THESE DE DOCTORAT
Présentée par
EL ALAMI Salah
D
iscipline :
S
ciences de l’
I
ngénieur
S
pécialité :
S
ciences du Bois
T
itre :
C
ONTRIBUTION A LA CARACTERISATION PHYSIQUE
ET MECANIQUE ET A LA VALORISATION PAR LE SECHAGE
DU BOIS DE LA FORET MAROCAINE.
CAS DES EUCALYPTUS ET DE LA LOUPE DE THUYA
Soutenue le 22 Juin 2013
Devant le jury
Président :
Abdelillah HAKAM
: Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat
Examinateurs :
Brahime AZIZE
: Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat
Mohammed Najib
BARGACH
: Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat
Hassane ERGUIG
: Professeur, ENSA, Université Ibn Tofail, Kénitra (Rapporteur)
Abderrahim FAMIRI
: Docteur d’Etat, Centre de Recherche Forestière, Rabat
Bousselham KABOUCHI
: Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat (Directeur de thèse)
Hamid NAJIB
: Professeur à la Faculté des Sciences de Kénitra
Mohamed RAHOUTI
: Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat (Rapporteur)
Faculté des Sciences, 4 Avenue Ibn Battouta B.P. 1014 RP, Rabat-Maroc Tél +212(05) 37 77 18 34/35/38, Fax : +212 (05) 37 77 42 61, http://www.fsr.ac.ma
FACULTE DES SCIENCES
Rabat
AUX MEMOIRES DE MES PARENTS,
A MA FEMME, MON FILS, MES
FRERES ET SŒURS, QUI M’ONT
TOUJOURS SOUTENU, ET A TOUS
LES MEMBRES DE NOS FAMILLES
AU MAROC ET A L’ETRANGER,
AVANT PROPOS
Le travail présenté dans cette thèse a été réalisé au sein de la Structure de Recherche Spectronomie Moléculaire, Optique et Instrumentation Laser (SMOIL) dans le cadre de l’UFR Sciences du Bois (SI 11/01). Il résulte d’une collaboration scientifique entre la Faculté des Sciences de Rabat et le Centre de Recherche Forestière concernant la caractérisation et la valorisation des bois marocains (les eucalyptus en particulier). Une partie du travail s’inscrit dans le cadre d’une convention CNRST(Maroc)/CNRS(France) STIC03/11 (N°22626) intitulée " Contrôle des paramètres de découpe de la loupe de thuya en vue d’une utilisation rationnelle en marqueterie et ébénisterie ", établie entre le Laboratoire de Spectronomie Moléculaire, Optique et Instrumentation Laser (SMOIL) et le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de l’Université Montpellier II avec la participation du Centre de Recherche Forestière (CRF) de Rabat et le Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (CIRAD) de Montpellier-France.
Je tiens tout d'abord à remercier vivement Monsieur Bousselham KABOUCHI (Directeur de Thèse), Professeur de l’Enseignement Supérieur à la Faculté des Sciences de Rabat, pour m’avoir proposé le présent sujet, pour ses qualités scientifiques, professionnelles et humaines et pour les discussions scientifiques fructueuses que nous avons eu ensemble durant les années de préparation de la thèse. Il a toujours fait preuve d’une grande disponibilité à mon égard et a su me faire profiter de ses nombreuses compétences.
Mes remerciements s’adressent également à Monsieur Abdelillah HAKAM, Professeur de l’Enseignement Supérieur à la Faculté des Sciences de Rabat, Responsable de l’UFR Sciences du Bois. II me fait l'honneur de présider le jury de ma Thèse. J’aimerais lui faire part de ma grande reconnaissance pour son soutien, aide et encouragements durant les années de DESA et de Doctorat.
Je remercie Monsieur Abderrahim FAMIRI, Docteur Es-Sciences Physiques et Chef du Service de Technologie du Bois et Valorisation des Produits Forestières au CRF de Rabat, de m’avoir accueilli au sein du Laboratoire des Essais Physiques et Mécaniques du Bois, pour
ses encouragements, sa
disponibilité et pour les discussions très fructueuses sur le sujet de recherche développé
.Qu’il me soit ici permis d’exprimer ma profonde reconnaissance à Monsieur Mohamed RAHOUTI (Rapporteur), Professeur de l’Enseignement Supérieur à la Faculté des Sciences de Rabat.
Je le remercie pour l’intérêt qu’il a donné à ce travail et pour avoir accepté d’être rapporteur et membre de Jury de ma thèse.
J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur Mohammed Najib BARGACH, Professeur de l’Enseignement Supérieur à la Faculté des Sciences de Rabat, qui me fait l'honneur de participer au Jury.
Monsieur Hassane ERGUIG (Rapporteur), Professeur de l’Enseignement Supérieur et Directeur-Adjoint de l’Ecole Nationale des Sciences Appliquées (ENSA), Université Ibn Tofaïl de Kénitra, a accepté d’être rapporteur de mon travail de thèse et membre du Jury. Je tiens à lui exprimer vivement toute ma reconnaissance.
J’adresse mes vifs remerciements à Monsieur Hamid NAJIB, Professeur de l’Enseignement Supérieur à la Faculté des Sciences de Kénitra, Université Ibn Tofaïl, pour l’honneur qu’il me fait en siégeant dans le Jury.
Je voudrais remercier Monsieur Brahim AZIZE, Professeur Habilité à la Faculté des Sciences de Rabat. Qu’il trouve ici l’expression de ma profonde considération pour son aide et pour sa participation au Jury.
Je tiens à remercier Messieurs Joseph GRIL, Thierry LAURENT, Gilles CALCHERA, Jean GERARD, et Sylvain LOTTE pour m’avoir accueilli au LMGC et au CIRAD et pour leur collaboration durant mes deux stages effectués à Montpellier.
Je suis très reconnaissant à tous les membres du Laboratoire des Essais Physiques et Mécaniques du Bois du CRF de Rabat, en particulier Messieurs Abdelhak EL ABID et Abdelaziz
EL ALAMI, pour leur aide.
Que Monsieur Lahoucine OUBOUMALK, Docteur Es-Sciences Physiques, qui m’a encouragé vivement à suivre mon doctorat et m’a aidé et soutenu à réaliser la mission travail - recherche scientifique, veuille bien trouver ici l'expression de mes sincères remerciements.
Je remercie Monsieur Mohsine ZIANI, Professeur à l’Institut National des Sciences de l’Archéologie et du Patrimoine (INSAP) de Rabat pour l’intérêt qu’il a toujours porté à ce travail.
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE --- 01
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LE MATERIAU BOIS : STRUCTURE,
PROPRIETES
PHYSICOMECANIQUES
ET
APPROCHE
EMPIRIQUE DE SECHAGE.
Introduction --- 04I.1- Structure et anisotropie du matériau bois --- 04
I.1.1- Formation du bois --- 05
I.1.2- Structure du bois --- 05
I.1.2.1- A l’échelle macroscopique --- 06
I.1.2.2- A l’échelle microscopique--- 06
I.1.2.3- Paroi cellulaire --- 07
I.1.3- Composition chimique du bois --- 09
I.2- Contraintes de croissance --- 10
I.2.1- Origine des contraintes de croissance --- 12
I.2.2- Mesure des GSI (Growth Stress Indicator) --- 13
I.2.3- Conséquences des contraintes de croissance à l’abattage et au sciage --- 14
I.3- Propriétés physiques du bois --- 15
I.3.1- Propriétés hygroscopiques --- 15
I.3.2- Phénomène de rétractibilité --- 15
I.4- Propriétés thermo-physiques du bois --- 15
I.4.1- Masse volumique --- 16
I.4.2- Diffusion massique dans le bois --- 16
I.4.3- Méthodes expérimentales pour déterminer la diffusivité massique--- 18
I.5- Propriétés mécaniques du bois --- 19
I.5.1- Propriété élastoplastique du bois --- 20
I.5.2- Influence de la densité --- 21
I.5.3- Effet de la de la température et de la teneur en eau --- 21
I.5.4- Effet de couplage des paramètres physiques --- 22
I.5.5- Résistance à la compression --- 23
I.6- Anomalies et défauts du bois --- 23
I.6.1- Défauts dus à la structure du bois et aux causes climatiques --- 24
I.6.2- Défauts naturels du bois --- 24
I.7- Approche empirique de séchage du bois --- 25
I.7.1- Difficulté de séchage du bois et son approche empirique --- 25
I.7.1.1- Eau dans le bois --- 25
I.7.1.2- Complexité du procédé de séchage --- 26
I.7.1.3- Approche empirique de séchage du bois --- 31
I.7.2- Analyse théorique de séchage du bois --- 32
Conclusion --- 33
CHAPITRE II : ETUDE DE LA FISSILITE DU BOIS ET DE LA LOUPE DE THUYA :
DETERMINATION DE L’ENERGIE A LA RUPTURE.
