Le bois et le traitement thermique

Le bois et le traitement thermique 

Le matériau bois 

Définition
D’après la norme européenne EN 844-1 le bois est “la matière ligneuse et cellulosique située entre la moelle et l’écorce d’un arbre ou d’un arbuste.” Cette définition distingue déjà deux échelles d’observation : l’échelle macroscopique (“entre la moelle et l’écorce”), et l’échelle moléculaire (“matière ligneuse et cellulosique”). La norme française NF B 50-003 donne une définition similaire en précisant que les bambous et les palmiers ne sont pas pris en compte. Cette exception provient de leur mode de croissance : le tissu qui permet de produire des cellules et de faire grossir le diamètre du tronc des arbres n’existe pas chez les bambous et les palmiers. Cette croissance est dite secondaire, la croissance primaire étant celle qui s’opère en longueur.

La description du matériau faite dans les paragraphes 1.1.2 et 1.1.3 s’appuie sur la revue de plusieurs ouvrages [Fengel, 1984, Kollmann and Côté, 1968, Navi and Heger, 2005, Navi and Sandberg, 2012]. Le lecteur peut se référer à ces publications pour des descriptions plus approfondies.

Échelle macroscopique 

L’organisation d’un tronc découle du mode de croissance des arbres : un arbre grandit d’abord vers le haut grâce à une croissance dite primaire. Cet allongement est assuré par le centre de la tige. Pour consolider cette structure grandissante et assurer la circulation de la sève, une croissance secondaire est nécessaire. Cet accroissement a lieu à la périphérie du tronc et fait augmenter son diamètre.

L’observation d’un tronc à l’œil nu s’effectue selon trois directions principales : les directions longitudinale (L), radiale (r), et tangentielle (t). L’axe longitudinal est parallèle à la direction principale du tronc ; c’est dans cette direction qu’a lieu la croissance primaire. L’axe radial passe par l’écorce en traversant la moelle ; c’est dans cette direction qu’a lieu la croissance secondaire. L’axe tangentiel est perpendiculaire au plan défini par les deux premiers ; il est dit tangentiel puisqu’il est tangent aux cernes d’accroissement du tronc. Ces directions privilégiées se retrouvent dans le comportement du bois : le matériau présente un caractère anisotrope, c’est-à-dire que ses réactions ne sont pas les mêmes dans toutes les directions. Par exemple, le gonflement d’un morceau de bois suite à une reprise d’humidité est beaucoup plus important dans la direction radiale que dans la direction longitudinale.

Le cambium est une fine couche de cellules vivantes située entre le bois et l’écorce, dont la fonction est de produire les nouvelles cellules du bois et de l’écorce. Cette couche est responsable de la croissance secondaire de l’arbre. En partant de cette couche et en allant vers le centre du tronc, le bois immédiatement rencontré est donc le  bois le plus récemment formé, il s’agit de l’aubier. Cette partie joue les rôles de conducteur de la sève et de réserves nutritives. Plus loin, le bois plus proche de la moelle est appelé duramen, ou bois parfait. Ce bois est constitué de cellules mortes dont les parois sont plus épaisses et qui apportent au tronc un soutien mécanique. Pour certaines espèces d’arbre, l’aubier et le duramen ne sont pas différenciés visuellement ; c’est le cas par exemple du hêtre, du charme, du peuplier, du sapin et de l’épicéa.

Toujours dans le plan tangentiel-radial, l’œil distingue les cernes de croissance annuelle. Dans les zones tempérées, ces cernes sont dus à l’alternance de la formation de bois au printemps et en été : en été, les cellules créées sont plus denses que celles formées au printemps, ce qui explique le contraste observé ; en automne et en hiver, l’arbre ne produit pas de bois.

Échelle moléculaire 

Le bois est un ensemble de cellules vides qui servent pendant le vivant de l’arbre à la circulation de la sève, au maintien de l’arbre, et au stockage de nutriments. La “matière ligneuse” donnée comme définition du bois fait référence à des molécules présentes dans les cellules végétales terrestres : les lignines. Ces molécules agissent comme un ciment qui permet de lier les briques de cellulose, autre molécule végétale. La rigidité et la solidité des parois végétales sont des critères vitaux à double titre pour l’arbre : elles lui permettent de se tenir debout pour capter la lumière du soleil, de résister au vent, et assurent la résistance des tissus devant les grandes pressions nécessaires pour la circulation de la sève. Aux lignines et à la cellulose viennent se lier les hémicelluloses qui agissent également comme un liant. Ces trois familles de polymères représentent 95% en masse de la composition chimique du bois. Enfin, les extractibles et les minéraux, des composants de faibles poids moléculaires viennent compléter la liste des éléments chimiques présents dans le bois.

