M1 - UE Biophysique des tissus végétaux 2014

Meriem Fournier

Densités des bois

Le bois contient de l’eau

Comment quantifier la quantité d’eau dans le bois ?

Le bois contient de l’eauComment quantifier la quantité d’eau dans le bois

Le plus intuitif :

Teneur en eau H : Masse – Masse anhydre

Masse anhydre

H’ (en %) : Masse – Masse anhydre

Masse

Savez vous calculer H’ en fonction de H ?

La définition normalisée par les sciences du matériau

H’ =H / (H+1)

Mesure de H ou H’ ? Il faut mesurer la masse anhydre. Celle-ci est obtenue après passage du bois à 103°C le temps suffisant pour faire sortir toute l’eau (qui dépend de la dimension de l’échantillon)

Humidité du bois : quelle eau ?

Saturé

Point de Saturation des Fibres

30%

Anhydre

EAU

LIB

REEA

U L

IEE

H’

0%

25%

70%

« Deux » matériaux bois

• Le bois « vert » de l’arbre avant l’exploitation: = au dessus du Point de Saturation des fibres (de 30% à ? de H, ou 25% à 100% de H’)le bois dans l’arbre, la plaquette forestière, le bois au premier usinage

• Le bois sec : = au dessous du Point de Saturation des fibres (entre 4% et 30% de H)le bois matériau utilisé, le bois de la 2ième transfo. (collé, vernis …)

Le bois mis en œuvre se met à une humidité d’équilibre (H) qui dépend de la température et de l’humidité relative de l’air

Exercice : quel est la teneur en eau H d’équilibre du bois à Nancy en hiver ?Quelle masse d’eau va perdre une planche de 5kg initialement sciée dans du bois vert H’=35%

T=5°C et H=60%, H=11%, humidité finaleHumidité initiale H’=35%, ce qui fait 5x0,65 =3,25 kg de matière sèche et 5x0,35= 1,75kg d’eauDans l’état final, il reste 0,11*3,25= 0,36 kg d’eau, on en a perdu 1,75-0,36=1,39kg

Panacoco : 15% Balsa : 90%

Porosité : (volume de pores / volume total) ou (1-volume de parois/ volume total)

Comment mesurer la porosité sur ces images ?

Densités des bois

Qu’est ce que la densité d’un tissu ou d’une matière solide en général ?

Comment la mesurer ?

Dictionnaire Larousse : Qualité de ce qui est dense. […] . Physique : Rapport de la masse d'un liquide ou d'un solide à la masse d'eau occupant le même volume à la température de 4 °C.Exercice : un bois a une masse volumique de 650 kg/m3, quelle est sa densité ?

Méthode directe : Mesures de masse (balance) et de volume (par déplacement d’eau ou par mesure de « longueurs)

Volume =LongueurX largeurX épaisseur

Masse

Masse = volume

Méthodes indirectes : Atténuation des rayons X (radiographie, tomographie)

Densités des bois

Ordre de grandeur de la densité des bois secs à l’air (H=15%): entre 0,5 et 0,7

Classes de densité Densité Essences

Bois très lourds >0,85 Azobé, Ipé

Bois lourds 0,70 - 0,85Charme, Robinier, Movingui, Chêne dur

Bois mi-lourds 0,56 - 0,70

Niangon, Iroko, Châtaigner, Chêne tendre, Pins

Bois légers 0,45 - 0,55Framiré, Douglas, Epicéa, Sapin, Pins

Bois très légers <0,45Western red cedar, Séquoia, Peuplier

Balsa : 0,1 Amourette, Boco, Gaïac , Panacoco… (bois de fer) : 1 à 1,3

Attention la densité du bois dépend de sa teneur en eau :

1. Densité du bois « sec à l’air » (H=12-15%)

2. Densité du bois « vert » (plus grande ou plus petite ?)

3. Infra-densité dB (basic density, densité basale) = masse sèche contenue dans le volume humide (pour H>PSF), (plus grande ou plus petite ?)

PanacocodB=1,2 g/cm3

BalsadB=0,15 g/cm3

Toutes les définitions sont utiles :

1. Densité du bois « sec à l’air » (H=12-15%) : intéressant pour le bois matériau, aucun sens pour le bois tissu.

2. Densité du bois vert : pour le bois tissu, c’est le chargement mécanique qui doit être porté par le tissu de soutien, pour le bois matériau, c’est le poids qu’on va devoir transporter en camion

3. Infra-densité dB (basic density, densité basale) = masse sèche contenue dans le volume humide (pour H>PSF)

= pour l’arbre et le bois tissu, c’est le coût de construction d’un volume unitaire= pour l’homme et le service carbone de la forêt, c’est une donnée basique pour évaluer le stock de carbone dans un peuplement :