Introduction --- 34II.1- Généralités sur le thuya --- 35
II.1.1- Caractéristiques écologiques --- 36
II.1.2- Régénération du thuya --- 36
II.1.3- La loupe de thuya --- 37
II.1.4- Rôle socioéconomique du bois et de la loupe de thuya--- 37
II.2- Etude de la fissilité du bois et de la loupe de thuya --- 38
II.2.1- Ténacité ou fissilité : propriété intrinsèque du matériau --- 38
II.2.2- Préparation des éprouvettes --- 39
II.3- Mesure de l’énergie à la rupture --- 42
II.3.1- Déroulement de l’essai --- 43
II.4- Résultats et discussion --- 44
II.4.1- Corrélation entre densité et humidité --- 44
II.4.2- Energie à la rupture en système TL --- 46
II.4.3- Energie de rupture en système RL --- 49
II.4.4- Comparaison entre l’énergie à la rupture en TL et RL systèmes --- 51
Conclusion --- 51
CHAPITRE III : PREMIERES TRANSFORMATIONS ET CARACTERISATION
PHYSIQUE ET MÈCANIQUE DU BOIS D’EUCALYPTUS
CAMALDULENSIS ET D’EUCALYPTUS GLOBULUS.
Introduction --- 52III.1- Matériel et méthode --- 53
III.1.1- Matière végétale--- 53
III.1.2- Mesure de l’indice des contraintes de croissance à la surface des arbres sur pied --- 54
III.1.3- Observations et mesures des fentes en bouts --- 56
III.1.4- Sciage des billons --- 58
III.1.5- Rendement de sciage --- 59
III.1.6- Mesure de la courbure des planches --- 60
III.2- Caractérisation physique du bois des espèces étudiées --- 61
III.2.1- Prélèvement des éprouvettes--- 61
III.2.2- Détermination de l’humidité --- 61
III.2.3- Détermination du point de saturation des fibres --- 62
III.2.4- Détermination des densités --- 62
III.2.5- Détermination des retraits --- 63
III.2.6- Relation entre le retrait volumétrique et la teneur en eau --- 64
III.3- Caractérisation mécanique des espèces étudiées --- 64
III.3.1- Prélèvement des éprouvettes--- 65
III.3.2- Module d’élasticité longitudinale --- 65
III.3.3- Essai de compression axiale --- 66
III.3.4- Essai de la dureté --- 67
III.4- Résultats et discussion --- 67
III.4.1- Caractéristiques physiques du bois des espèces étudiées --- 67
III.4.2- Caractéristiques mécaniques du bois des espèces étudiées --- 68
Conclusion --- 70
CHAPITE IV : ETUDE DE LA CINETIQUE DE SORPTION DE L’EAU DANS LE
BOIS D’E. CAMALDULENSIS ET D’E. GLOBULUS : SUIVI DE LA
TENEUR EN EAU PAR PESEE.
Introduction --- 71IV.1- Etude de la cinétique de sorption de l’eau --- 72
IV.1.1- Protocole expérimental --- 72
IV.1.1.1- Matière première --- 72
IV.1.1.2- Préparation des échantillons --- 72
IV.1.1.3- Appareillage et méthode de mesure --- 73
IV.2- Résultats et discussion --- 78
IV.2.1- Cas de l’adsorption--- 78
IV.2.1.1- Détermination des cinétiques d’adsorption de l’eau dans les bois des espèces étudiées --- 78
IV.2.1.2- Influence de la teneur en eau initiale --- 81
IV.2.2- Cas de la désorption --- 85
IV.2.2.1- Détermination des cinétiques de désorption de l’eau dans les bois des espèces étudiées --- 85
IV.2.2.2- Influence de la température sur la cinétique de désorption --- 87
IV.3- Détermination du coefficient de diffusion en adsorption et désorption des bois des espèces
étudiées --- 89
IV.3.1- Evaluation du coefficient de diffusion --- 89
IV.4- Identification des isothermes de sorption des eucalyptus étudiés --- 90
IV.5- Détermination des courbes caractéristiques de séchage du bois d’E. globulus --- 93
IV.5.1- Détermination des vitesses de séchage du bois d’E. globulus --- 94
IV.5.2- Courbes caractéristiques de séchage --- 95
Conclusion --- 97
CHAPITE V : ETUDE EXPERIMENTALE DU SECHAGE CONVECTIF DU BOIS
D’E. GLOBULUS : ELABORATION D’UNE TABLE DE SECHAGE
Introduction --- 98V.1- Propagation des fentes sur rondelle de bois d’E. globulus --- 99
V.1.1- Suivi de la propagation des fentes à cœur sur rondelle --- 99
V.2- Etude expérimentale de séchage du bois d’E. globulus --- 102
V.2.1- Provenance de la matière première --- 102
V.2.2- Opération de séchage naturel : séchage sous abri à l’air libre --- 102
V.2.3- Procédure de séchage artificiel : séchage convectif semi-automatique --- 103
V.2.3.1- Présentation du séchoir Cathild --- 103
V.2.3.2- Fonctionnement de la cellule --- 104
V.2.3.3- Empilage des planches de bois à sécher --- 104
V.2.3.4- Contrôle de l’hygrométrie de l’air dans le séchoir --- 105
V.2.3.5- Contrôle de l’humidité du bois dans le séchoir --- 105
V.3- Séchage des piles de bois d’E. globulus à température et humidité constantes --- 106
V.4- Conduite du cycle de séchage convectif semi-automatique --- 108
V.4.1- Phase de montée de température --- 108
V.4.2- Phase de préchauffage --- 108
V.4.3- Phase de séchage --- 108
V.4.4- Phase d’équilibrage--- 109
V.4.5- Phase de refroidissement --- 109
V.5- Elaboration d’une table de séchage adaptée au bois d’E. globulus --- 109
V.5.1- Essai de séchage selon les consignes de la table n°1 --- 110
V.5.2- Essai de séchage selon les consignes de la table n°2 : améliorations des conduites existantes --- 112
V.5.3- Essai de séchage selon les consignes de la table n°3 : améliorations des consignes de température --- 114
V.5.4- Choix d’une table de séchage adaptée au bois d’E. globulus --- 115
Conclusion --- 116
CONCLUSION GENERALE --- 117
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES --- 119
Tableau I.1 : Répartition moyenne des composés chimiques dans le bois (en %). Tableau II.1 : Répartition du thuya.
Tableau II.2 : Teneur en eau et densités du bois et de la loupe de thuya (DH : densité à l’humidité H;
D0 :densité anhydre).
Tableau II.3 : Valeurs estimées et P-valeur des coefficients de régression entre la densité anhydre et la position dans le plateau.
Tableau II.4 : Valeur minimale, maximale, moyenne et intervalle de confiance à 95% de l’énergie à la rupture Gf,I (en mode d’entaille TL) du bois et de la loupe de thuya.
Tableau II.5 : Valeur minimale, maximale, moyenne et coefficient de variation de l’énergie à la rupture Gf,I
(en mode d’entaille RL) du bois de la loupe de thuya. Tableau III.1 : Caractéristiques dendrométriques des arbres sur pied.
