur en humidité d’équilibre du bois pendant l’essai
mécanique. ...48 Tableau 9. Teneur en humidité d’équilibre (Hé), coefficients de retrait (βUH), ainsi que
coefficient de déformation (s11) en compression tangentielle du bois de bouleau jaune en fonction des conditions de sorption d’humidité à 25ºC et 50°C. ...53 Tableau 10. Coefficient de variation des mesures des propriétés étudiées du bois de
bouleau jaune à 25°C et 50°C...54 Tableau 11. Erreur relative de la moyenne des paramètres étudiés du bois de bouleau
jaune à 25°C et 50°C...55 Tableau 12. Teneur en humidité d’équilibre (Hé), coefficients de retrait (βUH), ainsi
que coefficient de déformation (s11) en compression tangentielle du bois de hêtre en fonction des conditions de sorption d’humidité à 25ºC et 50°C. ...56 Tableau 13. Coefficient de variation des mesures des propriétés étudiées du bois de
hêtre à 25°C et 50°C. ...57 Tableau 14. Erreur relative de la moyenne des paramètres étudiés du bois de hêtre à
25°C et 50°C. ...58 Tableau 15. Analyse statistique de la différence en dimension des échantillons après
saturation maximale et à la condition d’équilibre étudiée pour le bouleau jaune à 25°C et 50°C...86
Tableau 16. Analyse statistique de la différence en dimension des échantillons après saturation maximale et à la condition d’équilibre étudiée pour le hêtre à 25°C et 50°C. ...86
Liste des figures
Figure 1. Isothermes de sorption d'humidité du bois d'érable à sucre à la température de 21°C (d'après Goulet 1968)...6 Figure 2. Équilibre hygroscopique moyen, établi à l'aide de la technique des plaques
et membranes poreuses sous pression, aux humidités très élevées. Aubier de pruche de l'ouest à 21°C (d'après Fortin 1979). ...9 Figure 3. Teneur en humidité d’équilibre en fonction du potentiel hydrique du bois de
congona, cachimbo, et hêtre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006b). Les valeurs à -100 ψ représentent la saturation maximale en-dessous de l’eau distillée; les symboles noirs sont les valeurs obtenues par la méthode de la membrane poreuse sous pression et les symboles blancs sont les valeurs obtenues par la méthode de solutions salines saturées (l’erreur type est montrée seulement quand elle dépasse la taille du symbole)...10 Figure 4. Isothermes de désorption en fonction du potentiel hydrique du bois de chêne
rouge à 30 et 55°C (d’après Zhang et Peralta 1999)...11 Figure 5. Retraits radial et tangentiel du bois de hêtre en fonction de sa teneur en
humidité d’équilibre en adsorption et en désorption à 25°C (d’après Stevens 1963)...13 Figure 6. Coefficient de déformation du bois d’érable à sucre en compression radiale
en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 21°C (d’après Goulet 1968). ...14 Figure 7. Coefficient de retrait βUH du bois de bouleau jaune en fonction de la teneur
en humidité d’équilibre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006a)...15 Figure 8. Coefficient de déformation s11 du bois de bouleau jaune en compression
tangentielle en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006a). ...15 Figure 9. Coefficient de retrait βUH du bois de hêtre en fonction de la teneur en
humidité d’équilibre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006b). ...16 Figure 10. Coefficient de déformation s11 du bois de hêtre en compression
tangentielle en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006b). ...16 Figure 11. Isothermes de sorption du bois d’érable à sucre aux températures de 5, 21,
35, et 50°C (d’après Djolani 1970)...20 Figure 12. Relation teneur en humidité d’équilibre – potentiel hydrique du tremble au
long de la courbe de désorption limite en direction radiale à 20, 35, et 50°C (d’après Cloutier et Fortin 1991). ...21
Figure 13. Coupes microscopiques du bois de bouleau jaune: (A) coupe transversale (75x); (B) coupe tangentielle (75x) (d’après Panshin et de Zeeuw 1980)...24 Figure 14. Coupes microscopiques du bois de hêtre: (A) coupe transversale (75x); (B)
coupe tangentielle (75x) (d’après Panshin et de Zeeuw 1980)...24 Figure 15. Forme et dimensions de l’éprouvette de compression tangentielle...25 Figure 16. Cylindre utilisé pour la saturation des éprouvettes de bouleau jaune
destinés aux essais sur les solutions salines saturées...30 Figure 17. Cylindre utilisé pour la saturation des échantillons destinés aux essais sur
la membrane poreuse. ...32 Figure 18. Bassin de sorption à température constante à 25°C (une couche isolante
thermofoil couvrait ce système)...34 Figure 19. Montage de l’appareil utilisé pour la technique de la membrane poreuse
sous pression. ...38 Figure 20. Dispositif de mesure des déformations en compression tangentielle...42 Figure 21. Dispositifs pour la mesure des déformations des éprouvettes : (A) direction
tangentielle; (B) directions radiale et longitudinale...43 Figure 22. Teneur en humidité d’équilibre du bois de bouleau jaune en fonction du
potentiel hydrique à 25ºC...59 Figure 23. Teneur en humidité d’équilibre du bois de bouleau jaune en fonction du
potentiel hydrique à 50ºC...60 Figure 24. Coefficients de retrait du bois de bouleau jaune en fonction de sa teneur en
humidité d’équilibre à 25°C...61 Figure 25. Coefficients de retrait du bois de bouleau jaune en fonction de sa teneur en
humidité d’équilibre à 50°C...62 Figure 26. Coefficients de déformation du bois de bouleau jaune en compression
tangentielle en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 25°C. ...63 Figure 27. Coefficients de déformation du bois de bouleau jaune en compression
tangentielle en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 50°C. ...64 Figure 28. Teneur en humidité d’équilibre du bois de hêtre en fonction du potentiel
hydrique à 25ºC...65 Figure 29. Teneur en humidité d’équilibre du bois de hêtre en fonction du potentiel
hydrique à 50ºC...66 Figure 30. Coefficients de retrait du bois de hêtre en fonction de sa teneur en
humidité d’équilibre à 25°C...67 Figure 31. Coefficients de retrait du bois de hêtre en fonction de sa teneur en
humidité d’équilibre à 50°C...68 Figure 32. Coefficients de déformation du bois de hêtre en compression tangentielle
Figure 33. Coefficients de déformation du bois de hêtre en compression tangentielle en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 50°C...70 Figure 34. Comparaison des teneurs en humidité d’équilibre du bois de bouleau jaune
mesurées dans le présent travail et dans celui d’Almeida et Hernández (2006a), en fonction du potentiel hydrique à 25ºC. ...75 Figure 35. Comparaison des teneurs en humidité d’équilibre du bois de hêtre
mesurées dans le présent travail et dans celui d’Almeida et Hernández (2006b) en fonction du potentiel hydrique à 25ºC...76 Figure 36. Teneur en humidité d’équilibre du bois de bouleau jaune et hêtre à grandes
feuilles en fonction du potentiel hydrique à 25ºC...77 Figure 37. Teneur en humidité d’équilibre du bois de bouleau jaune et de hêtre à
grandes feuilles en fonction du potentiel hydrique à 50ºC. ...78 Figure 38. Teneur en humidité d’équilibre du bois de bouleau jaune en fonction du
potentiel hydrique à 25°C et 50ºC. ...80 Figure 39. Teneur en humidité d’équilibre du bois de hêtre en fonction du potentiel
hydrique à 25°C et 50ºC. ...81 Figure 40. Coefficient de retrait volumétrique de bois de bouleau jaune en fonction de
sa teneur en humidité d’équilibre à 25°C et 50°C. ...85 Figure 41. Coefficient de retrait volumétrique de bois de hêtre en fonction de sa
Introduction
La plupart des propriétés du bois sont influencées par sa teneur en humidité d’équilibre. Or, une bonne connaissance des propriétés physiques et mécaniques du bois, étant un matériau poreux et hygroscopique, est nécessaire et essentielle afin d’assurer d’une utilisation adéquate.
