Analyse multi-échelle du comportement hygromécanique du bois

La ré-émergence du matériau bois

    La disponibilité de la ressource forestière a fait du bois un des matériaux de construction les plus anciens, déjà utilisé dans les huttes du paléolithique entre -35000 et -9000 av. JC [4]. L’évolution des techniques de sa mise en œuvre, sous forme d’assemblages de poteaux et poutres ou de bois empilés, ainsi que leur diversité à travers le monde a permis de construire de nombreux édifices, depuis les bâtiments agricoles jusqu’aux ouvrages d’art. Utilisable en tant que matériau de structure, il a aussi été mis à profit pour de nombreux autres éléments de la construction : parquets, tavillons (tuiles en bois), menuiseries… Le bois était donc un matériau majeur pour la construction, sans oublier ses nombreux autres usages dans des domaines très variés tels que la lutherie, la construction navale ou l’industrie du papier. L’utilisation du bois dans la construction a diminué fortement avec la Révolution Industrielle, à partir de la fin du XVIIIème siècle. La surexploitation des forêts pour alimenter l’industrie en énergie ainsi que les défrichements pour augmenter la surface des terres agricoles ont entrainé une baisse de la ressource disponible. L’essor de nouveaux matériaux de construction tels que l’acier et le béton a peu à peu remplacé le bois et s’est accompagné d’une perte des savoir-faire et de la main-d’œuvre qualifiée [5]. A partir des années 1960, le bois est réapparu dans la construction, favorisé par l’émergence de nouveaux produits à base de bois dont la fabrication a été rendue possible grâce à l’amélioration des techniques d’usinage, de séchage et de collage [5]. Quelques architectes se sont par ailleurs lancés dans la construction bois, contribuant ainsi à sa valorisation. La prise de conscience des enjeux environnementaux dans les années 1990 a résulté en la création de critères de développement durable dans le domaine de la construction qui consomme environ 40% de l’énergie et émet 30% des gaz à effet de serre [4]. L’impact environnemental d’un matériau de construction doit considérer l’ensemble des étapes de son cycle de vie : fabrication, transport, mise en œuvre, vie en œuvre et fin de vie [4]. Le bois est alors redevenu naturellement un matériau à fort potentiel pour la construction du fait de ses atouts environnementaux. L’utilisation du bois dans les structures permet tout d’abord de stocker du carbone sous forme de matière ligno-cellulosique. L’absence de gestion d’une forêt résulterait en un bilan carbone nul à cause de la décomposition des arbres morts. Le bois est en outre un matériau renouvelable et les coûts énergétiques de sa transformation sont faibles par rapport à la plupart des autres matériaux de construction. A ces avantages souvent cités pourrait être ajoutée la répartition de la ressource forestière sur les territoires, adaptée à un approvisionnement local du matériau. Outre ces atouts environnementaux, l’utilisation du bois a aussi un impact positif sur le plan socioéconomique. En effet, la filière forêt-bois est un secteur économique essentiel en France, 14ème filière stratégique qui emploie une main d’œuvre nombreuse, avec 440 000 emplois [6]. Les acteurs de cette filière sont très diversifiés ; en amont, les sylviculteurs, gestionnaires forestiers, bûcherons, entreprises de travaux forestiers, négociants, scieurs ; en aval les menuisiers, charpentiers, luthiers, sculpteurs ; sans compter toutes les administrations associées, les formations universitaires et la recherche. Enfin, les caractéristiques techniques du bois sont incontestables et n’ont rien à envier aux autres matériaux. Son module spécifique (rapport module d’élasticité-densité) dans la direction des fibres est élevé et proche de celui des matériaux composites (Figure 1.3). Par ailleurs, le bois est un bon isolant thermique (0,023 W.m-1.K-1) car sa porosité est élevée [1]. Il est aussi un bon régulateur d’humidité car il s’équilibre avec l’humidité relative de l’air et a une bonne résistance à la fatigue [7]. D’un point de vue applications, le bois est un matériau facile à mettre en œuvre. Les matériaux de construction à base de bois tels que le CLT (Cross-Laminated Timber) peuvent par ailleurs être préfabriqués ce qui permet de réduire la durée de mise en œuvre sur le chantier. Finalement, le bois donne un effet psychosensoriel de chaleur et la demande sociale pour utiliser ce matériau « naturel et authentique » dans la construction augmente [4].

