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N° d'ordre : 2776
THÈSE
présentée à
L'UNIVERSITÉ BORDEAUX I
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE
L'INGÉNIEUR
par
Christophe GACHET
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : SCIENCES DU BOIS
INVENTAIRE ET HIÉRARCHISATION DE PARAMÈTRES
STRUCTURAUX ET ULTRASTRUCTURAUX FACTEURS DE VARIABILITÉ INTRA
SPÉCIFIQUE
DE CERTAINES PROPRIÉTÉS MÉCANO
PHYSIQUES DES TISSUS LIGNEUX
Soutenue le 16 décembre 2003
Après avis de :
MM. B. CHARRIER, Maître de Conférences, HDR- IUT
de PAU et des Pays de l'Adour Rapporteurs
J. GRIL, Directeur de Recherche CNRS-LMGC, Montpellier
Devant la commission d'examen formée de :
MM. B. DE JESO, Professeur-LCSV, Institut du Pin, Univ.
Bordeaux 1 Président
J.R. PUIGGALI, Professeur-LEPT-ENSAM, Univ. Bordeaux 1
Rapporteur
B. CHARRIER, Maître de Conférences, HDR-IUT de PAU
et des Pays de l'Adour
J. GRIL, Directeur de Recherche CNRS-LMGC, Montpellier
Examinateurs
D. GUITARD, Professeur-LEPT-ENSAM, Univ. Bordeaux 1
A. ZOULALIAN, Professeur-LERMAB, Univ. Nancy 1
- 2003 -
Ce travail a été réalisé au
Laboratoire Energétique et Phénomènes de Transferts,
unité mixte
de recherche associée au CNRS, à
l'Université de Bordeaux 1 et à l'Ecole Nationale
Supérieure d'Arts et Métiers; il a été soutenu par
un financement du Ministère de l'Education Nationale de la Recherche et
des Technologies.
Je souhaite tout d'abord remercier sincèrement
Monsieur le Professeur Bernard De
Jeso pour avoir accepté de présider mon jury de
thèse.
C'est un grand honneur que m'ont fait Messieurs Bertrand
Charrier, Maître de
Conférences, Joseph Gril, Directeur de Recherche au CNRS
et André Zoulalian, Professeur, en s'intéressant à mes
travaux de recherche et en acceptant de les rapporter.
Tout au long de ce travail, les conseils avisés de
Monsieur Joseph Gril, Directeur de Recherche au CNRS, m'ont permis
d'appréhender toute la complexité du comportement
rhéologique du matériau bois.
Je voudrais tout particulièrement remercier
Monsieur Jean Rodolphe Puiggali, Professeur et Directeur du LEPT - ENSAM
pour ses remarques, ses conseils avisés comme pour son soutien
indéfectible.
Monsieur Daniel Guitard, Professeur et Directeur de
Thèse a eu la lourde tache d'initier (ou de re-initier) aux
rudiments de la Mécanique des Solides et de la Résistance des
Matériaux, un physico chimiste de formation. Qu'il en soit ici
sincèrement remercié ; la mission n'ayant pas toujours
été facile. Durant ces trois années j'ai pu
également bénéficier
de son expérience à l'origine de nombreuses
discussions particulièrement enrichissantes.
L'équipe du CIRAD Forêt de Montpellier a
mis a ma disposition de nombreux moyens expérimentaux et a su me
consacrer une partie de son temps, ô combien précieux ; je tiens
donc ici à remercier Anne et Bernard Thibaut ainsi que Gilles Calcheras.
Votre aide a été plus qu'appréciable.
Monsieur Philippe Rozenberg, Chargé de Recherches
INRA (station d'Olivet), a su m'orienter et me guider dans le domaine bien
spécifique des études microdensitométriques.
Enfin, je désire remercier les miens, Béa, mes
Parents et Valérie pour leur réconfort permanent.
TABLE DES MATIERES
Introduction
.................................................................................................................................................
3
1 Inventaire des facteurs essentiels de la
variabilité intra arbre des propriétés
mécaniques des tissus ligneux
.......................................................................................................
5
1.1 La cellule ligneuse
........................................................................................................................
5
1.1.1 Description cytologique sommaire de la cellule ligneuse
dite de « bois normal »............ 5
1.2 Des macromolécules au comportement mécanique de
la paroi cellulaire .................................... 6
1.2.1 Les polymères fondamentaux de la paroi cellulaire
.......................................................... 6
1.2.2 Les microfibrilles de cellulose : des
éléments essentiels de renfort pariétal
..................... 7
1.2.3 La matrice ligno-cellulosique
..........................................................................................
