INFLUENCE DE LA QUALITÉ DU BOIS SUR
LES DIMENSIONS DES COPEAUX PRODUITS
PAR UNE ÉQUARRISSEUSE-FRAGMENTEUSE
Thèse
CLAUDIA CÁCERES CUADROS
Doctorat en sciences du bois
Philosophiae Doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
INFLUENCE DE LA QUALITÉ DU BOIS SUR
LES DIMENSIONS DES COPEAUX PRODUITS
PAR UNE ÉQUARRISSEUSE-FRAGMENTEUSE
Thèse
CLAUDIA CÁCERES CUADROS
Sous la direction de :
Roger Hernández, directeur de recherche
Ahmed Koubaa, codirecteur de recherche
iii
Résumé
La présente étude a eu pour objectif principal d’évaluer l’effet de la qualité du bois d’épinette noire et du pin gris sur les dimensions des copeaux papetiers produits par une équarrisseuse-fragmenteuse. Afin de couvrir certains aspects de l’aménagement forestier de ces espèces, le travail s’est orienté vers l’étude des relations entre la provenance des billes, la position des billes dans la tige et la pratique de l’éclaircie commerciale vis-à-vis la qualité du bois et son comportement à la fragmentation. Ainsi, des attributs de masse volumique et de croissance des cernes, le nombre et la taille des nœuds, la masse volumique basale et certaines propriétés mécaniques ont été déterminés pour les parties de la tige soumises à la fragmentation. Dans un premier volet, des billes d’épinette noire provenant de deux sites écartés par un gradient latitudinal d’environ 300 km (47°N, 50°N) furent fragmentées. Celles provenant du site avec un taux de croissance plus faible (50°N) et qui présentaient une masse volumique et des propriétés mécaniques plus élevées ont produit les copeaux plus minces. Un deuxième volet a évalué l’effet de la position de la bille dans la tige sur la fragmentation de cette même espèce. L’augmentation du nombre et de la taille des nœuds suivant la hauteur dans la tige était la cause principale de la production des copeaux plus épais. Cependant, des copeaux plus épais furent aussi produits en bas de la tige, ce qui fut attribué à son défilement plus prononcé. Un troisième volet a été consacré à étudier l’effet de l’éclaircie et de la position de la bille dans la tige pour le pin gris. Les billes provenant des parcelles éclaircies ont produit des copeaux plus minces que ceux obtenus avec des billes provenant d’une parcelle naturelle. Toutefois, la faible taille de l’échantillon dans ce cas invite à la prudence. Le pin gris produirait des copeaux plus épais que l'épinette noire lorsque produits sous les mêmes conditions de coupe. La variation de l’épaisseur des copeaux avec la position de la bille dans la tige serait semblable à celle de l’épinette noire. D’autre part, l’augmentation de la largeur de coupe a produit dans tous les cas des copeaux plus épais. La taille des nœuds serait un paramètre critique agissant sur les dimensions des copeaux. De plus, la variation de la masse volumique des cernes et de la croissance des cernes et les propriétés de flexion statique sembleraient avoir un rôle important sur le mécanisme de formation des copeaux. Les dimensions des copeaux pourraient ainsi être mieux ajustées selon les exigences des papetières si les scieries avaient plus de contrôle et de connaissances sur les attributs spécifiques de leur matière première.
iv
Abstract
The main goal of this research was to evaluate the effect of wood quality on the dimensions of black spruce and jack pine chips produced with a chipper-canter for pulping purposes. Some aspects of the forest management of these species were studied, namely: the log provenance, the position of the log in the stem, and the commercial thinning, in order to evaluate wood quality and its response to fragmentation. Thus, the growth ring characteristics, the number and size of knots, the basic density, and various mechanical properties potentially involved in chip formation were assessed on the external parts of the log which were subjected to fragmentation. Firstly, black spruce logs coming from two sites separated by 300 km of latitudinal gradient (47°N, 50°N) were fragmented. For a given cutting width, a log coming from a slow growth rate site (50°N) with high ring density attributes and a corresponding high basic density and mechanical properties provided thinner chips. Secondly, the effect of the log position within the stem in the fragmentation process was evaluated for the same species. The increase of the size and number of knots up the stem was the main cause of producing thicker chips towards the top of the stem. However, the production of thicker chips at the bottom logs was attributed to their pronounced taper. Finally, the effects of the commercial thinning and the log position in the stem were evaluated on jack pine. Jack pine logs coming from thinned stands seem to produce chips of smaller dimensions compared to logs from a natural stand. However, these results should be interpreted with caution due to the small sample size used. Under the same cutting conditions, jack pine had a higher mean chip thickness compared to black spruce. Chip thickness variation with the log position in the stem was similar between the two species. Moreover, the increase in cutting width produced thicker chips in all cases. The size of knots appeared to be critical in chip dimension. In addition, the variation in wood density attributes, growth rings characteristics, and bending properties would appear to have a considerable role in the chip formation mechanism. Ultimately, chip dimensions could be adjusted to pulp mills standards if sawmills will have more control and knowledge of their wood raw material specific attributes.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... viii
Liste des Figures ... x
Remerciements ... xiv Avant-Propos ... xv Introduction ... 1 Chapitre 1 ... 3 1 Revue de littérature ... 3 1.1 Qualité du bois ... 3 1.1.1 Définition ... 3
1.1.2 Masse volumique et croissance des cernes ... 3
1.1.2.1 Variation géographique ... 4
1.1.2.2 Variation entre les arbres ... 5
1.1.2.3 Variation à l’intérieur de l’arbre ... 6
1.1.3 Nœuds ... 11
1.1.4 Masse volumique basale et propriétés mécaniques ... 15
1.1.5 L’éclaircie et son influence sur la qualité du bois ... 19
1.2 Qualité des copeaux ... 21
1.2.1 La granulométrie et la distribution des dimensions ... 24
1.2.2 La teneur en humidité ... 29
1.2.3 La densité en vrac ... 29
1.2.4 Éléments indésirables ... 30
1.2.5 Tamisage ... 33
1.2.6 Variables de fabrication ... 34
1.3 Effet de la matière première sur la production des copeaux et des pâtes à papier 35 1.3.1 Espèce ... 35
1.3.1.1 L’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) ... 36
1.3.1.2 Le pin gris (Pinus banksiana Lamb.) ... 37
1.3.2 Position dans l’arbre et type de croissance ... 38
1.3.3 Taille et forme des billes ... 40
1.3.4 Caractéristiques physiques et chimiques ... 40
1.4 Optimisation de l’utilisation de la matière première (scieries)... 41
1.4.1 Stratégies de coupe pour les billes de petits diamètres ... 41
1.5 Procédé de fabrication des copeaux par une équarrisseuse-fragmenteuse ... 43
1.5.1 La coupe du bois ... 43
1.5.1.1 La coupe orthogonale ... 43
1.5.1.2 Formation du copeau ... 45
1.5.2 Paramètres de coupe d’une équarrisseuse-fragmenteuse ... 47
1.5.3 Facteurs qui influencent la qualité des copeaux ... 49
1.5.3.1 Performance des équarrisseuses-fragmenteuses ... 49
1.5.3.2 Effet du contrefer du porte-outil ... 50
vi
1.5.3.4 Effet de la saison ... 51
1.5.3.5 Effet de la largeur et de la hauteur de coupe ... 51
1.6 Objectifs de recherche ... 53 1.6.1 Objectif général ... 53 1.6.2 Objectifs spécifiques ... 53 Chapitre 2 ... 54 2 Matériel et méthodes ... 54 2.1 Bois ... 54 2.2 Méthodologie ... 56
2.2.1 Fragmentation des billes ... 56
2.2.2 Tamisage des copeaux ... 62
2.2.3 Essais de densitométrie ... 65
2.2.4 Mesure de la largeur des cernes ... 67
2.2.5 Caractérisation des nœuds ... 67
2.2.6 Essais mécaniques ... 68
2.2.6.1 Fendillement ... 71
2.2.6.2 Cisaillement ... 71
2.2.6.3 Flexion statique (MOR, MOE) ... 71
2.2.7 Teneur en humidité et masse volumique basale ... 73
2.2.8 Analyses statistiques ... 73
Chapitre 3 ... 75
3 Effects of the cutting pattern and log provenance on size distribution of black spruce chips produced by a chipper-canter ... 75
