Les propriétés du bois évoluent en fonction de son humidité

Contexte et étude de bois

Le bois est un matériau cellulaire d’origine végétale composé majoritairement de matière organique. Il est lui-même le composant majoritaire des plantes ligneuses (les arbres et arbustes). Malgré une image de matériau « vieux comme le monde » qu’il transmet contre son gré à son industrie, c’est un matériau extrêmement complexe dont de nombreuses propriétés physiques et mécaniques ne sont pas encore bien quantifiées. Il apparait donc nécessaire de présenter les principales propriétés qui influent directement ou indirectement sur le travail de ce matériau par outil coupant et les connaissances déjà établies à ce sujet. Le matériau bois est un matériau composite naturel (Figures 1.1 et 1.2). Du point de vue structurel, Il est constitué principalement de cellules, les trachéides, appelées communément « fibres » de par leur nature très élancée. Ces fibres sont noyées dans une matrice, la lamelle mitoyenne. Une cellule de bois est elle-même composée de quatre couches : les couches S3, S2, S1 et la paroi primaire qui la sépare de la lamelle mitoyenne (Figure 1.3). Le centre de la cellule est appelé lumen et est empli soit d’air soit d’eau (soit des deux dans une proportion donnée) selon l’humidité du bois. D’un point de vue chimique, trois principaux polymères forment le bois : la cellulose, l’hémicellulose et la lignine. Leur proportion varie en fonction de la localisation dans la cellule. Cette variation est exposée dans la Figure 1.4, d’après des études de P. Navi (Navi & Heger, 2005). Une famille de composée, appelée les extractibles, est négligée de par sa présence en faible quantité et son impact quasi nul sur les propriétés mécaniques du bois.

La structure fibreuse présentée dans le paragraphe précédent confère au matériau bois des propriétés physiques orientées. On parle d’orthotropie cylindrique. L’orthotropie cylindrique (plus rigoureusement appelée anisotropie orthotrope cylindrique) est une caractéristique fortement marquée dans la plupart des bois. De par son anatomie, le bois possède une direction privilégiée, selon la direction dans laquelle il s’est développé. En effet les fibres sont orientées dans cette direction pour assurer l’assise mécanique de l’arbre. Cela est vrai aussi bien pour le tronc de l’arbre que pour ses branches. Il est notable que, celles-ci se développant dans des directions différentes du tronc, elles perturbent localement cette orthotropie. Le bois est un matériau hétérogène à toutes les échelles. A l’échelle de la ressource, deux arbres, ayant poussé dans les mêmes conditions environnementales peuvent présenter des propriétés singulièrement différentes. De plus, au sein d’un arbre le matériau en lui-même varie de sa périphérie vers sa moelle et de ses racines jusqu’au houppier. A l’échelle des centimètres, les branches sont à l’origine de nœuds aux propriétés très différentes en termes d’orientation et de valeurs du reste du bois composant l’arbre. Les hétérogénéités à cette échelle sont critiques lors de la mise en forme du bois par enlèvement de matière. A plus petite échelle, on retrouve encore de nouvelles formes d’hétérogénéités, comme elles auront moins d’importance vis-à-vis de la coupe du matériau, elles ne seront pas détaillées ici.

Un matériau hygroscopique

Les propriétés du bois évoluent en fonction de son humidité (et de sa température dans une moindre mesure). Il existe plusieurs définitions de l’humidité du bois. Dans ce manuscrit, toutes les humidités évoquées seront des humidités dites « sèches », c’est-à-dire correspondant à la proportion massique entre l’eau liquide et le bois. La définition mathématique de l’humidité H% est donc la suivante : du séchage du bois, et sa perte entraîne des retraits dimensionnels du bois. Lorsqu’il ne possède plus d’eau libre mais seulement de l’eau liée, le Point de Saturation des Fibres (PSF) est atteint. Par défaut il est dit qu’il est atteint vers 30% d’humidité, mais en réalité le PSF peut s’écarter de plus d’une dizaine de pourcents de cette valeur selon les bois dans un sens comme dans l’autre. La première transformation du bois s’étend de « l’arrivée du bois en scierie » jusqu’au bois « scié », « tranché », « déroulé », « fendu » ou « déchiqueté » selon l’application finale de ces produits semi-finis (ONF, 2018), voir Figure 1.7. On y adjoint souvent l’industrie de la trituration. La flèche rouge représente les plaquettes produites en scierie et le sujet central de cette étude.