Tableau III.2 : Mesures des GSI pour l’E. camaldulensis (10 arbres) et l’E. globulus (10 arbres). Tableau III.3 : Coefficient de choix C pour abattre des arbres d’E. camaldulensis et d’E. globulus. Tableau III.4 : Indices d’éclatements mesurés sur les billons et les plots pour le bois d’E. camaldulensis. Tableau III.5 : Indices d’éclatements mesurés sur les billons et les plots pour le bois d’E. globulus. Tableau III.6 : Rendement de sciage primaire et secondaire.
Tableau III.7 : Mesure de la flèche moyenne des planches.
Tableau III.8 : Caractéristiques physiques de référence du bois d’E. camaldulensis et d’E. globulus. Tableau III.9 : Propriétés mécaniques de référence du bois d’E. camaldulensis et d’E. globulus.
Tableau IV.1 : Coefficients de diffusion radiale et tangentielle calculés en adsorption et en désorption pour les bois d’E. camaldulensis et d’E. globulus.
Tableau IV.2 : Valeurs de la masse et de l’humidité d’équilibre du bois d’E. globulus en direction radiale selon les conditions hygrothermiques imposées.
Tableau IV.3 : Valeurs de la masse et de l’humidité d’équilibre du bois d’E. globulus en direction tangentielle selon les conditions hygrothermiques imposées.
Tableau IV.4 : Coefficients du polynôme d’ajustement des courbes caractéristique de séchage suivant la direction radiale.
Tableau IV.5 : Coefficients du polynôme d’ajustement des courbes caractéristique de séchage suivant la direction tangentielle.
Tableau V.1 : Table de séchage n°1. Tableau V.2 : Table de séchage n°2. Tableau V.3 : Table de séchage n°3.
Figure I.1 : Différentes échelles d'observation d'un bois de résineux. Figure I.2 : Coupe transversale d’un tronc d’arbre.
Figure I.3 : Structure de bois : (a) Plans de symétrie naturelle du matériau bois ; (b) Plan ligneux typique d’un feuillu ; (c) celui d’un résineux.
Figure I.4 : Différentes couches de la paroi cellulaire et angle des micro-fibrilles. Figure I.5 : Structure moléculaire du bois.
Figure I.6 : Libération des contraintes de croissance.
Figure I.7 : Principe de la mise en place des contraintes de croissance.
Figure I.8 : Schématisation des contraintes dans l'arbre sur pied : (a) Arbre équilibré droit ; (b) Arbre en flexion.
Figure I.9 : Description de la mesure des contraintes de croissance. Figure I.10 : Courbe contrainte-déformation du matériau bois.
Figure I.11 : Effet couplé de l’humidité et de la température sur le module d’élasticité. Figure I.12 : Défauts dus à la structure du bois et aux causes climatiques.
Figure I.13 : Mécanisme de développement des contraintes de séchage transversales.
Figure I.14 : Déformations dues au retrait du bois au cours du séchage selon la place de la planche dans le billon et selon la direction du fil du bois.
Figure I.15 : Ponctuation aréolée intervasculaire.
Figure I.16 : Déformation et fissuration d’une planche renfermant la moelle de l’arbre ; ΔH : variation de l’humidité, αT : coefficient de retrait tangentiel, r : rayon.
Figure I.17 : Courbe de vitesse de séchage. Figure II.1 : Arbre de thuya.
Figure II.2 : Loupe de thuya.
Figure II.3 : Débit de la loupe de thuya en plateaux et repérage des échantillons. Figure II.4 : Coupe transversale du bois et loupe de thuya.
Figure II.5 : Repérage du centre des échantillons du plateau M1 de la loupe de thuya. Figure II.6 : Collage plateau-bras.
Figure II.7 : Eprouvette destinée à l’essai de fissilité. Figure II.8 : Echantillon pré-entaillé et mode de d’entaille. Figure II.9 : Dispositif expérimental.
Figure II.10 : Système de flexion trois points. Figure II.11 : Courbe d’essai (Force - déplacement). Figure II.12 : Tracé de la densité anhydre en fonction de XL.
Figure II.13 : Tracé de la densité anhydre en fonction de XR.
Figure II.14 : Tracé de l’énergie à la rupture Gf,I en fonction de la densité anhydre D0.
Figure II.15 : Tracé de l’énergie à la rupture Gf,I en fonction de XR(mode TL).
Figure II.16 : Tracé de l’énergie à la rupture Gf,I en fonction de XL(mode TL).
Figure II.17 : Tracé de l’énergie à la rupture Gf,I en fonction de XL(mode RL).
t
Figure III.2 : Mesure des GSI : (a) Appareil de mesure ; (b) Perçage entre les deux pointes. Figure III.3 : Représentation polaire des GSI au sein des arbres d’E. camaldulensis. Figure III.4 : Représentation polaire des GSI au sein des arbres d’E. globulus. Figure III.5 : Fentes en bout des billons de bois d’eucalyptus.
Figure III.6 : Sciage en plots des billons de bois.
Figure III.7 : Dispositif de mesure de la flèche sur des planches.
Figure III.8 : Confection des éprouvettes pour la caractérisation physique. Figure III.9 : Eprouvettes destinées aux essais mécaniques.
Figure III.10 : Dispositif expérimental "BING". Figure III.11 : Dispositif d’essai de compression axiale.
Figure III.12 : Variation du retrait volumétrique en fonction de l’humidité. Figure IV.1 : Confection des éprouvettes pour l’étude de la cinétique de sorption. Figure IV.2 : Photographie des échantillons.
Figure IV.3 : Dispositif expérimental utilisé pour le suivi de la désorption. Figure IV.4 : Variation de m*(t) en fonction de d’un échantillon testé.
Figure IV.5 : Evolution de l’humidité du bois d’E. globulus. Cas de l’adsorption en directions radiale et tangentielle.
Figure IV.6 : Evolution de l’humidité du bois d’E. camaldulensis. Cas de l’adsorption en directions radiale et tangentielle.
Figure IV.7 : Evolution de l’humidité du bois d’E. camaldulansis et d’E. globulus. Cas de l’adsorption en direction radiale, pour une même humidité initiale.
Figure IV.8 : Evolution de l’humidité du bois d’E. camaldulansis et d’E. globulus. Cas de l’adsorption en direction tangentielle, pour une même humidité initiale.
Figure IV.9 : Structure du bois d’E. globulus : (a) Coupe radiale ; (b) Coupe tangentielle. Figure IV.10 : Structure du bois d’E. camaldulensis : (a) Coupe radiale ; (b) Coupe tangentielle.
Figure IV.11 : Influence de l’’humidité initiale Hi du bois d’E. globulus sur la cinétique d’adsorption en direction radiale.
Figure IV.12 : Influence de l’’humidité initiale Hi du bois d’E. globulus sur la cinétique d’adsorption en direction tangentielle.
Figure IV.13 : Influence de l’’humidité initiale Hi du bois d’E. camaldulensis sur la cinétique d’adsorption en direction radiale.
Figure IV.14 : Influence de l’’humidité initiale Hi du bois d’E. camaldulensis sur la cinétique d’adsorption en direction tangentielle.
Figure IV.15 : Evolution de l’humidité H du bois d’E. camaldulensis (EC) et d’E. globulus (EG). Cas de l’adsorption suivant la direction radiale, influence de l’humidité initiale Hi.
Figure IV.16 : Evolution de l’humidité H du bois d’E. camaldulensis (EC) et d’E. globulus (EG). Cas de l’adsorption suivant la direction tangentielle, influence de l’humidité initiale Hi.
Figure IV.17 : Evolution de l’humidité du bois d’E. camaldulensis (EC). Cas de la désorption suivant les directions radiale (DR) et tangentielle (DT).
Figure IV.18 : Evolution de l’humidité du bois d’E. globulus (EG). Cas de la désorption suivant les directions radiale (DR) et tangentielle (DT).