3.1 Résumé ... 75
3.2 Abstract ... 76
3.3 Introduction ... 76
3.4 Materials and methods ... 79
3.4.1 Fragmentation process ... 80
3.4.2 Chip screening ... 81
3.4.3 Growth ring characteristics ... 82
3.4.4 Mechanical tests ... 83
3.4.5 Statistical analyses ... 84
3.5 Results and discussion ... 85
3.5.1 Weighted mean chip thickness ... 85
3.5.2 Growth ring characteristics, mechanical properties, and basic density ... 89
3.5.3 Multiple linear regression of the weighted mean chip thickness... 93
3.5.4 Compositional data analysis: Domtar and Williams chip class distributions ... 94
3.5.5 Individual class analysis ... 95
3.6 Conclusions ... 99
Chapitre 4 ... 100
4 Effects of log position in the stem and cutting width on size distribution of black spruce chips produced by a chipper-canter ... 100
4.1 Résumé ... 100
4.2 Abstract ... 101
4.3 Introduction ... 102
4.4 Materials and methods ... 105
vii
4.4.2 Fragmentation process ... 105
4.4.3 Chip screening ... 107
4.4.4 Growth ring characteristics ... 108
4.4.5 Knot characterization ... 109
4.4.6 Mechanical tests ... 109
4.4.7 Statistical analyses ... 111
4.5 Results and discussion ... 111
4.5.1 Growth ring and knot characteristics, basic density, and mechanical properties ... 111
4.5.2 Weighted mean chip thickness ... 116
4.5.3 Domtar and Williams chip class distributions ... 121
4.6 Conclusions ... 128
Chapitre 5 ... 129
5 Effects of log position in the stem and commercial thinning on chip size from jack pine logs produced by a chipper-canter ... 129
5.1 Résumé ... 129
5.2 Abstract ... 130
5.3 Introduction ... 131
5.4 Methods ... 133
5.4.1 Study area and samples... 133
5.4.2 Fragmentation process ... 134
5.4.3 Chip screening ... 137
5.4.4 Growth ring characteristics ... 138
5.4.5 Knot assessment ... 138
5.4.6 Mechanical tests ... 138
5.4.7 Statistical analyses ... 140
5.5 Results and Discussion ... 141
5.5.1 Growth ring and knots characteristics, basic density, and mechanical properties ... 141
5.5.2 Weighted mean chip thickness ... 147
5.5.3 Domtar and Williams chip class distributions ... 152
5.6 Conclusions ... 159
Conclusion générale ... 160
Recommandations ... 165
Bibliographie ... 167
Annexe 1 ... 180
viii
Liste des tableaux
Tableau 2.1 Caractéristiques des billes d’épinette noire provenant de la forêt Montmorency et de la région de Chibougamau (expériences du volet 1). ... 56 Tableau 2.2 Caractéristiques des billes d’épinette noire selon la position de la bille dans la
tige (expériences du volet 2). ... 56 Tableau 2.3 Caractéristiques des billes de pin gris selon le traitement d’éclaircie
commerciale et la position de la bille dans la tige (expérience du volet 3). ... 56 Tableau 2.4 Paramètres de fragmentation utilisés lors des expériences. ... 59 Tableau 2.5 Temps de brassage selon les classes Domtar. ... 65 Tableau 2.6 Ajustements faits à la norme ASTM D143-94 (ASTM 1997) pour le
fendillement. ... 71 Tableau 2.7 Ajustements faits à la norme ASTM D143-94 (ASTM 1997) pour le
cisaillement. ... 72 Tableau 2.8 Ajustements faits à la norme ASTM D143-94 (ASTM 1997) pour la flexion
statique (MOR, MOE). ... 72
Table 3.1 Characteristics of black spruce logs coming from each site. ... 80 Table 3.2 Domtar and Williams chip size distributions obtained at different cutting widths.
... 87 Table 3.3 F-values obtained from the ANOVAs for weighted mean chip thickness, growth
ring characteristics, BD, and mechanical properties. ... 90 Table 3.4 Mean of growth ring characteristics, BD and mechanical properties of black
spruce by site and cutting width. ... 90 Table 3.5 F-values obtained from compositional data MANOVA of Domtar and Williams
chip class distributions. ... 95 Table 3.6 F-values obtained from the ANOVAs for each Domtar and Williams chip class.
... 96 Table 3.7 Domtar and Williams black spruce chip classes by cutting width and site. ... 97 Table 4.1 Characteristics of black spruce logs... 105 Table 4.2 F-values obtained from the ANOVAs of the effects of log position in the stem
and cutting width on the weighted mean chip thickness, growth ring and knot
characteristics, and wood properties of black spruce logs... 113 Table 4.3 Means of growth ring and knot characteristics, and wood properties of black
spruce by log position in the stem and cutting width. ... 114 Table 4.4 F-values obtained from compositional data MANOVA of Domtar and Williams
chip class distributions. ... 121 Table 4.5 F-values obtained from the ANOVAs for each Domtar and Williams chip class.
... 124 Table 4.6 Domtar and Williams black spruce chip size distributions by cutting width and
log position in the stem. ... 125 Table 5.1 Characteristics of jack pine logs. ... 135 Table 5.2 F-values obtained from the ANOVAs of the effects of commercial thinning, log
position in the stem and cutting width on the weighted mean chip thickness, growth ring and knot characteristics, and wood properties of jack pine logs. ... 143
ix
Table 5.3 Means of growth ring and knot characteristics, and wood properties of jack pine by commercial thinning, log position in the stem, and cutting width. ... 144 Table 5.4 F-values obtained from compositional data MANOVA of Domtar and Williams
chip class distributions. ... 153 Table 5.5 F-values obtained from the ANOVAs for each Domtar and Williams chip class.
... 156 Table 5.6 Domtar and Williams jack pine chip size distributions by commercial thinning,
log position in the stem and cutting width. ... 157
x
Liste des Figures
Figure 1.1 Profils de la variation radiale de la masse volumique des cernes mesurés à la hauteur de la poitrine pour des arbres intermédiaires, co-dominants et dominants (adapté de Xiang et al. 2014). ... 7 Figure 1.2 Aire du cerne (a) et la masse volumique maximale du cerne (b) par rapport à
l’âge cambial à différentes hauteurs de la tige d’épinette noire (adapté d’Alteyrac et al. 2005). ... 9 Figure 1.3 La largeur du cerne (a) et la masse volumique des cernes (b) par rapport à l’âge
cambial à différentes hauteurs de la tige d’épinette noire (adapté d’Alteyrac et al. 2005). ... 9 Figure 1.4 Profil de la variation radiale de la masse volumique des cernes à différentes
hauteurs dans la tige d’un arbre dominant. Les lignes représentent les moyennes prédites à des hauteurs successives des disques (M1 –M6) de la base vers le haut de la tige (adapté de Xiang et al. 2014). ... 10 Figure 1.5 Représentation tridimensionnel du nœud. D : diamètre du nœud, α : angle
azimut du nœud, β : angle d’inclinaison du nœud et L : longueur du nœud (adapté de Tong et al. 2013). ... 12 Figure 1.6 Visualisation de la distribution des nœuds des billes de 2,5 m situées à la base
de la tige pour (A) le pin gris et (B) l’épinette noire (adapté de Duchateau et al. 2014). ... 13 Figure 1.7 Formes schématiques et disposition des nœuds chez l’épinette blanche (adapté
de Tong et al. 2013). ... 14 Figure 1.8 Relation de la masse volumique basale du disque et la hauteur relative du disque dans l’arbre pour l’épinette noire (adapté de Heger 1974). ... 16 Figure 1.9 Relation de la masse volumique basale du disque et la hauteur relative du disque dans l’arbre pour le pin tordu (adapté de Heger 1974). ... 16 Figure 1.10 Module d’élasticité (MOE) et module de rupture (MOR) en fonction de l’âge
cambial de l’épinette noire (adapté de Torquato et al. 2014). ... 18 Figure 1.11 Facteurs mesurables de la qualité des copeaux par opération de l’usine
papetière (adapté de Fuller 1991). ... 23 Figure 1.12 Effet de la longueur et de l’épaisseur des copeaux sur l’indice Kappa (adapté
de Forbes 1984). ... 26 Figure 1.13 Distributions de la longueur, la largeur et l’épaisseur moyenne des copeaux
provenant de cinq scieries (lignes minces) et d’une papetière (ligne entrecoupée) en Norvège (adapté d’après Bjurulf 2005). ... 28 Figure 1.14 Densité en vrac des copeaux en fonction du rapport de la diagonale moyenne
des copeaux et l’épaisseur (d/e) (adapté d’Edberg et al. 1973). ... 31 Figure 1.15 Relation entre la perte de bois et la teneur en écorce des copeaux pour
l’écorçage à tambour (adapté de Bergman 1985). ... 31 Figure 1.16 Consommation effective d’alcali en fonction de la teneur en écorce des