Comportement hygromécanique du bois initial et du bois final

      Le comportement hygromécanique du bois initial et du bois final a été étudié par des moyens expérimentaux (i) sur des échantillons isolés et (ii) sur des échantillons de plusieurs cernes grâce à des techniques de mesures de champs. Très peu d’études ont effectué des mesures de gonflement ou retrait à plusieurs échelles sur des échantillons identiques ou des échantillons appariés – prélevés dans le même arbre à des positions relativement proches – pour permettre d’analyser les interactions entre les constituants du bois en minimisant l’aspect variabilité.
Méthodes de mesure : Différentes méthodes ont été utilisées pour déterminer les déformations hygromécaniques dans les directions principales du bois sur des échantillons isolés. La difficulté pour effectuer de telles mesures est la préparation des échantillons. Leur taille doit être de l’ordre du millimètre, en particulier pour le bois final dont la largeur est généralement très faible. La résolution des appareils de mesure doit donc être adaptée à cette échelle. Ils sont donc aujourd’hui beaucoup plus appropriés. En 1962, Boutelje [41] avait dû par exemple coller des fragments de tissu cellulaire pour pouvoir faire des mesures de retrait. De plus, la préparation doit altérer le moins possible la structure et les propriétés des échantillons. La question du collage est ainsi non négligeable. Ainsi, les échantillons massifs de bois initial et de bois final sont aujourd’hui privilégiés. Pour des mesures par microscopie optique, des solutions telles que celle de Perré et al. (2007) [47] ont été mises en place. Les outils d’analyse en volume, comme la microtomographie aux rayons X, où la préparation des échantillons est beaucoup plus succincte, prennent alors un intérêt important [33] [48] [49]. Enfin, les techniques de mesure à distance (non destructive) telles que la corrélation d’images 2D et 3D permettent des mesures sur des échantillons massifs, en surface et en volume respectivement. L’évolution des techniques de mesure est bien visible à travers la bibliographie et montre de grands progrès en termes de précision de  mesures, d’informations fournies (mesures 3D), de pertinence de la mesure (échantillons non dégradés par la préparation) et de mesures in-situ (caractérisation de la structure et du comportement hygromécanique en même temps).
Comparaison des comportements entre le bois initial et le bois final La majorité des études est en accord sur la différence de comportement hygromécanique entre le bois initial et le bois final, quelles que soient les techniques de mesures utilisées. Une synthèse des mesures de déformations hygromécaniques est fournie dans le Tableau 1.7. Des synthèses plus anciennes peuvent être trouvées par exemple dans Skaar (1988) [24]. Les études récentes ont été sélectionnées préférentiellement dans ce tableau. En réponse à une sollicitation hydrique, le bois initial se déforme de manière anisotrope avec εT > εR, tandis que bois final se déforme de manière quasi-isotrope (εT/εR ≈ 1). Le ratio d’anisotropie du bois final est, selon les travaux, légèrement supérieur ou inférieur à 1. Comme l’ont montré Perré et al. (2007) [47], cette valeur semble être dépendante de la position radiale de prélèvement avec, en fin de cerne, une anisotropie inversée (εT/εR< 1). En revanche, la différence d’amplitude des déformations tangentielles entre le bois initial et le bois final semble être moins claire dans la littérature. Elle est quantifiée dans le Tableau 1.7 par le ratio εT(BF)/εT(BI). Ce rapport des déformations tangentielles est très important car c’est lui qui va être à l’origine de la présence d’interactions ou non entre les deux types de bois. Alors que la plupart des échantillons ont des déformations tangentielles plus élevées dans le bois final que dans le bois initial, deux échantillons d’épicéa relevés dans ce tableau se déforment de la même quantité. De plus, parmi les échantillons qui ont montré une différence, le ratio εT(BF)/εT(BI) varie de 1,3 à 2,9. Il est plus élevé dans les échantillons de Douglas mais la quantité de données est insuffisante pour conclure quant à cette observation. Les cernes du Douglas sont généralement plus larges que pour les autres essences, ce qui pourrait peut-être expliquer cette différence car il est alors possible de faire des prélèvements de bois initial et de bois final dans des zones plus distinctes du cerne. Ainsi, il existe une ambiguïté sur les résultats car la séparation entre le bois initial et le bois final est progressive. Les zones de prélèvement peuvent donc influencer les valeurs mesurées. Les mesures locales sont donc très intéressantes pour connaître la position réelle de la mesure.

