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Inventaire et hiérarchisation de paramétres structuraux et ultrastructuraux de la variabilité intra spécifique de certaines propriétés mécano physiques des tissus ligneux

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par Christophe Gachet
Université Bordeaux 1 Sciences et Technologies - Doctorat Thèse PhD 2003
  

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1 Inventaire des facteurs essentiels de la variabilité intra arbre des

propriétés mécaniques des tissus ligneux

Les différents niveaux de description et d'hétérogénéité de la matière ligneuse sont ici successivement explorés, depuis l'ultrastructure moléculaire, jusqu'à la macrostructure du bois massif sans défaut, dans une perspective mécanicienne. Les éléments bibliographiques essentiels sont évoqués en appui des choix qui sont, in fine, retenus, dans l'objectif d'alimenter une succession de modèles micro-macro (non nécessairement les plus sophistiqués) explicatifs et descriptifs du comportement élastique anisotrope du bois massif. Quelques indications succinctes de la variabilité des paramètres susceptibles de conditionner l'anisotropie élastique sont également précisées.

1.1 La cellule ligneuse

1.1.1 Description cytologique sommaire de la cellule ligneuse dite de « bois normal »

Une fois différenciée, la cellule ligneuse présente plusieurs parois (couches) constitutives,

inégales en proportion. Une description des couches externes vers les couches cellulaires plus internes permet de distinguer :

une couche intercellulaire qui joue le rôle d'un ciment entre deux cellules mitoyennes,

une paroi primaire tapissant la couche précédente,

une paroi secondaire se déposant sur la paroi primaire.

La paroi secondaire, par sa structure et son volume, constitue la partie de la cellule ligneuse la plus résistante mécaniquement.

Les études cytologiques classiques distinguent au sein de cette paroi secondaire trois sous couches superposées, appelées S1, S2, et S3, se déposant successivement au cours de la maturation, (Dunning, 1968), et se singularisant, non seulement par leur dimension et par leur composition chimique (proportion de macromolécules), mais aussi par l'inclinaison des microfibrilles par rapport au grand axe cellulaire (angle des microfibrilles noté AMF, Figure

1.1).

La sous couche externe S1, formation intermédiaire entre la paroi primaire et les sous couches plus internes de la paroi secondaire, présente une structure lamellaire (3 à 6 lamelles). Dans cette sous couche, qui représente entre 5 et 10% de l'épaisseur totale de la paroi cellulaire

(soit au maximum 0.35 um, d'après Keller, 1999), l'inclinaison des microfibrilles de cellulose

est de l'ordre de 60 à 80 degrés. Le renfort cellulosique de cette sous couche est constitué de deux enroulements de microfibrilles croisés et superposés (treillis de fibres).

La sous couche centrale S2 (75 à 85% de l'épaisseur totale et au maximum 10 um d'après

Keller, 1999) est formée d'une organisation nettement plus dense de lamelles de microfibrilles

de cellulose, quasi parallèles et inclinées d'au minimum 5 degrés chez les résineux. Comparativement aux autres sous couches, c'est au sein de S2 que l'angle des microfibrilles varie le plus selon le « type » de bois observé (bois initial et final, constitutifs du bois normal, mais aussi bois juvénile ou encore bois de compression). La valeur maximale de cet angle des microfibrilles est assez variable ; nous envisagerons ici, dans le cadre d'un bois dit

« normal », et comme de nombreux auteurs mécaniciens (Mark, 1967, 1980, Barrett, 1973,

5

Inventaire des facteurs essentiels de la variabilité intra arbre des propriétés mécaniques des tissus ligneux

Koponen et al, 1989, Navi et al, 1995), une valeur maximale de 40 degrés attribuée à la sous

couche S2 du bois initial ou à celle des rayons ligneux.

Composante essentielle de la paroi secondaire, la sous couche S2 est considérée (Mark, 1967,

1980, Barrett, 1973, Gillis, 1972, Bodig et al, 1982, Norimoto, 1986 dans Gril, 1987) comme

principale responsable du comportement mécanique global de la cellule ligneuse de bois normal.

La sous couche interne S3, relativement mince (entre 0,5 et 1,10um), possède également une structure en lamelle mais les microfibrilles sont moins strictement parallèles entre elles que dans S2. L'inclinaison des microfibrilles y est de l'ordre de 60 à 90 degrés d'après Kollman et

al (1984).

Figure 1.1 Vue schématique d'une paroi cellulaire typique d'une trachéide de conifère, tiré et adapté de Siau (1984)

P : paroi primaire, P', P'' paroi primaire de cellules adjacentes

M : lamelle moyenne

S1 : sous couche externe de la paroi secondaire S2 : sous couche centrale de la paroi secondaire S3 : sous couche interne de la paroi secondaire

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