Relations entre les propriétés mécaniques du bois et les vitesses acoustiques mesurées à trois étapes du processus de transformation du bois

NORMAND PARADIS

RELATIONS ENTRE LES PROPRIÉTÉS

MÉCANIQUES DU BOIS ET LES VITESSES

ACOUSTIQUES MESURÉES À TROIS ÉTAPES DU

PROCESSUS DE TRANSFORMATION DU BOIS

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en sciences forestières

pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M. Sc.)

DÉPARTEMENT DES SCIENCES DU BOIS ET DE LA FORÊT FACULTÉ DE FORESTERIE, DE GÉOGRAPHIE ET DE GÉOMATIQUE

UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC

2011

Résumé

Pour cette étude, trois espèces de la forêt boréale ont été sélectionnées selon leur importance pour l’industrie forestière canadienne. Quinze billes de pin gris ont été récoltées au Lac Saint-Jean (Québec) puis sciées, séchées et testées afin de connaître le module d’élasticité statique (MOEstat) des pièces à 12% de teneur en humidité. Le même processus

a été appliqué pour l’épinette noire provenant de la Côte Nord (Québec) et pour une plus grande quantité de billes (92) d’épinette blanche récoltées à la Forêt expérimentale de Petawawa (Ontario).

L’objectif de ce travail consiste à déterminer la force des relations, à trois étapes du processus de transformation, entre les vitesses sonores, les modules d’élasticité dynamique (MOEdyn) et les MOEstat mesurés sur les pièces sciées. Des simulations ont aussi permis

d’évaluer l’influence de la variation de la teneur en humidité sur la force de la relation entre le MOEstat et le MOEdyn pour les billes. Les résultats montrent que la force de la relation

entre le MOEstat et le MOEdyn s’améliore lorsque la variation de la teneur en humidité du

bois et la variation de la masse volumique anhydre de la bille sont connues, ce qui indique qu’il est préférable de mesurer directement la masse volumique de la bille lors de l’évaluation du MOEdyn.

Avant-Propos

Cette étude a été dirigée par Alexis Achim, professeur adjoint et codirigée par Alexander Salenikovich, professeur agrégé au Département des sciences du bois et de la forêt de l’Université Laval. Les objectifs poursuivis dans le présent travail s’intègrent dans le cadre du réseau stratégique CRSNG sur l’aménagement forestier pour les produits à valeur ajoutée (ForêtValeur).

Ce mémoire a été rédigé dans le cadre d’une maîtrise menant au grade de maître ès sciences (M.Sc.). Il est constitué d’un premier chapitre de généralités décrivant les modes de propagation des ondes acoustiques ainsi que les différents tests effectués afin de mesurer les propriétés mécaniques d’intérêt. Le chapitre 2 vise à caractériser les relations entre les vitesses acoustiques, le MOEdyn et le MOEstat mesurés à différentes étapes du processus de

transformation du bois. Ce chapitre a été écrit sous la forme d’un article, mais ne sera pas soumis pour publication considérant le petit nombre (15) d’échantillons analysés. Des simulations ont été générées, au chapitre 3, dans le but de déterminer l’influence de la variation de la teneur en humidité à l’intérieur des billes et entre les billes. De plus, une analyse économique y est présentée dans le but de démontrer l’impact potentiel de mesures non destructives des propriétés du bois sur la valeur des produits transformés. Ce chapitre sera soumis pour publication à la revue International Wood Products Journal (suite à une invitation de cette dernière).

Remerciements

J’aimerais remercier mon directeur, Alexis Achim, pour sa patience, sa disponibilité et ses judicieux conseils. Merci de m’avoir encouragé à continuer, surtout durant les périodes difficiles, me permettant ainsi de me dépasser tout au long du processus menant à la production de ce document.

Merci à mon codirecteur, Alexander Salenikovich, pour les suggestions pertinentes et l’aide apportée dans l’interprétation des différentes normes ASTM.

Aux techniciens de FPInnovations (Olivier Baes, Anes Omeranivic) et du Centre de recherche sur le bois de l’Université Laval (Daniel Bourgault, Sylvain Auger, Luc Germain, Éric Rousseau) pour leurs collaborations lors des prises de mesures et des travaux d’usinage et du séchage des échantillons.

À l’équipe de Frank Berninger (Hugues Power, Robert Schneider) de l’Université du Québec à Montréal et de l’équipe de John Caspersen (Adam Kuprevicius) de l’Université de Toronto pour l’aide apportée lors de la prise de mesures sur le terrain ainsi que pour le partage d’information par la suite.

À tous les collègues d’études et stagiaires (Émmanuel Duchateau, Luciane Paes-Torquato, Filip Havreljuk, Amélie Denoncourt, Érika Blackburn) qui ont été d’une aide précieuse à différentes étapes des travaux.

Un gros merci à Simon Voyer (et ses étudiants) de l’école de foresterie et de technologie du bois de Duchesnay pour l’aide apportée lors du sciage des billes.

En terminant, j’aimerais remercier le Conseil de recherches en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG) pour leur contribution financière au projet.

Je dédie ce travail à ma famille avec tout mon amour

Table des matières

Résumé ... i

Avant-Propos ... ii

Remerciements ... iii

Table des matières ... v

Liste des tableaux ... vii

Liste des figures ... viii

Introduction ... 1

Chapitre 1 Généralités ... 3

1.1 Propagation de l’onde mécanique ... 3

1.1.1 Temps de propagation (théorie de la dilatation)... 3

1.1.2 Résonnance (onde stationnaire) ... 5

1.2 Influence de la teneur en humidité ... 6

1.2.1 La masse volumique ... 6

1.2.2 La vitesse acoustique ... 7

1.2.3 Module d’élasticité dynamique (MOEdyn) ... 8

1.3 Normes ASTM-D4761 et D198 ... 9

1.3.1 Module d’élasticité statique (MOEstat) ... 11

1.3.2 Module de rupture (MOR) ... 12

Chapitre 2 Relations entre les vitesses acoustiques, le module d’élasticité dynamique et le module d’élasticité statique mesurés à différentes étapes du processus de transformation du bois ... 13

Résumé ... 13

2.1 Introduction ... 13

2.2 Matériel et méthodes ... 15

2.2.1 Provenance des échantillons ... 15

2.2.2 Mesures effectuées ... 15

2.2.3 Ajustement des mesures (entre l’arbre et la bille) ... 16

2.2.4 Calcul de la masse volumique ... 17

2.2.5 Norme ASTM D-4761 ... 18

2.3 Résultats ... 18

2.3.1 Ajustement de la vitesse acoustique mesurée dans l’arbre ... 18

2.3.2 Relation entre le MOE statique et la vitesse acoustique ... 20

2.3.3 Lien avec la masse volumique ... 20

2.3.4 Relation entre le MOEstat et le MOEdyn ... 21

2.4 Discussion ... 22

2.5 Conclusion ... 24

Chapitre 3 Usage d’outils acoustiques afin de déterminer les proportions de pièces répondant aux exigences du bois classé par contrainte mécanique ... 25