Figure IV.19 : Evolution de l’humidité du bois d’E. camaldulensis et d’E. globulus. Cas de la désorption suivant la direction radiale.
direction tangentielle.
Figure IV.21 : Influence de la température T sur la cinétique de désorption du bois d’E. globulus suivant la direction radiale, Hr = 60%.
Figure IV.22 : Influence de l’humidité relative Hr sur la cinétique de désorption du bois d’E. globulus en direction
radiale, T = 30 °C.
Figure IV.23 : Hystérésis d’adsorption pour le bois d’E. camaldulensis (EC) et d’E. globulus (EG) (T= 30°C). Figure IV.24 : Hystérésis de désorption pour le bois d’E. camaldulensis (EC) et d’E. globulus (EG) (T= 30°C). Figure IV.25 : Hystérésis de sorption pour le bois d’E. camaldulensis (T= 30°C).
Figure IV.26 : Hystérésis de sorption pour le bois d’E. globulus (T= 30°C).
Figure IV.27 : Courbes de la vitesse de séchage, en direction radiale, pour l’E. globulus. Figure IV.28 : Courbes de la vitesse de séchage, en direction tangentielle, pour l’E. globulus.
Figure IV.29 : Vitesse de séchage réduite et courbe caractéristique, en direction radiale, pour l’E. globulus. Figure IV.30 : Vitesse de séchage réduite et courbe caractéristique, en direction tangentielle, pour l’E. globulus. Figure V.1 : Découpe et plastification des rondelles de bois.
Figure V.2 : Propagation des fentes sur rondelle de bois (une heure après l’abattage).
Figure V.3 : Evolution moyenne des fentes sur des rondelles prélevées des fins bouts de billons.
Figure V.4 : Evolution moyenne de la longueur des fentes sur des rondelles prélevées des grands bouts de billons. Figure V.5 : Matière première. (a) Abattage d’arbre ; (b) Tronçonnage de grume ; (c) Transport de billons. Figure V.6 : Evolution de l'humidité moyenne du bois d'E. globulus. Cas du séchage naturel à l’air libre sous abri. Figure V.7 : Vue latérale de la cellule de séchage : séchoir Cathild.
Figure V.8 : Implantation des électrodes sur des planches témoins de séchage.
Figure V.9 : Séchage à conditions de température et d’humidité constantes (T=20 °C ; Hr=18%). Figure V.10 : Séchage à conditions de température et d’humidité constantes (T=30 °C ; Hr=17%). Figure V.11 : Séchage à conditions de température et d’humidité constantes (T=30 °C ; Hr=12%).
Figure V.12 : Distribution des flèches avant et après séchage du bois d’E. globulus selon la table de séchage n°1. Figure V.13 : Distribution des fentes avant et après séchage du bois d’E. globulus selon la table de séchage n°1. Figure V.14 : Distribution des flèches avant et après séchage du bois d’E. globulus selon la table de séchage n°2. Figure V.15 : Distribution des fentes avant et après séchage du bois d’E. globulus selon la table de séchage n°2. Figure V.16 : Distribution des flèches avant et après séchage du bois d’E. globulus selon la table de séchage n°3. Figure V.17 : Distribution des fentes avant et après séchage du bois d’E. globulus selon la table de séchage n°3. Figure V.18 : Cinétique de séchage selon les différentes tables de séchage du bois d’E. globulus.
a : Largeur de l’échantillon. A : Anisotropie.
b : Hauteur de l’échantillon.
C : Coefficient de choix d’abattage des arbres. Ca : Contrainte de rupture en compression.
D : Densité. D0 : Densité anhydre. Db : Densité basale. De : Coefficient de diffusion. DH : Densité à l’humidité H. DR : Direction radiale. DT : Direction tangentielle. ar e
D : Coefficient de l’adsorption de l’eau en direction radiale. at
e
D : Coefficient de l’adsorption de l’eau en direction tangentielle. dr
e
D : Coefficient de la désorption de l’eau en direction radiale. dt
e
D : Coefficient de la désorption de l’eau en direction tangentielle.
E : Module d’élasticité. e : Epaisseur de l’échantillon es : Epaisseur du trait de scie.
F : Force appliquée. Gf,I : Energie à la rupture.
GSI : Indice des contraintes de croissance (Growth Stresses Indicator). H : Humidité ou teneur en eau du bois.
H+ : Humidité adimensionnée. he : Hauteur de l’entaille.
He : Humidité du bois à l’équilibre.
Hi : Humidité initiale du bois.
HPSF : Humidité au point de saturation des fibres.
HR : Humidité ou teneur en eau réduite. Hr : Humidité relative.
Ie : Indice d’éclatement.
L : Longueur du billon ou de planche. lf : Longueur de la fente.
M0 : Masse de l’échantillon à l’état anhydre.
Mf : Masse finale de l’échantillon.
mg : Poids de l’éprouvette.
MH : Masse de l’échantillon à l’humidité H.
Mi : Masse initiale de l’échantillon. : Déformations angulaires N : Valeur de la dureté.
PSF : Point de Saturation des Fibres. R : Courbure de la planche.
RLi : Retrait linéaire suivant la direction i.
Rp : Rendement primaire.
Rs : Rendement secondaire.
RV : Retrait volumique.
: Contrainte normale de croissance. S : Surface rompue.
T : Température.
t0,5 : Temps de demi-montée.
V0 : Volume de l’échantillon à l’état anhydre.
VH : Volume de l’échantillon à l’humidité H.
Vpri : Volume planche i rabotée.
Vpsi : Volume planche i sciée.
Vs : Volume de l’échantillon à l’état saturé.
XL : Abscisse du centre de l’échantillon suivant la longitudinale.
XR : Abscisse du centre de l’échantillon suivant la radiale.
αV : Coefficient de rétractibilité.
ε : Déformation.
τ : Contraintes de cisaillement H
: Masse volumique à l’humidité H.bas
: Masse volumique basale0
Page 1
I
NTRODUCTION
G
ENERALE
Un des rôles de la recherche actuelle sur le bois est d’en produire un matériau en
harmonie avec son utilisation finale, par une meilleure connaissance de ses propriétés et par
l’élaboration de nouveaux procédés qui améliorent sa qualité et facilitent sa mise en œuvre.
L’exploitation forestière alimente en bois d’œuvre les industries de première et seconde
transformation, et en bois de trituration les industries papetières et du panneau. Une partie
importante des bois marocains, tels que les bois des eucalyptus et la loupe de thuya, n’est pas
valorisée. La première espèce feuillue est caractérisée par sa croissance rapide, tandis que la
loupe de thuya issue d’une espèce résineuse correspond à un bois particulier se développant
dans des conditions mal connues, est en déclin important en raison d’une surexploitation.
Originaires d’Australie, les eucalyptus ont été introduits et plantés, avec un très grand
succès au Maroc. En particulier, les espèces d’Eucalyptus camaldulensis et d’E. globulus ont
connu une extension relativement importante. Ces espèces figurent parmi les principales
essences utilisées pour les boisements et les reboisements en raison de leur importante
production annuelle en bois rond.
Les eucalyptus et la loupe de thuya jouent un rôle socioéconomique important. Les
premiers sont connus par leur résistance à la sécheresse et à l’humidité. Ils fournissent du bois
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rond, du bois de feu et sont souvent utilisés dans la production de la pâte à papier. Cependant,
ils sont nerveux et présentent des fissurations et des distorsions suite à l’abattage, au sciage et
pendant le séchage. Ceci réduit leur qualité et limite leur exploitation comme bois d’œuvre.
Quand à la loupe de thuya, elle offre un bois dur, et à grain fin, mais c’est surtout pour son
aspect esthétique (présence des excroissances foncées noyées dans la matière ligneuse plus
claire) qu’elle est demandée. Néanmoins, cette loupe est généralement travaillée par les
artisans d’une manière traditionnelle et empirique, par manque de connaissances, conduisant à
d’importants rejets et de perte de matière première.