Le point de saturation de fibres (PSF) est une propriété très importante du bois. Il est défini comme la teneur en humidité à laquelle les parois cellulaires sont saturées d’eau hygroscopique tandis qu’il n’y a pas d’eau libre dans les cavités cellulaires. Il est reconnu que cette teneur en humidité d'équilibre affecte plusieurs propriétés au-dessous de la saturation des fibres et qu’au-dessus de celle-ci ces propriétés demeurent inchangées. Pourtant, certains travaux de recherche ont montré que cette présomption ne serait pas toujours réaliste. En désorption, le retrait du bois ainsi que sa résistance en direction tangentielle sont affectés par la teneur en humidité d’équilibre avant même d'atteindre le point de saturation des fibres. Ce comportement est relié au phénomène d'hystérèse à la saturation, qui affecte la sorption d'humidité au-dessus de 60% d'humidité relative. À des humidités relatives élevées, l’équilibre hygroscopique du bois est affecté d’une manière importante par sa structure poreuse. Ainsi, la valeur de teneur en humidité limite au-dessous de laquelle débutent les changements des propriétés du bois varie avec les espèces. Les travaux précédents sur ce sujet ont été tous réalisés à la température ambiante (20 à 25°C). Il est cependant reconnu que l’hygroscopicité du bois diminue sensiblement avec l’élévation de température. Toutefois, l’influence de la température sur la teneur en humidité limite au-dessous de laquelle débutent les changements des propriétés n’a pas été étudiée.
Le but du présent travail est donc d'étudier l'effet de la teneur en humidité d’équilibre sur les propriétés physico-mécaniques du bois de deux espèces feuillues tempérées, soit le bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britton) et le hêtre à grandes feuilles (Fagus grandifolia Ehrhart), dans la zone de la saturation des membranes à deux niveaux de
température: 25°C et 50°C. Deux techniques de sorption d'humidité ont été utilisées, soit: une sorption conventionnelle au-dessus de solutions salines saturées (entre 50% et 96% HR) et une sorption réalisée au moyen d'une membrane poreuse sous pression (au-dessus de 96% HR). Ces essais de sorption ont été couplés avec des tests de résistance mécanique en compression tangentielle et des mesures de retrait du bois suivant ses directions principales. Cela nous permettra de déterminer les changements dimensionnels et mécaniques du bois en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre et de définir le début de ces changements pour deux températures d’essai.
Ce travail permettra aussi de renforcer les connaissances du mécanisme fondamental de l’hygroscopicité du bois et du PSF. Le but ultime est d’expliquer les phénomènes d’hystérèse à la saturation d’humidité.
Chapitre 1
Revue de littérature
1.1. Hygroscopicité et domaine hygroscopique
Comme tous les autres matériaux ligno-cellulosiques, une des principales caractéristiques du bois est qu’il est hautement hygroscopique. Un matériau hygroscopique tend vers un équilibre de teneur en humidité avec l’air qui l’entoure, en lui restituant ou en lui prenant de la vapeur d’eau. Cet équilibre se manifeste par une teneur en humidité particulière, laquelle est fonction principalement de la température (T), de l’humidité relative de l’air ambiant (HR), de l’histoire de sorption ainsi que de la pression (Bizoň 1995).
La teneur en humidité d’équilibre (Hé) du bois augmente ainsi avec l’humidité relative de l’air et diminue avec l’augmentation de la température. Ces mêmes variables affectent considérablement les principales caractéristiques physiques du bois (Djolani 1970). Cela a principalement lieu dans le domaine hygroscopique, lequel s’entend de l’état anhydre (H = 0%) qui constitue l’équilibre à une humidité relative de l’air très faible (HR = 0%), jusqu’à celui dit de saturation des membranes (PSF ≈ 30% H à 20ºC), qui correspond à un équilibre en présence de vapeur d’eau saturée (HR = 100%) (Hernández 1989).
Le point de saturation des fibres (PSF) fut défini au début du siècle par Tiemann (1906) comme la teneur en humidité à laquelle les parois des cellules sont complètement saturées d’eau hygroscopique tandis qu’il n’y a pas d’eau libre dans les cavités cellulaires. Selon Stamm (1964), les molécules d’eau sont retenues dans le bois de trois façons : celles liées au niveau monomoléculaire (correspondant à de faibles valeurs d’humidité relative), celles au niveau polymoléculaire (à humidités relatives intermédiaires), et enfin les molécules
retenues dans les capillaires très fins des membranes par action des forces de capillarité (à des valeurs élevées d’humidité relative avoisinant 100%).
Le point de saturation de fibres est affecté par plusieurs facteurs. Parmi les sources de variation de cette propriété, on retrouve la teneur en extraits, la masse volumique et le contrefil du bois, lesquels exercent un effet inversement proportionnel sur le PSF (Arévalo 2002; Hernández 2007a). Selon plusieurs auteurs, des bois ayant une teneur en extraits élevée présentent une faible valeur de PSF car ces substances occupent des espaces dans les parois cellulaires qui sont généralement disponibles pour l’eau (Wangaard et Granados 1967; Stamm 1971; Bodig et Jayne 1982). Il en serait de même le reste du domaine hygroscopique (Wangaard et Granados 1967; Choong et Achmadi 1991; Arévalo 2002; Hernández 2007b). Par ailleurs, la teneur en extraits provoque également une diminution du retrait du bois dans tout le domaine hygroscopique (Nearn 1955; Cooper 1974; Arévalo 2002; Hernández 2007c). De plus, le PSF diminue avec l’augmentation de la température entre 0 et 140°C, à un taux moyen de 0,93% (H) par élévation de 10°C (Siau 1995).
Les effets de la température, de la masse volumique et de la composition chimique du bois de cinq espèces sur le PSF ont été étudiés par Kolin et Stevanovic (1996). Ils ont montré que cette propriété diminue au fur et à mesure que la masse volumique basale et la température augmentent. Selon ces auteurs, la faible porosité des espèces denses pourrait limiter l’accès de l’eau aux groupes hydroxyles dans les microfibrilles de cellulose disponibles pour les liaisons hydrogènes.
Il existe différentes méthodes pour déterminer le PSF. Plusieurs de celles-ci sont fondées sur le principe que le PSF est la teneur en humidité sous laquelle les propriétés physiques et mécaniques du bois commencent à s’altérer (USDA 1974; Siau 1995). Ainsi, quelques propriétés du bois utilisées pour déterminer le PSF sont le retrait et le gonflement volumique, la résistance mécanique, la résistance électrique, la transmission des rayons bêta, etc. La méthode de l’intersection du retrait volumique en fonction de la teneur en humidité d’équilibre pour déterminer le PSF a été proposée par Kelsey (1956). Étant donné la non linéarité du retrait aux valeurs faibles et élevées d’humidité relative, seulement les
mesures faites entre 35% et 65% (HR) doivent être utilisées pour déterminer ce point d’intersection. Cette méthode a été considérée par plusieurs chercheurs comme étant l’une des plus adéquates (Hernández 1993a; Choong et Achmadi 1991; Arévalo 2002).