Résumé ... 25

3.1 Introduction ... 26

3.2 Matériel et méthodes ... 29

3.2.1 Provenance des tiges ... 29

3.2.2 Tests effectués sur les échantillons ... 29

3.2.4 Influence de la teneur en humidité et de la masse volumique anhydre sur le

MOEdyn ... 30

3.2.5 Simulation 1– teneur en humidité constante ... 31

3.2.6 Simulation 2 - teneur en humidité variable ... 31

3.2.7 Simulation 3 - teneur en humidité et masse volumique variables ... 32

3.2.8 Proportion des pièces rencontrant les exigences du bois classé par contrainte mécanique ... 32

3.2.9 Régression logistique ... 33

3.2.10 Évaluation économique ... 34

3.3 Résultats ... 35

3.3.1 Relations obtenues dans le bois de dimension (12% H) ... 35

3.3.2 Simulations ... 35

3.3.3 Proportion de pièces répondant aux exigences du bois classé par contraintes mécaniques ... 37

3.3.4 Prédiction de la valeur des produits ... 40

3.4 Discussion ... 41

3.5 Conclusion ... 43

Conclusion générale ... 45

Bibliographie ... 47

Annexe A : Ajustement du MOEstat ... 50

Annexe B : Programmes de séchage ... 51

Annexe C : Programme pour la régression logistique ... 52

Annexe D : Tableau des données pour l’épinette blanche ... 53

Annexe E : Tableau des données pour l’épinette noire ... 63

Liste des tableaux

Tableau 2-1 Échantillons utilisés pour l’analyse ... 15 Tableau 2-2 Force des relations entre les vitesses acoustiques mesurées sur l’arbre, la bille

et la pièce sciée (38 mm x 89 mm) ... 20 Tableau 2-3 Variabilité de la masse volumique des pièces sciées ... 21 Tableau 2-4 Coefficients de détermination des relations entre le MOEstat et les MOEdyn

mesurés à différents niveaux. ... 22 Tableau 3-1 Propriétés caractéristiques pour quelques classes MSR (NLGA 2003) ... 32 Tableau 3-2 Exemple de données regroupées par bille (représente une partie des données

seulement) ... 33 Tableau 3-3 Coefficients de détermination des fonctions de prédiction du MOEstat (à

l’échelle de la pièce sciée) ... 35 Tableau 3-4 Paramètres générés par la régression logistique pour deux classes MSR en

fonction de la vitesse acoustique mesurée dans la bille (équation 3.6) ... 37 Tableau 3-5 Paramètres générés par la régression logistique pour deux classes MSR en

Liste des figures

Figure 1.1 Mesure sur l’arbre debout a) Director ST300 b) IML-Hammer (adapté) ... 4

Figure 1.2 Mesure de la vitesse acoustique a) sur la bille b) sur le bois de dimension ... 5

Figure 1.3 Relation entre la masse volumique humide et la teneur en humidité du bois ... 7

Figure 1.4 Relation entre la vitesse acoustique et la teneur en humidité du bois à température constante. PSF représente le point de saturation des fibres. ... 8

Figure 1.5 Relation entre le module d’élasticité dynamique et la teneur en humidité du bois ... 9

Figure 1.6 Banc d’essai pour les mesures de MOEstat et MOR (ASTM-D4761) ... 10

Figure 1.7 Schéma des forces appliquées sur les échantillons ... 10

Figure 1.8 Critères définis pour la mesure du MOEstat ... 11

Figure 2.1 Relation entre la vitesse mesurée sur l’arbre (temps de propagation) et celle mesurée sur la bille (résonnance) après avoir appliqué l’ajustement (VTOF/VR) ... 19

Figure 2.2 Relation entre le MOEdyn et le MOEstat obtenu pour les pièces sciées (12±1% de teneur en humidité) ... 21

Figure 3.1 Relation entre le MOEstat moyen par bille et le MOEdyn évalué sur les billes en conservant la teneur en humidité et la masse volumique constantes entre celles-ci (simulation 1) ... 36

Figure 3.2 Relation entre le MOEstat moyen par bille et le MOEdyn évalué sur les billes en ajustant la teneur en humidité en fonction de la largeur mesurée de l’aubier, mais en conservant la masse volumique anhydre constante (simulation 2) ... 36

Figure 3.3 Relation entre le MOEstat moyen par bille et le MOEdyn évalué sur les billes en ajustant la teneur en humidité en fonction de la largeur mesurée de l’aubier et en ajustant la masse volumique anhydre à partir des valeurs mesurées sur les planches (simulation 3) ... 37

Figure 3.4 Proportion des pièces supérieures aux classes MSR (1650 et 2100) en fonction de la vitesse acoustique mesurée sur la bille ... 38

Figure 3.5 Proportion des pièces supérieures aux classes MSR (1650 et 2100) en fonction du MOEdyn calculé pour la bille (simulation 3) ... 40

Introduction

La forêt boréale qui ceinture l’hémisphère nord de la planète représente 33% des forêts du monde. Une proportion de 30% de cette forêt se trouve au Canada, atteignant près de 58% de la superficie du pays. Dans cette zone, le climat n’est pas propice à une croissance rapide des arbres et le couvert forestier est dominé par des espèces résineuses (RNCAN 2010, AFC 2005). La récolte de matière ligneuse s’effectue principalement dans la partie située le plus au sud et est en grande partie destinée pour le secteur du bois de sciage, visant ainsi le marché de la construction. Les résidus des usines de sciage servent par la suite à alimenter les papetières, les usines de panneaux et les producteurs d’énergie à base de biomasse (MRNF 2008).

Dans l’Est du Canada, les tiges récoltées aujourd’hui ont un volume moyen plus faible que celles récoltées par le passé. La diminution des dimensions des tiges ont été jusqu’à un certain point compensées par le développement de nouveaux outils rendant la transformation des tiges très efficace. Cependant, l’industrie de transformation primaire de ces bois a été lourdement affectée par la récente période de morosité économique. Devant cette situation, il est proposé que des transformations secondaires pourraient permettre à l’industrie de développer des produits de haute qualité, suffisamment performants pour concurrencer les produits composés de polymère, de métal et d’autres produits composites (Barry et al. 2009).

Dans le domaine des produits structuraux, les produits de deuxième transformation sont souvent des bois d’ingénierie pour lesquels les propriétés mécaniques telles que les modules d’élasticité et de rupture sont très importantes. Par exemple, le bois classé mécaniquement par résistance (MSR)1 est un produit du bois d’ingénierie qui est utilisé par la suite dans différentes applications, autant pour la construction de fermes de toit que pour la production de poutrelles ou de solives de plancher. Ce classement MSR regroupe les pièces de bois de dimension ayant un module d’élasticité (MOE) moyen supérieur à certains seuils, créant ainsi un panier de produits destinés à des applications structurales (NLGA 2003).

En raison des caractéristiques du matériau (anisotrope) et de la variabilité des propriétés mécaniques du bois à l’intérieur d’une même espèce ou d’un même arbre (Zobel et Van Buijtenen 1989, Grabianowski et al. 2006), il est très difficile de prédire à l’avance le classement MSR des pièces de bois de dimension provenant d’une bille en particulier. De plus, pour le bois de dimension produit en Amérique du Nord, certaines espèces ont été regroupées en une seule classe (sapin, épinettes, pin gris, mélèze - SEPM), augmentant ainsi la difficulté de prédire à l’avance le classement des pièces.

La présente étude porte plus spécifiquement sur l’utilisation d’outils acoustiques afin de prédire la rigidité (MOE) du bois et, par le même fait, le classement des pièces. Plusieurs études montrent que le lien est très étroit entre les propriétés mécaniques du bois et le module d’élasticité dynamique (MOEdyn) calculé à partir de la vitesse de propagation d’une

onde générée par un impact mécanique (Ilic 2001, Wang et al. 2002, Carter et al. 2005, Auty et Achim 2008, Amishev et Murphy 2008). Ainsi, différents outils acoustiques ont été développés pour intervenir très tôt dans la chaîne de création de valeur, afin d’effectuer de manière non destructive une sélection adéquate de la ressource en fonction des propriétés mécaniques du bois. L’objectif général de ce projet est d’évaluer la possibilité de déterminer des seuils de vitesse sonore mesurée sur l’arbre ou la bille ainsi que des seuils de MOEdyn des billes dans le but de sélectionner et regrouper la matière première en

Chapitre 1 Généralités

1.1 Propagation de l’onde mécanique

La propagation d’une onde mécanique dans un matériau est bien documentée. Cependant, la théorie devient rapidement complexe lorsque l’élément à analyser n’est pas homogène et isotrope (Bucur 2006, Wang et al. 2007b). La géométrie de l’échantillon détermine la technique qui sera utilisée pour mesurer la vitesse de propagation de l’onde. Pour la mesure de la vitesse acoustique générée par impact mécanique, deux techniques ont été développées. La technique basée sur la théorie de la dilatation (temps de propagation) permet d’effectuer des mesures sur un arbre debout, tandis que la technique s’appuyant sur l’onde stationnaire (résonnance) permet des mesures de vitesse acoustique au moyen d’une vibration longitudinale induite sur des billes ou des pièces sciées (Mora et al. 2009).

