LE BOIS MATIÈRE PREMIÈRE RENOUVELABLE 1.1. LA PLACE DU...

Chapitre 1: Le bois matière première renouvelable

CHAPITRE 1

LE BOIS MATIÈRE PREMIÈRE RENOUVELABLE

1.1. LA PLACE DU BOIS DANS NOTRE UNIVERS 1.1.1. Un peu d'histoire ou de préhistoire

Le matériau bois est la masse ligneuse compacte qui constitue l'essentiel du tronc de l'arbre. Il est aisé de se convaincre que sans cette invention de l'Éternel, l'homme à travers les siècles de son évolution aurait suivi des chemins autres, difficilement imaginables.

Dans une délicieuse présentation intitulée "Pourquoi le Bois ?" P.R.

GENDRON propose "que la première utilisation ait été faite par "Homo Sapiens" pour se chauffer, déjà la notion de bois énergie.

Sans ouvrir une controverse, il n'est pas impossible que le bois, le bâton,

comme instrument soit en fait une utilisation antérieure. Pourquoi "Homo Erectus" ferait-il moins bien que le chimpanzé observé par M. L. MUNN.

Très tôt l'homme transforme le bois matériau, élabore des structures pour

son habitat et son mobilier. Quant à l'architecture navale, cela remonte au moins au déluge ! On reconnaîtra que pour le choix des essences, les techniques de préservation, et en matière de dimensionnement des structures, Noé et ses fils ont bénéficié de conseils divins : "Fais-toi une arche de bois résineux, tu la feras composée de cellules et tu l'enduiras de bitume, en dedans et en dehors. Voici comment tu la feras : la longueur de l'arche sera de trois cents coudées, sa largeur de cent cinquante, et sa hauteur de trente" (La Genèse - 6 - 14 et 15).

Au début de notre ère les Chinois inventent le papier à base de pulpe de bois. MARCO POLO en informe l'Occident 13 siècles plus tard et c'est en 1490 qu'est fondée en Angleterre une usine à papier. Il sera dit plus loin la part de cette utilisation du bois dans le monde moderne.

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Rhéologie et Mécanique du bois

Tableau n°1.1 : Zones de production de grumes en France.

Régions possédant plus de 5% de la superficie totale des bois et forêts de plus de 0,5 ha

Régions réalisant plus de 4,5% de la production française de bois ronds (bois auto consommé exclu)

(données extraites des mémentos éditiés par l’AFOCEL)

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Hier, Clément ADER, Louis BLERIOT réalisent le rêve d'ICARE par la conquête du plus lourd que l'air. Les trente premières années de l'aviation résultent d'une haute maîtrise technologique du matériau bois.

Et, aujourd'hui, quel est le devenir de ce matériau ? La suite de l'ouvrage devrait dévoiler les belles et importantes perspectives qui s'ouvrent à ce matériau. Il devient nécessaire de convaincre et particulièrement en France. 1.1.2. Importance de la ressource dans le monde. Nous conviendrons que "l'arbre" est une plante ligneuse dont le diamètre du tronc dépasse 20 cm à hauteur d'homme. Lorsqu'un biotope s'est développé sous un certain climat, par interaction du sol, de la flore et de la faune pour donner une population dominante d'arbres, on parlera de "forêt". On estime que 29% de la surface des terres de la planète est occupée par des forêts, soit un peu moins de 4 milliards d'hectares. Près de 2 milliards d'hectares, soit la moitié de la couverture forestière du monde, sont distribués de part et d'autre de l'équateur sous forme de forêts dites "tropicales" dans lesquelles le rythme de croissance de la végétation est orchestré par l'alternance de saisons des pluies et de saisons sèches. Les arbres feuillus (Angiospermes dicotylédones) y dominent et produisent les bois tropicaux qui font l'objet d'importants échanges commerciaux internationaux.

Au-delà des tropiques, se développent les forêts des régions dites

"tempérées", qui produisent des bois dont la croissance saisonnière est caractérisée par l'apparition, dans le cerne annuel, d'une alternance plus marquée du bois initial (printemps) et du bois final (été) et par un arrêt de végétation hivernal. Lorsque augmentent la latitude et/ou l'altitude, les arbres résineux (gymnospermes conifères) se substituent progressivement aux feuillus.

On évalue la récolte annuelle mondiale du bois à quelques 3 milliards de m3

de bois rond, (soit 0,75 m3 à l'hectare), 46 % de cette matière ligneuse est utilisée comme source d'énergie. Il s'agit de bois de feu, commercialisé ou non.

Chaque année, ce sont quelques 1,6 milliards de m3 de bois, soit 54 % de la

récolte estimée, qui font l'objet d'une transformation industrielle et d'une commercialisation internationale pour une grande part.

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Tableau n°1.2: Volumes moyens récoltés par catégories de produits (ordres de grandeurs, source Mémento AFOCEL)

BOIS D'ŒUVRE Feuillus

Volume en 103 m3

% récolte

Chêne 3,9 13,0 Hêtre 2,0 6,6 Peuplier 1,7 5,8 Autres feuillus 1,1 3,6

Conifères

Sapin épicéa 4,5 15,0 Pin maritime 3,5 11,6 Pin sylvestre et autres conifères

2,2 7,4

Total bois d'œuvre

18,9

63,0

BOIS D'INDUSTRIE

Trituration : Feuillus 5,4 18,1 Conifères 3,0 9,9

Autres bois d'industries :

Bois de mines - Poteaux - Bois pour extraits

1,4 4,7

Total bois d'industrie

9,8

32,0

BOIS DE FEU commercialisé

1,2

4,0

TOTAL GENERAL

29,9

100,0

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1.1.3. Ressources et récolte en France

La couverture sylvicole représente quelques 14 des 55 millions d'hectares du territoire métropolitain français, soit de l'ordre de 25%. Cet ordre de grandeur résulte d'une extrapolation de l'état d'avancement de l'inventaire forestier national.

La composition est sensiblement de 2/3 de feuillus et 1/3 de résineux. La

ressource sur pied est évaluée à 1 360 Mm3 (millions notés M, s'agissant de ressource ou de récolte les m3 sont des équivalents bois ronds (e-b-r)). Le caractère renouvelable de la production de matière ligneuse est traduit par une estimation des accroissements annuels de 46,4 Mm3 qui se répartissent en un accroissement de 25,6 Mm3 pour les feuillus et de 20,8 Mm3 pour les résineux.

En regard de la ressource et de son accroissement, considérons la récolte. La récolte annuelle voisine de 30 Mm3 est distribuée sensiblement à part

égale entre feuillus et résineux. La répartition en volume par catégories de produits est en moyenne :

- bois d'œuvre 63% - bois d'industrie 33% - bois de feu (commercialisé 4%).