copeaux de pin pour une pâte Kraft (adapté de Forbes 1984). ... 32 Figure 1.17 Principes de classement des copeaux du classeur Domtar (adapté de Lapointe
1979). ... 34 Figure 1.18 Aire de répartition naturelle de l’épinette noire en Amérique du Nord. ... 37 Figure 1.19 Aire de répartition naturelle du pin gris en Amérique du Nord. ... 38
xi
Figure 1.20 Patrons de débitage pour une bille de 8 pouces (20 cm) de diamètre au petit
bout (adapté de Steele 1984). ... 42
Figure 1.21 Géométrie de la coupe orthogonale et des composantes de la force de coupe résultante (adaptée de Woodson et Koch 1970). ... 44
Figure 1.22 Types de coupe orthogonale (adaptée de Hoadley 2000). ... 45
Figure 1.23 Schéma montrant l'action de coupe du couteau et du contre-fer des équarrisseuses-fragmenteuses Comact et Sawquip (d’après Hernández 2007). ... 49
Figure 1.24 Effets de la hauteur et de la largeur maximales de coupe sur l'épaisseur moyenne pondérée des copeaux d'épinette noire produits en hiver et en été par l'équarrisseuse-fragmenteuse Swecan (adapté de Hernández et Lessard 1997). ... 52
Figure 2.1 Provenance des billes d’épinette noire : (A) Forêt Montmorency et (B) Région de Chibougamau. ... 55
Figure 2.2 Position de la bille dans la tige. ... 57
Figure 2.3 Prototype d’équarrisseuse-fragmenteuse munie d’une seule tête. ... 57
Figure 2.4 Modèles des têtes porte-outils pour chaque volet. ... 58
Figure 2.5 Schéma de la position des trois largeurs de coupe avec les hauteurs de coupe respectives. ... 60
Figure 2.6 Ajustement de la largeur de coupe à l’aide du faisceau laser mobile. ... 61
Figure 2.7 Classement des copeaux (a) classeur Williams (b) classeur Domtar. ... 63
Figure 2.8 Classement Williams. ... 64
Figure 2.9 Classement Domtar. ... 64
Figure 2.10 Position de la tranche coupée pour l’obtention des échantillons de densitométrie à rayons X (Volet 1). ... 66
Figure 2.11 Position des tranches coupées pour l’obtention des échantillons de densitométrie à rayons X (Volets 2 et 3). ... 67
Figure 2.12 Face de l’équarri après fragmentation montrant les nœuds plus grands que 2 mm de diamètre. ... 68
Figure 2.13 Schéma de l’obtention des échantillons pour les essais mécaniques du volet 1. ... 70
Figure 2.14 Schéma de l’obtention des échantillons pour les essais mécaniques des volets 2 et 3. ... 70
Figure 3.1 DKspec cutterhead with eight bent knives. ... 80
Figure 3.2 Position and dimension of the cutting width of each segment in the small end of the log. The cutting width is directly related to the area of splitting. ... 81
Figure 3.3 Sample distribution for static bending, splitting, and shear tests. ... 84
Figure 3.4 Weighted mean chip thickness as a function of cutting width from Montmorency and Chibougamau provenances. ... 88
Figure 4.1 DK-SPEC cutterhead provided with eight sets of double knives... 106
Figure 4.2 Cutting width (CW) and cutting height (CH) at the small end of the log. CH draws the segment area that will be fragmented. The figure also shows the strip positions obtained according to the CW at the large and small end diameters of each log. ... 107
Figure 4.3 Sample distribution for static bending, splitting, and shear tests. ... 110
Figure 4.4 (a) Weighted mean chip thickness as a function of cutting width for each position in the stem. (b) Weighted mean chip thickness as a function of log position in the stem for each cutting width. ... 118
xii
Figure 4.5 Relationship between the weighted mean chip thickness and the total number of knots (excluding the bottom log dataset). ... 120 Figure 4.6 (a) Domtar accepts chip class, (b) Williams 9.5 mm chip class, (c) Domtar
overthick chip class, and (d) Williams accepts chip class, by cutting width for each log position in the stem. ... 127 Figure 5.1 DK-SPEC cutterhead provided with eight set of double knives. The figure
shows the infeed region during log fragmentation (bedplate level was fixed). ... 135 Figure 5.2 Cutting width (CW) and cutting height (CH) at the small end of the log. CH
draws the segment area that will be fragmented. The figure also shows the strip positions obtained according to the CW at the large and small end diameters of each log. ... 137 Figure 5.3 Sample distribution for static bending, splitting, and shear tests. ... 140 Figure 5.4 Weighted mean chip thickness as a function of cutting width for jack pine and
black spruce logs. ... 148 Figure 5.5 (a) Weighted mean chip thickness as a function of log position in the stem for
each cutting width. (b) Weighted mean chip thickness as a function of the commercial thinning treatment for each cutting width... 150 Figure 5.6 Relationship between the weighted mean chip thickness and the total knot area.
xiii
La vie est un défi à relever, un bonheur à
mériter, une aventure à tenter. Mère Teresa
xiv
Remerciements
J’aimerais tout d’abord remercier mon directeur, Roger Hernández, qui m’a guidée et soutenue tout au long de ce parcours, et avec qui ce fut un grand plaisir de travailler au cours de ces années. Sa patience, ses encouragements et ses conseils ont été très précieux et je l’en remercie profondément. Je remercie également Ahmed Koubaa, mon co-directeur de thèse, pour m’avoir donné la chance de travailler sur ce projet, pour son soutien et pour ses commentaires toujours pertinents. De même, un remerciement spécial à DK-SPEC et FPInnovations pour l’appui technique fourni pour la réalisation de ce projet.
Mes remerciements s’étendent à toutes les personnes m’ayant assistée de près ou de loin dans la réalisation de ce projet : Angela Llavé, Leandro Passarini, Svetka Kuljich, Cyriac Mvolo, Shyamal Gosh, Dany Bourque, Frédéric Nepton, Gabriel Beaudet, Cassandra Lafond et Gaétan Daigle. Je remercie également et chaleureusement le personnel du Centre de recherche sur les matériaux renouvelables (CRMR) de l’Université Laval : Guylaine Bélanger, Jenny McKenzie, Daniel Bourgeault, Luc Germain, David Lagueux, Sylvain Auger, Éric Rousseau, Benoit St-Pierre et Marthe Larouche, pour toute la gentillesse, les encouragements et le support qu’ils m’ont témoigné, et qui d’une manière ou d’une autre m’a aidé à mener à bien cette thèse. J’aimerais aussi exprimer ma profonde gratitude à tous mes amies et amis de bureau, notamment Svetka, Angela, Franz, Gina, Luciane, Jedi, Bruna, Diane, Leandro, et plein d’autres encore. La générosité, la bonne humeur et l’attention qu’ils m’ont apportée ont contribué à rendre cette étape de ma vie très plaisante.
Je tiens également à remercier mes parents qui, malgré la distance, m’ont soutenue tout au long de mes projets personnels et académiques. Sans vous, je n’aurais pas pu accomplir ce grand défi. Merci à toi Damien, pour tes encouragements, ton soutien, et ton écoute tout au long de cette aventure. Sans toi, ceci n’aurait pas pu être possible. Enfin, ces remerciements ne seraient pas complets sans mentionner ma fille, Lorena. Elle est ma fierté, ma source de motivation qui me comble de bonheur depuis trois ans déjà.
xv
Avant-Propos
Cette thèse a été réalisée au sein du centre de recherche sur les matériaux renouvelables (CRMR) de l’Université Laval. Le projet a été fait dans le cadre du réseau stratégique CRSNG sur l’aménagement forestier pour les produits à valeur ajoutée « ForêtValeur » (ForValueNet) sous le thème de recherche 3 « Modélisation du rendement en produits de débitage primaire ». Ce travail a été réalisé dans le cadre du programme de doctorat en sciences du bois et les résultats obtenus sont présentés sous la forme d’une thèse de publications. Trois articles font ainsi partie intégrante de cette thèse dont leurs titres sont les suivants :
Chapitre 2: Cáceres CB, Hernández RE and Koubaa A (2015a) Effects of the cutting pattern and log provenance on size distribution of black spruce chips produced by a chipper-canter. European Journal of Wood and Wood Products 73(3):357-368 (publié en mai 2015). Chapitre 3: Cáceres CB, Hernández RE and Koubaa A (2015b) Effects of log position in the stem and cutting width on size distribution of black spruce chips produced by a chipper-canter. Wood and Fiber Science (publié en ligne en novembre 2015).