1.1.1 Temps de propagation (théorie de la dilatation)

Le temps de propagation correspond au temps que prend une onde mécanique pour parcourir une distance déterminée. C’est le type de mesure prise sur l’arbre debout étant donné les restrictions imposées par la géométrie de l’échantillon. Cette mesure est influencée par certains paramètres tels que la précision de la mesure de distance entre les sondes ainsi que de la précision du temps de propagation de l’onde (Wang et al. 2007a).

La mesure du temps peut être variable d’un appareil à l’autre compte tenu des différents seuils de détection pour le début et l’arrêt du chronomètre. Cette particularité rend plus difficile les comparaisons entre les mesures prises sur l’arbre debout, surtout lorsque les appareils utilisés proviennent de différents fournisseurs. La figure 1.1, présente deux appareils utilisés pour la mesure sur l’arbre debout : le Director ST300 produit par Fibre-Gen (Nouvelle Zélande) et le IML-Hammer produit par Instrument Mechanic Lab, Inc. (Allemagne).

Figure 1.1 Mesure sur l’arbre debout a) Director ST300 b) IML-Hammer (adapté)

Le IML-Hammer est un instrument développé principalement pour détecter la présence de carie (direction radiale) dans un arbre et a été adapté par la suite afin de mesurer la vitesse de propagation d’une onde dans la direction longitudinale du bois (Lee 2005). C’est un appareil très sensible à la force exercée sur le marteau lors de l’impact avec la pointe insérée dans l’arbre. Cette particularité complexifie la prise de mesures puisque seul un opérateur expérimenté peut prendre des mesures fiables et répétitives avec un minimum de variabilité de la force d’impact du marteau sur la sonde.

Le Director ST300 a été conçu spécifiquement pour la mesure sur l’arbre debout. Deux sondes sont insérées avec un angle de 45° à environ 3 cm de profondeur à l’intérieur de l’arbre. Un système électronique permet de mesurer automatiquement la distance entre les deux sondes (Auty et Achim 2008). L’appareil fait une moyenne des temps obtenus après avoir effectué huit impacts sur une des sondes avec un marteau. Il s’agit d’un appareil moins flexible que le IML-Hammer, puisque la mesure ne peut se faire uniquement que lorsque les deux pointes sont orientées l’une vis-à-vis l’autre. Cependant, l’utilisation des plus récentes technologies lors de la conception de ce type d’appareil permet de prendre des mesures très stables et fiables et la prise de données est beaucoup moins influencée par la force de l’impact du marteau sur la sonde (Wielinga et al. 2009).

5

1.1.2 Résonnance (onde stationnaire)

Pour avoir une onde stationnaire dans une pièce de bois, nous devons avoir une géométrie qui permet une réflexion de l’onde mécanique entre les extrémités de la pièce afin que cette onde puisse se mettre en résonnance. C’est à partir de cette fréquence de résonnance que l’on peut déterminer la vitesse de l’onde acoustique. La vitesse (v, m/s) ainsi obtenue dépend à la fois de la longueur (L, m) de la pièce et de la fréquence (f, hz) de résonance de l’onde stationnaire selon l’équation 1.1. Les billes et les pièces de bois de sciage se prêtent bien à ce type de mesures compte tenu de leur géométrie qui veut que leur épaisseur soit relativement petite comparativement à la longueur de la pièce (Beall 2000).

v = 2 L f (1.1)

La vitesse de l’onde qui est générée par cette méthode s’avère indépendante de la force de l’impact du marteau (Pellerin et Ross 2002). Avec un appareil tel que le Director HM200 de Fibre-Gen (Fig. 1.2), la mesure s’effectue rapidement et nécessite peu de manipulation des échantillons. Il faut toutefois enregistrer la longueur totale de l’échantillon dans l’appareil avant de frapper l’extrémité de la bille ou du sciage avec le marteau.

Figure 1.2 Mesure de la vitesse acoustique a) sur la bille b) sur le bois de dimension

Quelque soit le mode de propagation de l’onde acoustique, le MOEdyn est calculé en

se basant sur la masse volumique humide (ρH, g/cm3) de l’échantillon qui est multipliée par

la vitesse acoustique (V, m/s) élevée au carré selon l’équation suivante (Yin 2010):

MOEdyn = ρH V2 (1.2)

Il est reconnu que les vitesses acoustiques mesurées dans un échantillon de bois peuvent différer selon le type de propagation de l’onde. Par exemple, la mesure du temps de propagation génère une valeur de vitesse acoustique plus élevée que celle mesurée avec un appareil fonctionnant par le principe de fréquence de résonnance (Mora et al. 2009).

1.2 Influence de la teneur en humidité

1.2.1 La masse volumique

La teneur en humidité influence énormément l’ensemble des variables d’intérêt dans l’équation 1.2. La masse volumique varie en fonction de la teneur en humidité de l’échantillon selon les équations 1.3 et 1.4 (USDA 1999, Bever 1986, Bowyer et al. 2007). Cette équation est obtenue en se basant sur la définition de deux variables (teneur en humidité et coefficient de gonflement). La teneur en humidité correspond à la différence entre la masse humide et la masse anhydre sur la masse anhydre de l’échantillon. Le coefficient de gonflement volumique est la variation du volume de l’échantillon (passant de 30% à 0% H) divisée par le volume anhydre. Les résultats ainsi obtenus n’ont pas d’unité mais peuvent s’exprimer en pourcentage (%) lorsque multipliés par cent. Ces relations sont légèrement différentes selon qu’on se situe en-dessous ou au-dessus du point de saturation des fibres (PSF).

)

α

(1

V

H)

(1

m

ρ

H

H

0

₀

_,

₀₁

01

,

0

Où : H = Teneur en humidité (%) m0 = Masse anhydre (g)

V0 = Volume anhydre (cm3)

ρH = Masse volumique humide (g/cm3)

αVH = Coefficient de gonflement volumique à la teneur en humidité (%) H (< PSF)

αV = Coefficient de gonflement volumique (%) (> PSF)

Le coefficient de gonflement a été calculé en utilisant l’équation suivante:

) α (1 V H) (1 m ρ H H V 0 0 H PSF 01 , 0 01 , 0

7

αv = βv/(1-0,01βv) (1.5)

où βv = Coefficient de retrait volumique (%)

Figure 1.3 Relation entre la masse volumique humide et la teneur en humidité du bois

La masse volumique augmente donc lorsque la teneur en humidité du bois augmente (fig.1.3). Au-dessous du point de saturation des fibres, la relation est linéaire, mais avec un taux de variation inférieur à celui obtenu au-dessus du point de saturation, puisqu’un échantillon qui perd de l’eau diminuera aussi de dimension.

1.2.2 La vitesse acoustique

La présence d’eau dans le bois ralentit la vitesse de propagation de l’onde mécanique par l’augmentation de la masse volumique de l’échantillon (fig. 1.4). La relation n’est pas linéaire et tend vers une asymptote lorsque la teneur en humidité devient très grande (Kang et Booker 2002, Chan 2007). La température influence aussi la vitesse de propagation des ondes (Kang et Booker 2002), mais cette variable n’a pas été analysée dans cette étude puisque les mesures ont été effectuées dans un environnement à température relativement constante (entre 15 et 25°C).

Figure 1.4 Relation entre la vitesse acoustique et la teneur en humidité du bois à température constante. PSF représente le point de saturation des fibres.

1.2.3 Module d’élasticité dynamique (MOE

)

La relation résultante entre le MOEdyn et la teneur en humidité (fig. 1.5) est en

décroissance entre 0 et 30 %. Par contre, le MOEdyn calculé avec la vitesse de l’onde

acoustique produite à partir de l’impact d’un marteau est très peu dépendant de la teneur en humidité au-dessus du point de saturation des fibres (Unterwieser et Schickhofer 2010). La courbe a été produite à partir des équations 1.6 et 1.7, en utilisant les propriétés physiques de l’épinette blanche (Jessome 2000).