Les tableaux 1.1 et 1.2. indiquent le volume des principales essences indigènes exploitées et précisent les plus importantes régions productrices françaises. 1.1.4. Utilisation industrielle du bois en France

Il est d'usage de distinguer plusieurs étapes dans la filière d'exploitation de la matière ligneuse. La première transformation du bois peut schématiquement être centrée sur les activités industrielles suivantes :

. pour le bois d'œuvre : sciage, déroulage, tranchage et panneaux contreplaqués . pour le bois de trituration : pâtes de bois, panneaux de particules et panneaux de fibres.

Les parts relatives de production et de consommation de matière première pour ces différentes activités sont illustrées dans le tableau 1.3.

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Tableau n°1.3: Production et consommation de matière première pour la première transformation en France (1992)(AFOCEL)

Production : volume en 106 m3 ou tonnage en 106 t

Consommation 106 m 3 (e.b.r.)

Sciages Déroulages tranchages Contreplaqué Total bois d'œuvre

10,8 0, 82

0,12

11,9

19,6 1,65

0,25

21,5 Pâtes de bois Panneaux de particules Panneaux de fibres Total bois de trituration

1, 9 1,7

0,36

-

7,5 2,3

0,7

10,5

(e.b.r.) : équivalent bois rond Tableau n°1.4: Répartition des entreprises et effectifs

Nombre d'entreprises

Effectif 103 emplois

Production (103m3)

Exploitation forestière 9 000 40 28 Scierie 6 000 10,3 Travail mécanique du bois

1 800 110 20,5

Ameublement 1 600 78 4,0 Fabrication pâtes papiers et cartons

129 49 17,3

Transformation des papiers et carton

958 85 5,3

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Les activités de seconde transformation concernent : la production de papiers et cartons, le bois dans le bâtiment, les travaux divers du bois (emballage, menuiseries, etc.) l'ameublement.

Sans entrer dans certains détails d'économie de la filière bois française, qui relèvent d'une autre compétence, il convient cependant de signaler certaines anomalies du flux matière.

Par le jeu de la récolte, des récupérations des chutes de première

transformation, des vieux papiers et le bilan de commerce extérieur, la consommation apparente de matière première est de 50 Mm3 de bois rond. Les importations de matière ligneuse excèdent les exportations de 10 Mm3 et contribuent à un déficit de la balance commerciale de la filière bois.

Près du tiers du bois d'œuvre feuillu récolté en France est exporté sous la

forme de grumes ou sciages, tandis que sont importés des grumes ou des sciages tropicaux, ainsi que des produits finis dérivés de bois d'œuvre feuillu tempéré. On constate une non adéquation de la consommation industrielle à la ressource.

Si les bois d'œuvre résineux nationaux couvrent les besoins à 90%, par

contre les bois résineux de trituration sont nettement insuffisants et 75% des besoins sont couverts par des importations.

Figure n°1.2 - Schéma d'un arbre illustrant la Patte,

le Tronc et le Houppier

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NB: Le lecteur se gardera de toute interprétation psychanalytique de ce dessin d'arbre, réalisé comme bien d'autres dans cet ouvrage par un jeune collaborateur de l'auteur qui est ici remercié.

Figure n°1.3 : Section droite visible ici sur un quartier de billon

Figure n°1.4 : Illustration des plans de coupe d'observation du plan ligneux

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1.2. GENERALITES SUR LA MATIERE LIGNEUSE

Pour satisfaire à l'objectif principal de cet ouvrage qui est une bonne compréhension du comportement mécanique du matériau bois, il est indispensable de dégager certaines données de bases, relatives aux propriétés anatomiques et physico-chimiques de la matière ligneuse. On s'attachera à l'adoption d'un vocabulaire (en italique), en se limitant volontairement aux notions essentielles.

D'autre part, on s'accordera, à l'occasion, une interprétation mécanicienne

de certaines de ces propriétés, lesquelles seront reprises dans un chapitre ultérieur où elles feront l'objet de modélisations micro-mécaniques permettant une interprétation explicative des comportements mécaniques observables. Pour ces raisons, certains ordres de grandeurs utiles par la suite seront indiqués dans le texte, le plus souvent entre parenthèses. 1.2.1. Structure anatomique du matériau bois

L'arbre comprend des racines (patte), une tige (tronc), des branches et leur feuillage (houppier) (figure n°1.1). Le bois est le matériau dur et rigide qui constitue l'essentiel du tronc, des branches et des racines. La grume est le cylindre de matière obtenu après abattage et élimination par tronçonnage des racines et du houppier.

Le schéma de la figure n°1.2 illustre une section transversale de la grume et

permet de préciser: - une première enveloppe protectrice, l'écorce externe (rhytidome) est

constituée de cellules mortes, - l'écorce interne (liber) qui conduit la sève élaborée, - l'assise génératrice ou cambium, invisible à l'œil nu qui produit vers

l'extérieur le liber et les cellules de bois vers l'intérieur, - le bois proprement (xylème) se présente sous forme de couches

concentriques qui correspondent aux accroissements saisonniers (cernes annuels de croissance) parfois difficiles à distinguer sur certaines essences tropicales.

Le bois d'aubier occupe les couches externes, il est constitué de cellules

conductrices de la sève brute. Le bois de cœur (duramen) occupe l'intérieur de la grume. Les cellules qui le constituent ne contribuent plus à la circulation de la sève ; c'est le matériau de soutien de la structure mécanique que constitue l'arbre.

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Figure n°1.4 : Organisation cellulaire d'un bois résineux a) Trachéide dans le bois initial (de printemps) b) Trachéide dans le bois final (d'été) c) Canal résinifère d) Rayon ligneux e) Rayon ligneux avec canal résinifère f) Ponctuations assurant des passages intercellulaires.

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1 mm

Figure n°1.4.a : Micrographie du plan transversal d'un Pin sylvestre Limite de cerne de croissance, présence de quelques canaux résinifères et rayons ligneux.

1 mm

Figure n° 1.4.b : Micrographie du plan longitudinal radial Pin weymouth. Observer les arrangements longitudinaux des trachéides, les sections radiales de rayons ligneux.

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Figure n° 1.5 : organisation cellulaire d'un bois feuillu

a) fibres b) canaux résinifères c) Rayons d) Ponctuations

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3 mm

Figure n° 1.5.a : Micrographie du plan transversal du chêne, zone poreuse localisée, vaisseaux dans le bois initial, présence de gros rayons

Rayon

4 mm

Figure n° 1.5.b : Microphotographie du plan transversal hêtre, zone poreuse

diffuse dans toute l'épaisseur du cerne, présence de rayons.

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Pour de nombreuses essences, le duramen se distingue de l'aubier par une différence de coloration plus ou moins marquée. Le point de vue du mécanicien (P.V.M.)

A l'échelle d'observation de quelques millimètres, ordre de grandeur de la largeur des cernes de croissance, le matériau bois est un matériau composite naturel, multicouches, constitué d'enveloppes cylindriques coaxiales.