Chapitre 4: Cáceres CB, Hernández RE and Koubaa A (2015c) Effects of commercial thinning and log position in the stem on jack pine chips size produced by a chipper-canter. European Journal of Wood and Wood Products (accepté pour publication en décembre 2015). Les résultats de cette étude ont également été présentés sous forme de présentations orales lors des congrès suivants :
68th International Forest Products Society (FPS) Convention, tenu à Québec, Canada du 10 au 13 août 2014. (Chapitre 2)
22nd International Wood Machining Seminar, tenu à Québec, Canada du 14 au 17 juin 2015. Inclus la rédaction d’un article pour les Actes: Effects of log position in the stem and cutting width on chipper-canter black spruce chips. (Chapitre 3)
En tant que candidate au doctorat et première auteure de ces articles, j’ai effectué la planification du travail, la préparation des échantillons, les essais de laboratoire, l’analyse
xvi
statistique des données ainsi que la rédaction des publications. Le directeur de ma thèse, le professeur Roger Hernández, en tant que coauteur des articles, fut responsable de m’encadrer et de me conseiller pendant tout mon cheminement. De plus, il a fait la révision et les corrections des articles. M. Ahmed Koubaa, professeur titulaire à l’Université du Québec en Abitibi Témiscamingue, en tant que deuxième coauteur des articles, a collaboré également à la révision des manuscrits.
Ce projet de recherche a été financé par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).
1
Introduction
Dans l’Est du Canada, les scieries sont le principal fournisseur de la matière première sous forme des copeaux pour l'industrie des pâtes et papiers. Ces copeaux sont notamment produits par des équarrisseuses-fragmenteuses, qui transforment des billes de résineux (sapin baumier, épinettes et pin gris) en équarris et copeaux dans une même opération. Les paramètres de coupe de l’équarrisseuse-fragmenteuse affectent la distribution et l'uniformité des dimensions des copeaux, ces deux aspects étant parmi les principaux attributs de leur qualité. Parmi ces paramètres, la largeur de coupe présente un effet marqué sur la taille des copeaux. Ainsi, une diminution de la largeur de coupe produirait une diminution de l'épaisseur des copeaux. Ce comportement pourrait également être influencé par la variation des caractéristiques intrinsèques du bois, ce qui affecterait d’ailleurs les propriétés et le rendement de la pâte.
L’objectif général du présent travail était donc d’évaluer différents paramètres de qualité du bois en relation avec la variation des dimensions des copeaux d’épinette noire et du pin gris produits avec une équarrisseuse-fragmenteuse. Ainsi, l’effet de la provenance de la matière première, de la position de la bille dans la tige et de l’éclaircie commerciale sur les dimensions des copeaux obtenues à trois largeurs de coupe ont été étudiés. Plus précisément, nous avons évalué la croissance des cernes, la masse volumique des cernes, les caractéristiques des nœuds, la masse volumique basale, ainsi que les propriétés mécaniques potentiellement impliquées lors de la fragmentation, soient : la flexion statique, le cisaillement et le fendillement. Ces propriétés ont été évaluées dans la région des billes qui a subi la fragmentation, soit à l’intérieur de trois largeurs de coupe. Il a été donc possible d’établir des relations entre les différents attributs de qualité étudiés et la formation des copeaux.
Le projet a été divisé alors en trois volets principaux. Le premier volet s’a consacré à l’étude de la provenance de la matière première sur la distribution des dimensions des copeaux. Pour cela, des billes d’épinette noire d’un premier site à 47°N et d’un deuxième site à 50°N de
latitude dans forêt boréale du Québec, ont été obtenues. L’une des conséquences de ce choix était d’avoir des billes avec des taux de croissance, des masses volumiques et des propriétés mécaniques bien différenciés. La masse volumique du bois et les propriétés mécaniques sont
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souvent utilisées comme indicateurs de la qualité du bois. Elles affecteront dans une certaine mesure les forces produites lors de la fragmentation et la formation des copeaux, ce qui aurait une influence sur leurs dimensions (épaisseur et largeur).
Par ailleurs, au cours des dernières années, le développement de systèmes d'optimisation pour la transformation du bois est devenu essentiel pour l'industrie des produits forestiers. Aujourd'hui, afin de maximiser la valeur à partir d'un arbre individuel, les procédés d’usinage doivent être basés sur la géométrie externe de la tige autant que sur les caractéristiques et les propriétés internes du bois. La position d’une bille dans la tige affecterait les caractéristiques du bois ainsi que la taille et le nombre des nœuds. Le deuxième volet de cette thèse a eu comme but d’évaluer l’influence de la variation axiale des attributs du bois d’épinette noire, de la base vers le haut de l'arbre jusqu’à un diamètre marchand minimal d’environ 130 mm sur les dimensions des copeaux. La variation radiale a également été considérée en faisant varier la largeur de coupe entre 12,7 et 25,4 mm.
Parmi les pratiques sylvicoles, l'éclaircie est principalement utilisée pour réguler la taille, la forme et la structure des tiges. Le pin gris est reconnu pour répondre de façon positive à cette pratique. Le but de l'éclaircie commerciale est d'augmenter la croissance en diamètre des arbres résiduels, ce qui devrait provoquer une augmentation de la production de bois d'œuvre. Cependant, les caractéristiques de forme et la qualité du bois peuvent être affectées négativement par l'éclaircie, ce qui est défavorable pour l’optimisation de la valeur de l'arbre. L’éclaircie peut conduire à une augmentation du défilement de la tige suite à une augmentation du diamètre plus grande dans la partie inférieure en relation à la partie supérieure de la tige. L’éclaircie peut également favoriser le développement des branches de plus grand diamètre et plus persistants, ainsi que les nœuds associés. Le troisième volet de ce travail a eu donc pour but d'analyser les effets de l'intensité de l’éclaircie commerciale (modérée et intensive). Les effets de la position de la bille dans l’arbre (variation axiale) et la largeur de coupe (variation radiale) sur la variation de la taille des copeaux de pin gris furent également évaluées.
Il est reconnu que les dimensions des copeaux produits dans les scieries sont très hétérogènes. Par conséquent, un meilleur contrôle des caractéristiques de la matière première contribuerait à l'optimisation d’une production des copeaux de dimensions uniformes.
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Chapitre 1
1 Revue de littérature
1.1 Qualité du bois
1.1.1 Définition
La qualité du bois est un terme subjectif et doit être défini selon les attributs qui le rendront apte pour une utilisation donnée. Il est ainsi important de comprendre l'étendue de la variabilité du bois parce que son utilisation est liée à ses caractéristiques. La qualité du bois requise pour un usage particulier est alors déterminée par la variabilité d’un ou plusieurs de ces attributs, ce qui affectera sa structure et par conséquent ses propriétés (Panshin et de Zeeuw 1980). Ainsi, la provenance des arbres, la proportion de bois juvénile et de bois mature, la proportion de bois de duramen et d’aubier, la présence du bois de réaction vont affecter les caractéristiques anatomiques, physiques, mécaniques et chimiques du bois. De plus, les caractéristiques inhérentes du bois d’une espèce, peuvent être influencées par les conditions de croissance des arbres et les pratiques sylvicoles (Jozsa et Middleton 1994). Les prochains paragraphes vont discuter des différents paramètres de la qualité du bois en lien avec la variation de la qualité des copeaux papetiers. Une attention particulière sera donnée aux travaux sur l’épinette noire et le pin gris, les deux espèces étudiées dans le cadre de cette thèse.
1.1.2 Masse volumique et croissance des cernes
La masse volumique est considérée comme une des propriétés les plus importantes du bois parce qu’elle est fortement reliée aux autres propriétés de ce matériau comme sa résistance mécanique et son rendement en fibres. Elle a donc été largement utilisée dans les études sur la variation des propriétés du bois dans les arbres. La masse volumique est principalement déterminée par la quantité de matière de la paroi cellulaire et sa variation est le résultat des variations du diamètre et de la longueur des cellules, de l’épaisseur de la paroi cellulaire et
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des changements dans les proportions des différents types de cellules dans l'arbre. Ainsi, la proportion du bois final des cernes de croissance a été identifiée comme étant un bon prédicteur de la masse volumique du bois des conifères (Zobel et van Buijtenen 1989, Saranpää 2003).