1.2. Hystérèse de la sorption d’humidité
Il est reconnu qu’à une température fixe et à une humidité relative de l’air donnée les équilibres atteints au terme d’une perte (désorption) ou d’une prise (adsorption) d’humidité diffèrent sensiblement les uns des autres (Hernández 1989). Ce phénomène, connu depuis longtemps, est désigné comme hystérèse de la sorption d’humidité, et il est montré à la figure 1, pour le bois d’érable à sucre à 21ºC. Ce graphique montre les écarts entre l’adsorption d’humidité à partir de l’état anhydre et la désorption depuis l’état de saturation des membranes (expérience n°3).
Puisqu’elle est formée après des changements hygrothermiques entièrement de même sens, une telle boucle représente en principe l’enveloppe des variations possibles d’équilibre d’humidité d’un bois à la température considérée (Urquhart 1960). La boucle d’hystérèse de sorption s’obtient effectivement dans les conditions limites, dans le sens qu’elles tendent constamment à faire augmenter ou diminuer la teneur en humidité du bois. Néanmoins, en faisant varier la température ou l’humidité relative de l’air ou les deux à la fois, certains changements pourraient se manifester (Djolani 1970).
D’autre part, selon Djolani (1970), l’orientation et surtout les dimensions des éprouvettes n’affectent pas l’hystérèse de la sorption. Ces mêmes résultats ont été rapportés par Goulet et Fortin (1975) et Laforest et Plamondon (1976) qui mentionnent que l’orientation et surtout les dimensions des éprouvettes affectent la vitesse des échanges d’humidité, mais sans toutefois influencer l’hystérèse de sorption.
Figure 1. Isothermes de sorption d'humidité du bois d'érable à sucre à la température de 21°C (d'après Goulet 1968).
Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer le phénomène d’hystérèse de sorption. Selon Djolani (1970), une première théorie encore acceptée aujourd’hui est celle d’Urquhart et Williams (1924). Elle fait appel essentiellement aux liaisons hydrogènes des matières ligno-cellulosiques: ces dernières sont les principaux responsables de la sorption des molécules d’eau qu’elles attirent mais elles tendent aussi, quoique à un degré moindre, à s’attirer les uns les autres c’est-à-dire à se saturer mutuellement. Ces dernières liaisons seraient plus nombreuses à l’état anhydre qu’à l’état saturé, ce qui explique en partie les effets de premier ordre de la sorption d’humidité dans le bois, entre autres sa plus grande résistance mécanique à l’état sec qu’à l’état humide. Dans ces conditions, elles seraient
aussi plus nombreuses à l’adsorption qu’à la désorption, rendant aussi l’accès aux groupements hydroxyles plus difficile dans le premier cas que dans le second, ce qui expliquerait également l’hystérèse de la sorption d’humidité. La boucle d’hystérèse pourrait également avoir comme origine les différents taux de cristallinité de la matière ligno-cellulosique dont l’effet pourrait être plus que proportionnel aux différences elles-mêmes (Ant-Wuorinen et Visapää 1960; Treloar 1963). Une autre théorie est celle de Malmquist (1958, 1959), qui fait appel à une "structure hystérésique" des membranes ligno-cellulosiques, c’est-à-dire à une structure qui serait différente à l’adsorption et à la désorption; plus exactement la matière ligneuse présenterait une plus grande cohésion dans le premier cas que dans le second. La plupart des hypothèses susmentionnées se rapportent à l’hystérèse obtenue à de faibles valeurs de teneurs en humidité d’équilibre et selon Djolani (1970) les trois explications précédentes sont compatibles entre elles.
1.3. Hystérèse à saturation d’humidité
L’hystérèse à saturation est définie comme étant la différence entre les équilibres atteints en désorption aux humidités élevées et celui atteint à partir d’une saturation des membranes. Le phénomène a été noté auparavant par divers auteurs (Barkas 1949; Higgins 1957; Spalt 1957), bien que c’est Goulet (1967) qui nomme le phénomène «hystérèse à saturation d’humidité».
La figure 1 présente cette caractéristique pour trois expériences, lesquelles ont été réalisées à l’aide de la technique des solutions salines saturées. Pour l’expérience 3, la désorption a eu lieu à la suite d’une saturation des membranes dans l’air humide, tandis que dans les autres expériences, la désorption a été précédée d’une saturation dans l’eau liquide. Cette divergence arrive au dessus de 60% (HR), et a été considérée comme étant propre à la première désorption (Higgins 1957; Spalt 1957; Goulet 1968). Skaar (1988) a attribué à tort ce phénomène à une perte initiale irréversible de l’hygroscopicité du bois vert ou saturé d’eau. Cependant, plusieurs travaux démontrent que ce phénomène est plutôt reproductible (Goulet 1968; Djolani 1970; Fortin 1979; Hart 1984; Cloutier et Fortin 1991; Goulet et
Hernández 1991; Hernández et Bizoň 1994; Almeida et Hernández 2006a, 2006b; Hernández et Pontin 2006).
Les isothermes de sorption du bois de la pruche de l’Ouest obtenues à l’aide de la technique de la membrane poreuse sous pression à 21ºC, sont présentées à la figure 2. La technique de la membrane poreuse sous pression permet de mieux contrôler la quantité de vapeur d’eau à des humidités relatives élevées, en facilitant l’obtention des valeurs précises de teneur en humidité d’équilibre à proximité de la pression de vapeur d’eau saturée, soit au dessus de 96% (HR). Dans le domaine des humidités relatives élevées, la boucle d’hystérèse s’élargit grandement. Ainsi, la figure 2 montre un fort comportement hystérétique qui est attribué, selon Fortin (1979), à la présence du phénomène dit "de la bouteille d’encre" provoqué par la variation de la dimension des capillaires dans le bois. En effet, le bois est composé de cavités cellulaires interconnectées en série par des canaux plus étroits. Cette variation de la dimension entre les différents types de cavités connectées en série suggère que la désorption est contrôlée par les plus petits pores, et l’adsorption par les plus gros pores. La courbe de désorption est fortement influencée par le diamètre des canaux qui relient les cavités cellulaires, tandis que la courbe d’adsorption est surtout régie par le diamètre de ces cavités. Les données de teneur en humidité d’équilibre du bois à des humidités relatives si élevées sont très importantes puisque c’est dans cette région que les forces capillaires agissent sur l’eau libre dans le bois.
La technique de la membrane poreuse introduit le concept de potentiel hydrique (ψ), et elle a été utilisé auparavant par plusieurs chercheurs (Robertson 1965; Stone et Scallan 1967; Griffin 1977; Fortin 1979; Cloutier et al. 1995; Almeida et Hernández 2006a, 2006b; Hernández et Pontin 2006). Également une continuité entre les courbes de désorption obtenues à l’aide de la technique des solutions salines saturées et celle de la membrane poreuse sous pression à été démontrée par Cloutier et Fortin (1991), Hernández et Bizoň (1994), Zhang et Peralta (1999), Almeida et Hernández (2006a, 2006b), Hernández et Pontin (2006). Cela confirme ainsi que la méthode de la membrane poreuse est adéquate pour la détermination de la teneur en humidité d’équilibre dans le bois dans des conditions élevées d’humidité relative (figure 3).