1.2.1.1. Le plan ligneux (structure) Pour une description plus fine du matériau, à l'échelle de quelques dizaines

de micromètres (µm), il est d'usage d'effectuer les observations suivant des plans de coupe privilégiés, définis par la figure n°1.3. Coupe transversale(plan radial tangentiel) : A l'intérieur du cerne de croissance, le plan de coupe transversal révèle les sections droites des cellules ligneuses, orientées sensiblement suivant l'axe du tronc.

La figure n° 1.4 illustre l'organisation cellulaire d'un bois résineux. En début de cerne, le bois initial est constitué de cellules ou trachéides d'un

diamètre de l'ordre de 50 µm, de section droite sensiblement rectangulaire présentant une cavité (lumen) de fort diamètre (45 µm) et des parois peu épaisses (2,5 µm). Le tissu de bois initial est fortement poreux, il assurait un rôle de transfert de la sève brute montante, lorsque le cerne concerné était situé dans l'aubier, au voisinage de l'assise cambiale.

En fin de cerne, le bois final est constitué de cellules d'un diamètre un peu

plus faible (30 µm), à parois plus épaisses (5 µm) et en conséquence ayant un lumen de plus petit diamètre (20 µm). Le tissu de bois final est moins poreux, il assure un rôle de soutien mécanique.

La texture est un paramètre important de qualification de l'hétérogénéité du bois dans le cerne. Elle est donnée par le rapport de la largeur de bois final sur la largeur de cerne, et caractérise le contraste entre zone de bois initial et zone de bois final.

Occasionnellement, les canaux résinifères apparaissent dans le cerne, sous la forme de cavités longitudinales entourées de cellules spécifiques.

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En proportion moins grande, on observe dans un plan de coupe transversal des sections longitudinales d'arrangements cellulaires orientés suivant la direction radiale. Ce sont les rayons ligneux qui peuvent comporter en inclusion des canaux résinifères radiaux.

La figure n°1.5 illustre l'organisation cellulaire d'un bois feuillu .

Des cellules ou fibres de faible diamètre (40 µm) constituent le tissu de

soutien. Elles sont associées d'une part à des tissus de parenchymes ayant un rôle de stockage d'éléments nutritifs et d'autre part à des cellules conductrices de plus fort diamètre (80 à 130 µm) appelées vaisseaux.

Suivant les espèces, les vaisseaux se distribuent différemment dans l'épaisseur du cerne annuel. On parlera de bois à zone initiale poreuse comme le chêne ou le châtaignier, de bois à pores diffus comme le hêtre (figure n°1.5.a et b). Comme dans le cas précédent, des rayons ligneux sont distribués suivant la direction radiale. Coupe tangentielle (plan longitudinal tangentiel):

Le plan de coupe longitudinal tangentiel permet d'observer les sections longitudinales de trachéides et de canaux (chez les résineux) ou de fibres et de vaisseaux (chez les feuillus). On retiendra que les fibres des feuillus ont des longueurs comprises entre 0,8 et 3 mm, alors que celles des trachéides de résineux sont plus longues et comprises entre 2 et 7 mm. Cette caractéristique fait préférer les bois de résineux dans les utilisations papetières.

Des ponctuations sont observables le long des parois intérieures des

cellules, avec des distributions spatiales variées. Ces petits orifices autorisent la circulation de fluides entre cellules contiguës. Les trachéides sont équipées de ponctuations aréolées qui fonctionnent comme des micro valves. Lors du ressuyage, suite à la vidange de la phase liquide contenue dans le lumen, il advient que les torus obstruent définitivement les ponctuations; il en résulte un matériau difficile à imprégner ultérieurement.

Enfin, ce plan d'observation révèle les sections droites des rayons ligneux aux arrangements multiformes (unisériés ou multisériés). Ils assurent la conduction radiale des fluides et peuvent contenir des réserves. La maille désigne les motifs que révèlent les intersections de rayons ligneux sur le plan de coupe

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Figure n°1.6. : Schéma du voisinage d'une cellule (fibre) Illustration télescopique des sous-couches de la paroi cellulaire.

L'épaisseur de la paroi S2 est très largement prépondérante, de l'ordre de 80% de l'épaisseur totale.

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tangentiel. Ces effets sont recherchés du point de vue esthétique (cas des chênes de tranchage). Coupe radiale (plan longitudinal radial):

Le plan de coupe longitudinal radial permet essentiellement l'observation des sections, suivant leur grand axe, des cellules constituant les rayons ligneux, ainsi que les zones de croisement entre ceux-ci et les alignements de cellules disposées longitudinalement. La présence de ponctuations à ce niveau illustre l'intercommunication des voies de transit des fluides. Le point de vue du mécanicien (P.V.M.)

La matière ligneuse contenue dans l'épaisseur du cerne de croissance est assimilable à une structure du type "nid d'abeille", à cellules orientées préférentiellement selon l'axe du tronc. Lorsque la direction longitudinale des fibres s'écartera de façon sensible de celle de l'axe longitudinal de la grume (ou de l'avivé considéré) on parlera d'un défaut de fil. L'angle de fil caractérisera les écarts constatés à l'axe de référence.(on ne confondra pas angle de fil et angle des microfibrilles)

D'une façon générale, le rapport de l'épaisseur de paroi au diamètre du lumen est croissant du bois initial au bois final, occasionnant une non homogénéité densitométrique à l'intérieur du cerne.

L'idée mécanicienne est d'assimiler le cerne de croissance à un bicouche à

fibres unidirectionnelles, superposition de tissus de bois initial et de bois final. Cet empilement bidimensionnel est perturbé par l'existence de tissus de rayons ligneux, orientés perpendiculairement à la surface moyenne du cerne, et qui confère au matériau bois une structure de composite tridimensionnel.

1.2.1.2. La paroi cellulaire (microstructure) A l'échelle du micromètre, en se limitant toujours à l'essentiel, la figure

n°1.6 schématise la structure microscopique de la paroi cellulaire. Les cylindres représentatifs des cellules sont liés par la lamelle mitoyenne (M).

La cellule proprement dite est usuellement décrite comme un petit tuyau dont la paroi est constituée de 4 couches.

P : La paroi primaire de très faible épaisseur (0,1µm) est souvent considérée en association avec la lamelle mitoyenne comme tissu conjonctif entre cellules.

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S : La paroi secondaire S résulte de la superposition de trois couches. Les couches ou parois S1, S2 et S3 différent quant à leur composition chimique. La paroi S2 est la plus épaisse et représente à elle seule 80% de l'épaisseur totale de la paroi cellulaire. Bien entendu, des variations existent entre trachéides des résineux et les

fibres ou vaisseaux des feuillus; toutefois l'organisation générale indiquée ci-dessus est conservée.