V VH α 1 H 1 0 ρ 2 H V H ρ dyn MOE PSF H H 0 2 H 01 , 0 01 , 0 (1.6) V V α 1 H 1 0 ρ MOE 2 H V H ρ dyn MOE PSF H H 2 H dyn _0,01 01 , 0 (1.7) où :

Les variables H, HPSF ,ρH , αvet αVH ont été définies aux équations 1.3 et 1.4.

ρ0 = masse volumique anhydre (g/cm3)

9

Figure 1.5 Relation entre le module d’élasticité dynamique et la teneur en humidité du bois

1.3 Normes ASTM

-D4761 et D198

Puisque lors des tests ASTM-D4761 et D198 (ASTM 2005a,b), toutes les mesures ont été effectuées dans le système impérial, nous présenterons, pour cette section, les valeurs correspondantes pour le système impérial entre parenthèses. Les valeurs du système métrique international ne seront fournies qu’à titre indicatif, puisque seulement trois chiffres significatifs ont été retenus lors de la conversion.

Les MOEstat et le module de rupture (MOR) sont les deux propriétés mécaniques

que nous pouvons déterminer par ce type de tests. Dans le cadre de ce projet, elles ont été obtenues pour les échantillons de bois de dimension de 38 mm par 89 mm (1,5 po par 3,5 po). Dans un premier temps, les tests ont été appliqués selon la norme ASTM-D4761 et, par la suite, les résultats ont été ajustés en ajoutant 3% aux valeurs de MOEstat, afin de se

conformer à la norme ASTM-D198. L’ajout de 3% a été déterminé en comparant les pentes obtenues pour la relation (charge en fonction de la flèche) entre une mesure de la flèche prise sous la pièce ayant comme référence la base du banc d’essai et une autre mesure de la flèche qui cette fois-ci a été prise sur l’axe neutre par l’entremise d’un étrier (Yoke) (annexe A).

Nous présentons à la figure 1.6, le banc d’essai (Université Laval) qui a été utilisé pour effectuer les mesures.

Figure 1.6 Banc d’essai pour les mesures de MOEstat et MOR (ASTM-D4761)

Les tests ont été effectués en flexion sur la rive avec une portée de 2,13 m (84 po). Les forces étaient appliquées au tiers de la portée soit à 71,1 cm (28 po) des appuis (fig. 1.7). Les pièces ont été séchées selon un programme de séchage spécifique à l’espèce (annexe B) puis conditionnées par la suite dans un local où la température était maintenue à 20°C avec une humidité relative de 60% ± 5%. La teneur en humidité a été prise au centre des pièces avant chacun des tests en utilisant un hygromètre capacitif (L612 Wagner electronic products). Le rapport (portée/largeur de l’échantillon) était de 24 et le temps d’application de la charge avant la rupture se situait entre un minimum d’une minute et un maximum de 10 minutes. Selon la norme, pour un rapport plus élevé que 21, un correctif doit être appliqué sur le MOEstat. Étant donné que l’écart des MOEstat ne dépasse pas 1%

entre le rapport de 21 avec celui de 24, nous n’avons pas appliqué le correctif sur les résultats obtenus.

11

1.3.1 Module d’élasticité statique (MOE

)

Un capteur électrique passif de déplacements linéaires (LVDT)3 a été utilisé pour mesurer la flèche au centre de la pièce. C’est à partir de la pente du graphique de la charge (P, N) en fonction de la flèche (Δ, mm) que le MOEstat (Pa) est calculé. Afin de s’assurer

de demeurer dans la zone élastique, le taux de variation est évalué entre environ 10% et 40% de la charge maximale à la rupture (fig. 1.8) (ASTM 2005a).

Figure 1.8 Critères définis pour la mesure du MOEstat La formule utilisée pour le calcul de MOEstat est la suivante:

₃ 3 stat h b L Δ P 108 23 MOE (1.8) Où : P = Charge appliquée (N) Δ = Flèche (mm)

L = Distance entre les deux appuis (mm) b = Épaisseur de la pièce (mm)

h = Largeur (hauteur) de la pièce (mm)

1.3.2 Module de rupture (MOR)

Le MOR a été calculé à partir de la charge maximale (Pmax) avant la rupture de la

pièce. Les variables (b, h et L) sont les mêmes que celles utilisées pour le MOEstat.

La formule utilisée pour le calcul de MOR est la suivante :

2 max

h

b

L

P

MOR

Chapitre 2 Relations entre les vitesses acoustiques, le

module d’élasticité dynamique et le module

d’élasticité statique mesurés à différentes

étapes du processus de transformation du

bois

Résumé

Cette étude visait d’abord à déterminer la force de la relation entre le module d’élasticité statique (MOEstat) du bois et deux variables obtenues par une évaluation non

destructive (la vitesse acoustique et le module d’élasticité dynamique (MOEdyn)). Elle visait

aussi à déterminer le rapport entre la vitesse acoustique mesurée dans l’arbre et celle mesurée dans la bille. Quinze échantillons d’épinette noire (Picea mariana) provenant de la Côte Nord et 15 échantillons de pin gris (Pinus banksiana) provenant du Lac Saint-Jean ont été récoltés et sciés en bois de dimensions (38 mm x 89 mm x 2,44 m). Dans une première analyse, le rapport entre les deux vitesses acoustiques montre que cette relation diffère d’une espèce à l’autre et varie même entre les arbres. Chez le pin gris, les relations sont généralement bien ajustées pour les mesures prises dans l’arbre ou la bille. Pour les pièces sciées, il est même possible de faire une très bonne prédiction de la rigidité du bois à partir de la vitesse acoustique. Par contre, chez l’épinette noire, les relations observées étaient généralement très faibles, surtout dans le cas de la relation entre le MOEstat et la vitesse

acoustique mesurée sur la bille. Pour cette espèce, il serait beaucoup plus pertinent de considérer le MOEdyn afin de déterminer à l’avance la rigidité des pièces transformées.

2.1 Introduction

Le bois est composé d’un ensemble de cellules et les liens qui les unissent, ainsi que leur composition, s’avèrent relativement complexe. Plusieurs facteurs environnementaux tels que le type de sol (substances nutritives), le climat (humide ou sec), la compétition (lumière) et la présence de stimuli mécaniques (vent) contribuent à influencer la formation du bois tout au long de la croissance de l’arbre (Downes et al. 2002). Il n’est pas surprenant

d’observer la grande variabilité des propriétés physiques et mécaniques du matériau qui en découle (Grabianowski et al. 2004).

Pour un produit destiné à une application structurale, les propriétés mécaniques telles que le module d’élasticité statique (MOEstat) et le module de rupture (MOR) sont les

principaux critères utilisés lors de la sélection de la matière première. Cependant, seul le MOEstat peut être mesuré de manière non destructive. Pour le classement par contrainte

mécanique, le MOR est estimé à partir du MOEstat ou de la masse volumique du bois

(Pellerin et Ross 2002). Dans ce cas, une meilleure connaissance de ces propriétés mécaniques associées à la ressource disponible représente un élément essentiel pour gérer la matière première de façon efficace.

C’est dans l’optique de déterminer à l’avance l’aptitude d’un bois à servir pour des applications structurales que des outils acoustiques ont été développés (Carter et al. 2006). Plusieurs études ont caractérisé les relations qu’on observe entre les vitesses acoustiques mesurées à différentes étapes du procédé de transformation et les propriétés du bois (Pellerin et Ross 2002, Carter et al. 2006, Wang et al. 2007a, Auty et Achim 2008, Mora et al. 2009, Divos 2010, Jones et Emms 2010). Cependant, peu d’études ont été réalisées avec les espèces provenant de la forêt boréale canadienne. Un examen plus approfondi s’impose, puisque plusieurs études montrent une grande variabilité dans la force de la relation entre la vitesse mesurée dans l’arbre et celle mesurée dans la bille selon les espèces (Matheson et al. 2002, Pellerin et Ross 2002, Wang et al. 2007b).