Le taux de croissance, l'âge et l'héritabilité sont des facteurs très importants déterminant la masse volumique du bois. Cependant, il existe de nombreux autres facteurs influant la masse volumique, principalement par le biais de leur effet sur la croissance qui, à son tour, ont une incidence sur la morphologie et la chimie des cellules. Des facteurs tels que la provenance des arbres individuels, la densité du peuplement, la qualité du site et la fertilisation peuvent tous avoir de l'importance dans la détermination de la masse volumique du bois.
La masse volumique est ainsi d'une grande importance dans la fabrication des produits du bois, car elle a un effet majeur sur leur rendement et qualité.
1.1.2.1 Variation géographique
Les propriétés du bois sont toutes déterminées par une interaction entre le potentiel génétique de l'arbre et l'environnement dans lequel l'arbre se développe. Le bois provenant de différentes positions géographiques au sein d'une espèce sera à la fois affecté par le contrôle environnemental et par génétique. De nombreuses études sur la variation géographique des propriétés du bois à l'intérieur de la répartition naturelle des essences indiquent que dans certains cas, les différences peuvent être très importantes. Les causes environnementales de ces différences sont semblables à des facteurs qui affectent le taux de croissance, tels que l'altitude, la latitude, les sols, les précipitations et d'autres.
Zobel et van Buijtenen (1989) ont décrit quelques concepts généraux sur la variation géographique des propriétés du bois, tels que :
1. Le bois des arbres qui poussent à des altitudes élevées aurait une masse volumique plus faible et des fibres (trachéides) plus courtes que celui des arbres qui poussent à des altitudes plus basses. Cette règle est davantage applicable aux conifères qu’aux feuillus.
2. Le bois provenant d'arbres de hautes latitudes a une masse volumique plus faible et des fibres (trachéides) plus courtes que le bois provenant d'arbres de latitudes plus basses. Cela
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s’applique principalement aux pins du sud qui poussent près du littoral mais ne s’applique pas pour le cas de l’épinette noire.
3. La qualité du bois est meilleure pour les arbres provenant des latitudes plus élevées comparée aux latitudes plus basses (les premiers présentant des tiges plus droites).
Des études plus récentes ont montré qu’un gradient latitudinal produirait une variation sur certaines propriétés anatomiques du bois. Ainsi, une augmentation de la latitude traversant la forêt boréale du Québec (de 47°N à 52°N) résulterait dans une diminution de la largeur des cernes (St-Germain et Krause 2008, Rossi et al. 2010, Rossi et al. 2015), du nombre des cellules, du diamètre radial et de l’épaisseur des parois des cellules du bois final (St-Germain et Krause 2008) de l’épinette noire. La réduction de la croissance radiale avec la latitude a également été observée chez le pin sylvestre (Pärn 2003). Cependant, l’effet de la provenance sur la masse volumique du bois n’est pas encore très clair. D’une part, la position géographique (latitude et altitude) a eu peu d’influence sur la masse volumique des différents populations d’épinette blanche à travers la province de Québec (Corriveau et al. 1987). D’autre part, l’augmentation de la latitude et altitude aurait produit une diminution de la masse volumique et des propriétés mécaniques du bois chez l’épinette noire (Rossi et al. 2015).
1.1.2.2 Variation entre les arbres
La variation entre les arbres est tellement large qu'elle est d'une grande importance pour tous les produits du bois. Il est généralement nécessaire d'échantillonner au moins 30 arbres afin d'obtenir une estimation valable des propriétés moyennes du bois pour une population d’arbres d’une espèce (Zobel et van Buijtenen 1989). Il est donc difficile d'évaluer avec précision l’effet du site, de l'environnement ou des pratiques sylvicoles sur les propriétés du bois. Une grande partie de la variation entre arbres est génétiquement contrôlée. Plusieurs études ont trouvé que les caractéristiques de la masse volumique des cernes ont une plus grande héritabilité en comparaison avec les caractéristiques de croissance des cernes (Corriveau et al 1987, Villeneuve et al. 1987, Zhang et al. 1996, Zhang et Jiang 1998), ce qui est intéressant pour l’amélioration de la qualité du bois.
6 1.1.2.3 Variation à l’intérieur de l’arbre
La variation à l'intérieur des arbres est souvent décrite suivant deux directions. La direction radiale représente ainsi le changement de la moelle vers l’écorce. La variation axiale ou longitudinale est la différence associée à différentes hauteurs dans l'arbre. De façon globale, on constate que la variation à l’intérieur de l’arbre peut être plus grande qu’entre des arbres qui poussent sur le même site ou même entre ceux qui poussent dans des sites différents (Zobel et van Buijtenen 1989).
1.1.2.3.1 Variation radiale
La variation radiale de la masse volumique des conifères a été étudiée par plusieurs chercheurs. DeBell et al. (1994) ont étudié ce comportement sur la pruche de l’Ouest, Zhang et al. (1996), Zhang et Jiang (1998), Koubaa et al. (2000) et Xiang et al. (2014) sur l’épinette noire, Park et al. (2009) et Savva et al. (2010) sur le pin gris et Jyske et al. (2008) sur l’épinette de Norvège. Ces chercheurs ont rapporté que la masse volumique des cernes était négativement corrélée à leur largeur et cela autant pour le bois juvénile que pour le bois mature. Cependant cette corrélation aurait tendance à diminuer au fur et à mesure que l’arbre vieilli.
Zhang et Jiang (1998) ont ajouté que l’âge cambial expliquerait la plupart de la variation des caractéristiques de la masse volumique des cernes plutôt que la largeur des cernes. La masse volumique des cernes d’épinette noire serait donc plus dépendante de l'âge cambial que du taux de croissance.
De plus, Koubaa et al. (2000) et Alteyrac et al. (2005) ont observé que les cernes plus larges avaient une proportion de bois initial plus grande et une masse volumique des cernes et du bois initial plus faibles. En effet, l’augmentation de la largeur du cerne serait due à une augmentation de la production du bois initial mais sans une augmentation du bois final proprement dit, ce que diminuerait la masse volumique des cernes. La relation entre les largeurs du cerne et du bois initial serait très étroite, contrairement à celle entre les largeurs du cerne et du bois final.
Koubaa et al. (2002) ont noté une variation du profil radial de la masse volumique entre les cernes de bois juvénile et ceux du bois mature. Le bois juvénile est caractérisé par une masse
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volumique de bois initial élevée tandis que le bois mature présente une masse volumique de bois final et une proportion de bois final élevées. Ces variations expliqueraient la variation radiale de la masse volumique pour l’épinette noire, laquelle serait classé comme Type II (Panshin et deZeeuw 1980). En effet, la masse volumique des cernes est plus élevée près de la moelle, soit dans la zone de bois juvénile. Elle diminue ensuite rapidement dans la zone de transition du bois juvénile au bois mature jusqu’à un minimum, pour augmenter lentement mais régulièrement dans la zone du bois mature (Antal et Micko 1994, Alteyrac et al. 2005, Koubaa et al. 2005). De plus, une diminution graduelle de la masse volumique des cernes et du taux de croissance dans le bois mature a été observée dans la zone près de l’écorce des arbres d’épinette noire plus âgés, principalement pour les arbres d’un statut intermédiaire (Figure 1.1) (Xiang et al. 2014).
Figure 1.1 Profils de la variation radiale de la masse volumique des cernes mesurés à la hauteur de la poitrine pour des arbres intermédiaires, co-dominants et dominants (adapté de Xiang et al. 2014).
Le profil de variation radiale de la masse volumique des cernes du pin gris s’ajusterait mieux à un type I, c’est-à-dire que la masse volumique augmenterait régulièrement de la moelle à l'écorce de façon linéaire ou curviligne, où la courbe pourrait ensuite arriver à une période plus stable dans le bois mature (Panshin et deZeeuw 1980). Ainsi, Park et al. (2009) ont
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observé qu’à la hauteur de la poitrine, tous les attributs de la masse volumique des cernes du pin gris augmentaient de la moelle vers l’écorce jusqu'à atteindre une période stable, généralement à environ 30 ans. Cela indiquerait que la masse volumique ne varierait pas avec l'âge de l'arbre dans le bois mature, au moins d’avoir atteint le stade de sénescence (âge très avancé).
Pour l’épinette noire de plantation, l’âge de transition entre le bois juvénile et le bois mature varierait selon l’attribut évalué (masse volumique des cernes, proportion du bois final, masse volumique de bois final ou largeur du cerne) et parmi les classes diamétrales. La masse volumique des cernes serait le critère le plus intéressant du point de vue industriel. Pour des classes diamétrales entre 15 et 20 cm, l’âge de transition entre bois juvénile et bois mature selon ce critère se situerait entre 8,4 et 9,1 ans (Koubaa et al. 2005). Cependant, d’après Alteyrac et al. (2005), la masse volumique des cernes montrerait une transition du bois juvénile au bois mature plutôt progressive, c’est-à-dire étendue sur quelques années. Par contre, la masse volumique maximale du cerne et l’aire du cerne montreraient une transition plus abrupte ; ils seraient donc des attributs plus efficaces pour déterminer le point de transition du bois juvénile au bois mature (Figure 1.2) (Alteyrac et al. 2006a).