Molécule de cellulose

tentative de représentation spatiale selon [MONTIES]

1.2.1.3. Les microfibrilles de la couche S2 (ultra structure) L'échelle d'observation est maintenant celle du nanomètre (nm), on parlera

de l'ultra structure. L'observation au microscope électronique de la couche S2 des juxtapositions de petits rubans, désignés sous le nom de microfibrilles. Les

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microfibrilles forment dans la paroi S2 un arrangement hélicoïdal à large pas, le tout noyé dans une matrice. L'inclinaison des microfibrilles par rapport à l'axe longitudinal de la cellule est caractérisée par l'angle φ des microfibrilles. Cet angle des microfibrilles illustré sur la figure n° 1.6 est, comme nous le verrons plus loin, l'un des paramètres fondamentaux qui conditionnent la rigidité de la paroi cellulaire. P.V.M. : Dans la mesure où les microfibrilles constituent des éléments de renforcement mécanique du composite bois au niveau de la paroi cellulaire, l'angle des microfibrilles permettra de différencier et de qualifier, entre autres paramètres, les différents tissus ligneux conduisant à une hétérogénéité macroscopique du comportement mécanique du bois.

Il est possible de distinguer le bois juvénile, créé au début de la croissance

radiale, par rapport celui du bois adulte élaboré beaucoup plus tard au niveau de la même section droite ; de distinguer le bois de compression des résineux ou le bois de tension des feuillus par rapport au bois normal correspondant ; de qualifier le tissu constitutif des rayons ligneux. 1.2.2. Eléments de chimie de la matière ligneuse

On considère ici un bois abattu et séché, de telle sorte que l'on puisse considérer que les substances associées aux cellules vivantes de l'arbre (extractibles) ne sont pas prises en compte (protéines et substances azotées) et que l'eau titrable a été totalement extraite (bois anhydre).

Dans ces conditions, la composition élémentaire de la matière ligneuse est : Carbone C = 50% Oxygène O = 43% Hydrogène H = 6% Azote N = 1%

Les matières minérales telles que calcium, magnésium, carbonates et silice ne représentent guère que 1 à 3% du poids de bois anhydre, que l'on retrouve dans les cendres.

Les constituants du bois sont d'une part des polysaccharides dont on ne retiendra ici que la cellulose et les hémicelluloses et d'autre part des substances polyphénoliques, pour nous la lignine.

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Figure n°1.7 : A l’intérieur de la paroi cellulaire,

de l’échelle moléculaire à la microfibrille Tableau n°1.5. Ordre de grandeur des pourcentages de constituants dans les différentes couches de la paroi cellulaire.

Parois Cellulose %

Hémicelluloses %

Lignine %

lamelle mitoyenne 5 10 85 Paroi primaire 10 15 75 Paroi S1 30 30 40 secondaire S2 50 30 20 S3 50 35 15 Bois feuillus 50 30 20 Bois résineux 50 25 25

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1.2.2.1. La cellulose La cellulose (C6H10O5)n est un homo polymère linéaire, à haut poids

moléculaire. Les longues molécules offrent la possibilité de liaisons hydrogènes intra et intermoléculaires. Il en résulte la formation d'une maille cristalline constitutive des chaînes de cellulose. Les écheveaux de chaînes de cellulose s'organisent longitudinalement en tronçons cristallisés ou cristallites appelés micelles (longueur 500Å, largeur 60 Å, épaisseur 10Å) séparés par des tronçons de chaîne de cellulose amorphe. Les micelles sont associées latéralement pour former les microfibrilles, lesquelles forment à leur tour les longues fibrilles (diamètre = 1000 Å=0,1µm). (c.f. figure n°1.7). Les épaississements spiralés observables sur la paroi interne de certaines cellules sont des indicateurs observables de l'orientation de fibrilles. On notera que la cellulose dans le bois ayant un très fort taux de cristallinité, ce polymère a une relativement faible affinité avec l'eau. Seule la partie amorphe de la cellulose apportera une contribution à l'hygroscopicité globale du matériau bois.

1.2.2.2. Les hémicelluloses Les hémicelluloses sont des polysaccharides à chaînes plus courtes qui

constituent une matrice amorphe autour des microfibrilles. On les trouvera en proportion croissante de la lamelle mitoyenne à la couche S3. Elles possèdent des propriétés hygrophiles et sont susceptibles de gonflements importants à relier à la variabilité dimensionnelle du bois en fonction de variation du taux d'humidité.

1.2.2.3. Les lignines Les lignines sont des polymères complexes principalement phénoliques

dont la structure tridimensionnelle n'est pas exactement connue, mais dont on sait déjà qu'elle n'est pas la même pour les feuillus et les résineux. Elles imprègnent majoritairement la lamelle mitoyenne et la paroi primaire. Les lignines ont une affinité pour l'eau sensiblement plus faible que les hémicelluloses.

Les trois constituants interviennent en proportions variées dans les différentes couches de la paroi cellulaire, comme le précise le tableau n° I.5. P.V.M. : Du fait de la longueur des chaînes de cellulose et des formations localisées de cristallites, les microfibrilles constituent un renforcement filamentaire orienté principalement dans la couche S2. Les microfibrilles sont enrobées par une matrice amorphe d'hémicellulose et de lignine à moindre taux. La liaison intercellulaire, au niveau de la lamelle mitoyenne, est assurée par un ciment de polymères amorphes dans lequel domine la lignine.

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On retiendra que les polymères constitutifs sont des thermoplastiques susceptibles de transitions de comportement mécanique caractérisées par des températures de transition. Les températures de transitions associées sont dépendantes du taux d'humidité local du polymère considéré. Cette dernière remarque trouvera son importance dans l'analyse du comportement différé du matériau bois et des manifestations de la mécanosorption .

1.2.3. Données physiques sur le matériau bois

Le comportement mécanique du matériau bois est très largement conditionné par l'état physique du matériau. Pour un bois de densité (ou masse volumique) donnée, l'indication d'une rigidité, d'une contrainte limite d'élasticité ou d'une charge de rupture, n'aura de sens que si l'on précise le taux d'humidité et la température des conditions d'utilisation.

1.2.3.1. L'eau dans le bois: taux d'humidité Le bois sur pied contient une importante quantité d'eau qui pour partie

circule dans les couches externes de l'aubier; elle est nécessaire à son fonctionnement physiologique. La quantité d'eau est variable suivant les saisons, mais reste en général suffisante pour se trouver stockée à l'état liquide, à l'intérieur des lumens. Sous certaines situations extrêmes de sécheresse, le taux d'humidité à l'intérieur de l'arbre peut tomber à un niveau très faible et avoir des conséquences mécaniques très graves telles que des fentes de sécheresse; on parlera de stress hydriques.