De plus, la vitesse mesurée dans l’arbre s’avère surestimée et génère un module d’élasticité dynamique (MOEdyn) supérieur à celui évalué sur la bille (Mora et al. 2009).

Cette différence amène un biais entre le MOEdyn évalué sur l’arbre et le MOEstat mesuré sur

des pièces sciées. Considérant la possibilité d’effectuer une évaluation des propriétés mécaniques du bois avant de procéder à la récolte, il semble pertinent de déterminer le plus précisément possible la relation entre la vitesse sur la bille et celle mesurée sur l’arbre.

Dans le but de répondre à cette problématique, un projet de recherche a été mis sur pied afin de : (1) caractériser la relation entre la vitesse mesurée sur l’arbre et celle mesurée sur la bille; (2) déterminer le facteur d’ajustement entre ces deux vitesses; (3) caractériser la relation entre le MOEstat mesuré sur des pièces et deux variables (vitesse

15

2.2 Matériel et méthodes

2.2.1 Provenance des échantillons

Les billes analysées ont été récoltées sur la Côte-Nord dans la région de Baie-Comeau et près du barrage Manic 5 (Québec, Canada). Le pin gris provient de la région de St-Félicien située au nord-ouest du Lac-Saint-Jean (Québec, Canada). Le choix des arbres s’est fait aléatoirement parmi les arbres provenant de quatre peuplements de pin gris et sept peuplements d’épinette noire. Une bille de souche d’une longueur de 2,5 m a été prélevée sur chaque arbre retenu et transportée au Centre de recherche sur le bois de l’Université Laval (CRB) (Tableau 2.1). Elles ont été sciées, à l’aide d’une scierie portative, puis séchées dans un séchoir conventionnel selon un programme de séchage spécifique pour l’espèce (annexe B). Chacun des programmes inclus un traitement de conditionnement afin de relâcher les contraintes internes occasionnées par le séchage. Cette étape est importante puisque les contraintes internes peuvent affecter de façon significative le MOEstat lors des tests sur le banc d’essai.

Tableau 2-1 Échantillons utilisés pour l’analyse

Espèce site Nombre de billes

(2,44 m de longueur)

Nombre de pièces (38 mm x 89 mm) Épinette

noire Côte Nord (Québec) 15 27

Pin gris Lac Saint-Jean (Québec) 15 26

2.2.2 Mesures effectuées

Les vitesses acoustiques ont été mesurées sur l’arbre debout avec le Director ST300 (Fibre-Gen) et sur la bille avec le Director HM200 (Fibre-Gen). Suite à l’impact mécanique d’un marteau sur un des capteurs enfoncés à environ 4 cm dans l’arbre avec un angle de 45 degrés, le Director ST300 mesure le temps de propagation (ToF)4 de l’onde mécanique se déplaçant entre les deux capteurs séparés d’une distance d’environ un mètre. Il donne des

résultats très stables et la force de l’impact du marteau qui induit l’onde mécanique n’a pas d’influence sur la mesure de la vitesse (VToF)(Grabianowski et al. 2006). La distance entre

les deux sondes est estimée automatiquement par un système électronique et optique qui tient compte de leur angle d’insertion dans l’arbre.

Dans le cas du Director HM200, c’est le mode de propagation de l’onde par résonnance qui est exploité afin d’évaluer la vitesse acoustique (VR) dans le bois (Carter et

al. 2006, Wang et al. 2007a). Cette onde est induite par un coup de marteau sur la section transversale de l’échantillon. Les mesures par résonnance ont été prises autant sur les billes que sur les pièces sciées.

Les mesures de vitesses prises sur l’arbre debout et sur la bille ont été reliées par régression linéaire au MOEstat des pièces sciées. En considérant, qu’il n’y a qu’une seule

autre variable que la vitesse qui intervient dans le calcul du MOEdyn, une attention

particulière a aussi été portée à la variation de la masse volumique des échantillons récoltés afin d’expliquer les résultats obtenus. Le MOEdyn a donc aussi été déterminé à l’aide de

l’équation 1.2, et comparé au MOEstat.

2.2.3 Ajustement des mesures (entre l’arbre et la bille)

Étant donné que les techniques utilisées sont différentes lors des prises de mesures sur l’arbre debout et celles prises sur la bille, un ajustement est nécessaire afin d’harmoniser les résultats. La mesure effectuée sur l’arbre debout fait appel à la théorie de la dilatation où deux paramètres élastiques sont considérés (MOE et coefficient de Poisson). Dans le cas des mesures effectuées sur les billes et les pièces sciées, c’est plutôt la théorie de la résonnance qui est exploitée où seul un paramètre élastique est considéré, soit le module d’élasticité (Wang et al. 2007a). Typiquement, nous obtenons des vitesses mesurées sur l’arbre debout légèrement plus grandes que celles obtenues sur la bille (Mora et al. 2009).

Lors de l’impact du marteau sur une des sondes installées sur l’arbre debout, trois ondes sont générées: l’onde longitudinale, l’onde de cisaillement et l’onde de surface (Wang et al. 2007a). L’onde longitudinale est la plus rapide des trois et son temps de propagation sert à déterminer la vitesse acoustique.

17 Puisque la vitesse acoustique mesurée sur l’arbre debout est plus grande que celle mesurée sur la bille, nous devons appliquer un correctif afin de comparer les deux mesures. Pour ce faire, l’équation 2.1 proposée par Wang et al. (2007a) prend en considération le coefficient de Poisson ( LR) et permet de faire le lien entre les valeurs obtenues selon les

deux modes de propagation d’onde.

2υ 1 υ 1 υ 1 V V R ToF (2.1) VToF= Vitesse calculée en se basant sur le temps de propagation de l’onde (m/s)

VR = Vitesse calculée à partir de la fréquence de résonnance de l’onde stationnaire (m/s)

υ

2.2.4 Calcul de la masse volumique

Puisque les masses volumiques humides des billes n’ont pu être mesurées lors de la prise de mesure de vitesse acoustique, elles ont été estimées à partir des valeurs obtenues pour les pièces sciées. Nous avons déterminé, dans un premier temps, la masse volumique anhydre moyenne de la bille en faisant une moyenne des valeurs mesurées pour les pièces sciées, tel que décrit au prochain paragraphe. Par la suite, nous avons estimé la masse volumique humide en considérant une teneur en humidité moyenne pour l’ensemble de la bille.

Les masses volumiques à 12% ± 1% d’humidité ont été mesurées pour chacune des pièces de bois produites par une bille. À partir de la moyenne de la masse volumique des pièces provenant d’une même bille nous avons estimé la masse volumique anhydre de la bille au moyen de l’équation 2.2.

(2.2)

α

Où :

αVH = Coefficient de gonflement volumique à une teneur en humidité H (%)

αV = Coefficient de gonflement volumique à 30% H (%)

ρ0 = Masse volumique anhydre (g/cm3)

H = Teneur en humidité du bois (%)

H = Teneur en humidité au point de saturation des fibres (%) βv = Coefficient de retrait volumique (Jessome 2000) (%)

La masse volumique humide de la bille a été estimée par la suite en se basant sur la masse volumique anhydre de la bille et sur une valeur moyenne de 88% pour la teneur en humidité (Gingras et Sotomayor 1992). Les coefficients de gonflement volumique utilisés proviennent de l’étude réalisée par Jessome (2000) sur les propriétés des arbres indigènes de l’Est du Canada (0,106 et 0,125 pour le pin gris et l’épinette noire respectivement).

2.2.5 Norme ASTM D-4761

Les valeurs du MOEstat (valeur apparente) et de MOR, ont été obtenues pour les

pièces sciées en appliquant un test selon la norme ASTM- D4761. Par la suite, un correctif (ajout de 3%) a été appliqué au MOEstat afin de se conformer à la norme ASTM-D198.