Figure 2. Équilibre hygroscopique moyen, établi à l'aide de la technique des plaques et membranes poreuses sous pression, aux humidités très élevées. Aubier de pruche de l'ouest à 21°C (d'après Fortin 1979).
D’ailleurs, la figure 4 montre deux isothermes de désorption du bois de chêne rouge, où l’axe de l’humidité relative de l’air est présenté en échelle logarithmique pour mieux étaler les valeurs à proximité du PSF (Zhang et Peralta 1999). L’adsorption et la désorption capillaire sont étroitement liées à la structure poreuse. De cette manière, à des valeurs élevées d’humidité relative la boucle d’hystérèse est reliée à la taille et à la distribution de pores dans le bois.
Figure 3. Teneur en humidité d’équilibre en fonction du potentiel hydrique du bois de congona, cachimbo, et hêtre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006b). Les valeurs à -100 ψ représentent la saturation maximale en-dessous de l’eau distillée; les symboles noirs sont les valeurs obtenues par la méthode de la membrane poreuse sous pression et les symboles blancs sont les valeurs obtenues par la méthode de solutions salines saturées (l’erreur type est montrée seulement quand elle dépasse la taille du symbole).
Figure 4. Isothermes de désorption en fonction du potentiel hydrique du bois de chêne rouge à 30 et 55°C (d’après Zhang et Peralta 1999).
1.4. Effet de l’hystérèse à saturation sur les propriétés du bois
Il est reconnu que la teneur en humidité d’équilibre affecte plusieurs propriétés du bois au-dessous de la saturation de membranes, tandis qu’au-dessus de celle-ci ces propriétés demeurent inchangées (USDA 1974; Siau 1984; Skaar 1988). Ainsi, il y a une augmentation de la résistance mécanique du bois avec la diminution de la teneur en humidité au-dessous de la saturation de membranes, alors qu’elle reste inchangée au-dessus de celle-ci (Bodig et Jayne 1982). Une perte d’humidité des parois cellulaires provoque une augmentation des propriétés mécaniques tandis qu’une perte d’eau liquide logée dans les cavités cellulaires n’a aucun effet. Ce paramètre est souvent utilisé dans les modèles d’ajustement des propriétés mécaniques en fonction de la teneur en humidité du bois
(Bodig et Jayne 1982), de même que pour les modèles d’ajustement de la densité et du retrait du bois (Skaar 1988; Tsoumis 1991; Siau 1995).
Toutefois, la validité de cette affirmation a été remise en question suite à des travaux qui ont montré des résultats divergents. Par exemple, Stevens (1963) a rapporté que le retrait du bois de hêtre a débuté au-dessus du PSF (figure 5). Ses valeurs de retrait ont été obtenues à l’équilibre d’humidité de telle manière que la présence d'un gradient d'humidité comme étant la cause possible du début du retrait semble peu probable. Goulet (1968) a constaté que la compression radiale du bois d’érable à sucre est affectée à 37% (Hé), alors que la saturation de membranes de ce bois est d’environ 30% (H) (figure 6). Également, Goulet et Hernández (1991) ont mesuré l’influence de la teneur en humidité sur la traction tangentielle du bois d'érable à sucre à plusieurs conditions d'humidité dont certaines près de son PSF. Bien que ses résultats à la désorption n’ont été réalisés que jusqu’à 26% (Hé), l’allure de courbes obtenues par ces auteurs leur a permis de supposer que l’effet de la teneur en humidité du bois pourrait se prolonger même au-dessus de la saturation des membranes. Ce phénomène a été relié à l'hystérèse à la saturation, laquelle affecte la sorption du bois au-dessus de 63% (HR), (Hernández 1983). Cette hystérèse implique que durant la désorption, la perte d’eau hygroscopique commence avant que toute l’eau liquide soit enlevée du bois.
Un travail concentré à des humidités relatives élevées, entre 90% et 100%, fut réalisé par Hernández et Bizoň (1994) à l'aide de deux méthodes de sorption, soit celle des solutions salines saturées et celle de la membrane sous pression. Les résultats montrent que le retrait et la compression tangentielle du bois d'érable à sucre sont affectés même au-dessus du PSF. En désorption, la perte d'eau hygroscopique de ce bois a débuté à environ 42,5% (Hé), alors que le PSF a été évalué à 31,1% (H). L’analyse montre que cette humidité devrait être fonction de l'espèce et surtout de la dimension et distribution des micro-pores dans le bois, ainsi que de la proportion de différents tissus ligneux du bois. En conséquence ces auteurs ont suggéré que l’eau liquide au-dessous de 42,5% (H) pourrait être logée dans les cellules du bois interconnectées par les plus petits capillaires, soit principalement dans les rayons du bois d’érable à sucre.
Figure 5. Retraits radial et tangentiel du bois de hêtre en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre en adsorption et en désorption à 25°C (d’après Stevens 1963).
Les rayons sont considérés comme étant les éléments les moins perméables dans le bois des feuillus (Teesdale et MacLean 1918; Wheeler 1982; Siau 1984, 1995). Ces éléments sont si imperméables que la perte d’eau hygroscopique par diffusion commence dans les tissus plus perméables du bois.
Almeida et Hernández (2006a) ont constaté que le retrait et la compression tangentielle du bois de bouleau jaune sont affectés aussi au-delà du PSF. Durant la désorption, la perte de l’eau liée débute à environ 41% (Hé), alors que le PSF estimé a été de 31% (H) (figures 7 et 8).
Figure 6. Coefficient de déformation du bois d’érable à sucre en compression radiale en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 21°C (d’après Goulet 1968).
Des résultats semblables ont été observés par Almeida et Hernández (2006b) pour les bois de hêtre, congona et cachimbo (figures 9 et 10), et par Hernández et Pontin (2006) pour les bois de tornillo, pumaquiro et huayruro. Ces travaux ont été tous réalisés à la température ambiante (25°C).
Figure 7. Coefficient de retrait βUH du bois de bouleau jaune en fonction de la teneur en humidité d’équilibre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006a).
Figure 8. Coefficient de déformation s11 du bois de bouleau jaune en compression
tangentielle en fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006a).
Figure 9. Coefficient de retrait βUH du bois de hêtre en fonction de la teneur en humidité d’équilibre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006b).
Figure 10. Coefficient de déformation s11 du bois de hêtre en compression tangentielle en
fonction de sa teneur en humidité d’équilibre à 25°C (d’après Almeida et Hernández 2006b).
1.5. Effet de la température sur les propriétés du bois
La teneur en humidité d’équilibre du bois augmente avec l’humidité relative de l’air et diminue avec l’élévation de la température. Ces mêmes variables affectent considérablement es principales caractéristiques physiques du bois (Djolani 1970). Une conclusion semblable de l’effet de la température sur la teneur en humidité d’équilibre a été obtenue par Kolin et Stevanovic (1996) avec des espèces feuillues entre 20 et 80°C et des espèces résineuses entre 20 et 90°C, et par Ahmet et al. (2000) sur plusieurs espèces d’importance commerciale à trois températures. Ces derniers ont rapporté aussi une réduction de l’hygroscopicité d’environ 0,1% (H) par degré Celsius d’augmentation. D’ailleurs, Siau (1995) mentionne que le point de saturation des fibres diminue avec une augmentation de la température. Cette diminution est de l’ordre de 0,93% (H) par 10°C d’augmentation.