Anisotropie du comportement hygromécanique de la paroi cellulaire

   Seule la couche S2 est souvent prise en considération pour étudier le comportement de la paroi cellulaire du fait de sa proportion élevée. Barber et Meylan (1964) [56] ont commencé par modéliser le retrait de la paroi S2 et ont montré que les déformations de la paroi sont un peu plus élevées en épaisseur à partir d’un AMF de 10°, ce qui est en accord avec la plupart des mesures expérimentales effectuées à l’échelle cellulaire. Cependant, leur modèle ne suffit pas pour expliquer les déformations négatives du lumen observées dans la littérature et les différences importantes des déformations entre épaisseur et circonférence. La structure multicouche de la paroi cellulaire – lamelle mitoyenne, paroi primaire et couches S1, S2 et S3 – semble alors avoir un effet sur le comportement hygromécanique de la paroi. Reprenons rapidement les propriétés de ces couches. La lamelle moyenne a une rigidité élevée et est très peu sensible à l’eau du fait de sa haute teneur en lignine. Murata et al. (2001b) [74] ont ainsi observé que les déformations hygromécaniques sont moins élevées dans la lamelle moyenne que dans le reste de la paroi. Les couches S1 et S3 sont juxtaposées à la couche S2 et la disposition croisée des microfibrilles, qui sont orientées quasiment à la perpendiculaire de la direction longitudinale de la trachéide, limite les déformations selon le périmètre de la paroi. L’effet d’une couche contraignante au niveau du diamètre externe des cellules, illustrant l’effet de la lamelle moyenne et de la couche S1, a été modélisé par Barber 1968 [57] en se basant sur la même théorie que son travail de 1964. Ses résultats montrent que les déformations du diamètre externe de la cellule diminuent légèrement lorsque cette couche est ajoutée alors que celles du diamètre interne (lumen) sont très fortement réduites voire deviennent négatives lorsque l’AMF de la paroi S2 est élevé. De plus, ces effets seraient plus élevés sur des parois cellulaires fines (bois initial). Barber suggère que la limitation des déformations du diamètre externe est compensée par des déformations négatives du diamètre interne. Rafsanjani et al. (2013) [75] ont quant à eux modélisé numériquement l’effet d’une gaine située au niveau du diamètre interne (S3) ou externe (lamelle moyenne + S1) de la cellule tout en prenant en compte la géométrie cellulaire. Plus la gaine est épaisse, plus le gonflement est empêché. De plus, plus le ratio entre les propriétés élastiques transverses de la couche S2 et de la gaine augmente, plus l’anisotropie RT de la cellule est élevée. Ils ont montré par ailleurs que si la paroi a un retrait isotrope, le comportement hygromécanique du tissu est isotrope, ou, dit autrement, l’anisotropie de retrait dans le plan transverse doit déjà être présente au sein de la paroi pour qu’une anisotropie à l’échelle cellulaire existe.