1.1.2.3.2 Variation axiale
La plupart des études sur la variation axiale des propriétés du bois ont été analysées sur le même âge cambial le long de la tige. Ainsi, Alteyrac et al. (2005) ont observé que la largeur du cerne varie avec la hauteur chez l’épinette noire. En effet, le taux de croissance diminuerait de la base vers le haut de la tige (Figure 1.3a). À l’opposé, la masse volumique des cernes augmenterait avec la hauteur, mais cette variation serait plus importante dans le bois juvénile que dans le bois mature (Figure 1.3b). Ainsi, le bois juvénile vers le haut de la tige montrerait plus d’attributs de maturité que le bois juvénile à la base. En plus, la variation du profil radial à des hauteurs plus élevées est plus faible, indiquant des propriétés plus homogènes vers le haut de la tige. Ces chercheurs ont constaté aussi que la transition entre le bois juvénile et le bois mature arriverait plus tôt à des hauteurs plus élevées dans le fût de l’arbre. Ainsi, à 7,8 m le fût produirait du bois mature avec une masse volumique de cerne plus élevée et des cernes plus étroits qu’à 2,4 et à 5,1 m (Figure 1.3). Un comportement semblable a été trouvé pour le pin gris. Park et al. (2009) ont observé que la masse volumique des cernes
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augmenterait avec la hauteur pour le bois juvénile, mais diminuerait pour le bois mature. Par contre, la largeur du cerne diminuerait avec la hauteur pour le bois juvénile et le bois mature.
Figure 1.2 Aire du cerne (a) et la masse volumique maximale du cerne (b) par rapport à l’âge cambial à différentes hauteurs de la tige d’épinette noire (adapté d’Alteyrac et al. 2005).
Figure 1.3 La largeur du cerne (a) et la masse volumique des cernes (b) par rapport à l’âge cambial à différentes hauteurs de la tige d’épinette noire (adapté d’Alteyrac et al. 2005).
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Xiang et al. (2014) ont également rapporté que la masse volumique du bois d’épinette noire a tendance à augmenter avec la hauteur dans la tige jusqu'à un âge cambial d'environ 45 ans, ce qui est en accord avec les conclusions d’Alteyrac et al. (2005). À cet égard, il a été suggéré que cela serait dû au vieillissement physiologique du cambium, de sorte que le bois juvénile formé plus haut dans la tige a des traits plus matures que le bois juvénile formé plus bas dans la tige. Cependant, au-delà du cerne 45 la tendance a été inversée (Figure 1.4). Ainsi, après un certain âge la masse volumique des cernes commencerait à diminuer avec la hauteur. Des études plus approfondies, faites notamment dans un intervalle d’âge plus large, seraient nécessaires afin de bien comprendre les facteurs qui déterminent la variation de la masse volumique du bois avec la hauteur le long de la tige.
Figure 1.4 Profil de la variation radiale de la masse volumique des cernes à différentes hauteurs dans la tige d’un arbre dominant. Les lignes représentent les moyennes prédites à des hauteurs successives des disques (M1 –M6) de la base vers le haut de la tige (adapté de Xiang et al. 2014).
Une autre façon d’étudier la variation axiale des propriétés du bois serait d’analyser les cernes par l’année calendrier, c’est-à-dire de l’écorce vers la moelle. Ces résultats seraient plus intéressants du point de vue des études sur la formation des copeaux avec une équarrisseuse-fragmenteuse, étant donné que les copeaux sont produits seulement avec la partie externe des billes. Jyske et al. (2008) ont mené une étude sur l’épinette de Norvège en utilisant cette approche. La masse volumique des cernes diminua suivant la hauteur, ce qui a été relié à
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l'augmentation de la largeur des cernes et à la diminution de la proportion de bois final le long de la tige, sur une période d’années calendrier donnée. Ils ont attribué ce comportement à la plus grande quantité de bois juvénile vers le haut de la tige par rapport au bas de la tige.
1.1.3 Nœuds
Les nœuds sont définis comme l’attachement interne des branches à la tige. Ils sont donc directement liés à la branchaison et par conséquent aux conditions de croissance de l’arbre. Puisque les conditions de croissance d'un arbre peuvent être manipulées par les pratiques sylvicoles, tel que l’éclaircie, ce type d'intervention aurait donc un impact sur la taille et la distribution des nœuds (Lemieux et al. 2001, Beaulieu et al. 2011).
À une certaine distance de la cime vivante de l’arbre, les branches appartiennent à la partie où l'interférence mutuelle entre les arbres produit de l'ombrage et du stress. Plus bas, les branches appartiennent à la partie où l'exposition au soleil est très restreinte de sorte que leur croissance est presque arrêtée. Finalement, près du sol les branches sont généralement mortes (Colin et Houllier 1991). Selon Moberg (2000), la compétition entre les arbres se traduirait généralement par un diamètre maximal des branches situées légèrement plus haut que la base de la cime vivante. Il existe certains paramètres qui caractérisent la branchaison, notamment : le diamètre des branches, leur angle d’insertion au tronc, leur statut (vivant, mort), leur fréquence et leur orientation autour et le long du tronc.
Une branche origine de la moelle et pousse vers le haut avec un relativement petit angle d'inclinaison jusqu'à ce qu'elle atteigne son plus grand diamètre. À ce stade, la croissance en diamètre de la branche ralentit puis arrête ; par la suite, la branche meurt. Le nœud résultant devient plus horizontal ou se dirige vers le bas sous l'influence de la gravité. La taille des nœuds et leur distribution dans un arbre seraient donc déterminées par la croissance des branches et sa mortalité dans le temps, ce qui dépend de la structure du houppier, de la récession de la cime vivante et de l'auto-élagage (Tong et al. 2013). De la même manière, les nœuds ont leur origine à la moelle de l’arbre et leur diamètre augmente progressivement avec la distance radiale atteignant son diamètre maximal au moment où la branche meurt (Figure 1.5)
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Figure 1.5 Représentation tridimensionnel du nœud. D : diamètre du nœud, α : angle azimut du nœud, β : angle d’inclinaison du nœud et L : longueur du nœud (adapté de Tong et al. 2013).
Si l’on compare à d'autres conifères boréaux, l'épinette noire est une espèce tolérante à l’ombre, de faible diamètre du tronc, qui possède plutôt de nombreuses petites branches bien distribuées le long du tronc, et souvent présentes jusqu’à sa base. Le pin gris est par ailleurs une espèce intolérante à l’ombre avec des branches généralement plus grosses qui s’élaguent assez rapidement. La Figure 1.6 illustré très bien les différences de taille et de distribution des nœuds entre ces deux essences résineuses.
Les nœuds ont un impact négatif sur la qualité du bois (Jozsa et Middleton 1994, Duchesne 2006, Zhang et al. 2006). La grosseur des nœuds affecte grandement la résistance mécanique du bois. La présence des nœuds et la déviation du fil autour d’eux serait à l’origine des défauts d’usinage tels que le fil arraché. Les nœuds affectent aussi négativement les qualités esthétiques et les propriétés d’usinage du bois. Par conséquent, la valeur des produits de sciage diminue en relation aux caractéristiques des nœuds.
Actuellement, en Amérique du nord, les méthodes de classification visuelle du bois d’œuvre sont fortement utilisées. La fréquence, la taille et la distribution des nœuds sont parmi les paramètres les plus importants à être considérés lors d’évaluations visuelles. Les dimensions critiques des nœuds varient avec la dimension de la pièce et avec leur position dans la section de la pièce (Jozsa et Middleton 1994). Un des principaux défauts affectant la qualité du bois du pin gris serait la taille de ses branches, où les nœuds ont été signalés comme la deuxième raison principal du déclassement du bois d’œuvre (Zhang et al. 2006).
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Figure 1.6 Visualisation de la distribution des nœuds des billes de 2,5 m situées à la base de la tige pour (A) le pin gris et (B) l’épinette noire (adapté de Duchateau et al. 2014).