Weichert (1963) a étudié l’effet de la température sur les isothermes de sorption d’humidité du bois de hêtre. Ses résultats montrent que l’hystérèse de désorption est fortement affectée par la température: à 50ºC elle est déjà trois ou quatre fois moindre qu’à 25ºC et elle disparaît même entre 75 et 100ºC. Ce dernier résultat a été confirmé par Engelhardt (1979) qui mentionne que la boucle d’hystérèse du bois de hêtre devrait disparaître autour de 100ºC. Il mentionne aussi que les traitements thermiques diminuent la capacité de sorption du hêtre de façon irréversible, déjà à partir de 80ºC. Cependant, l’ampleur de ces effets dépend de l’intensité du traitement en termes de température, d’humidité relative de l’air et de durée, mais il est aussi lié à l’espèce ligneuse et aux dimensions de l’échantillon.
Les expériences de Goulet et Fortin (1975) et de Laforest et Plamondon (1976) faites sur l’érable à sucre montrent que les traitements thermiques à moins de 100ºC, affectent de manière sensible seulement l’équilibre hygroscopique mais non l’hystérèse de sorption. D’autre part, les études de Djolani (1970) sur érable à sucre à quatre températures entre 5 et 50ºC ont montré que l’hygroscopicité de ce bois et son hystérèse de sorption d’humidité diminuent sensiblement avec la élévation de température sans pour autant laisser prévoir la
disparition de la boucle aux alentours de 75 et 80ºC (figure 11). Le même auteur mentionne que l’élévation de la température diminue la résistance du bois en fonction de sa teneur en humidité.
Cloutier et Fortin (1991) ont étudié la relation entre la teneur en humidité d’équilibre en désorption et le potentiel hydrique du bois de tremble à trois températures (20, 35, et 50°C). Le potentiel hydrique augmente avec la température à une valeur déterminée de teneur en humidité (figure 12). Des résultats similaires ont été rapportés pour le pin rouge par Tremblay et al. (1996), pour l’érable à sucre par Defo et al. (1999), et pour le pin taeda et chêne rouge par Zhang et Peralta (1999). Comme dans le cas des sols, l’augmentation du potentiel hydrique avec la température ne peut pas être expliquée seulement par l’influence de la température sur la tension de surface de l’eau. La théorie de l’air emprisonné suggérée par Chahal (1965) pour les sols, mentionne qu’une certaine quantité d’air peut être emprisonnée dans l’échantillon durant la saturation. Si la température du bois qui est visée est atteinte avant de commencer la désorption, l’air emprisonné se répand et déplace une quantité correspondante d’eau, résultant en une baisse de la teneur en humidité pour des températures élevées pour une valeur de potentiel hydrique donnée. De plus, la présence de contaminants actifs de surface dans l’interface air-eau pourrait être aussi une autre explication de ce comportement (Saha et Tripathi 1981).
1.6. Objectifs et hypothèses du travail
Les hypothèses du présent travail sont:
• Les changements dimensionnels et mécaniques du bois ne sont pas limités à des teneurs en humidité en-dessous du PSF.
• Une augmentation de la température augmente la perméabilité du bois en facilitant la désorption de l’eau liquide à des humidités relatives élevées.
• Une augmentation de la température diminuera la teneur en humidité d’équilibre limite déclenchant le début des changements des propriétés du bois.
Le but de ce travail est donc d’étudier l’effet de la teneur en humidité d’équilibre sur les propriétés du bois de deux espèces feuillues tempérées aux teneurs en humidité élevées soit le bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britton) et le hêtre à grandes feuilles (Fagus grandifolia Ehrhart), aux températures de 25°C et 50°C. Deux techniques de sorption d’humidité seront utilisées, soit celle des solutions salines saturées (entre 50% et 96% HR) et celle de la membrane poreuse sous pression (au-dessus de 96% HR).
Les résultats des propriétés de retrait et de résistance mécanique couplés à des essais de sorption permettront d’évaluer le coefficient de déformation (s11) ainsi que les retraits radial, tangentiel et volumétrique.
Figure 11. Isothermes de sorption du bois d’érable à sucre aux températures de 5, 21, 35, et 50°C (d’après Djolani 1970).
Figure 12. Relation teneur en humidité d’équilibre – potentiel hydrique du tremble au long de la courbe de désorption limite en direction radiale à 20, 35, et 50°C (d’après Cloutier et Fortin 1991).
Chapitre 2
Matériel d’essai
2.1. Espèces ligneuses
Deux espèces des climats tempérés ont été utilisées, soit le bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britton) et le hêtre à grandes feuilles (Fagus grandifolia Ehrhart). Le tableau 1 présente les données physico-mécaniques disponibles sur les bois de ces espèces suivi d’une brève description anatomique présentée au tableau 2. Les figures 13 et 14 montrent des coupes microscopiques de ces bois.
2.2. Préparation et sélection des éprouvettes
Soixante planchettes libres de défauts de chaque espèce furent soigneusement sélectionnées et placées dans une chambre à climat constant, soit à 20ºC et 60% d’humidité relative de l’air, afin qu’elles atteignent leur teneur en humidité d’équilibre. Ces planchettes provenaient des mêmes billes utilisées lors d’une expérience précédente par Almeida (2006). Une sélection du matériel d’essai a été ensuite faite en fonction des qualités apparentes des planchettes en éliminant les défauts et l’irrégularité du fil et des cernes, et en s’assurant une variation minimale de la masse volumique entre les planchettes. Ainsi vingt planchettes ont été choisies de chacune des espèces, et la préparation des éprouvettes a consisté à les couper pour obtenir des échantillons d’une dimension de 20 mm (R) par 20 mm (L) par 60 mm (T) pour l’essai de sorption et de compression tangentielle. Un rapport de longueur-largeur de 3 fut utilisé pour éviter le flambage pendant les essais de
Tableau 1. Caractéristiques physico-mécaniques des espèces étudiées (d’après Jessome 2000).
* Valeurs entre parenthèses représentent le coefficient de variation.
Tableau 2. Caractéristiques anatomiques quantitatives des espèces étudiées (d’après Almeida et Hernández, 2006c).
* Valeurs entre parenthèses représentent le coefficient de variation calculé sur 20 échantillons.
Espèce Masse volumique basale Retrait total Contrainte à la limite proportionnelle en compression perpendiculaire Radial Tangentiel Volumétrique 12% H État vert
(kg/m3) (%) (MPa) 559 5,8 7,1 15,1 7,24 3,36 Bouleau jaune (5,4)* - - - - (18,6) Hêtre 590 5,2 10,1 17,3 8,34 4,55 à grandes feuilles (5,2) - - - - (17,8)
Caractéristique anatomique quantitative Bouleau jaune
Hêtre à grandes
feuilles Proportion de vaisseaux (%) (15,8)* 15,3 24,9 (21,9)
Proportion de fibres (%) 74,0 (3,6) 59,9 (9,8)
Proportion de parenchyme axial (%) (67,8) 0,4 (32,2) 3,3 Proportion de parenchyme radial (%) 10,3 (10,3) 11,9 (21,9) Diamètre tangentiel des vaisseaux (µm) 86,2 (6,9) 40,3 (9,6) Diamètre du lumen de fibres dans la direction la plus large
(µm) 13,5 (12,7)
6,0 (18,3) Diamètre du lumen de fibres dans la direction la moins large
A B
Figure 13. Coupes microscopiques du bois de bouleau jaune: (A) coupe transversale (75x); (B) coupe tangentielle (75x) (d’après Panshin et de Zeeuw 1980).