Notre contribution scientifique consiste d’une part à étudier la fissilité de la loupe de
thuya. Cette étude pourra aider au choix du mode de découpe et à l’utilisation plus rationnelle
de cette loupe qui devient de plus en plus rare, et d’autre part, mener des expérimentations
concernant les propriétés physiques et mécaniques et de transfert de masse au sein du bois des
eucalyptus étudiés pour réduire l’ampleur des déformations et fissurations en vue d’une
valorisation par un séchage convectif contrôlé.
Ce mémoire de thèse se compose de cinq chapitres :
Le premier chapitre est consacré à des généralités sur le matériau bois à travers la
description de sa structure anatomique, sa composition chimique, ses propriétés physiques et
mécaniques, et l’approche empirique du séchage convectif.
Dans le deuxième chapitre, nous exposons les résultats relatifs à l’étude de la fissilité du
bois et de la loupe de Thuya par la détermination de l’énergie à la rupture en adoptant le
modèle proposé par Gustafsson et Larsen (1990).
Nous déterminons dans le troisième chapitre les contraintes de croissance au sein des
arbres d’E. camaldulensis et d’E. globulus, le rendement de sciage, ainsi que des
caractéristiques physiques et mécaniques des bois correspondants.
Dans le quatrième chapitre, nous étudions l’adsorption et la désorption de l’eau,
phénomène qui entre en jeu dans les opérations de séchage, dans le bois d’E. camaldulensis et
d’E. globulus et nous déterminons le coefficient de diffusion dans différentes directions
transverses, et les courbes caractéristique de séchage.
Page 3
Nous présentons dans le cinquième chapitre les observations sur la propagation des
fentes (sur rondelles du bois des eucalyptus considérés) et les résultats relatifs à l’analyse
expérimentale de séchage. Nous exposons aussi les résultats d’une opération de séchage
réalisée d’une manière semi-automatique, en utilisant le séchoir semi-industriel Cathild.
Page 4
I
ntroduction
Le bois, d’origine végétale, a fait l’objet de nombreuses études et continue encore à attirer l’attention des chercheurs vu sa complexité et les nombreuses applications technologiques qu’il offre. Il serait nécessaire avant toute investigation, de faire une description générale de ce matériau.
Dans ce chapitre, nous présentons l’essentiel sur le matériau bois; distribution du champ de contraintes dans l’arbre sur pied, sa structure anatomique, sa composition chimique, ses propriétés physiques et mécaniques de base, ses défauts et anomalies suite à l’abattage et au sciage et durant le séchage.
G
ENERALITES SUR LE MATERIAUX BOIS : STRUCTURE,
PROPRIETES PHYSICOMECANIQUES ET APPROCHE
EMPIRIQUE DE SECHAGE.
Page 5
I.1 Structure et anisotropie du matériau bois
I.1.1 Formation du bois
Le bois est produit par le tissu vivant nommé "cambium" situé sous l’écorce. Dans les zones tempérées, ce tissu ne fonctionne qu’en printemps et en été (saison de végétation), et toute l’année pour les zones tropicales. Chaque année, il y a production d’une couche de bois appelée "cerne annuel de croissance". Cette dernière se compose de deux zones, l’une est claire (bois initial ou de printemps) et l’autre de couleur plus foncé (bois final ou d’été).
I.1.2 Structure du bois
Le bois est un matériau bio-polymérique et composite. Sa structure est cellulaire, hiérarchique et structurée par niveau, chacune bien agencée. Ce matériau remplit ainsi plusieurs fonctions :
- Conduction de la sève brute ascendante allant des racines jusqu’à la cime. - Soutien et de résistance mécanique.
- Stockage, restitution, élaboration et transformation chimique de substances.
De nature, le bois est hétérogène, hygroscopique, poreux, et fortement anisotrope. Ses propriétés physiques et mécaniques dépendent de la direction de sollicitation, ce qui lui confère le caractère d’anisotropie. Le bois conserve son anisotropie à toutes les échelles de sa structure : macroscopique, microscopique et nanoscopique. Les différentes échelles de la structure du matériau bois sont illustrées par la figure I.1 (cas d’un résineux) (Harrington et al, 1998).
Page 6 Afin de bien comprendre l’origine du comportement anisotrope du matériau bois, nous présentons dans les paragraphes suivants une description plus détaillée de sa structure à l’échelle macroscopique puis microscopique. Le passage entre ces échelles nous amène à mettre en relation l’anatomie du bois et ses propriétés physiques et mécaniques.
I.1.2.1 A l’échelle macroscopique
La structure du matériau bois est étudiée à travers l’examen de ses trois sections orthogonales constituant les plans ligneux. Ces plans sont le plan transversal (RT) formé par la combinaison des deux directions radiale et tangentielle, le plan radial (RL) parallèlement à la direction de la tige en le traversant au centre et le plan tangentiel (TL) caractérisé par sa tangente aux cernes de croissance et parallèle à l’axe de la tige. Ainsi, le matériau bois peut être décrit semblablement à un matériau orthotrope. Il est structuré par des couches concentriques, chacune se compose de deux sous couches : une claire et l’autre foncée. L’aubier (partie sous l’écorce) a pour rôle la circulation de la sève brute. Le duramen dit aussi bois parfait ou adulte est constituée de cellules mortes, ayant pour fonction essentiellement le soutien mécanique. Généralement, le duramen se distingue de l’aubier par sa couleur plus foncée suite à la sécrétion des extractibles favorisant la durabilité du bois (figure I.2).
Figure I.2 : Coupe transversale d’un tronc d’arbre.
I.1.2.2 A l’échelle microscopique
Pour les feuillus, chaque type de cellule assure une fonction particulière : les cellules, à paroi mince et au lumen pouvant atteindre jusqu'à plusieurs centaines de microns, constituant les éléments de vaisseaux assurent essentiellement la conduction. Tandis que les fibres formées de cellule à paroi épaisse et au lumen étroit assurent la fonction de soutien mécanique.
Dans le cas des résineux, un seul type de cellules dans la direction axiale, les trachéides, assure à la fois les rôles de conduction et de soutien. Seules la forme et l'épaisseur des parois vont évoluer pour favoriser plus de conduction (paroi fine et large lumen) ou plus de soutien (paroi épaisse et petit lumen). Le stockage et la restitution des réserves sont assurés par des cellules de parenchyme orientées suivant les directions radiale et axiale. La figure I.3 ci-dessous illustre les plans ligneux et la structure anatomique aussi bien des feuillus que des résineux.
Ecorce Liber Cambium Aubier Moelle Duramen T L R
Page 7 La structure cellulaire du bois à cette échelle est de type « nid d’abeilles » avec des cellules longitudinales qui sont principalement des trachéides (cas des résineux). Un cerne de croissance annuel est composé de deux types de bois différents : le bois initial et le bois final. Le bois initial, ou de printemps, est composé des cellules ayant un lumen de grand diamètre et une épaisseur de paroi cellulaire relativement réduite, ce qui explique son principal rôle de conduction. En revanche, le bois final, ou bois d’été, est composé de cellules ayant un lumen de plus faible dimension et une épaisseur de paroi cellulaire plus importante, ce qui explique son principal rôle de soutien mécanique (Placet, 2006).
Figure 1.3 Structure de bois : (a) Plans de symétrie naturelle du matériau bois ; (b) Plan ligneux typique d’un feuillu ; (c) Celui d’un résineux (Placet, 2006).
Le bois initial apparait à l’échelle macroscopique plus claire que le bois final car sa densité est plus faible. L’existence des plans caractéristiques : transverse, radial et tangentiel confère au bois, à cette échelle, un comportement quasi-orthotrope en coordonnées cylindriques aussi bien pour ses propriétés physiques que mécaniques.