L’ajout de 3% a été déterminé en comparant les valeurs obtenues lorsque la flèche a été mesurée à partir du dessous de la pièce (valeur apparente) avec celles obtenues en utilisant des étriers (Yoke). L’utilisation d’étriers permet de prendre une mesure de la flèche par rapport à l’axe neutre de la pièce, donc génère une valeur plus précise du MOEstat (annexe

A).

2.3 Résultats

2.3.1 Ajustement de la vitesse acoustique mesurée dans l’arbre

En se basant sur la vitesse (VToF) mesurée sur l’arbre et la vitesse (VR) mesurée sur

la bille, les rapports moyens entre les deux vitesses (1,16 pour l’épinette noire et de 1,26 pour le pin gris) nous ont permis d’évaluer les coefficients de Poisson. Les coefficients

19 générés (0,30 pour l’épinette noire et 0,35 pour le pin gris) selon l’équation 2.1, se situent dans la plage des valeurs trouvées dans la littérature (Green et al. 1999). Le coefficient de détermination (R2) de la relation entre les deux vitesses obtenu pour le pin gris est de 0,54 tandis que celui de l’épinette noire n’est que de 0,04. L’ajustement obtenu en divisant VTOF

par ce coefficient ne permet pas d’améliorer la force de la relation, mais il permet d’éliminer le biais systématique observé entre les mesures prises sur l’arbre et celles prises sur la bille (fig. 2.1).

Figure 2.1 Relation entre la vitesse mesurée sur l’arbre (temps de propagation) et celle mesurée sur la bille (résonnance) après avoir appliqué l’ajustement (VTOF/VR)

L’analyse de la relation entre la vitesse mesurée sur l’arbre et celle mesurée sur la bille montre que les résultats peuvent être très différents selon l’espèce. Il s’avère que pour l’ensemble des analyses effectuées (tableau 2.2), c’est chez l’épinette noire que les relations sont nettement plus faibles.

2.3.2 Relation entre le MOE statique et la vitesse acoustique

Pour l’épinette noire, la relation entre le MOEstat et la vitesse mesurée sur la bille est

particulièrement faible avec un R2 de 0,07 comparativement à celui obtenu entre le MOEstat

et la vitesse mesurée sur l’arbre (R2=0,29).

Les résultats obtenus avec le pin gris montrent un meilleur ajustement des relations entre le MOEstat des pièces et les vitesses acoustiques mesurées sur l’arbre et la bille

(R2=0,47 et 0,54 respectivement - tableau 2.2). De plus, la vitesse mesurée sur les pièces sciées est reliée de manière très étroite au MOEstat, avec un coefficient de détermination de

0,86.

Tableau 2-2 Force des relations entre les vitesses acoustiques mesurées sur l’arbre, la bille et la pièce sciée (38 mm x 89 mm)

Relation (en fonction de la vitesse acoustique)

Coefficient de détermination (R2)

Pin gris Épinette noire Vitesse dans l’arbre = fct(vitesse dans la bille) 0,54 0,04 MOE statique = fct(vitesse dans l’arbre) 0,47 0,29 MOE statique = fct(vitesse dans la bille) 0,51 0,07 MOE statique = fct(vitesse dans la pièce sciée) 0,86 0,47

2.3.3 Lien avec la masse volumique

Nous avons observé que le COV de la masse volumique pour l’épinette noire est presque deux fois plus élevé que celui du pin gris. La moyenne de la masse volumique des pièces d’épinette noire est de 0,489 g/cm3 avec un écart-type de 0,048 g/cm3 (à une teneur en humidité de 12%). Nous avons obtenu pour le pin gris, un écart-type de 0,032 g/cm3 pour une moyenne de masse volumique de 0,513 g/cm3 (tableau 2.3).

21

Tableau 2-3 Variabilité de la masse volumique des pièces sciées

Espèce

Masse volumique pour les pièces à 12% de teneur en humidité (g/cm3) #

d’échantillons Moyenne Max Min COV (%)

Épinette noire 29 0,489 0,592 0,411 10

Pin gris 26 0,513 0,580 0,457 6

2.3.4 Relation entre le MOE

et le MOE

Le MOEdyn obtenu par la mesure de vitesse acoustique dans les pièces sciées a

généré des valeurs plus élevées (environ 13%) par rapport au MOEstat (fig. 2.2).

Figure 2.2 Relation entre le MOEdyn et le MOEstat obtenu pour les pièces sciées

(12±1% de teneur en humidité)

En reliant les deux types de MOE par régression, la force de la relation devient beaucoup plus grande, surtout pour l’épinette noire (tableau 2.4). Par exemple, le

coefficient de détermination de la prédiction du MOEstat est passé de 0,07 (tableau 2.2) à

0,59 (tableau 2.4) lorsque nous sommes passés de la vitesse acoustique au MOEdyn de la

bille.

Tableau 2-4 Coefficients de détermination des relations entre le MOEstat et les

MOEdyn mesurés à différents niveaux.

Niveaux

Coefficient de détermination (R2)

Pin gris Épinette noire

Arbre 0,67 0,59

Bille 0,69 0,59

Planche 0,93 0,87

2.4 Discussion

Selon Mora et al. (2009), un ajustement est nécessaire entre la vitesse acoustique mesurée sur l’arbre et celle mesurée sur la bille, puisque les modes de propagation de l’onde acoustique diffèrent selon le type de mesure. L’ajustement proposé utilise un coefficient de Poisson constant de 0,37 pour le bois. Cependant, il a été observé que ce coefficient pouvait varier aussi en fonction de certains paramètres comme l’âge, le diamètre, l’espèce (Wang et al. 2007a) ainsi que de la teneur en humidité du bois. Les résultats de la présente étude indiquent que l’ajustement devrait être différent selon l’espèce.

Le rapport VTOF/VR obtenu pour le pin gris est du même ordre de grandeur que celui

obtenu par Wang et al. (2007a) pour la même espèce. Nous avons remarqué qu’il est aussi variable d’un arbre à l’autre avec un coefficient de variation de 5% chez le pin gris et 8% chez l’épinette noire. L’épinette noire semble se comporter différemment des autres espèces analysées antérieurement avec un coefficient de Poisson inférieur à celui suggéré pour du bois séché (Mora et al. 2009). La force de la relation entre la vitesse mesurée dans l’arbre et celle mesurée dans la bille est bonne pour le pin gris (R2 =0,54), mais plus faible que celle (R2=0,71) obtenue par Wang et al. (2007a). Le petit nombre d’échantillons pourrait expliquer la différence entre les deux études. Dans le cas de l’épinette noire, il s’avère que

23 la relation entre les deux vitesses est particulièrement faible (R2=0,07). Encore une fois, la faiblesse de la relation peut s’expliquer en partie par la géométrie de l’échantillon puisque, ce serait seulement la zone près de l’écorce qui est évaluée lors de la prise de mesure dans l’arbre (Grabianowski et al. 2004), tandis que la mesure par résonnance dans la bille tient compte des propriétés de l’ensemble de l’échantillon. Une plus grande différence de masse volumique entre le bois juvénile et le bois mature pourrait contribuer à faire diminuer la force de la relation entre les deux vitesses.

Le MOEdyn est évalué selon l’équation 1.2 qui tient compte de la masse volumique

et de la vitesse du son. La prédiction du MOEstat en fonction de MOEdyn dépend donc de la

variabilité de ces deux composantes de l’équation. Si nous voulons déterminer le MOEdyn à

partir d’une valeur moyenne de la masse volumique mesurée sur les pièces sciées, il est important que le coefficient de variation (COV) pour cette variable ne soit pas trop grand afin de réduire son influence sur l’évaluation du MOEdyn. Il semble y avoir une piste à

explorer dans cette direction puisque nous avons remarqué que le coefficient de variation de la masse volumique des pièces à 12% de teneur en humidité est presque deux fois plus élevé pour l’épinette noire que pour le pin gris (tableau 2.3). Cette variabilité pourrait s’expliquer par des facteurs reliés à la génétique et à l’environnement de croissance de l’arbre.