A B
Figure 14. Coupes microscopiques du bois de hêtre: (A) coupe transversale (75x); (B) coupe tangentielle (75x) (d’après Panshin et de Zeeuw 1980).
Figure 15. Forme et dimensions de l’éprouvette de compression tangentielle.
compression perpendiculaire (Bodig and Jayne 1982) et limiter l’effet de courbure des cernes annuels.
La section droite de l’échantillon présenté à la figure 15 a été utilisée avec succès dans des expériences précédentes faites au Département (Hernández 1993a, 1993b; Hernández et Bizoň 1994; Almeida et Hernández 2006a, 2006b; Hernández et Pontin 2006).
Le choix du matériel d’essai a été fait d’abord en fonction de ses caractéristiques apparentes: absence de défauts d’usinage (marques de couteaux ou marques de scie), nœuds, courbures des cernes, régularité du fil et des cernes, absence de bois de tension ou de piqûres. Le second choix a consisté à conserver intactes les séquences de vingt deux éprouvettes aux cernes les mieux orientés. Seules des anomalies mineures au niveau de la couleur, de l’usinage et de l’uniformité des cernes ont été tolérées. Le choix final a consisté à retenir les 20 séries de 22 éprouvettes qui paraissaient les meilleures.
2.3. Jumelage et principales caractéristiques des éprouvettes
L’attribution à un groupe séparé d’une seule éprouvette par planchette a conduit à la formation de vingt deux groupes d’échantillons par espèce. Ces groupes ont été
20 mm
20 mm 60 mm
comparables les uns aux autres. Deux de ces groupes ont servi comme matériel de réserve pour les deux espèces. À titre d’exemple, le tableau 3 montre le jumelage qui en a résulté pour une espèce donnée.
Dans cette condition la masse des ces échantillons a été établie au moyen d’une balance à plateau avec une précision de 0,001g, et ensuite le matériel a été enveloppé dans des bandes de polyéthylène et conservé dans la chambre de climatisation à climat constant jusqu’au début des essais de sorption.
Le tableau 4 résume la destination au hasard de chaque groupe d’échantillons par espèce en fonction des conditions de sorption et de l’humidité relative de l’air ambiant utilisées dans les expériences. La masse volumique basale moyenne des espèces utilisées fut de 535 kg/m3 pour le bouleau jaune et de 539 kg/m3 pour le hêtre à grandes feuilles. Les coefficients de variation furent de 4% pour le bouleau jaune et de 5% pour le hêtre.
Tableau 3. Identification et jumelage des éprouvettes. Numéro de groupe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Numéro de planchette 25°C 50°C 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 3 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 4 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 5 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 6 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 7 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 8 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 9 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 10 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 11 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 12 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 13 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 14 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 15 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 16 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 17 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 18 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 19 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 20 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440
Tableau 4. Caractéristiques des conditions de sorption d'humidité utilisées et destination des groupes d’éprouvettes.
1 Almeida (2006) 2 Greenspan (1977)
3 Estimation faite à partir des valeurs de Rockland (1960)
Numéro du groupe État de sorption Solution saline
saturée Essais à 25ºC Essais à 50ºC Bouleau jaune Hêtre à grandes feuilles Humidité relative (%) Potentiel hydrique (Jkg-1) Humidité relative (%) Potentiel hydrique (Jkg-1) Saturation totale dans l'eau distillée
0 21 Saturation H2O 100 1 100 1
Équilibre sur la membrane poreuse
9 20 Désorption - 99,78 -300 99,80 -300
8 19 Désorption - 99,49 -700 99,53 -700
7 18 Désorption - 98,56 -2000 98,67 -2000
6 17 Désorption - 96,43 -5000 96,70 -5000
Équilibre sur des solutions salines saturées
5 16 Désorption K2SO4 961 -5619 95,822 -6370
4 15 Désorption ZnSO4 901 -14502 80,403 -32546
3 14 Désorption KCl 861 -20760 81,202 -31069
2 13 Désorption NaCl 761 -37775 74,432 -44057
Chapitre 3.
Méthode expérimentale
Le dispositif expérimental a consisté à coupler des essais de retrait et de compression tangentielle à des expériences de sorption d'humidité. Ce type de dispositif a été élaboré par Goulet (1968) et a été utilisé par la suite par plusieurs chercheurs.
3.1. Traitements préalables des éprouvettes
Les groupes jumelés d’éprouvettes ont subi une deuxième désorption sous neuf conditions d’équilibre (tableau 4). Préalablement, les éprouvettes ont été humidifiées jusqu’à la saturation intégrale. Elles avaient une teneur en humidité initiale de 12% en moyenne et la saturation a été réalisée en trois étapes afin de diminuer la formation de contraintes internes causées par une adsorption trop rapide (Naderi et Hernández 1997; Almeida et Hernández 2006c). Ainsi, les éprouvettes ont subi une adsorption au-dessus d’une solution saturée de KCl durant 30 jours suivie d’une adsorption au-dessus de l’eau distillée durant 60 jours. Ces deux étapes ont été faites dans des dessiccateurs placés dans une chambre dont la température était contrôlée, soit à 24ºC ± 1ºC. Les dessiccateurs comportaient vingt échantillons chacun et certains ont servi pour le contrôle de la masse de ces derniers. Ce contrôle était fait pour chaque espèce à l’aide d’une balance à plateau de 0,001 g de précision.
Les échantillons ont ensuite été immergés dans l’eau distillée durant vingt-quatre heures, et un cycle de vide sous l’eau d’une durée de 24 heures a été conduit, suivi d’un autre cycle d’environ 24 heures à pression atmosphérique.
Figure 16. Cylindre utilisé pour la saturation des éprouvettes de bouleau jaune destinés aux essais sur les solutions salines saturées.
Les espèces ont suivi par la suite un cheminement différent afin d’atteindre la saturation intégrale. Le bouleau jaune s’est avéré être une espèce moins perméable que le hêtre. On a donc dû utiliser plusieurs cycles à des pressions plus élevées, lesquels ont été faits dans un cylindre d’une capacité de 600 kPa de pression (figure 16). La pression était augmentée par des paliers de 100 kPa d’une durée d’une heure et demie chacun jusqu’à atteindre 300 kPa. Ensuite celle-ci était amenée à 400 kPa et maintenue durant trois heures et demie, où le cycle terminait. Pour le hêtre, les échantillons ont été saturés avec trois cycles de 100 kPa de pression d’une durée d’une heure chacun. La pression était ramenée à la pression atmosphérique durant 2 heures entre les cycles de pression.
Les groupes d’échantillons destinés à la méthode des solutions salines saturées ont été saturés à deux moments différents, soit ceux testés à 25°C en premier lieu et ceux testés à
50°C en deuxième lieu. Les autres groupes destinés à la désorption par la méthode de la membrane poreuse et ceux de la saturation intégrale ont été saturés ensemble un peu plus tard. Dans ce cas, le cylindre utilisé fut différent du premier à cause de la disponibilité de l’équipement (figure 17). Ce changement de cylindre n’a pas affecté la valeur moyenne de saturation intégrale entre les différents groupes essayés.
Après la saturation intégrale des échantillons, la masse était prise à l’aide d’une balance de 0,001 g de précision. Ensuite, les dimensions radiale (dRS), tangentielle (dTS) et longitudinale (dLS) étaient mesurées à l’aide des micromètres Mitutoyo de 0,001 mm de précision.