12
1.2.4 L'angle des microfibrilles dans la sous couche S2 : un
paramètre micromécanique primordial
........................................................................................................................
14
1.2.5 Prise en compte du caractère multicouche de la paroi
cellulaire ..................................... 17
1.2.6 Description du comportement mécanique de sous couche
.............................................. 18
1.2.7 La double cloison, un passage obligé vers le tissu
ligneux ............................................. 18
1.3 L'anisotropie élastique à l'échelle du
tissu ligneux
.................................................................... 22
1.3.1 La morphologie
cellulaire................................................................................................
23
1.4 Facteurs explicatifs de l'anisotropie élastique
à l'échelle du cerne de croissance ...................... 26
1.4.1 Le cerne assimilé à un bicouche
......................................................................................
26
1.4.2 Le rayon ligneux : un élément de renfort
radial .............................................................. 27
1.5 Conclusion
..................................................................................................................................
29
2 Modèles multi échelles et construction du
Résineux Standard Virtuel (RSV) ................ 30
2.1 Modèles multi échelles retenus pour
décrire l'anisotropie élastique du bois de résineux
.......... 30
2.1.1 Le concept de modélisation multi
échelles......................................................................
30
2.1.2 Modèles à parois cellulaires multicouche
(Multicouche) ................................................ 30
2.1.3 Modèle à squelette de microfibrilles
(Squelette) ............................................................. 40
2.1.4 Nombre total de paramètres structuraux retenus
............................................................. 41
2.2 Construction du Résineux Standard
Virtuel................................................................................
45
2.2.1 Validation des modèles prévisionnels de
l'anisotropie élastique .................................... 45
2.2.2 Résultats et discussions
...................................................................................................
46
2.2.3 Situation des paramétres du modèle RSV
vis-à-vis de ceux de trois essences résineuses ..
.........................................................................................................................................
54
2.3 Conclusion
..................................................................................................................................
59
3 Hiérarchisation des paramètres
descriptifs de l'anisotropie élastique du bois normal 63
3.1 La porosité, facteur de l'anisotropie élastique
du réseau cellulaire nid d'abeille ....................... 63
3.1.1 Comparaison au modèle de Gibson et al et
influence de l'élément de paroi fléchie .......... 66
3.1.2
Conclusion.......................................................................................................................
69
3.2 Hétérogénéité tissulaire
et anisotropie élastique du bois normal
................................................ 69
3.2.1 Différence de morphologique cellulaire entre le bois
initial et le bois final ................... 70
3.2.2 Distinction densitométrique entre le bois initial et
le bois final ...................................... 72
3.2.3 La texture, facteur d'anisotropie élastique dans le
plan transverse .................................. 73
3.3 Rôle des rayons ligneux dans l'anisotropie
élastique du cerne ...................................................
82
3.4 Influence des paramètres ultrastructuraux sur
l'anisotropie élastique tissulaire ......................... 83
3.4.1 Sensibilité de l'anisotropie tissulaire L/T à
l'angle des microfibrilles ............................ 83
3.4.2 Incidence du module d'élasticité des
microfibrilles ........................................................ 86
3.4.3 Influence du module élastique de la matrice
................................................................... 86
3.4.4 Anisotropie tissulaire L/T d'un bois normal imputable
à l'AMF dans S2 ....................... 89
1
3.4.5
Conclusion.......................................................................................................................
91
3.5 Différences et complémentarités entre
les modélisations Multicouches et Squelette ................. 91
3.5.1 Paramètres d'entrées des modélisations
confrontées....................................................... 91
3.6 Valeurs de modules élastiques de double paroi
présentés dans la littérature
.............................. 92
3.6.1 Choix des valeurs cibles
..................................................................................................
93
3.7 Propriétés élastiques prévues par
les différentes
modélisations.................................................. 93
3.7.1 Le bicouche M1
...............................................................................................................
94
3.7.2 Le multicouche M2
.........................................................................................................
95
3.7.3 Modules élastiques de double paroi virtuelle obtenus
via le modèle M3 ........................ 96
3.7.4 Degrés d'anisotropie pariétale
.........................................................................................
98
3.8 Comportement en flexion torsion du stratifié
pariétal
................................................................ 98
3.8.1 Influence d'une modification de l'épaisseur de S1
.......................................................... 99
3.8.2 Influence de l'angle des microfibrilles
............................................................................
99
3.9 Conclusion
................................................................................................................................
100
4 Vers une description de l'anisotropie élastique
du bois de réaction................................ 101
4.1 Existence de plusieurs bois de compression
.............................................................................
101
4.1.1 Description sommaire des caractères anatomiques
généraux du bois de compression . 101
4.2 Etude
expérimentale..................................................................................................................