La vitesse acoustique à elle seule a permis de faire une très bonne estimation du module d’élasticité statique des pièces de bois sciées de pin gris séchées à 12% de teneur en humidité. La force des relations était nettement plus faible pour l’épinette noire, même lorsque les mesures étaient prises dans les pièces sciées. Il semble que la variation de la masse volumique du bois pourrait avoir été un facteur déterminant puisque la relation devient beaucoup plus forte lorsque la comparaison se fait avec le MOEdyn, c’est-à-dire en

intégrant les deux variables d’intérêt (vitesse et masse volumique) afin de prédire le MOEstat. Selon Wielinga et al. (2009), la vitesse acoustique est la variable qui influencera le

plus l’évaluation du MOEdyn puisqu’elle est exprimée au carré dans l’équation 1.2. Étant

donné les résultats que nous avons obtenus avec l’épinette noire, il semblerait que la contribution des variables lors de l’évaluation du MOEdyn serait différente d’une espèce à

2.5 Conclusion

Nous avons obtenu, dans cette étude, des résultats très différents selon l’espèce étudiée. Pour le bois scié, le pin gris a présenté de fortes relations entre le MOEstat et la

vitesse acoustique ou le MOEdyn. Il serait même possible d’effectuer une très bonne

présélection des pièces sciées en fonction de la rigidité du bois seulement en connaissant la vitesse de propagation d’une onde acoustique. Quant à l’épinette noire, les résultats montrent qu’il y a un lien plus faible entre la vitesse acoustique mesurée dans l’arbre ou la bille et la rigidité du bois. Les raisons qui pourraient expliquer ce résultat méritent d’être étudiées plus en profondeur, puisqu’il s’agit de l’espèce ayant la plus grande importance commerciale dans l’Est du Canada.

Puisque les vitesses acoustiques mesurées dans l’arbre ou la bille diffèrent l’une de l’autre, un ajustement est nécessaire afin de pouvoir établir un lien entre le module d’élasticité statique et les mesures prises sur l’arbre debout. Cette étude montre que le rapport entre les deux vitesses peut différer selon les espèces analysées. De plus, ce rapport varie beaucoup entre les arbres d’une même espèce, ce qui affecte la possibilité de relier directement les deux vitesses.

Les résultats montrent aussi que les relations entre le MOEstat et les différentes

vitesses acoustiques, mesurées sur l’arbre où la bille, ne sont pas très étroites pour le pin gris et particulièrement faibles pour l’épinette noire. La force de la relation s’améliore nettement lorsque nous comparons le MOEstat au MOEdyn. Pour d’éventuelles applications

industrielles, l’usage d’outils acoustiques devrait donc être complémenté par des mesures de masse volumique.

25

Chapitre 3 Usage d’outils acoustiques afin de déterminer

les proportions de pièces répondant aux

exigences du bois classé par contrainte

mécanique

Résumé

Les proportions de pièces répondant aux exigences du bois classé par contrainte mécanique (MSR) ont été évaluées à partir de 94 billes d’épinette blanche provenant de la forêt expérimentale de Petawawa (Ontario, Canada). Cette évaluation peut être obtenue de deux façons, soit directement avec la vitesse acoustique ou avec le module d’élasticité dynamique (MOEdyn) qui tient aussi compte de la masse volumique du bois. Les résultats

montrent que la relation entre le module d’élasticité statique (MOEstat) et le MOEdyn

déterminés sur des pièces sciées est meilleure que celle obtenue avec la vitesse acoustique uniquement. Trois simulations ont été générées afin de déterminer l’influence de la masse volumique anhydre et de la teneur en humidité du bois sur les prédictions du MOEstat des

pièces sciées. La première simulation consistait à calculer un MOEdyn en utilisant une

masse volumique anhydre et une teneur en humidité constantes. Dans la deuxième simulation, nous avons fait varier la teneur en humidité en fonction des largeurs mesurées des zones d’aubier et de duramen. Enfin, la troisième simulation a aussi tenu compte des variations de la largeur de l’aubier, mais la masse volumique a été ajustée à partir des valeurs mesurées sur les pièces sciées. Les résultats montrent que près de 10% de la variabilité du MOEstat peut s’expliquer par la variation de la dimension de l’aubier (un

indice de la teneur en humidité) entre les billes. Globalement, 69% de la variabilité du MOEstat peut être expliqué par le MOEdyn lorsque la variation de la masse volumique

anhydre et celle de la teneur en humidité sont connues (3e simulation). Une analyse financière a démontré que le MOEdyn déterminé au moyen de mesures acoustiques peut

3.1 Introduction

Depuis 2005, l’industrie forestière canadienne traverse une des pires crises de son histoire. La baisse de la demande pour l’ensemble des produits liés aux activités de construction, l’appréciation du taux de change de la devise canadienne par rapport à la devise américaine, la concurrence d’autres pays pour les marchés nord-américains et la croissance des médias électroniques qui ont entraîné une diminution des besoins en papier sont parmi les principaux éléments qui ont contribué à cette crise. Le contentieux sur le bois d’œuvre avec les États-Unis a également contribué à fragiliser le secteur de l’industrie du sciage. Au Québec, en plus de subir tous ces inconvénients, plusieurs usines de sciage ont dû faire face à une baisse de leur possibilité forestière (Vaillant et Simard 2008).

Afin de pallier à ce problème, une des solutions retenues consiste à réorienter l’industrie vers des produits à plus haute valeur ajoutée. Une avenue possible pour le bois issu de la forêt boréale canadienne serait de mieux mettre en valeur les propriétés mécaniques des bois, notamment par la mise en marché de produits structuraux. Plusieurs produits d’ingénierie tels que le bois lamellé-collé, les poutres en I et le bois classé par contrainte mécanique (MSR) constituent des avenues avec potentiel de croissance. Le défi sera alors pour les producteurs de fournir à cette industrie un produit capable de répondre aux exigences des normes établies pour des applications structurales (IC 2010). La particularité de ces produits réside donc dans l’importance de bien connaitre les propriétés mécaniques de l’élément transformé afin de répondre adéquatement aux besoins des concepteurs. Parmi ces propriétés mécaniques, le module d’élasticité statique (MOEstat) et

le module de rupture (MOR) sont les plus déterminantes de la qualité du bois pour ce type de produits.

Or, une connaissance de ces propriétés au début de la chaîne de production, permettrait aux gestionnaires de mieux sélectionner la ressource qui entrera dans la fabrication d’un produit destiné à une application structurale. Les outils acoustiques permettent une telle évaluation des propriétés du bois à différentes étapes du processus de transformation. Puisque le MOE ainsi déterminé de manière dynamique est très bien corrélé avec le MOEstat (Ilic 2001, Mora et al. 2009), cette information pourrait servir d’indicateur

afin de sélectionner la matière première en fonction des besoins du processus de transformation.

27 Le classement visuel (NLGA 2008) permet de sélectionner les pièces en fonction des défauts tels que les nœuds, la flache, la carie, l’angle du fil et certains autres défauts de moindre importances. Le classement MSR, pour sa part, vient ajouter une information additionnelle, soit la connaissance du MOEstat du bois. Il permet ainsi de générer de

nouveaux éléments s’ajoutant au panier de produits d’une usine de première transformation (Galligan et McDonald 2000). Aujourd’hui, ce type de classement est reconnu en Amérique du Nord sous l’autorité de l’American Lumber Standard (ALS). Malgré le fait qu’il demeure une incertitude sur certains critères (ex : résistance à la rupture), la méthode a comme avantage de mieux répondre aux attentes des architectes et des ingénieurs du domaine de construction (Pellerin et Ross 2002).

Certaines technologies, telles que Silviscan ou celles basées sur les rayons-X, permettent de mesurer la plupart des propriétés physiques et mécaniques du bois à une échelle très fine (Briggs 2010). Cependant elles engendrent des coûts d’acquisition souvent très élevés, ce qui limite leur potentiel d’application industrielle. Les technologies utilisant la propagation d’une onde acoustique s’avèrent plus abordables à l’achat. Bien que cette technologie existe depuis quelques décennies, ce n’est que depuis récemment qu’il est possible d’avoir des appareils très performants et accessibles à tous les niveaux de la chaîne de valeur (Ridley-Ellis et al. 2008, Brashaw et al. 2009).