3.2. Essais de sorption
3.2.1. Caractéristiques générales
Nos expériences se sont concentrées sur la désorption à des humidités relatives élevées et à deux niveaux de température. Plus spécifiquement il s’est agi d’une deuxième désorption réalisée suite à une désorption partielle (jusqu’à environ 60% HR) suivie d’une saturation intégrale du bois.
La sorption a fait donc appel à deux techniques complémentaires utilisées dans des travaux antérieurs (Cloutier et Fortin 1991; Hernández et Bizoň 1994; Almeida et Hernández 2006a, 2006b; Hernández et Pontin 2006): une sorption conventionnelle avec des solutions salines saturées et une sorption réalisée au moyen d’une membrane poreuse sous pression. La technique de solutions salines saturées a été utilisée pour cinq conditions d’équilibre (de 50% à 96% HR). De plus, quatre autres conditions ont été réalisées par la technique de la membrane poreuse sous pression. Le tableau 4 précise les humidités relatives utilisées pour les deux techniques mentionnées. Ces humidités
Figure 17. Cylindre utilisé pour la saturation des échantillons destinés aux essais sur la membrane poreuse.
relatives ont permis de représenter convenablement la gamme des humidités situées à proximité de la saturation des membranes.
3.2.2. Méthode des solutions salines saturées
3.2.2.1.
Bassins à température constante
Entre 50% et 96% (HR), la sorption a été réalisée dans une chambre dont la température était d'environ 24ºC. Le matériel a été disposé dans quatre bassins à température constante
comportant chacun dix cellules de sorption (figure 18). Ces bassins, sont de grandes cuves en tôle, remplis d'eau, et comportant des ouvertures circulaires à leur partie supérieure. Dans ces ouvertures sont logés des vases de pyrex qui constituent les cellules de sorption. L’ensemble est isolé de tous côtés par un panneau de polystyrène expansé de 25 mm d’épaisseur qui est enfermé à son tour, sauf au-dessus, par une enceinte en bois. D’autres couches de polystyrène expansé sont moulées aux couvercles de vases de pyrex et assurent l’isolation du dessus du bassin. Pour les bassins à 25°C, lorsque la température s’abaisse, le thermomètre à contact logé au milieu du bassin actionne les agitateurs disposés aux extrémités; l’agitation produit un léger échauffement de l’eau qui maintient la température constante à ± 0,01ºC durant des périodes prolongées. Cela assure ainsi le maintient de l'humidité relative dans les cellules de sorption. Deux thermomètres différentiels placés près des extrémités ont servi à contrôler la température de l’eau et son uniformité au millième de degré près. Pour les bassins à 50°C, six éléments de 300 W chaque et trois thermocouples type T avec une précision de ± 0,5°C, ont été placés par bassin. Un contrôleur de type PID (Proportional Integral Differential) avec une précision de 0,4°C régulait la température désirée. Une pompe assurait la circulation de l’eau à l’intérieur du bassin.
3.2.2.2.
Cellules de sorption
Les cellules de sorption sont constituées d’un vase à couvercle rodé, en pyrex, servant généralement comme dessiccateur à vide. Au fond de chaque cellule sont placées des solutions salines saturées, lesquelles règlent l’humidité relative de l’air. Ainsi, lorsqu’un soluté est ajouté à l’eau, l’humidité relative de l’air au-dessus de la solution est réduite en fonction de la fraction molaire du soluté comme le stipule la loi de Raoult (Siau 1995).
Pour une solution saturée, l’humidité relative de l’air demeurera constante si la température est maintenue constante. Pour les essais à 25°C, les vingt éprouvettes de chaque groupe ont été reparties en deux dessiccateurs de dix éprouvettes chacun, lesquelles furent déposées en une rangée au-dessus de la solution saline. Par contre, pour
Figure 18. Bassin de sorption à température constante à 25°C (une couche isolante thermofoil couvrait ce système).
les essais à 50°C les vingt éprouvettes de chaque groupe ont été déposées dans un seul dessiccateur en deux rangées séparées l’une de l’autre par un treillis métallique enduit de vinyle. L’ensemble était tenu à environ cinq centimètres du fond du dessiccateur par une plaque de porcelaine perforée. À cause de la grande solubilité de la solution de ZnSO4 à 50°C, ce groupe a été reparti en deux dessiccateurs de dix éprouvettes chacun. Un même volume de solution saline a été utilisé pour chaque cellule de sorption soit environ 800 ml. Dans les cas particuliers où l’on a procédé au contrôle des masses en cours d’essais, dix des vingt échantillons étaient placés dans une cage en plexiglas. Les échantillons étaient appuyés sur la face tangentielle et leur position finale dans les cellules a été notée afin d’évaluer l’influence éventuelle de celle-ci sur l’équilibre atteint.
Les sels ont été choisis pour obtenir les conditions d’équilibre désirées. Il s’est agi des solutions aqueuses saturées de bromure de sodium (NaBr), de chlorure de sodium (NaCl),
de chlorure de potassium (KCl), de sulfate de zinc (ZnSO4) et de sulfate de potassium (K2SO4). L’utilisation et les caractéristiques de ces sels ont été précisées entre autres par Greenspan (1977), Rockland (1960) et Almeida (2006).
Par ailleurs, les conditions de sorption ont été effectuées généralement dans une seule étape. Le matériel d’essai a été disposé dans dix cellules de sorption reparties dans quatre bassins.
3.2.2.3.
Durée de conditionnement
La sorption a été contrôlée directement dans une des cellules par la mesure de la masse de dix échantillons. Les échantillons étaient disposés sur un support en méthacrylate de méthyle ou d’aluminium, qu’un fil reliait à une balance de 0,001 g de précision. Cela a permis d’obtenir des pesées précises en peu de temps sans modifier les conditions de la sorption. Ce type de contrôle a été utilisé avec succès par plusieurs chercheurs (Bizoň 1995, Arévalo 2002).
Les pesées ont été effectuées à des intervalles réguliers, ce qui a permis de suivre le conditionnement durant la sorption. En général l’équilibre de la teneur en humidité a été considéré comme atteint lorsque le changement d’humidité était d’au plus 0,007% (H) par jour lorsque calculé sur un intervalle d’au moins une semaine. À ce moment, les éprouvettes ont été retirées des dessiccateurs pour prendre immédiatement leur masse et leurs dimensions et effectuer par la suite les essais de compression tangentielle.
Le temps de conditionnement pour la méthode des solutions salines a varié entre 113 jours (bouleau jaune à 58% HR) et 531 jours (bouleau jaune à 96% HR) à 25°C, et entre 97 jours (bouleau jaune à 51% HR) et 109 jours (hêtre à 96% HR) à 50°C.
3.2.3. Méthode de la membrane poreuse sous pression
Au-dessus de 96% (HR), la sorption a été réalisée selon la méthode de la membrane poreuse sous pression. Cette méthode a été initialement développée pour étudier la relation entre la teneur en humidité et la pression appliquée dans les sols. Celle-ci permet le contrôle très précis de hautes valeurs d’humidité relative de l’air. Il a été ainsi possible d'obtenir quatre points de mesure entre 96% et 100% d’humidité relative de l’air, intervalle visé spécialement par ce travail. Une description détaillée de cette méthode est présentée par Fortin (1979) ainsi que par Cloutier et Fortin (1991).