103
4.2.1 Mise en oeuvre de l'étude
..............................................................................................
103
4.2.2 Synthèses des différents résultats
..................................................................................
111
4.2.3 Influence de modifications anatomiques sur les
caractéristiques élastiques prédites.... 124
4.2.4
Conclusion.....................................................................................................................
129
5 Conclusion et
perspectives.........................................................................................................
130
2
Introduction
Depuis longtemps (tels Carrington en 1922, Kollmann
et al en 1941 et 1960 rapportés dans Kollmann et
Coté, 1984), ou plus récemment (Bodig, 1984, Guitard et
al, 1987), de nombreux auteurs, se sont préoccupés
d'analyser et même de modéliser l'influence de
paramètres physiques tels que la masse volumique, le taux
d'humidité, ou encore la température sur les
propriétés élastiques du matériau bois.
Des modèles prévisionnels des
caractéristiques élastiques anisotropes (Guitard et
al, 1987), s'appuyant sur des indicateurs tels que la nature feuillue ou
résineuse de l'essence considérée, la masse volumique, le
taux d'humidité et la température ont ainsi
démontré leur pertinence quand
à l'évaluation, à priori, des
constantes élastiques anisotropes ou des coefficients de retraits
hydriques (Presioza et al, 1986).
Plus de quatre vingt pour cent de la variabilité inter
spécifique, et même intra spécifique, de ces
propriétés technologiques du bois normal sont ainsi
largement expliqués par ces seuls indicateurs.
Les modèles précités, très
certainement efficaces pour élucider la variabilité inter
spécifique des modules élastiques et des retraits pour le
bois « normal », sont pourtant mis en défaut pour
décrire la variabilité intra arbre de ces mêmes
caractéristiques mécano physiques. Tout au long
de sa croissance, outre le bois dit « normal
», l'arbre élabore en effet une grande variété
de tissus ligneux (bois juvénile, bois adulte, bois initial,
bois final, bois de réaction, bois duraminisé), ceci en
réponse à des impératifs de développement de
la plante, notamment en réaction à des stimuli
extérieurs variés (gravitropiques, héliotropiques,
climatiques, attaques fongiques ou d'insectes).
Cette diversité tissulaire, s'exprimant tant au
niveau de la macrostructure (moelle excentrée, largeur de cernes,
texture, duramen) que de la structure cellulaire (formes et
diamètres des cellules, épaisseurs de paroi, présence
d'une sous couche gélatineuse) voire de l'ultra structure
(nature des bio polymères, angle des microfibrilles,
taux de cristallinité de la cellulose) peut donc être
considérée à l'origine du caractère
hétérogène et fortement variable du matériau.
La plupart des propriétés mécano
physiques observées à l'échelle du bois massif
(échelle macroscopique) résulte donc d'une imbrication
à priori étroite de plusieurs niveaux
d'hétérogénéité : échelle
supramoléculaire (microfibrilles de cellulose, polymères
amorphes), échelle pariétale (orientation des microfibrilles
dans les sous-couches), échelle de la cellule
(morphologie cellulaire), échelle du tissu ligneux
(différenciation en bois initial / final) et échelle du
cerne d'accroissement (présence de rayons ligneux).
De façon quasi systématique, la sensibilité
de l'anisotropie élastique transverse macroscopique
(caractérisée par le rapport des modules
d'élasticité radial et tangentiel) a, de fait, souvent (et
« naturellement ») été
analysée par l'anisotropie de la paroi cellulaire, par la
géométrie cellulaire, par l'agencement cellulaire (en
quinconce, aligné,...) ou encore par la présence de rayons
ligneux.
L'objectif de ce travail, limité au seul cas des
résineux, est donc, à travers une étude transversale
pluridisciplinaire (cytologie, anatomie, mécanique des
composites), d'énumérer et de
3
hiérarchiser, les paramètres les plus
pertinents susceptibles de conditionner l'anisotropie élastique du
bois normal aux différentes échelles d'observations.
In fine, il s'agit, par un cheminement plus
déterministe que statistique, d'établir un jeu de
paramètres strictement utiles, capables, de par les intervalles
de variations qu'une étude documentaire leur assigne, de rendre
compte de la variabilité intra arbre des propriétés
mécano physiques du bois normal des résineux.
Cette démarche s'appuie en particulier sur
l'exploitation de modèles explicatifs proposés par
différents auteurs et sur leur confrontation éventuelle à
des jeux de données expérimentales.
4
Inventaire des facteurs essentiels de la variabilité intra
arbre des propriétés mécaniques des tissus ligneux
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