I.1.2.3 Paroi cellulaire
La cellule ligneuse est une multicouche construite depuis l'extérieur vers l'intérieur. L’hétérogénéité est présente aussi à l’échelle de la paroi cellulaire. En effet, celle-ci est formée par un empilement de couches de composition comme illustré par la figure I.4. En allant de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule, nous trouvons en premier la lamelle mitoyenne (ML) qui assure le lien entre
(b)
Bois final Bois initial Vaisseau Rayon ligneux Limite de cerne Fibre(c)
Bois initial Bois final Canal résinifère Trachéide Rayon ligneux(a)
L R TFeuillus
Résineux
Page 8 les cellules voisines, puis la paroi primaire (P1) et finalement la paroi secondaire qui est généralement composée de trois sous couches appelées S1, S2 et S3. La paroi primaire est la paroi initiale de la
cellule vivante. La paroi secondaire est déposée au cours du développement de la cellule.
Figure I.4 : Différentes couches de la paroi cellulaire et angle des micro-fibrilles (Chanrion, 2002). ( AMF : angle des micro-fibrilles)
L’épaisseur de la lamelle mitoyenne est de l’ordre du micromètre, celle de la paroi primaire est encore plus faible, elle est de l’ordre d’un dixième de micromètre. La lamelle mitoyenne est principalement composée de pectines et de lignines qui sont des polymères amorphes. La paroi primaire est principalement structurée de lignine, d’hémicellulose et d’un réseau de micro-fibrilles de cellulose para-cristalline sans orientation particulière. La paroi secondaire représente la couche la plus épaisse et elle est composée de trois sous-couches de lignine, d’hémicellulose et de micro-fibrilles de cellulose cristalline disposées en hélice autour du lumen.
La première sous-couche S1 a une épaisseur faible (1μm) et des micro-fibrilles qui font un angle
variant de 60° à 80° avec l’axe longitudinal de la cellule. La deuxième sous-couche S2 est la couche la
plus épaisse, son épaisseur pouvant varier de 1 à 10 μm. Elle constitue la majeure partie de la paroi cellulaire (jusqu’à 85% de l’épaisseur). Elle est composée d’environ (1/4) de lignine, (1/4) d’hémicelluloses et (1/2) de cellulose paracristalline. L’angle des micro-fibrilles dans celle-ci varie de 0° à 30°. Cette couche étant la plus épaisse avec la plus grande quantité de cellulose et des
micro-Par oi se conda ir e S3 (1m) S2 (1 à 10m) S1 (1m) Paroi primaire (P1) (0,1m) Lamelle moyenne (1m) Paroi primaire Lumière de la cellule
Subdivision et épaisseur Composition et orientation des micro-fibrilles
S3 S2 S1 P1 LM 90% cellulose 10% lignine AMF : 60° à 90° 50% cellulose AMF : 0 à 30° AMF : 60° à 80° 10% cellulose AMF : aléatoire 10% cellulose 90% lignine
Page 9 fibrilles quasi-alignées avec la direction longitudinale, elle est le déterminant principal des propriétés élastiques à l’échelle macroscopique. C’est pourquoi on relève usuellement son angle de micro-fibrilles. La troisième sous-couche S3 est une couche fine (1μm) où les micro-fibrilles sont arrangées
de façon presque similaire à la couche S1 avec un angle allant de 60° à 90°.
Le comportement global de la paroi cellulaire est de type orthotrope cylindrique suivant l’axe de la cellule. Chacune des couches de la paroi secondaire a un comportement quasi-isotrope transverse avec comme première direction principale celle des micro-fibrilles de cellulose. Quelque soit l’essence, la matière ligneuse constituant la paroi cellulaire est, en première approximation, identique. C’est pourquoi il est possible de prédire le comportement élastique macroscopique orthotrope du bois à l’aide de relations empiriques dites de Guitard basées sur la densité du bois (quantité de matière ligneuse), le type de bois (feuillus ou résineux) et la teneur en eau (effet plastifiant de l’eau sur les polymères amorphes comme les hémicelluloses principalement) (Guitard, 1987).
I.1.3 Composition chimique du bois
Trois constituants majeurs sont distingués dans la composition chimique du bois : la cellulose, les hémicelluloses et la lignine (Tableau I.1). La cellulose demeure le constituant le plus abondant du bois, c’est un polymère de configuration structurée de façon linéaire et rigide. La présence de nombreux groupements OH en périphérie facilite l'organisation de ces chaînes qui se regroupent en amas pour former des bâtonnets de cellulose. Dans ces bâtonnets, la cellulose est sous forme cristalline avec localement des zones amorphes.
Le degré de cristallinité de la cellulose dans le bois est de l'ordre de 60 à 70 %. La forte rigidité des chaînes de cellulose est en grande partie responsable de la forte rigidité en traction du matériau bois. Dans les zones amorphes et sur les faces externes des bâtonnets, la cellulose est hydrophile et contribue aux phénomènes de retrait-gonflement (Clair, 2001).
Les hémicelluloses sont des polymères amorphes ramifiés, notamment la chaîne principale possède des chaînes latérales. Les principaux types sont les mannanes, les xylanes et les galactanes. Les feuillus sont pauvres en mannanes et galactanes et très riches en xylanes. Inversement, les résineux sont riches en mannanes et pauvres en xylanes. Les hémicelluloses ont une structure de base proche de la cellulose, mais les chaînes principales sont plus courtes. Les fibrilles y sont flexibles et peuvent se déposer autour des bâtonnets de cellulose. Les hémicelluloses sont très hydrophiles, ont tendance à avoir une bonne absorption de l’eau et un fort gonflement, ils jouent un rôle important dans le retrait au séchage (Passas, 2008).
Par ailleurs, la lignine se compose des polymères dont le rôle est de confier des propriétés mécaniques au bois. Il s’agit d’un polymère hétérogène complexe, amorphe et réticulé. Ce polymère est ramifié et ses chaînes latérales se joignent pour former un réseau tridimensionnel. Les lignines
Page 10
Lignine
Glucomanane
Xylane
Cellulose
possèdent un ensemble de groupements (fonctions alcool, phénols, esters) libres qui peuvent former des ponts hydrogène, ce qui leur confère une certaine hygroscopicité (Pluvinage, 1992).
La cellulose semi-cristalline s’arrange sous forme d’agrégats, appelés micro-fibrilles, qui baignent dans une matrice constituée de lignine et d’hémicellulose. À ce niveau, le bois est comparable à un matériau composite à multicouches car chacune d’elles est constituée de fibres à orientation variable et de matrice (figure I.5). Dans cette dernière, les hémicelluloses servent d’intermédiaire entre les agrégats de cellulose et la lignine qui joue le rôle de ciment entre les agrégats. Les éléments, qui différencient les couches S1, S2 et S3 entre elles, sont l’angle des micro-fibrilles,
l’épaisseur de couche et leur composition chimique. Toutes ces variations ont des conséquences sur les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire, et constituent un paramètre décisif dans son comportement physicomécanique (Pluvinage, 1992).
Tableau I.1 : Répartition moyenne des composés chimiques dans le bois (en %) (Sjostrom, 1993).
Composante Feuillus Résineux
Cellulose 42 ± 2 45 ± 2
Hémicellulose 27 ± 2 30 ± 5
Lignine 28 ± 3 20 ± 4
Extractibles 03 ± 2 05 ± 4
Figure I.5 : Structure moléculaire du bois (Gril, 2003)
I.2 Contraintes de croissance
Il existe des facteurs principaux limitant l’utilisation des bois nerveux tels que les eucalyptus, notamment les déformations qui se manifestent lors des transformations successives du bois, depuis sa forme initiale dans l’arbre sur pied, jusqu’aux produits usinés (Famiri et al., 2001b). Les arbres produisent un matériau non équivalent en compression et en traction, et développent parallèlement des méthodes de croissance adaptatives pour assurer leur résistance aux chargements récurrents, la sollicitation dominante pour les arbres étant la flexion (qui produit simultanément de la compression et de la traction) : flexion du tronc sous l’effet du vent ou flexion des branches sous le poids des feuilles.