Le bois extrait de la grume, après abattage et transformation, retient une certaine quantité d'eau qui correspond à un état d'équilibre avec les conditions climatiques ambiantes de température et d'humidité relative de l'air. Le bois est comme de nombreux milieux poreux un matériau hygroscopique. Définition et mesure du taux d'humidité d'un bois

Le taux d'humidité d'un bois s'exprime par le pourcentage de la masse d'eau titrable présente dans un éprouvette par rapport à la masse anhydre de l'échantillon. (1.1) H =

o

oH

MM−M

(généralement exprimée en %)

H : taux d'humidité de l'éprouvette MH : masse de l'éprouvette à l'humidité H

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M0 : masse de l'éprouvette anhydre (séchage à 105°C jusqu'à masse constante) Par convention et suivant les prescriptions normalisées (Normes NF: NB

51-004), la masse anhydre est obtenue par un séchage progressif de l'éprouvette jusqu'à 100-105°C, et ceci jusqu'à stabilisation de la masse.

On notera le caractère arbitraire de la définition de l'état anhydre qui est toutefois accepté de façon conventionnelle. Un procédure utilisant une température de référence différente peut conduire à des écarts sensibles liés à la variation des quantités de matières volatiles extractibles.

Le procédé de mesure le plus classique consiste en une double pesée avant

et après le séchage de l'éprouvette. Les procédés métrologiques basés sur les variations de la résistivité du matériau en fonction du taux d'humidité donnent des résultats corrects pour des taux d'humidité compris entre 8 et 25%; ceci avec une incertitude de 1%. En deçà et au-delà de cette plage, les incertitudes sur la mesure deviennent trop grandes.

Il n'existe pas à notre connaissance de moyen autorisant une mesure locale

du taux d'humidité, suffisamment précise, permettant par exemple de dresser une cartographie (tridimensionnelle) du champ d'humidité à l'intérieur d'une pièce de bois massif. Des développement récents de capteurs, basés sur la mesure de l'absorption d'un rayonnement gamma par la pièce de bois, permettent une mesure simultanée de densité et de taux d'humidité. Ces capteurs fonctionnant par transmission, il est possible de dresser une cartographie bidimensionnelle des champs d'humidité (avec intégration suivant l'épaisseur de la pièce). De tels moyens sont progressivement mis en place sur des chaînes de production.[P. MARTIN] L'eau libre

Le taux d'humidité d'un bois vert peut atteindre des valeurs supérieures à 100%. Pour une large part, l'eau dite libre assure le remplissage total ou partiel des vides que présentent les canaux ou vaisseaux, ainsi que les lumens des fibres et des trachéides. Ceci en concurrence avec des matières stockées, la résine par exemple.

La grume ou des avivés de bois vert stockés pendant une longue période dans une atmosphère donnée (température et humidité) vont subir un séchage naturel. Dans une première étape, les cavités de la matière ligneuse perdent une

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partie de l'eau en phase liquide. On parlera du ressuyage. La vidange se produit à l'intérieur des lumens avec déplacement d'un ménisque et développement du

Figure n° 1.7 a : Exemple isotherme de sorption-désorption à 20°C, aubier de Pin maritime

Figure n°1.7 b : Exemple d'isothermes de sorption

en fonction de la température

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volume occupé par la phase vapeur. La pression de vapeur est fonction du rayon des lumens, par effet de tension capillaire. La présence de ponctuations sur les parois joue un rôle primordial dans le transfert massique intercellulaire.

Lorsque le taux d'humidité atteint 25 à 30%, il ne subsiste plus d'eau en

phase liquide dans les cavités cellulaires; cette zone correspond à une valeur critique du taux d'humidité appelée "point de saturation des fibres" (PSF) que nous noterons par la suite HPSF. P.V.M. Au cours du ressuyage, la chute de pression interne est susceptible d'induire un état de contraintes internes par lequel les parois cellulaires sont sollicitées en compression hydrostatique dans le plan transverse. Le flambement possible des parois conduit au phénomène de collapse.. Le collapse se manifeste par d'importants retraits volumiques, qui peuvent être éliminés par un traitement de reconditionnement thermique [KAUMAN]. Les essences les plus sensibles sont celles dont la configuration géométrique des arrangements cellulaires favorise la mise en flexion des parois sous l'effet de sollicitations transverses. C'est la cas de nombreuses essences feuillues, l'Eucalyptus par exemple [SESBOU].

L'eau liée ou Hygroscopique L'eau liée est celle contenue dans le bois au-dessous du point de saturation

des fibres. H< HPSF. Etant donné le séchage naturel évoqué ci-dessus, au bout d'un temps très

long la pièce de bois atteint un taux d'humidité d'équilibre avec les conditions atmosphériques ambiantes de température et de pression.

Les figures n°1.7a et b donnent des exemples d'isothermes de sorption. Elles illustrent les évolutions du taux d'équilibre du bois en fonction de l'humidité relative de l'atmosphère.

A température fixée, on notera l'hystérèses entre les courbes de sorption et de désorption. A humidité relative et température fixées, le taux d'humidité d'équilibre obtenu en séchage sera supérieur à celui atteint au cours d'une reprise.

L'isotherme de sorption relative à la température la plus élevée donne des taux d'humidité d'équilibre plus faibles. Une élévation de température, même en atmosphère saturée en eau conduit à un séchage. Cette remarque justifie les techniques de séchage à la vapeur.

25


Figure n° 1.8 : Retrait pour un bois de chêne.

26


L'eau liée (hygroscopique) est absorbée d'une part à la surface des cavités cellulaires en couches mono et/ou polymoléculaires (maxi 5 à 6 couches), elle pénètre d'autre part à l'intérieur des parois cellulaires de la matière ligneuse en venant se fixer principalement sur les sites hydroxyles des polysaccharides. En atteignant les sites de pontage hydrogène, avec une affinité prépondérante pour les hémicelluloses, les molécules d'eau qui pénètrent la paroi cellulaire, provoquent des variations dimensionnelles; phénomènes de retrait et de gonflement qu'il convient de ne pas assimiler au collapse évoqué ci-dessus. P.V.M. Sachant que la quantité d'eau liée aux polymères constitutifs du bois est variable, pour des taux d'humidité inférieurs à HPSF, on pressent que les propriétés rhéologiques (mécaniques) du matériau bois dépendront sensiblement de ce paramètre physique. Il conviendra de préciser le taux d'humidité correspondant aux résultats d'un essai de qualification mécanique. On peut s'attendre à ce que les propriétés mécaniques du bois soient peu sensibles à des fluctuations du taux d'humidité restant supérieures à HPSF.

1.2.3.2. Retrait et gonflement du bois Pour des taux d'humidité inférieurs au HPSF au cours d'une désorption

(séchage) ou d'une sorption (reprise), une éprouvette de bois subit des variations dimensionnelles, respectivement un retrait ou un gonflement. Les essais normalisés définissent certains paramètres caractéristiques (NF: B51-005). La rétractabilité B ou retrait volumique La rétractabilité caractérise la variation relative totale de volume d'un échantillon entre des taux d'humidité extrêmes pour le mécanisme, à savoir entre l'état saturé (H>HPSF) et l'état anhydre.