Table des matières

Introduction
PARTIE I – Structure, propriétés de sorption et comportement hygromécanique du matériau bois
Chapitre 1 – Introduction au matériau bois et état de l’art sur son comportement hygromécanique 
1. Introduction
2. Le matériau bois
2.1. La filière forêt-bois
2.1.1. Etat de la forêt
2.1.2. La ré-émergence du matériau bois
2.1.3. Les enjeux de la filière
2.2. Un matériau naturel
2.2.1. Formation du bois
2.2.2. Fonctions du bois dans l’arbre
2.2.3. Variabilité du bois
2.3. Un matériau à structure multi-échelle et hétérogène
2.3.1. Echelle macroscopique
2.3.2. Echelle des tissus
2.3.3. Echelle cellulaire
2.3.4. Echelle pariétale
2.3.5. Echelle moléculaire
3. Propriétés hydriques et mécaniques du bois
3.1. Interactions eau-bois
3.1.1. Etats de l’eau dans le bois
3.1.2. Teneur en eau
3.1.3. Isotherme de sorption
3.1.4. Comparaison des isothermes de sorption du bois initial et du bois final
3.2. Propriétés mécaniques du bois
3.2.1. Anisotropie des propriétés élastiques du bois
3.2.2. Propriétés élastiques du bois à l’échelle macroscopique
3.2.3. Propriétés élastiques des tissus bois initial-bois final
3.3. Comportement hygromécanique du bois
3.3.1. Comportement macroscopique
3.3.2. Comportement hygromécanique du bois initial et du bois final
4. Relations comportement hygromécanique – structure
4.1. Déformations longitudinales
4.1.1. Historique et intérêt de leur prévision
4.1.2. Origine de l’instabilité longitudinale
4.1.3. Non-linéarité de la relation déformations longitudinales – teneur en eau
4.2. Comportement hygromécanique multi-échelle dans le plan transverse
4.2.1. Effet des rayons ligneux
4.2.2. Morphologie et arrangement cellulaire
4.2.3. Influence de la structure pariétale
4.3. Interactions bois initial-bois final
4.3.1. Influence sur le comportement hygromécanique
4.3.2. Caractérisation expérimentale du couplage
4.3.1. Modélisation du couplage du bois initial et du bois final
5. Conclusion
Chapitre 2 – Caractérisation du comportement hygromécanique à l’échelle du cerne
1. Introduction
2. Matériau et méthodes
2.1. Matériau
2.1.1. Choix de l’essence
2.1.2. Prélèvements
2.1.3. Préparation des échantillons
2.1.4. Conditionnement des échantillons
2.2. Méthodes
2.2.1. Mesures macroscopiques
2.2.2. Isothermes de sorption
2.2.3. Caractérisation de la microstructure
2.2.4. Mesure de l’angle des microfibrilles par diffraction des rayons X
3. Microstructure et comportement hygromécanique du bois initial et du bois final
3.1. Microstructure
3.1.1. Densité macroscopique
3.1.2. Angle des microfibrilles
3.1.3. Relation entre l’angle des microfibrilles et la densité
3.1.4. Morphologie cellulaire
3.1.5. Synthèse
3.2. Propriétés de sorption d’eau
3.3. Comportement hygromécanique
3.3.1. Déformations volumiques
3.3.2. Déformations principales
4. Relations Structure-Sorption-Gonflement
4.1. Relations microstructure – comportement hygromécanique
4.1.1. Influence de la densité
4.1.2. Influence de l’angle des microfibrilles
4.2. Relation microstructure – sorption d’eau
4.3. Relations sorption d’eau – comportement hygromécanique
5. Conclusion et problématique de recherche
PARTIE II – Etude intra-cerne des mécanismes de sorption par 1H RMN et influence sur le comportement hygromécanique
Chapitre 3 – Caractérisation de l’eau liée par Résonance Magnétique Nucléaire du proton
1. Introduction
2. Méthode 1H RMN
2.1. Etat de l’art
2.2. 1H RMN
2.2.1. Principe
2.2.2. Séquences RMN
2.2.3. Analyse des données RMN par 2D-ILT
2.3. Protocole expérimental
2.4. Analyse d’erreur
2.4.1. Sources d’erreur
2.4.2. Incertitudes sur la teneur en eau
2.4.3. Incertitudes sur les valeurs de T1 et T2
2.4.4. Synthèse des incertitudes
2.5. Analyse des isothermes de sorption
3. Résultats et discussions
3.1. Validation des mesures de RMN
3.2. Spectres de corrélation T1-T2
3.3. Evolution des valeurs de T1 and T2 avec l’humidité relative
3.4. Isothermes de sorption
3.4.1. Détermination des isothermes de sorption
3.4.2. Isothermes de sorption des deux types d’eau liée
3.4.3. Quantification des isothermes de sorption par la théorie de Dent
3.4.4. Comparaison des isothermes de sorption du bois initial et du bois final
3.4.5. Proportion des types d’eau liée
4. Conclusion
Chapitre 4 – Prévision du comportement hygromécanique à partir d’un modèle de l’ultrastructure
1. Introduction
2. Localisation de l’eau liée dans la structure subpariétale
2.1. Modèle de l’ultrastructure (paroi S2)
2.2. Hypothèse sur la localisation de l’eau liée