La méthode utilise le concept de potentiel hydrique, lequel est décrit en détail par Siau (1984,1995). Ce concept est dérivé de la thermodynamique classique et il est défini comme étant la différence entre l’énergie libre de Gibbs spécifique de l’eau à l’état sous étude et celle à l’état de référence. L’état de référence généralement utilisé est une nappe d’eau libre et pure à la pression atmosphérique, à une élévation donnée et à la température de l’eau à l’état sous étude (Fortin 1979, Cloutier et Fortin 1991). Ces derniers auteurs ont considéré le gradient de potentiel hydrique comme étant la force motrice du mouvement de l’humidité dans le bois. Ce concept peut aussi être appliqué à l’étude de l’effet des forces de capillarité sur le mouvement de l’eau liquide dans le bois (Siau 1995). Le potentiel hydrique est normalement exprimé en termes d’énergie par unité de masse, soit en Jkg-1. La relation entre le potentiel hydrique, l’humidité relative de l’air et le rayon de courbure de l’interface entre l’eau et l’air à 25ºC et 50°C est présentée au tableau 5. Selon Cloutier et Fortin (1991), le potentiel hydrique augmente avec la température et la teneur en humidité d’équilibre.
La figure 19 illustre l’appareil de sorption qui a été utilisé dans le cadre du présent travail. Les parties principales sont l’enceinte à pression ou extracteur, la membrane poreuse, une source d’air à haute pression et un système de régulation de la pression. La membrane utilisée est constituée d’une feuille d’acétate de cellulose ayant des pores dont le diamètre moyen est de 24 Å, ce qui lui permet de résister à des pressions d’air pouvant aller jusqu’à
Tableau 5. Relation entre le potentiel hydrique, l’humidité relative et le rayon capillaire à 25°C et 50°C.
10000 kPa sans se désaturer. La méthode est alors conçue sur le principe que les pores dans la membrane sont suffisamment petits pour retenir une certaine quantité d’eau grâce aux forces capillaires, et cela même sous l’effet de la pression appliquée. La membrane demeure ainsi perméable à l’eau mais imperméable à l’air. Les échantillons de bois humide en contact avec la membrane poreuse perdent de l’eau jusqu’à ce qu’ils s’équilibrent avec le potentiel hydrique imposé grâce à la pression appliquée (Cloutier et Fortin 1991).
Les échantillons saturés sont placés dans l’enceinte hermétique sur la membrane poreuse saturée d’eau. L’air entourant les échantillons est maintenu saturé de vapeur d’eau afin de
Potentiel hydrique Humidité relative r
25°C 50°C 25°C 50°C 25°C 50°C 25°C 50°C (Jkg-1) (kPa) (%) (µm) 0 0 0 100 100 ∞ ∞ -300 -300 -299 -296 99,78 99,80 0,480 0,453 -700 -700 -698 -693 99,49 99,53 0,206 0,194 -2000 -2000 -1994 -1976 98,56 98,67 0,072 0,068 -5000 -5000 -4985 -4940 96,43 96,70 0,029 0,027 -5619 -6370 -5602 -6294 96 95,82 0,026 0,021 -14502 -31069 -14460 -30697 90 81,20 - - -20760 -32546 -20699 -32157 86 80,40 - - -37775 -44057 -37664 -43530 76 74,43 - - -74979 -100600 -74758 -99456 58 50,93 - -
Figure 19. Montage de l’appareil utilisé pour la technique de la membrane poreuse sous pression.
prévenir toute perte par évaporation. La membrane est recouverte d’une couche d’argile d’environ 2 mm d’épaisseur pour assurer un bon contact hydraulique entre les éprouvettes et la membrane. Une pression d’air connue est alors appliquée dans l’enceinte pendant que l’eau sous la membrane est maintenue à la pression atmosphérique. La teneur en humidité des échantillons est obtenue lorsque le volume d’eau extrait est en équilibre pendant 7 jours. Ce processus est répété pour différents gradients de pression de façon à obtenir une courbe de teneur en humidité d’équilibre en fonction du potentiel hydrique. Dans la présente étude, la méthode de la membrane sous pression a été utilisée dans la gamme de potentiel hydrique de -300 à -5000 Jkg-1 (tableau 4), et les expériences ont requis entre 14 et 41 jours de désorption selon l’humidité relative considérée, la température et l’espèce. Cette gamme a été complémentaire à celle obtenue avec la méthode des solutions salines.
Pour le contrôle de la température, le système de membrane poreuse a été mis dans une boite isolée pourvue d’un système de serpentin par lequel circulait du polyéthylène glycol à l’aide d’un bassin thermostatique gradué à 25°C ou à 50°C. Ces dispositifs ont été montés dans une chambre ayant une température de 24ºC ± 1ºC. Vingt éprouvettes par groupe dont leur dimensions et masse avaient été prises préalablement ont été placées dans ces dispositifs.
3.3. Essais mécaniques
3.3.1. Essais de compression
3.3.1.1.
Contrôle des conditions hygrothermiques durant les
essais
Étant donné l’importance de la teneur en humidité des échantillons dans le cadre de ce travail, plusieurs précautions ont été prises afin d’assurer le contrôle des conditions hygrothermiques durant les essais mécaniques.
Aussitôt sorties des cellules de sorption ou de l’extracteur, les vingt éprouvettes ont été rapidement emballées en groupes de quatre dans des bandes de polyéthylène. Elles ont été ensuite placées dans une enceinte, qui se trouvait près de la machine à essai. Cette enceinte, faite de polystyrène pour éviter les pertes de chaleur, était composée d’un dessiccateur entouré d’un serpentin par lequel circulait du polyéthylène glycol à l’aide d’un bassin thermostatique réglé à 25°C ou 50°C, au dixième de degré près. Pour les essais au-dessous de 96% (HR), une solution saline correspondant aux conditions où venait de s’effectuer la sorption était versée dans le dessiccateur. Pour les essais au-dessus de 96% (HR), de l’eau a été placée dans le dessiccateur afin de conserver une humidité relative élevée.
Pour les essais à 25°C, les échantillons étaient entourés dans du coton hydrophile conditionné au dessus des mêmes conditions hygrométriques que le bois. Ce coton servait de régulateur hygrothermique à la surface des éprouvettes. Un tel système a été utilisé avec succès préalablement par Arévalo (2002), Pontin (2005) et Almeida (2006). Pour les essais à 50°C, les échantillons étaient enveloppés dans des bandes de polyéthylène en couvrant leurs six faces. Une cabine munie d’un système de chauffage maintenait la température à 50°C. Il faut remarquer que pendant les essais, le laboratoire d’essais mécaniques était conditionné à 25°C.
3.3.1.2.
Essais de compression tangentielle
Les essais de compression tangentielle ont été réalisés sur une machine MTS Q TEST/5 ELITE CONTROLLER, qui a une capacité maximale de 5 kN. Cette machine est équipée d’une base, de deux colonnes verticales, d’une plaque supérieure fixée à la traverse mobile par en dessous et d’un mécanisme de contrôle. Une pièce de faible diamètre est vissée à la plaque supérieure pour faciliter le positionnement et centrage de l’échantillon tandis qu’un joint hémisphérique de grand rayon rend cette plaque facilement orientable pour tenir compte du manque de parallélisme des faces mises en contact. Les précautions prises à cet égard ont consisté à mouvoir la plaque orientable selon deux directions perpendiculaires l’une à l’autre à mesure que la charge initiale était appliquée. Une base inférieure de même diamètre que la supérieure, sert aussi à positionner et à centrer l’éprouvette.
Le logiciel Test Works 4 a servi à la manipulation de la machine et à la prise des données. Ce logiciel a créé un fichier de données brutes de charge et de déformation.