(1.2) B = 0

0S

VVV − .100 (généralement exprimé en %)

VS : volume de l'échantillon saturé d'eau V0 : volume de l'échantillon à l'état anhydre.

Pour caractériser les variations de volume au voisinage d'une humidité H, on introduit généralement le coefficient de rétractabilité ou coefficient de retrait volumique αV:

(1.3) αV = 1H

VH - V0V0 .100 (généralement exprimé en %/% d’humidité H)

VH : volume à l'humidité H.

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Tableau n ° 1.6 : Données de retraits de diverses essences

(D. GUITARD et als 1987, données du CTFT) Essences masse

volumique coefficients de retrait (en %/% de H)

anhydre ρ0(g/cm3 )

Radial αR

TangentielαT

Longitudinal αL

VolumiqueαV

Dodomissenga 0,26 0,07 0,27 0,010 0,35 Quaruba 0,35 0,13 0,41 0,007 0,55 Peuplier 0,40 0,14 0,44 0,025 0,60 Marupa 0,42 0,11 0,26 0,018 0,39 Sapin 0,46 0,19 0,37 - 0,56 Douglas 0,48 0,19 0,33 - 0,52 Pin 0,52 0,19 0,32 0,002 0,51 Châtaignier 0,55 0,20 0,30 - 0,50 Limba 0,55 0,21 0,27 0,012 0,49 Hêtre 0,58 0,22 0,38 0,010 0,61 Chêne 0,63 0,18 0,43 0,028 0,64 Pégreou 0,71 0,18 0,32 0,017 0,52 Hêtre 0,72 0,22 0,38 0,002 0,60 Amarante 0,80 0,21 0,26 0,010 0,48 Frêne 0,80 0,15 0,24 0,020 0,41 Coeur dehors 0,85 0,19 0,31 0,008 0,51 Monghinza 0,98 0,23 0,44 0,022 0,69 Balata rouge 1,11 0,28 0,49 0,032 0,80 Endranendrana 1,28 0,28 0,45 0,035 0,76

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Cette définition du coefficient de retrait volumique sous-entend une évolution linéaire du volume en fonction de H, entre l'état initial considéré et l'état anhydre.

Les variations dimensionnelles du bois en fonction de l'humidité sont très

fortement différentes suivant les directions anatomiques considérées. Le matériau bois est de ce point de vue fortement anisotrope..

Considérons pour illustrer cela, une éprouvette cubique de dimensions raisonnables (2x2x2 cm3), prélevée à une distance suffisante de l'axe de la grume et dont les faces sont soigneusement orientées par des normales perpendiculaires aux directions radiale, tangentielle et longitudinale.

Il est possible d'évaluer des coefficients linéaires de retrait, notés

respectivement αR, αT et αL et définis par une relation semblable à (3), portant sur les longueurs caractéristiques plutôt que sur le volume.

(1.4) αi = )0(l)0(l)H(l

H1

i

ii − .100 avec i ∈ (R,T,L)( exprimé en %/% de H)

li(H) dimension suivant la direction i à l'humidité H li(0) dimension suivant la direction i à l'état anhydre.

P.V.M. L'expérience montre la relation d'ordre suivante entre les coefficients de retrait pour toutes les essences: (1.5) αT > αR >> αL

αT : coefficient de retrait tangentiel est prépondérant αR : coefficient de retrait radial est moitié moins important que αT αL : coefficient de retrait longitudinal.

αL est d'un ordre de grandeur inférieur aux précédents et souvent considéré à tort comme négligeable, car les pièces de bois sont bien souvent longues suivant cette direction anatomique du matériau.

L'anisotropie du retrait est la première manifestation d'anisotropie évoquée jusqu'ici. Elle préfigure les spécificités du comportement mécanique du matériau bois qui seront très largement traitées par la suite. En particulier les variabilités dimensionnelles liées aux fluctuations du taux d'humidité seront plus particulièrement traitées dans le chapitre "Contraintes internes dans le matériau bois".

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1.2.3.3. Masse volumique et densité La densité ou plus judicieusement la masse volumique est un paramètre

physique qui vise à préciser la quantité de matière ligneuse contenue dans un volume de bois. Sachant la présence inévitable d'une certaine quantité d'eau dans le bois (hygroscopicité) et la variabilité dimensionnelle du matériau (retrait et gonflement) dans des conditions classiques d'utilisation, des ambiguïtés de définition sont à éviter. Nous limiterons les définitions à l'essentiel. Masse volumique à l'humidité H, notée ρH ou ρ , d'une éprouvette à l'humidité H actuelle. (1.6) ρH =

H

H

VM

MH : masse de l'éprouvette à l'humidité H VH : volume de l'éprouvette à l'humidité H.

Il est clair que la définition (6) prend en compte l'eau et les extractibles contenus dans le volume actuel. Masse volumique sèche ou anhydre , notée ρ0

(1.7) ρ0 =0

0

VM

M0 : masse anhydre V0 : volume anhydre

Les définitions précédentes (1), (3), (6) et (7) sont suffisantes pour déduire les différentes grandeurs utilisées dans la littérature, avec la formule de passage:

(1.8) ρH =

H

H

VM = ( )

( )H1VH1M

v0

0

α++ = ρ0

( )( )H1

H1

vα++

Infradensité, notée ici ρi.

Certains auteurs utilisent la notion d'Infradensité définie par: (1.9) ρi =

s

0

VM

Vs : volume de l'éprouvette à l'état saturé.

Cette notion est particulièrement utile lorsque les échantillons à tester sont constitués de bois vert, ayant à priori le volume maximum. Le volume saturé Vs est déduit d'une double pesée de l'éprouvette; différence entre une mesure du poids dans l'air et une mesure du poids apparent de l'éprouvette immergée dans un

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liquide de densité connue (poussée d'Archimède). On prendra garde au fait que l'infradensité affichée pour un bois est un minorant des autres évaluations de masse volumique ; la masse anhydre prise en compte est un minimum, et le volume saturé un maximum. Porosité du bois.

Si, en accord avec de nombreux auteurs [KOLLMANN], on admet que la masse volumique de la matière ligneuse (ρ* = 1,50 g/cm3) est sensiblement constante pour toutes les essences, compte tenu d'une composition chimique relativement stable, il est possible d'estimer la fraction volumique des vides inter ou intra cellulaires, la porosité.

(1.10) v

V0 = *

* 0

ρρ−ρ

v : volume des vides inter ou intra cellulaires A titre d'exemple, notons que dans un volume anhydre V0, d'un bois de

masse volumique ρ0 = 0,5 g/cm3, 33% du volume est occupé par la matière ligneuse et 67% de ce volume est constitué de vides. A contrario, une mesure de la porosité du matériau (porosimétrie à mercure) permet d’évaluer ρ*.

1.2.3.4. Dilatations thermiques Le tableau n° 1.7 fournit des données physiques relatives à quelques

essences dont les masses volumiques sont distribuées sur une large plage, de 0,26 à 1,28 g/cm3. On notera que l'aptitude au retrait apparaît comme une fonction croissante de la masse volumique. Ceci reste valable pour les trois directions matérielles R, T et L.