Certains outils ont été développés afin de mesurer la vitesse acoustique directement sur l’arbre debout afin de déterminer la rigidité du bois avant même la récolte (Lee 2005, Auty et Achim 2008, Jones et Emms 2010). D’autres outils acoustiques ont leurs applications plus en aval de la chaîne et peuvent être utilisés soit pour des mesures sur la bille ou sur la pièce sciée (Amishew et Murphy 2008, Jones et Emms 2010). Certains fournisseurs se spécialisent à un niveau plus spécifique de la chaîne de valeur tandis que d’autres offrent des produits couvrant l’ensemble des étapes reliées à la transformation du bois (Divos 2010).

Au Canada, les outils acoustiques ne sont que très rarement utilisés pour faire une sélection des billes en fonction des propriétés mécaniques du bois avant le sciage. Pourtant, dans plusieurs endroits du monde (Nouvelle-Zélande, Royaume-Uni, États-Unis, etc.) les outils acoustiques sont utilisés à différents niveaux de la chaîne logistique des produits forestiers (Auty et Achim 2008, Jones et Emms 2010). Cependant, plusieurs études

montrent que la corrélation entre le MOEstat et la vitesse acoustique s’avère très variable

selon l’espèce (Tsehaye et al. 2000, Pellerin et Ross 2002, Mora et al. 2009). De plus, la teneur en humidité du bois et la température ont une influence non négligeable sur la vitesse de propagation de l’onde acoustique (Mora et al. 2009, Kang et Booker 2002). Pour les espèces indigènes de la forêt boréale, aucune relation n’a été établie à ce jour entre la teneur en humidité, le MOEstat et la vitesse acoustique.

Cette étude fait partie d’une initiative de recherche visant à déterminer dans quelle mesure ce type d’outil peut être efficace dans le contexte de la chaîne de création de valeur en forêt boréale au Canada. Une emphase particulière a été portée ici à l’épinette blanche (Pigea glauca) qui fait partie d’une combinaison d’essences destinées à la production de bois de dimension. Cette combinaison regroupe typiquement le sapin baumier (Abies

balsamea), le pin gris (Pinus banksiana) et les épinettes blanche, rouge (Picea rubens) et

noire (Picea mariana) que nous retrouvons sous la désignation commerciale « É-P-S » pour épinette-pin-sapin (spruce-pine-fir « S-P-F » en anglais). Le bois du groupe É-P-S est destiné surtout à des applications dans le domaine de la construction (Frenette et al. 2009), soit des applications pour lesquelles les propriétés mécaniques telles que la rigidité (MOEstat) et la résistance à la rupture sont d’importants déterminants de la qualité du bois.

Au sein du groupe, l’épinette blanche (Picea glauca) présente des propriétés avantageuses (Jessome 2002) qui pourraient davantage être mises en valeur par la production accrue de bois classé par contrainte mécanique.

Considérant que la vitesse acoustique, seule ou associée à la masse volumique, permet d’évaluer le MOEstat du bois, les objectifs de l’étude étaient de : (1) déterminer la

force de la relation entre le MOEstat évalué sur des pièces sciées et la vitesse acoustique

mesurée sur une bille; (2) déterminer l’influence de la largeur de l’aubier et, par le même fait, de la teneur en humidité sur la force de la relation entre le MOEstat évalué sur des

pièces sciées et le MOEdyn mesuré sur des billes; (3) évaluer la possibilité de déterminer à

l’avance les proportions de planches répondant aux exigences du bois classé par contrainte mécanique et les revenus qu’elles génèrent à partir d’une évaluation non destructive de la ressource.

29

3.2 Matériel et méthodes

3.2.1 Provenance des tiges

Les échantillons analysés proviennent de la forêt expérimentale de Petawawa (Ontario, Canada). Des traitements d’éclaircie visant à conserver une surface terrière constante dans le temps (témoin, 18, 25 et 32 m2/ha) avaient été appliqués sur 8 placettes. Les traitements ont été appliqués aux quinze ans sur une période de 60 ans. Quatre arbres par placette ont été sélectionnés en fonction de leur statut social dans le couvert forestier, soit un dominant, deux codominants et un intermédiaire. De ces tiges, trois billes de 2,5 m ont été prélevées à partir de 1,3 m du sol. Ce décalage par rapport à la souche a été appliqué de manière à permettre le prélèvement d’échantillons nécessaires pour un autre projet de recherche. Une fois les billes tronçonnées, le diamètre des billes ainsi que la largeur de l’aubier ont été mesurés sur chacune des tiges récoltées. Elles ont ensuite été transportées au Centre de recherche sur le bois de l’Université Laval, puis sciées, à l’aide d’une scierie portative, à des dimensions permettant de générer des pièces de 38 mm par 89 mm après séchage et rabotage. En tout, 94 billes ont produit 290 pièces conformes et respectant les critères visuels (flache, roulure, touche et manque) de la classe #2 et meilleur (NLGA 2003).

3.2.2 Tests effectués sur les échantillons

Par la suite, les pièces de 38 mm x 89 mm ont été testées selon la norme ASTM-D198 avec une portée de 2,13 m. Les charges étaient appliquées au tiers de la portée, soit à une distance de 71 cm des appuis. Les tests ont été effectués sur la rive de la pièce avec une vitesse de charge de 20 secondes par millimètre. Le calcul du MOEstat a été obtenu à partir

de la flèche au centre de la pièce lors de l’application de la charge. Le taux de variation de la charge appliquée en fonction du déplacement a été déterminé entre une charge minimale de 440 N et une charge maximale de 2650 N. Les échantillons ont été conditionnés au préalable afin d’obtenir une teneur en humidité de 12% ± 1%. Une mesure de la teneur en humidité a été prise, avec un hygromètre capacitif (L612 Wagner electronic products), afin de connaître plus précisément ce paramètre au début de chacun des tests. Seul un ajustement de 3% a été appliqué au MOEstat afin de se conformer à la norme ASTM-D198

3.2.3 Mesures des vitesses acoustiques et calcul du MOE

La vitesse acoustique a été mesurée par résonnance sur les billes et les pièces de 38 mm x 89 mm au moyen de l’outil HM200 (Fibre-Gen, Nouvelle-Zélande). Immédiatement après la prise de mesure, les pièces ont été pesées et les dimensions mesurées afin d’en calculer la masse volumique. Avec ces informations, le MOEdyn a été calculé à partir de la

formule suivante :

MOE dyn = ρH x V2 (3.1) Où : ρH = Masse volumique humide (g/cm3)

V = Vitesse acoustique (m/s)

3.2.4 Influence de la teneur en humidité et de la masse volumique

anhydre sur le MOE

Afin de connaître l’influence de la teneur en humidité du bois sur la détermination du MOEdyn, trois simulations basées sur l’évaluation de la masse volumique des billes (à

l’état vert) ont été générées.

Afin de faciliter les calculs, nous avons, dans un premier temps, déterminé la masse volumique anhydre de chacune des billes en se référant aux valeurs obtenues à partir des pièces de bois sciées et de l’équation 3.2. Le coefficient de gonflement a été calculé à partir du coefficient de retrait volumique disponible dans le document servant de référence pour les espèces indigènes de l’Est du Canada (Jessome 2000).

(3.2)

Le coefficient de gonflement a été calculé en utilisant l’équation suivante:

(%) fibres des saturation de point au humidité en Teneur H (%) bois du humidité en Teneur H (g/cm anhydre volumique Masse ρ (%) volumique gonflement de t Coefficien α où H 1 30 H α 1 ρ H 1 α 1 ρ ρ H H 0 PSF 3 0 V V H VH H 0 PSF ) 01 , 0 01 , 0 01 , 0 01 , 0