Page 11 L’arbre trouve des solutions multiples (excentrement des cernes de croissance, création de tissus spécifiques appelés bois de réaction) aux différentes sollicitations extérieures (la gravité en premier lieu, mais aussi le vent ou l’inclinaison du terrain). A ces contraintes de chargement viennent s’ajouter des contraintes de maturation : après que les cellules périphériques de l’arbre se sont divisées pour assurer la croissance de ce dernier, elles subissent une étape de maturation (lignification) au cours de laquelle se mettront en place des contraintes associées dites aussi « de maturation ». Ces différents phénomènes additionnés, contraintes de chargement et contraintes de maturation, constituent les contraintes de croissance qui contribuent peu à peu à l’état de contrainte auto-équilibré qui existera dans l’arbre (et dans l’arbre entier seulement) jusqu’à son abattage et le débit du bois.
L’intégrité de l’arbre est rompue à l’abattage, et il n’est pas garanti que le nouvel état d’équilibre trouvé par la matière en préserve la continuité originelle : le chemin vers l’équilibre statique engendre des contraintes parfois si élevées (au regard de la ténacité du matériau) que le bois se fend ; la grume « éclate » pour restituer l’énergie de déformation qu’elle ne peut absorber. Les fentes en bout sont particulièrement visibles sur certaines espèces comme l’eucalyptus (Laghdir, 2000).
Après l’abattage et le tronçonnage des arbres, des fentes apparaissent en bouts des grumes : les bois fendent suite à un séchage rapide. Les fentes s’ouvrent en croix ou en étoile à partir de la moelle (fentes principales), débouchant parfois sur l’écorce et se propagent sur plusieurs mètres (Figure I.6). Ces fentes seront plus fréquentes sur certains arbres, particulièrement les individus inclinés ou au houppier déséquilibré et ceux produisant des bois nerveux.
L’existence des contraintes de croissance, auxquelles viendront s’ajouter des contraintes de séchage (dont l’amplitude dépend des conditions aux limites imposées), ainsi que leur éventuelle maîtrise représentent des enjeux économiques certains, principalement liés à la perte de matière et la qualité du produit dans la valorisation du bois d’œuvre. Les fentes proviennent de la libération, par le tronçonnage, de forces mécaniques (les contraintes de croissance) accumulées dans le bois des arbres sur pied (Daya et al., 2006). Plusieurs travaux antérieurs se sont intéressés à la réduction de l’ampleur des fissurations et déformations qui accompagnent la libération des contraintes de croissance chez les eucalyptus par application de différents traitements comme l’annelage, le perçage, l’étuvage et le traitement à l’eau chaude ou avec une solution acide (Famiri et al., 2000-2002, 2011)
Page 12
I.2.1 Origine des contraintes de croissance
Tout au long de sa croissance, la structure du bois subit des transformations et des efforts. Il existe deux catégories de contraintes: les contraintes liées au poids propre de l’arbre et les contraintes internes de croissance (contraintes de maturation) qui résultent de la transformation physico-chimique des parois cellulaires (Fournier et al., 1991). En effet, les contraintes de maturation apparaissent durant la formation de la paroi secondaire des cellules. Au cours de la maturation, la cellule nouvellement formée a tendance à se rétrécir longitudinalement et à s’épaissir diamétralement. Ces déformations sont bloquées par l’adhérence de la jeune cellule aux cellules anciennes déjà rigidifiées. La nouvelle cellule se retrouve donc en précontrainte de tension suivant la direction longitudinale et de compression suivant la direction tangentielle (figure I.7). Au cours de cette différentiation, la fine membrane de la cellule nouvellement formée va s'épaissir et se renforcer par des dépôts de couches cellulosiques lignifiées pour constituer la cellule adulte. Ce processus de maturation a des répercussions importantes non seulement sur la cellule mais aussi sur le comportement mécanique global de la tige (Maziri, 2010).
Par réaction, les cellules plus anciennes initialement en tension se trouvent moins tendues et ainsi de proche en proche jusqu'au centre de l'arbre où le bois peut être en précontrainte de compression. Dans un arbre sur pied, le profil des contraintes peut être schématisé comme illustré sur la figure I.8.a.
Figure I.7 : Principe de la mise en place des contraintes de croissance (Clair, 2001).
Cette distribution des contraintes dans l'arbre est très favorable à son maintien face aux sollicitations. En effet, le bois est très résistant en traction, sa structure cellulaire lui confère une résistance en compression plus faible (flambement des parois). Ainsi, lors d'une flexion de la tige (liée au vent ou à un chargement du houppier), la face supérieure résiste sans difficulté à l'augmentation de
Vision d’une cellule isolée La même cellule adhérente aux cellules ainées Profils de contraintes Compression Tension
Maturation MaturationPage 13 tension et la face inférieure au lieu de se trouver comprimée se retrouve en moindre tension (figure 8.b). L'arbre utilise ainsi son matériau constitutif dans sa meilleure plage de sollicitation.
Contraintes de maturation + Contraintes de support = Contraintes de croissance
Figure I.8 : Schématisation des contraintes dans l'arbre sur pied : (a) Arbre équilibré droit ; (b) Arbre en flexion (Fournier et al. 1991).
I.2.2 Mesure des GSI (Growth Stress Indicator)
La technique de mesure des indicateurs des contraintes de croissance utilisée est celle du "trou unique" (figure I.9). Il s’agit de mesurer le déplacement instantané entrainé par l’annulation des contraintes en périphérie de l’arbre (Sassus, 1998). Cette méthode consiste à mesurer la variation de la distance entre deux pointes suite au perçage d’un trou central d’environ 20 mm après l’écorçage de l’arbre à une hauteur de 1,30 m du sol.
Après avoir planté les deux pointes de référence distantes de 45 mm sur une profondeur de 10 mm (figure I.9), on installe un bâti qui repose à l’aide de trois appuis sur l’arbre écorcé. Ce bâti se compose d’un châssis muni d’un comparateur type Mitutoyo d’une précision du micron. Le palpeur du comparateur appuie sur l’une des deux pointes tandis que le châssis repose sur l’autre pointe. Deux fils élastiques permettent de plaquer le bâti sur l’arbre. On perce par la suite un trou de 20 mm de diamètre entre les deux pointes et l’on observe un déplacement positif ou négatif selon qu’il s’agit d’un bois comprimé ou tendu. Zone de coupe
LL
LL (a) (b) Ecorce Zone de coupe Tension TensionPage 14 Figure I.9 : Description de la mesure des contraintes de croissance (Sassus, 1998).
Il existe d’autres méthodes pour mesurer les contraintes de croissance en surface des arbres sur pied, on note principalement :
- Une première méthode (Maziri, 2010) consiste à extraire un prisme à la surface de la tige écorcée. Ayant pris soin de choisir auparavant deux points de référence suivant une génératrice parallèle au fil de bois et séparée d’une distance connue, la mesure de la nouvelle distance entre ces deux points, suite au prélèvement de l’échantillon, nous permet d’atteindre la déformation de maturation longitudinale. Un troisième point de référence, situé au milieu des deux autres, permet de prendre en compte la courbure du prisme et d’atteindre le gradient radial de déformation de maturation ;
- La méthode des deux rainures (Maziri, 2010) est une autre technique basée sur la mesure de la déformation longitudinale résultant du sciage manuel (après écorçage) de deux rainures de part et d’autre des pointes d’un capteur extenso-métrique. Ce capteur est muni de deux pointes, l’une fixe et l’autre mobile, disposées perpendiculairement aux deux rainures. La déformation longitudinale est donnée par la variation de la distance entre les deux pointes. Cette méthode d’estimation de l’état de contraintes de l’arbre permet de prévoir partiellement les utilisations ultérieures de la grume. Mais, il semble que cette technique sous-estime d’environ 15% les déformations réelles.