Les nœuds représentent aussi un problème pour les industries des pâtes à papier. Les nœuds sont composés principalement de bois de compression. Les fibres du bois de compression ont une teneur en lignine plus élevée que les fibres du bois normal et il y a de grandes différences également dans la structure de la paroi cellulaire. Il est donc prévisible que les nœuds vont influencer le raffinage et ainsi affecter la qualité de la pâte. La présence des nœuds, même en petite quantité dégraderait significativement les propriétés de la pâte. La qualité de la pâte pourrait être améliorée en enlevant les nœuds du processus. Cependant, le bénéfice obtenu en qualité de pâte ne serait pas assez important pour le faire (Sahlberg 1995).
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Du point de vue de la qualité des produits du bois, les connaissances concernant la structure interne des nœuds dans la tige s’avèrent donc très importantes pour la prise des décisions relatives à l'utilisation du bois.
Pour l’épinette blanche, le diamètre du nœud augmenterait avec la hauteur au-dessus du sol pour le premier tiers de la tige en dessous de la cime vivante (le plus proche du sol). Le diamètre se stabiliserait dans le deuxième tiers de la tige. Si l’on définit le diamètre du nœud comme le diamètre au moment de la mortalité des branches, celui-ci ne changera plus avec le temps en dessous de la cime vivante (Moberg 2000). Le diamètre du nœud a été trouvé légèrement supérieur dans le tiers supérieur de la tige en dessous de la cime vivante (plus proche de la base de houppier) que dans le reste de la tige. Ceci suggère que les branches de l'épinette blanche sont plus larges autour de la base de la cime vivante (Tong et al. 2013). Un comportement similaire a été rapporté également pour l’épinette noire (Lemieux et al. 2001). Ainsi, la forme du nœud varierait selon sa position dans la tige. La Figure 1.7 montre les formes schématiques et la disposition d'un nœud ramicorne (Nœud 1) et des quatre nœuds typiques dans une tige d’épinette blanche (Tong et al. 2013). De plus, la section transversale du nœud de l’épinette noire montrerait une certaine ovalisation. Le diamètre vertical serait 10 à 15% plus grande que le diamètre horizontal (Duchateau et al. 2014).
Figure 1.7 Formes schématiques et disposition des nœuds chez l’épinette blanche (adapté de Tong et al. 2013).
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1.1.4 Masse volumique basale et propriétés mécaniques
La masse volumique est déterminée par la combinaison de plusieurs caractéristiques du bois tels que, la taille des cellules et l'épaisseur de la paroi cellulaire, le rapport entre le bois initial et le bois final, la quantité de cellules de rayons, la taille et la quantité des éléments vasculaires (s’il y en a), et d'autres facteurs. La masse volumique basale détermine en grande partie la valeur et l'utilité du bois et parfois elle masque l'importance des autres propriétés du bois.
La masse volumique va souvent être utilisée pour aider à évaluer le type de produit final qui sera produit. Par exemple, dans la fabrication de la pâte à papier, le fait qu'une unité de volume de bois plus lourde produise plus de pâte que le même volume de bois mais à faible masse volumique affectera l'efficacité dans le traitement de la matière première. (Zobel et van Buijtenen 1989).
La masse volumique des cernes et ses composants vont affecter directement la masse volumique basale. Ainsi, le travail de Saranpää (2003) sur l’épinette de Norvège montre également une corrélation négative entre le taux de croissance et la masse volumique basale du bois juvénile et du bois mature. Les cernes plus larges et de masse volumique plus basse sont associés au bois juvénile à proximité de la moelle et des cernes plus étroits et de masse volumique plus élevée sont typiques pour le bois mature vers l’écorce.
Une étude globale sur la variation de la masse volumique du bois avec la hauteur de l’arbre sur trois espèces résineuses de l’Amérique du nord a été réalisée par Heger (1974). Il a mesuré la masse volumique basale sur des disques obtenus tout le long des arbres. La Figure 1.8 montre le comportement de l’épinette noire, en forme d’une parabole symétrique ouverte vers le haut. Ainsi, la masse volumique était plus élevée en bas de l’arbre pour ensuite diminuer à sa valeur plus basse au milieu de l’arbre et finalement remonter graduellement vers la cime de l’arbre. La Figure 1.9 montre le comportement pour le pin tordu. La masse volumique dessine une courbe plutôt en forme de parabole asymétrique. De plus, il présente une variation de masse volumique beaucoup plus importante que l’épinette noire. La masse volumique était à sa valeur la plus élevée en bas de l’arbre pour ensuite descendre
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progressivement jusqu’à atteindre sa valeur la plus basse à 0,7 de la hauteur totale de l’arbre, et finalement remonter très doucement vers la cime.
Figure 1.8 Relation de la masse volumique basale du disque et la hauteur relative du disque dans l’arbre pour l’épinette noire (adapté de Heger 1974).
Figure 1.9 Relation de la masse volumique basale du disque et la hauteur relative du disque dans l’arbre pour le pin tordu (adapté de Heger 1974).
Les propriétés mécaniques du bois sont sollicitées aussitôt qu’une force est appliquée sur une pièce de bois. Parmi les propriétés mécaniques du bois, il y en a quatre qui ont fait partie de cette étude, soit : la rigidité ou le module d’élasticité (MOE) et la résistance à la flexion ou le module de rupture (MOR) en flexion statique, le cisaillement et le fendillement suivant le
Masse volumi
que du b
ois
(kg/m
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Hauteur totale (proportionnelle) Hauteur totale (proportionnelle)
Masse volumi
que du b
ois
(kg/m
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plan de rupture radial-longitudinal. Ces propriétés seraient dans un certain degré impliquées dans le mécanisme de formation des copeaux.
Selon Wangaard (1950), le MOE exprime la rigidité du bois, c’est-à-dire, la capacité de résister à la déformation induite par une charge appliquée seulement jusqu'à la limite proportionnelle. Ce paramètre est obtenu à partir du rapport contrainte/déformation et par la dérivation des valeurs obtenues des essais de flexion statique. Le MOR est exprimé comme la contrainte appliquée à la rupture divisée par l’unité de surface. Ce paramètre est calculé comme la contrainte maximale des fibres du côté supérieur et du côté inférieur. Ils sont des indicateurs très importants pour la qualité des produits du bois, principalement pour le bois d’œuvre.
La résistance au cisaillement exprime l’habilité du bois à résister aux forces qui ont une tendance à faire glisser une partie de la pièce sur une autre partie adjacente à ce même matériau. Les forces qui produisent le cisaillement sont classifiées selon la direction de sollicitation, soit : cisaillement parallèle (longitudinal) au fil, cisaillement perpendiculaire (transversal) au fil et cisaillement oblique au fil. Le fendillement décrit l’action qui fendille le bois suivant le fil dans une direction radiale ou tangentielle. C’est la résistance que le bois offre au fendage. (Wangaard 1950).
Les propriétés mécaniques des arbres individuels en relation aux caractéristiques de l'arbre ont fait l’objet d’étude de plusieurs chercheurs afin d’estimer la qualité des produits du bois à partir des données d'inventaire forestier. Le MOE et le MOR sont parmi les plus étudiés puisqu’ils sont étroitement reliés à la qualité du bois d’œuvre (Lei et al 2005, Zhang et al. 2006, Liu et al. 2007, Schneider et al. 2008, Tong et al. 2009, Vincent et Duchesne 2014). Liu et al. (2007) ont rapporté que la masse volumique, le diamètre à la hauteur de poitrine, et la longueur de la cime vivante étaient les meilleurs prédicteurs du MOE pour l’épinette noire. Pour le pin gris, Vincent et Duchesne (2014) ont constaté que la distance à la moelle, la hauteur de l'arbre, le diamètre à hauteur de la poitrine et l’espacement entre arbres expliquaient adéquatement jusqu’à 51% du MOE.
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Dans une structure de peuplement donnée (régulière ou irrégulière), bien que la largeur des cernes était négativement corrélée avec les propriétés mécaniques son effet global était faible (Torquato et al. 2014). Liu et al. (2007) ont également constaté que la rigidité de l'épinette noire était négativement corrélée avec le taux de croissance. En général, la tendance radiale observée sur les propriétés mécaniques était très similaire pour l’épinette noire (Alteyrac et al. 2006b, Torquato et al. 2014) et le pin gris (Schneider et al. 2008), où les valeurs ont tendance à augmenter rapidement dans les premiers 30 à 50 cernes annuels avant de se stabiliser en se rapprochant de l’écorce (Figure 1.10).
Figure 1.10 Module d’élasticité (MOE) et module de rupture (MOR) en fonction de l’âge cambial de l’épinette noire (adapté de Torquato et al. 2014).