Comme pour tous les matériaux, une élévation de la température du bois

provoque une augmentation de l'agitation moléculaire, donc d'un accroissement des distances intermoléculaires; ceci se traduit par des dilatations d'origine thermique.

Elles sont caractérisées par les coefficients de dilatation thermique ai ,

déduits de la mesure de la variation ∆l d'une distance de référence l0, repérée suivant la direction matérielle i, résultant d'une variation de température ∆θ.

(1.11)

0i l

l1a ∆θ∆

= avec i ∈ (R,T,L)

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Tableau n° 1.7. Coefficients de dilatations thermiques pour quelques espèces évalués entre -50 et+50°C [KOLLMANN]

Essence Densité ρ0 g/cm3 aT .106 aR .106 aL .106

Balsa 0,17 24,1 16,3 - White fir 0,40 31,6 21,7 3,90 Sitka spruce 0,42 34,6 23,9 3,50 Redwood 0,42 35,8 23,9 4,59 Yellow poplar 0,43 31,4 27,2 3,55 Cotton wood 0,43 33,9 23,3 3,1 Douglas fir 0,51 45,0 27,1 3,52 Sugar maple 0,68 37,6 28,4 4,16 Yellow birch 0,66 39,4 32,3 3,57

Coefficients de dilatation thermiques (ordres de grandeurs) Longitudinal aL = 3,50 (en 10-6 /°C) Radial aR = 12 + 28 ρ0 (en 10-6 /°C) Tangentiel aT = 21 + 30 ρ0 (en 10-6 /°C) (ρ0 est la masse volumique anhydre en g/cm3)

De part et d’autre de l’assise cambiale,

formation du bois vers l’intérieur et de l’écorce vers l’extérieur de la grume

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L'identification expérimentale des coefficients de dilatation thermique est délicate. Il convient en effet d'évaluer des variations dimensionnelles résultant des seules variations de la température, à l'exclusion de celles qui pourraient résulter de fluctuations du taux d'humidité. Les coefficients de dilatation thermique sont en conséquence évalués sur des bois à l'état anhydre.

Le tableau n° 1.7 donne des résultats expérimentaux de R.C. Weatherwax

and A.J. Stamm (1946) relatifs à neuf essences, rapportés par Kollmann and Coté. Les ordres de grandeurs suivants peuvent être retenus: P.V.M. Comme dans le cas des retraits hydriques, on constate à propos des coefficients de dilatation thermique une anisotropie qui se traduit par la relation d'ordre suivante entre les différents coefficients. (1.12) aT > aR >> aL

aT : le coefficient de dilatation thermique tangentiel est prépondérant. Il apparaît comme fonction croissante de la masse volumique anhydre ρ0 du bois considéré. aR : le coefficient de retrait radial est moitié moins important que aT . Il est de même fonction croissante de la masse volumique anhydre ρ0. aL : le coefficient de retrait longitudinal est d'un ordre de grandeur inférieur aux précédents. Il est intéressant de comparer les ordres de grandeurs des retraits hydriques

et des dilatations d'origine thermique. On notera qu'une variation de température de 100°C. occasionne une variation dimensionnelle équivalente celle qui résulterait d'une variation de 1% du taux d'humidité. Compte tenu des plages usuelles de variations de taux d'humidité et de température on considère généralement les dilatations d'origine thermique comme négligeables par rapport aux retraits et gonflements hydriques. 1.2.4. Conclusions

En conclusion de ce paragraphe, on retiendra que la diversité des essences couvre une plage de masse volumique anhydre ρ0 qui s'étend de 0,10 g/cm3, pour les bois les moins denses (Balsa), à 1,25 g/cm3 pour les plus denses (Endranendrana).

Les bois d'importance industrielle s'étagent en densité de 0,35 à 0,80 g/cm3 et de façon très grossière des résineux (Sapin, Douglas) vers les feuillus (Hêtre ou Chêne).

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Les bois sont des matériaux hygroscopiques dont le taux d'humidité

s'équilibre avec les conditions atmosphériques de stockage, température et humidité. (Hθ 10 à 15% en climat tempéré, Hθ 15 à 22 % en climat tropical humide, avec des fluctuations saisonnières)

On observe des rétractabilités importantes entre l'état saturé et l'état

anhydre, de 15 à 18 %. Les coefficients de retrait tangentiel sont de 1,7 à 2 fois supérieur aux coefficients de retrait radial. Le coefficient de retrait longitudinal est techniquement le plus souvent négligé.

Les coefficients de dilatation thermique sont eux mêmes fortement

anisotropes. Pour des fluctuations de température inférieures à une centaine de degrés Celsius, les variations dimensionnelles d'origine thermiques sont souvent négligées par rapport aux retraits et gonflements hydriques. Les influences des paramètres d'état physique sur le propriétés mécaniques apparentes du matériau bois seront très largement discutées dans les chapitres suivants.

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1.3 LE BOIS : MATERIAU ET MATIERE PREMIERE MULTIFORME

La matière ligneuse issue du tronc de l'arbre est utilisée comme matériau ou matière première industrielle sous des formes variées, et entre ainsi dans la composition des produits finis ou semi-finis, parfois complexes, de type matériaux composites de grande diffusion à hautes performances.

Chaque paragraphe, évoqué ci-dessous, touche à une branche particulière de la filière industrielle : nous renvoyons le lecteur à des ouvrages spécialisés pour des informations plus détaillées (voir bibliographie). 1.3.1. Le bois massif

On convient de classer sous la rubrique "Bois Massif" les produits dont la plus petite dimension est de plusieurs fois supérieure à la largeur des cernes annuels de croissance. Cette notion est essentielle au plan de l'analyse du comportement mécanique, car elle permet de formuler des hypothèses acceptables de continuité et d'homogénéité macroscopique du matériau.

On trouve parmi les bois massifs les poteaux ainsi que, d'une façon

générale, les produits obtenus par une première transformation en scierie. Les sciages trouvent un important débouché dans le bâtiment : - poutres et chevrons pour le charpentage - planches et bardages pour les couvertures murales et coffrages - lambris et parquets pour les finitions intérieures ainsi que dans l'ameublement.

Les bois dits d'industries comprennent : - poteaux (P.T.T.) - poteaux de soutènement (Mines) - traverses de chemin de fer - emballage (palettes et caisses). Dans un souci de valorisation économique, ces produits de sciage font

l'objet de classements prenant en compte l'aspect (présence de nœuds, ou de colorations anormales), les qualités technologiques en particulier, les propriétés de tenue mécanique (classement mécanique) et d'usinabilité (rectitude du fil du bois).

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Ils sont soumis dans certains cas à des traitements de préservation devant leur assurer une longévité face aux agressions des champignons et insectes.