I.2.3 Conséquences des contraintes de croissance à l’abattage et au sciage
Les contraintes de croissance ont été l’objet, durant plusieurs années, de certaines recherches (Gérard, 1994). Ces forces qui entrent en jeu peuvent être plus importantes que le poids propre de l’arbre. Les conséquences premières de ces contraintes sont l’éclatement des grumes, les fentes dans le
Page 15 bois de cœur et les différentes déformations manifestées lors des sciages. Plusieurs études ont été faites sur les arbres à fortes contraintes de croissance et sur les méthodes à employer à l’abattage pour éviter leurs inconvénients. En effet, certaines essences nécessitent la mise en place d’un dispositif anti-éclatement sur l’arbre avant abattage pour éviter tout accident. D’autres études ont essayé de faire le parallèle entre une modélisation des contraintes en périphérie de l’arbre et les déformations dues à la libération de ces contraintes. L’étude avait été faite sur des eucalyptus; le mode de sciage restait simple puisqu’il consistait à découper partiellement une grume en quatre quartiers et à mesurer l’écartement entre eux (Daya, 2006).
I.3 Propriétés physiques du bois I.3.1 Propriété hygroscopique
Cette propriété traduit l’affinité entre les constituants du bois et l’eau. D’une manière générale, l’eau peut exister dans le bois sous forme liquide ou vapeur.
La teneur en eau pour laquelle les parois cellulaires sont saturées sans présence d'eau liquide dans les lumières des cellules est appelée point de saturation des fibres (PSF). Il est habituellement atteint à une teneur en humidité au voisinage de 30% quoique variant avec les espèces et la température (Siau, 1965).
I.3.2 Phénomène de rétractabilité
La rétractabilité est la variation des dimensions du bois, notamment désigne le retrait ou le gonflement. Ces variations sont les réponses à celles de l’humidité.
Au cours du séchage, on assiste plus au phénomène de retrait que du gonflement et ce retrait est à la base de beaucoup de problèmes rencontrés lors de la pratique du séchage et aussi de l’utilisation du matériau bois. En deçà du point de saturation des fibres, le décrochement de l’eau des parois cellulaires est à l’origine des variations dimensionnelles du bois (diminution). Ces changements de dimensions varient selon les trois directions usuelles d’orientation du bois. On distinguera donc le retrait tangentiel, le retrait radial, le retrait axial ou longitudinal et le retrait volumique global. Le retrait tangentiel est plus important que le retrait radial, alors que le retrait axial est le moins ressenti. Cette anisotropie a pour conséquence la déformation du bois et est relative au mode de débitage de la pièce (Perry et al., 1998).
I.4 Propriétés thermo-physiques du bois
La faculté qu’a la chaleur de se propager ou d’être stockée au sein d’un matériau est mesurée par les propriétés thermo-physiques. Pour un solide opaque tel que le bois, on distingue les propriétés thermo-physiques caractéristiques de la surface (émissivité, réflectivité) et celles caractéristiques de l’intérieur du matériau (conductivité, chaleur spécifique, diffusivité) et également la masse volumique.
Page 16 Les propriétés de surfaces dépendent du rayonnement incident, de l’état de la surface (forme, rugosité, …) et de la nature physico-chimique du matériau au voisinage de cette surface. Quand il y a en plus circulation d’un fluide en contact avec le matériau, le phénomène de convection s’y ajoute au rayonnement et l’on devrait en tenir compte en introduisant le coefficient de convection qui dépend de la nature de l’écoulement du fluide et de l’état de l’interface fluide solide.
I.4.1 Masse volumique
La masse volumique d’un bois est une propriété très variable selon la localisation de l’échantillon dans le fût de l’arbre (cœur ou aubier). C’est, en effet, le rapport de la masse d’un échantillon à son volume à une humidité quelconque. Dans la pratique, on utilise la notion de masse volumique basale qui est le rapport de la masse anhydre d’un échantillon de bois à son volume à l’état saturé.
La connaissance de la masse volumique basale
bas permet d’obtenir la masse volumique à une humidité H donnée rien que par la mesure de celle-ci. Les applications sont les suivantes :Si H < HPSF alors : H bas H 100 (I 1) H Si H > HPSF alors : H bas bas
H 100
(I
2)
100
(100
H)
avec HPSF
: humidité au point de saturation des fibres.
La masse volumique influence fortement le processus de désorption du bois. Pour sa mesure, les échantillons utilisés lors du test ont été taillés dans la même planche. Après pesée, les échantillons sont séchés dans une étuve. Les échantillons sont pesés et mesurés toutes les 20 minutes. Le processus est répété pour plusieurs sauts de température dans le but d’atteindre les niveaux bas de teneur en eau du produit.
I.4.2 La diffusion massique dans le bois
La diffusivité massique dans le domaine hygroscopique du bois est l’une des propriétés de transferts qui caractérise la migration de l’eau liée. C’est l’un des paramètres physiques auxquels les chercheurs s’intéressent depuis des décennies. La recherche de techniques fiables et rapides amène les scientifiques à proposer différentes approches tant théoriques qu’expérimentales. Dans ce qui suit, nous allons présenter la grandeur physique "diffusivité massique" à travers sa définition, ses applications et les différentes méthodes théoriques et expérimentales nécessaires pour son évaluation.
Page 17
I.4.2.1 Diffusion massique et ses champs d’action
La diffusivité massique est la propriété d’un corps, qui permet de caractériser l’aptitude de l’eau d’y migrer sous l’influence d’un gradient de concentration de teneur en eau, de pression partielle de vapeur,... Dans le cas du bois et dans le domaine hygroscopique, la notion de diffusivité massique est beaucoup plus complexe. En effet, on note de façon générale la diffusion gazeuse de la vapeur d’eau dans les vides cellulaires et la migration de l’eau liée dans les parois cellulaires. A l’échelle microscopique, ces deux phénomènes interviennent de façon couplée.
Historiquement, FICK a été le premier à étudier le phénomène de diffusion. Il a traité la diffusion des ions dans l’eau et a trouvé qu’en présence d’un gradient de concentration, s’établit un flux de particules, dans le sens descendant du gradient, proportionnel à ce dernier (Annexe 1).
Notons que la première loi de FICK est analogue à plusieurs autres lois de transport comme la loi d’OHM locale en électricité et la loi de FOURIER en conduction thermique. Contrairement à ces deux dernières lois où la force motrice d’étude est unique (gradient de potentiel électrique pour la loi d’OHM locale et gradient de température pour la loi de FOURIER), différentes forces motrices peuvent être sélectionnées pour exprimer la loi de FICK. Parmi celles-ci, on peut citer : les gradients de concentration d’humidité, et de pression partielle de vapeur. Cependant, en régime isotherme, il est possible de passer d’une force motrice à une autre tout en changeant l’unité du coefficient de diffusion. Ainsi, le choix ou au moins l’indication de la force motrice est très important pour toute détermination de la diffusivité massique.
Ajouter à toutes ces difficultés, l’influence majeure des variations de la température et de la teneur en eau du bois sur le coefficient de diffusion. Par ailleurs, il est possible de travailler à condition isotherme et de faire varier l’humidité relative de façon à minimiser l’effet du gradient de teneur en eau qui est la force motrice généralement utilisée pour le bois. Aussi, lorsque le calcul du coefficient de diffusion est fait par la résolution analytique des lois de FICK comme c’est le cas dans des travaux antérieurs (Mouchot, 2002), la valeur du coefficient de diffusion est considérée constante.
Entre autres complications, on peut également citer le couplage inévitable entre le transfert thermique et massique. En conséquence, au lieu de la résolution d’une seule équation aux dérivées partielles du second ordre, on est généralement confronté à une série d’équations couplées aux dérivées partielles non linéaires basées sur la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de la chaleur, accompagnées des conditions aux limites et initiales.
Enfin, il faut noter également que tous les phénomènes de diffusion ne sont pas descriptibles par les lois de FICK. Des comportements appelés non fickiens sont souvent observables sur le bois au cours des phases de sorption lente ou différée, surtout lorsque le gradient de teneur en eau devient très faible. Ces phénomènes sont généralement attribués à des restructurations des macromolécules.