3. Modélisation du comportement hygromécanique du bois initial et du bois final à partir de l’échelle des macrofibrilles
3.1. Description du modèle
3.1.1. Echelle de la paroi cellulaire S2 dans le repère des macrofibrilles
3.1.2. Déformations hygromécaniques de la paroi cellulaire S2 dans le repère lié aux macrofibrilles
3.1.3. Echelle de la paroi cellulaire S2 dans le repère des trachéides
3.1.4. Echelle du bois initial et du bois final
3.2. Résultats et discussion
3.2.1. Paramètres du modèle
3.2.2. Confrontation modèle – expérience
3.2.3. Saturation des déformations longitudinales du bois initial
3.2.4. Influence de l’angle des microfibrilles
3.2.5. Regard sur les hypothèses et limites du modèle
4. Conclusion
PARTIE III – Analyse locale du comportement hygromécanique intra-cerne par microtomographie aux rayons X et corrélation d’images volumiques
Chapitre 5 – Analyse d’essais hygromécaniques du bois sous microtomographie aux rayons X par corrélation d’images volumiques. Démarche et méthode
1. Introduction
2. Microtomographie aux rayons X
2.1. Principe
2.1.1. Principe général
2.1.2. Reconstruction
2.1.3. Artefacts
2.1.4. Essais in-situ
2.2. Protocole expérimental
2.2.1. Déroulement de l’expérience
2.2.2. Protocole d’acquisition d’images
2.2.3. Paramètres de reconstruction
2.3. Analyse qualitative des images
3. Corrélation d’images volumiques
3.1. Principe
3.1.1. Principe général
3.1.2. Coefficient de corrélation
3.1.3. Procédure de recherche des points
3.1.4. Marquage du matériau
3.1.5. Estimation des erreurs
3.2. Mise en place d’un protocole de DVC adapté au matériau bois
3.2.1. Critères sur le coefficient de corrélation
3.2.2. Définition d’un critère local
3.2.3. Discrimination des points de corrélation
3.2.4. Intégration du critère local dans la procédure de DVC
3.3. Protocole expérimental de corrélation d’images volumiques
3.3.1. Détermination des paramètres de corrélation
3.3.2. Procédure générale
3.3.3. Erreurs
3.3.4. Post-traitement des mesures
4. Calcul des déformations
4.1. Déformations à plusieurs échelles
4.2. Incertitudes de mesure
4.2.1. Incertitudes liées à la DVC
4.2.2. Incertitudes liées à la géométrie du microtomographe
5. Conclusion
Chapitre 6 – Etude multi-échelle du comportement hygromécanique
1. Introduction
2. Analyse à l’échelle globale
2.1. Rappel du cycle de sorption
2.2. Validation des mesures DVC par confrontation aux mesures globales
2.3. Comportement hygromécanique
2.4. Relations déformations – teneur en eau
3. Analyse à l’échelle locale
3.1. Déformations transversales
3.2. Déformations radiales
3.3. Déformations tangentielles
4. Analyse quantitative des hétérogénéités
4.1. Hétérogénéité radiale
4.1.1. Analyse entre 2 et 97% HR
4.1.2. Evolution avec la teneur en eau
4.2. Hétérogénéité tangentielle
4.2.1. Analyse entre 2 et 97% HR
4.2.2. Evolution avec la teneur en eau
5. Conclusion
Chapitre 7 – Hétérogénéité de la densité et impact sur le comportement hygromécanique
1. Introduction
2. Mesure de la densité locale
2.1. Profils radiaux des niveaux de gris
2.2. Calibration des niveaux de gris
2.3. Positionnement radial des échantillons à partir des niveaux de gris
2.4. Relation niveaux de gris – densité06
3. Influence de la densité sur le comportement hygromécanique
3.1. Evolution de la densité dans les échantillons
3.2. Comparaison des profils de déformations et de densité
3.3. Relations densité – déformations
3.4. Evolution avec la teneur en eau
4. Couplage du bois initial et du bois final
4.1. Comparaison des comportements isolés et couplés
4.1.1. Analyse à l’échelle macroscopique
4.1.2. Analyse à l’échelle locale
5. Courbure des échantillons
5.1.1. Mise en évidence de la courbure
5.1.2. Calcul de la variation de courbure
5.1.3. Résultats
6. Conclusion
Chapitre 8 – Modélisation du comportement hygromécanique à l’échelle du cerne 
1. Introduction
2. Description du modèle
2.1. Formulation du problème hygromécanique
2.2. Procédure de modélisation
2.3. Données d’entrée du modèle
2.3.1. Tenseur des coefficients de gonflement
2.3.2. Tenseur de rigidité
3. Analyse à l’échelle locale
3.1. Champs de déformation hygromécanique
3.2. Champs de contrainte mécanique
4. Interactions intra-cerne
4.1. Comparaison des déformations hydriques et hygromécaniques
4.2. Quantification des interactions
4.3. Confrontation avec l’expérience
4.3.1. Allures des profils radiaux
4.3.2. Influence des propriétés élastiques
5. Conclusion
Conclusion et perspectives
Références

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