Tableau n°1.8 : Proposition de nomenclature standardisée des composites à

base de bois [selon MALONEY (version anglaise) traduction française de l'auteur] Contreplaqué

Plywood Blockboard

Panneau de fibre non compressé [isolation] moyenne densité (MDF) haute densité [Isorel]

Fiberboard noncompressed[Insolation Board] Medium density [MDF] Compressedboard [Hardboard

Panneau de particules

Particleboard

Panneau larges plaquettes

Waferboard

Panneau plaquettes orientées [OSB]

Oriented Strand Board (OSB)

COM-PLY

Produits moulés de particules , plaquettes,fibre Liant inorganique ciment et gypse

Molded products of particles, flakes, or fiber Inorganic Bonded cement or gypsum

Poutre Placages Lamifiés

Laminated Veneer lumber (LVL)

Poutre Plaquettes Orientées

Oriented Strand Lumber (OSL)

Poutre Plaquettes Parallèles

Parallel Strand Lumber (PSL)

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Les bois massifs reconstitués par collage du type bois lamellé-collé sont à considérer comme des matériaux ou éléments de structures composites, les lamelles de base étant des sciages de bois massif.

L'analyse et la description du comportement mécanique des bois massifs sont développées dans les chapitres suivants. 1.3.2. Le placage de bois

Seront classés dans la rubrique "Placages" les produits dont la plus petite dimension est de l'ordre de grandeur de la largeur des cernes de croissance saisonnière. Au plan du comportement mécanique, il sera alors nécessaire de tenir compte d'une hétérogénéité associée au bois de printemps et au bois d'été.

Les placages sont obtenus en première transformation par les procédés de déroulage et de tranchage. Les déroulés entrent par des assemblages multicouches orientés dans la confection des matériaux composites que sont les contreplaqués, ainsi que les poutres de placages laminés (LVL).

Les placages tranchés trouvent l'essentiel de leurs débouchés dans les revêtements esthétiques de structures ou mobiliers.

Des problèmes de mécanique se posent tant au stade des opérations techniques de déroulage ou de tranchage qu'à celui de la confection de contre plaqués à cause de la relative fragilité des produits semi-finis au cours des nécessaires manipulations. 1.3.3. Particules et plaquettes

Sous forme de particules de tailles variées, la matière ligneuse est utilisée pour la fabrication d'éléments structuraux de types panneaux, dits panneaux de particules.

Les plaquettes peuvent atteindre dans leur plus grande dimension quelques centimètres, la largeur est dans le rapport de 1 à 1/2, tandis que l'épaisseur est dans le rapport de 1/20 à 1/40. Elles sont obtenues par des procédés de coupe variés qui assurent la formation de copeaux courts ou plaquettes.

Les particules plus petites sont obtenues par un broyage mécanique de morceaux de bois qui provoque l'éclatement en petits fragments. Ces procédés permettent en particulier le recyclage des chutes de scierie.

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Enfin, une fraction volumique non négligeable de sciures complète la

gamme dimensionnelle des produits de base entrant dans la confection des panneaux.

La cohésion des panneaux est assurée par des liants (Urée Formaldéhyde

(UF), Mélamine-Formaldéhyde (MF), Mélamine-Urée-Formaldhéide (MUF)), adhésifs généralement synthétiques. La polymérisation est assurée par chauffage sous presse, avec taux de compression différents suivant la masse volumique désirée du produit fini.

Les technologies des panneaux de particules développées depuis une quarantaine d'années sont très certainement promises à une expansion [MALONEY] : en effet, peu de matériaux en dehors du bois permettent de réaliser des panneaux de quelques dizaines de mètres carrés en surface et de quelques centimètres d'épaisseur, et présentant d'excellentes qualités mécaniques. Des progrès récents quant aux additifs, dans les mélanges plaquettes-résines, donnent des produits peu ou pas sensibles à une reprise d'humidité et en conséquence stables dimensionnellement.

Un important débouché des panneaux de particules est celui des mobiliers de grande série, celui bien sûr des revêtements et cloisons, et leur utilisation va croissant dans la conception d'éléments structuraux. 1.3.4. Les fibres

Comme il a été indiqué au paragraphe 1.2.1., les fibres ou trachéides constituent les éléments de base du matériau composite naturel qu'est le bois. Il est logique que l'homme ait tenté d'utiliser les fibres pour créer un matériau composite de synthèse : la gamme des produits ainsi réalisés est vaste. Les panneaux de fibres. Ils sont conceptuellement à rapprocher des produits évoqués ci-dessus. Les éléments de base sont des fibres ou paquets de fibres de bois, obtenus par des moyens mécaniques de défibrage. Le défibrage mécanique est réalisé sur un bois fortement humide et le plus souvent à chaud pour abaisser les charges de rupture de la lignine et des hémicelluloses de la lamelle mitoyenne, favorisant ainsi la séparation des fibres.

Les mélanges fibres - résines synthétiques - additifs, sont traités avec des taux de compression variés, autorisant la production de panneaux dans une large

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plage de densité de 0,02 à 1,45. Les panneaux mous trouvent un certain débouché en tant que produit d'isolation. Les papiers et cartons. Ce sont les utilisations les plus communes des fibres de bois et le composite à hautes performances le plus ancien probablement. Pour de telles applications, le bois est transformé en pâte à papier. Les pâtes mécaniques. Elles sont obtenues sur le principe évoqué ci-dessus, défibrage de bois humides à chaud : il en résulte des ruptures de fibres et un papier de qualité médiocre. Son débouché est, par exemple, le papier journal. Les pâtes chimiques ou semi-chimiques. Comme leur nom l'indique, elles sont basées sur des réactions chimiques en milieu alcalin (soude pure ou procédé Kraft NaOH + Sulfure de Sodium), ou en milieu acide (bisulfite de magnésium) qui produisent une dépolymérisation et le passage en solution des lignines de la lamelle mitoyenne, et entraînent la séparation des fibres des trachéides.

La longueur prépondérante des trachéides par rapport aux fibres font préférer l'utilisation de bois résineux à celle des feuillus.

Au plan de la mécanique, on conçoit que l'étude des propriétés mécaniques des fibres isolées qui entrent dans la composition des pâtes, relève de concepts complètement différents que ceux qui seront évoqués dans le cas des bois massifs ou même des placages, ce qui nécessitera une approche séparée. 1.3.5. Produit de base de la chimie

Il est clair qu'un produit de base tel que la matière ligneuse constitué de polymères (polysaccharides-polyphénols) complexes, est et sera très largement utilisé en chimie organique. On conçoit en effet qu'il convient de tirer au mieux parti de ces composés, largement disponibles à partir d'une matière première renouvelable. Ces points n'étant pas l'objet du présent ouvrage, et hors de la compétence de l'auteur, il n'en sera pas dit plus long.

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LE BOIS MATIÈRE PREMIÈRE RENOUVELABLE 1.1. LA PLACE DU...

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