La cellulose est la substance chimique organique la plus abondante sur terre. Elle est le constituant principal des végétaux, et avec une proportion massique comprise entre 40 et 45% le bois n’y fait pas exception. Cette molécule peut être assimilée à une longue chaîne de plusieurs unités de glucose. C’est un polymère dont le degré de polymérisation, c’est-à-dire le nombre d’unités qui le constitue, est généralement supérieur à 5000. Deux unités de glucose formant la cellobiose sont présentées sur la Figure 4, où le nombre n est le degré de polymérisation. À l’état naturel ces chaînes s’assemblent les unes avec les autres pour former les microfibrilles de cellulose.

Comme la cellulose, les hémicelluloses sont des polymères constitués de l’assemblage de plusieurs sucres, mais dont la taille des chaînes est environ vingt fois plus petite que celle de la cellulose, et dont la variété est plus importante : alors que la cellulose n’est un agencement que de glucoses, il faut plus de 200 sucres différents pour décrire l’ensemble des hémicelluloses présentes dans les bois.

Utilisation du bois 

Les débouchés du matériau bois s’articulent autour de trois secteurs :
• le bois d’œuvre
• le bois d’industrie
• le bois-énergie

Le bois d’œuvre est destiné principalement à la construction pour des utilisations en charpentes, bardages, terrasses, parquets, lambris et menuiserie. L’ameublement et l’emballage sont également des secteurs qui consomment du bois d’œuvre. Ce bois peut être défini d’après la forme sous laquelle il est fourni. Le bois d’œuvre est celui qui après la récolte (première transformation) est scié, tranché ou déroulé. Le tranchage et le déroulage sont deux opérations qui réalisent des produits similaires : des feuilles d’une épaisseur allant de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres. Ces placages sont utilisés sans autre transformation pour la réalisation d’emballages, mais peuvent aussi être assemblés par couches successives pour former un matériau plus stable que le bois massif. Le sciage permet d’obtenir des pièces de bois de plus grandes épaisseurs que le tranchage ou le déroulage. S’ils ne sont pas utilisés en bois massif, les bois sciés peuvent aussi subir une seconde transformation pour former des produits plus élaborés, des structures plus résistantes ou de plus grandes dimensions. Les bois lamellé-collés, aboutés ou contrecollés sont des illustrations de cette seconde transformation.

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Table des matières

Introduction
1 Le bois et le traitement thermique
1.1 Le matériau bois
1.1.1 Définition
1.1.2 Échelle macroscopique
1.1.3 Échelle moléculaire
1.2 Utilisation du bois
1.3 Classement mécanique
1.3.1 Cadre normatif
1.3.2 Résistance à la flexion
1.3.3 Module d’élasticité axial
1.4 Classes de durabilité et classes d’emploi
1.4.1 Agents de dégradation du bois
1.4.2 Cadre normatif
1.5 Modifications du bois
1.5.1 Considérations générales
1.5.2 Modifications chimiques
1.5.3 Modifications thermo-hydro-mécaniques
1.6 Traitement thermique
1.6.1 Définition et applications
1.6.2 Historique et procédés
1.6.3 Modifications chimiques liées au traitement thermique
1.6.4 Modifications anatomiques liées au traitement thermique
1.6.5 Modifications physiques liées au traitement thermique
1.7 Contrôle des bois traités thermiquement
1.8 Les procédés de traitement thermique, la technologie Thermowood
1.8.1 Atmosphères et vecteurs thermiques
1.8.2 Cycle de chauffe type
1.8.3 Considérations énergétiques
1.9 Conclusions
2 Campagnes d’expérimentations
2.1 Échantillonnage
2.2 Traitements thermiques
2.3 Homogénéité du traitement
2.4 Essais destructifs
2.4.1 Flexion quatre points
2.4.2 Traction axiale
2.4.3 Traction transversale
2.4.4 Compression axiale
2.4.5 Compression transversale
2.4.6 Cisaillement
2.4.7 Résilience
2.4.8 Valeurs caractéristiques
2.4.9 Durabilité
2.4.10 Perte de masse
2.5 Essais non destructifs
2.5.1 Analyse vibratoire
2.5.2 Analyse élémentaire
2.6 Conclusions
3 Résultats et discussions
3.1 Performances mécaniques
3.1.1 Influence du traitement : éprouvettes sans défaut
3.1.2 Influence du traitement sur la résilience
3.1.3 Influence du traitement : planches de grandes dimensions
3.2 Durabilité
3.2.1 Résistance en classe d’emploi 3
3.2.2 Résistance en classe d’emploi 4
3.3 Conclusions
4 Recherche d’indicateurs
4.1 Analyse vibratoire
4.1.1 Estimation de la résistance en flexion
4.1.2 Estimation de la perte de masse
4.2 Analyse de la composition élémentaire
4.2.1 Estimation de la résistance en flexion
4.2.2 Estimation de la perte de masse
4.3 Intensité de traitement
4.3.1 Estimation de la résistance en flexion
4.3.2 Estimation de la perte de masse
4.4 Homogénéité du traitement thermique
4.5 Utilisation de plusieurs indicateurs
4.5.1 Estimation de la résistance en flexion
4.5.2 Estimation de la résistance en flexion : cas pratiques
4.5.3 Influence de la largeur de cernes
4.6 Conclusions
Conclusion

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