Alteyrac et al. (2006b) ont étudié les relations entre le module d’élasticité (MOE) et le module de rupture (MOR) et la masse volumique des cernes, la largeur du cerne et l’angle des microfibrilles. L’angle de microfibrilles était le seul bon indice du MOE avec une forte corrélation négative. Pour le cas du MOR, les meilleurs indices seraient l’angle de microfibrilles et la masse volumique des cernes. Ainsi, la masse volumique des cernes serait un meilleur indice de la résistance que de la rigidité du bois. L’augmentation des propriétés en flexion statique avec l’âge cambial serait attribuée à une diminution de l’angle des microfibrilles et à une augmentation de la masse volumique (Schneider et al. 2008).
La variation intra-arbre des propriétés mécaniques est en grande partie le résultat des modifications ayant lieu au niveau de la microstructure du bois, soit par exemple les
Âge cambial (ans)
Peuplement — régulier - - - irrégulier
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changements des dimensions des trachéides, l'épaisseur de la paroi cellulaire et l'angle des microfibrilles au cours de la vie de l'arbre (Alteyrac et al. 2006b, Torquato et al. 2014).
1.1.5 L’éclaircie et son influence sur la qualité du bois
L’éclaircie est une pratique sylvicole qui consiste à supprimer un certain nombre d'arbres dans une parcelle au profit de ceux laissés en place. Cela permet de contrôler la concurrence des ressources et de favoriser le développement du peuplement. L'éclaircie commerciale est une pratique où au moins une partie des arbres enlevés est commercialisable, indépendamment si l'opération individuelle se traduit par un profit net ou pas (Smith et al. 1997). En général, le but de l'éclaircie commerciale conventionnelle est d'augmenter le diamètre des arbres résiduels. Pour atteindre cet objectif, l'éclaircie commerciale doit être effectuée dans des peuplements immatures où les arbres résiduels sont assez vigoureux pour avoir une bonne réponse de croissance en rapport avec l'espace libéré par le traitement (Nyland 2002). Les arbres d’espèces indésirables (s’il y en a) et/ou de moins bonne qualité, endommagés, ou arbres malades sont généralement enlevés étant donné que l'éclaircie vise également à améliorer la qualité du peuplement pour la production de bois.
Le pin gris et l'épinette noire ont des caractéristiques écologiques différentes, ce qui peut influencer leur réponse à l'éclaircie commerciale. Le pin gris est une espèce pionnière, de croissance rapide et relativement intolérante à l’ombre, tandis que l'épinette noire apparaît un peu plus tard dans la succession et elle est plus tolérante à l'ombre (Zhang et Koubaa 2009). La croissance et productivité intrinsèquement inférieure de l'épinette noire peut rendre cette espèce moins adaptée pour l’investissement dans les pratiques sylvicoles en comparaison au pin gris. En effet, le pin gris montrerait une plus grande augmentation du volume de la tige que l'épinette noire en réponse à l’éclaircie et pourrait offrir de meilleures possibilités pour les pratiques sylvicoles (Goudiaby et al. 2012).
La croissance absolue après l’éclaircie est généralement plus élevée pour les arbres plus grands et vigoureux que pour les arbres plus petits et moins vigoureux en supposant que l'éclaircie est suffisante pour améliorer les conditions de croissance des arbres plus grands (Mäkinen et Isomäki 2004 b, d). La croissance absolue après l'éclaircie est également plus élevée pour les jeunes arbres que pour les arbres plus âgés (Nyland 2002). Les conifères
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peuvent augmenter la croissance en diamètre en réponse à l'éclaircie commerciale sur une large tranche d'âge. Bien que les arbres plus âgés puissent répondre à l’éclaircie de façon similaire à des arbres plus jeunes, les vieux arbres ne peuvent pas utiliser l'espace et les ressources de façon aussi efficace (Smith et al. 1997). En outre, l'amélioration de la croissance radiale du pin gris après l'éclaircie sera significativement influencée par la qualité du site (Kasraoui 2011) ce qui n’était pas le cas pour l’épinette noire (Ourais 2012). L’effet de l’intensité de l’éclaircie variera également entre les espèces. Pour les arbres d’épinette de Norvège et du pin sylvestre d’une taille et âge donnés, la croissance en diamètre après l’éclaircie augmenterait avec l'intensité de ce traitement (Mäkinen et Isomäki 2004 a, b, c, d). Néanmoins, une éclaircie forte n’améliorerait pas significativement la croissance radiale par rapport à une éclaircie modérée (Kasraoui 2011). L'effet de l'éclaircie variera aussi d'une année à l'autre (Barbour et al. 1994, Jaakkola et al. 2005, Vincent et al. 2009, Ourais 2012) principalement en raison de la variation des conditions environnementales, telles que la température et les précipitations.
L'éclaircie commerciale pourrait avoir un impact négatif sur la qualité intrinsèque du bois. Elle ralentit ou arrête la récession de la cime vivante et peut ainsi conduire à une augmentation du défilement de la tige (Mäkinen et Isomäki 2004 b, d). Des différences ont été observées dans l’accroissement en volume des tiges du pin gris et de l’épinette noire. Pour le premier, l’accroissement a commencé à la base de la tige et s’est propagé vers le haut indiquant que le défilement était susceptible d’augmenter à la suite de l’éclaircie et pour le deuxième, l’accroissement a été plutôt constant tout au long de la tige, ce qui n’a pas beaucoup modifié son défilement (Goudiaby et al. 2012).
Lorsque l’éclaircie est effectuée avant la fermeture de couvert, les arbres d’épinette de Sitka de plantations conserveraient leurs cimes vivantes pour plus longtemps. Par conséquent, les effets sur la qualité du bois sont semblables à ceux décrits pour une plantation à grand espacement initial, c’est-à-dire la production de grands nœuds, d’un cœur juvénile plus large et d’un défilement plus prononcé. À l’opposé, si l’éclaircie est effectuée après la fermeture du couvert, la suppression des branches en bas de la tige aurait alors déjà débuté, et donc les branches qui profiteraient de l'espace supplémentaire seront dans la cime vivante (Macdonald et Hubert 2002).
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La fréquence des nœuds, la taille et l'emplacement le long et autour de la tige sont déterminés à la fois par la cime vivante et par la dynamique de la branche. Le développement des branches plus persistantes et de plus grand diamètre et donc de plus grands nœuds peut être relié à l’éclaircie (Smith et al.1997). Le bois produit à partir des arbres d'un peuplement éclairci aurait des nœuds de diamètre supérieur et des propriétés mécaniques donc inférieures à celles du bois produit avec des arbres d’un peuplement plus dense (Tong et Zhang 2005). La masse volumique des cernes ne semblerait pas fortement influencée par l'augmentation de la croissance en diamètre provoquée par l'éclaircie commerciale (Jaakkola et al. 2005, 2006, Schneider et al. 2008, Tong et al. 2011, Ourais 2012). Barbour et al. (1994) ont trouvé une diminution de la masse volumique du pin gris après l’éclaircie, bien que sa valeur était dans la gamme observée pour cette espèce. La masse volumique du bois peut être réduite si l'éclaircie favorise l’augmentation de la proportion du bois initial par rapport au bois final (Barbour et al. 1994, Jaakkola et al. 2005, Tong et al. 2011). De plus l’effet de l’éclaircie sur la masse volumique pourrait être relié au statut de l’arbre dans le peuplement (dominant, co-dominant ou dominé) (Ikonen et al. 2008). Ainsi, l'emplacement d'un arbre individuel dans le peuplement a probablement été affecté par la concurrence inter-arbre déjà existante avant le début du traitement (Jaakkola et al 2005).
Tous les effets potentiellement négatifs de l'éclaircie sur la forme du tronc sont souvent considérés comme compensés par la possibilité d'amélioration des peuplements dans lesquels les arbres mal formés ou arbres endommagés peuvent être enlevés de manière sélective (Smith et al. 1997). De même, l’influence mineure ou même modérée sur la qualité du bois peut être considérée compensée par l'augmentation du taux de croissance (Jaakkola et al. 2005, Zhang et al. 2006, Tong et al. 2011, Vincent et al. 2011).
1.2 Qualité des copeaux
En 2011, l'industrie forestière représentait environ 23,7 milliards de dollars dans l'économie canadienne, dont 8,5 milliards de dollars ont été générés par l'industrie des pâtes et papiers (RNCAN 2011). La contribution de la province de Québec à cette industrie représente 2,8 milliards de dollars (33%). Les scieries sont le principal fournisseur de la matière première pour l'industrie des pâtes et papiers (62,6%) (MRNF 2013), en fournissant 73,7%