Introduction au matériau bois et état de l’art sur son comportement hygromécanique

La ré-émergence de l’utilisation du matériau bois dans le domaine de la construction est fortement liée à la capacité de proposer un matériau performant, par rapport aux autres matériaux de construction, et dont on pourra assurer une bonne maitrise de ses propriétés. Ce chapitre a pour ambition de faire un état de l’art sur ce matériau et sur son comportement hygromécanique (au sens des déformations induites par un chargement hydrique) qui est plus spécifiquement abordé dans le cadre de ce travail de thèse. Après une présentation du contexte historique du bois en tant que matériau de construction, les notions nécessaires sur sa structure et ses propriétés sont introduites pour comprendre la suite de la thèse et la complexité qui se cache derrière le comportement hygromécanique du bois. Un état de l’art sur la recherche concernant ce sujet est ensuite proposé, mettant en évidence les questions scientifiques qui ne sont pas encore résolues et la nécessité d’un travail à l’échelle du cerne. Enfin, une littérature spécifique à cette échelle, notamment sur la comparaison du bois initial et du bois final, est présentée. Cette revue bibliographique aborde les questions de la variabilité inter-essences ou intra essences des propriétés du matériau bois, de l’influence de la densité sur les propriétés du bois, de la linéarité des déformations avec la teneur en eau, ainsi que de la problématique des interactions mécaniques. La revue proposée dépasse le cadre strict de ce travail de thèse (notamment avec un état de l’art sur les problématiques de la filière forêt-bois et la question de l’origine de l’anisotropie dans le plan transverse), mais permet de mettre en exergue toute la complexité du matériau bois, ainsi que les questions posées et les démarches mises en œuvre pour y répondre.

Le matériau bois

La filière forêt-bois

Etat de la forêt
Le bois est un produit que nous offrent les forêts. Avant d’analyser quels sont nos besoins en termes de matériau bois, il est essentiel de s’assurer que l’état de la forêt est apte à fournir cette ressource. Malgré la déforestation globale dans le monde, l’évolution du taux de boisement dépend fortement des régions.  Une diminution des surfaces forestières a surtout eu lieu ces dernières décennies en Amérique du Sud et en Afrique, alors qu’en Europe, en Asie et en Amérique du Nord, le taux de boisement est resté stable ou a augmenté (progression de 1,2% en Europe entre 1990 et 2005) [1]. L’importance du bois dans la vie humaine est très bien illustrée par le volume mondial de bois ronds produit en 2015 de 3714 millions de m3 [2]. Ce matériau est à la fois une source d’énergie, de matériaux de construction, de matière pour les œuvres d’art et les instruments de musique, un outil de communication à travers le papier…

En France, le taux de boisement augmente. Entre 2006 et 2014, les volumes de bois sur pied prélevés ont représenté en moyenne seulement 54% de la production biologique nette (mortalité soustraite) qui était alors de 82,9 millions de m3 /an [3]. La ressource forestière est principalement concentrée au sud et à l’est de la France . Avec 16,7 millions d’hectares, la surface forestière française est la 4ème plus grande de l’Union Européenne, après la Suède, l’Espagne et la Finlande. 64% des essences sont des feuillus, dont une grande majorité de chênes, ce qui fait de la France la plus grande surface européenne de feuillus. Les résineux restent toutefois plus utilisés que les feuillus dans le domaine de la construction. Ainsi, la ressource forestière est largement disponible en France et peut être exploitée de manière plus importante, avec une gestion durable.

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  . 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-LaminatedTimber) 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].

Les enjeux de la filière

Un premier enjeu de la filière forêt-bois en France est l’approvisionnement en bois à travers la structuration de la filière [6]. La forêt française privée est morcelée en 4 millions de propriétés dont environ 95% ont une surface inférieure à 10 ha [9]. La mobilisation du bois est donc difficile et l’approvisionnement des scieries est peu sécurisé. De plus, une telle fragmentation est sans doute un frein à la mécanisation. Le tissu de l’industrie du bois est principalement constitué de petites et moyennes entreprises dont la taille est bien inférieure à celle des pays du nord de l’Europe. Un second enjeu proposé dans le programme national de la forêt et du bois est de développer les synergies entre les multiples fonctions de la forêt et l’industrie du bois [6]. En effet, la forêt n’a pas pour seul objectif l’approvisionnement en bois. Elle est aussi un lieu de biodiversité, de protection des sols, de stockage de carbone, de ressources alimentaires (gibier, fruits), de détente… [9] Ces fonctions doivent coexister avec l’approvisionnement en bois pour l’industrie. La variabilité du bois intraessences et la diversité des essences ne peuvent donc être exclues de cette industrie. Cependant, la variabilité est le frein majeur de l’utilisation du bois dans l’industrie [7] où l’automatisation est de plus en plus présente. Cette caractéristique est particulièrement forte en France où, comparée aux autres pays d’Europe, la diversité des essences est importante (136 essences dont une faible proportion est dédiée à l’industrie). Le classement des sciages est par exemple un enjeu fondamental et nécessite une caractérisation fine des défauts (nœuds) et de la structure du bois, ainsi que des outils performants de prévision des propriétés. En ce qui concerne les produits dérivés du bois, de leur conception à leur mise en œuvre, il est nécessaire de bien appréhender les relations entre la structure et les propriétés du bois. Cet enjeu permet ainsi « d’utiliser le bon bois au bon endroit » [7].

Les nombreux travaux de recherche qui sont apparus depuis des décennies et qui continuent encore d’apparaître illustrent parfaitement la difficulté qui réside dans ce sujet. Bien qu’utilisé depuis des milliers d’années, les propriétés du bois restent encore relativement peu connues et peu comprises [10]. Par ailleurs, dans un contexte réglementaire de plus en plus exigeant avec des projets de construction de plus en plus ambitieux, ce besoin d’approfondir les connaissances autour des propriétés du bois est une nécessité.

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Table des matières

Introduction
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 hygromécaniqu
5. Conclusion et problématique de recherche
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
Conclusion

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