Inventaire forestiers => liste d’arbres avec H et DTarif de cubage => volume de bois Volume x dB => Masse sèche de bois, dB varie beaucoup (avec l’essence …)x concentration massique en carbone (peu variable 47,5%) => stock de C(méthodologie IFN INRA : Pignard G., Hamza N., Dupouey J.L., 2006. Estimating carbon stocks and fluxes in French forest biomass, based on national inventory data, In Loustau D. et al. (Eds.), Final Report of the Carbofor Project)

Porosité du bois et conductance spécifique

(Tyree, 1992)

• Illustration de l’importance de la taille des vaisseaux dans le flux d’eau :Sous une même différence de potentiel, le flux est le même à travers ces 3 sections. – si le diamètre est * 2=> flux *16– si le diamètre est * 4=>flux * 256

observéesurfaceladeAire

xKs observéesurfacesurVaisseaux

6484

Modèle physique = loi de Poiseuille

Porosité et conductivité spécifique

Porosité (%)73% 67% 60% 53% 47% 40%

Tachigali melinonii

Xylopia nitida

Porosité du bois et solidité mécanique ?

73% 67% 60% 53% 47% 40%

Porosité (%)

Rigi

dité

du

bois

(cf m

ercr

edi m

atin)

Figure 9 Dlouha et al. In Prep.

H important pour le bois matériau, bois secLe point de saturation des fibres (transition très importante) est défini par rapport à H (quantité d’eau que les parois donc la matière sèche est capable d’absorber)H important pour le tissu si on a besoin de savoir quelle masse d’eau peut être absorbée par les parois avant de commencer à remplir les lumens

La définition normalisée par les sciences du matériau

H’ =H / (H+1)

H’ important pour le matériau bois vert avant de le transformer en bois matériau. C’est la masse d’eau qu’on va devoir transporter ou évaporer par rapport à la masse qu’on utilise.

Pour le bois tissu, H’ moins important que la masse d’eau contenue dans les lumens (« free water », H-PSF x Masse sèche) qui représente un stock d’eau pour la conduction ou une charge mécanique. Aussi important, masse d’eau maximale (1 x porosité) que l’on peut trouver dans un volume unitaire de bois. C’est la capacité de stockage ou bien la charge mécanique maximale.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

PSF Saturation

Parois

Eau

Gaz

VolumePorosité

La densité des parois est peu variable malgré les différences de composition chimique

La densité de la matière sèche des parois est constante égale à 1,5

Les variations de densité des bois entre essences, entre arbres … ne sont donc que le reflet de variations de porosité

Relation entre infradensité et porosité ?

la densité (sèche) des parois est constante égale à 1,5Vtotal = Vpores + Vparois ou Vparois = Vtotal – Vpores

Porosité = Vpores / Vtotal Infradensité dB = Mparois / Vtotal =1,5 Vparois / Vtotal = 1,5 (1 - Vpores / Vtotal ) = 1,5 (1-porosité)

dB = 1,5 (1 – porosité) ou porosité = 1- dB/1,5

Le côté pratique, vous mesurez la porosité en mesurant l’infra-densité

Tachigali melinonii

Xylopia nitida

Un échantillon de bois vert (au dessus du PSF) a une teneur en eau H et une densité mesurée Dv. Quelle est son infradensité dB?

Teneur en eau : H = Meau /Msèche parois

Densité : Dv = Mtotale / Vtotal

Infradensité dB = Msèche parois / Vtotal

Ecrire Dv en fonction de dB et H ?

Dv = Mtotale / Vtotal

Mtotale = Msèche parois + Meau

Dv = Msèche parois / Vtotal + Meau / Vtotal = Msèche parois / Vtotal + (Meau / Msèche parois )(Msèche parois /Vtotal )

Dv= dB + H dB = dB (1+H)

Dv = dB (1+H) ou dB = Dv / (1+H)

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

PSF SaturationPSF SaturationPSF Saturation

Infradensité=0,1 infradensité=0,4 Infradensité=0,8

gaz

eau Parois

eau

gaz gaz

Volume Volume Volume

Parois

Quelle est la teneur en eau H maximale à saturation (plus de gaz)

Vtotal = Veau + Vparois + Vgaz

Veau = Vtotal – Vparois

Meau = 1* Veau = Vtotal - Mparois/1,5 (en g/cm3)

MCmax= Meau /Mparois = Vtotal /Mparois - 1/1,5

À saturation, pas de gaz

Hmax= 1/dB – 2/3

Hmax= 934% Hmax= 183% Hmax= 58%

Pour une infradensité donnée, quelle H maxi ?

Hyp: additivité des volumes

Avec ça on peut aussi déduire :

que la densité à saturation totale Dv max est :

Hmax= 1/dB – 2/3

Dv = dB (1+H) Dvmax= dB (1+Hmax)

Dvmax= 1 + dB/3

Côté pratique, vous mesurez comment Dvmax ?

Application

Discuter les résultats de l’article

Qu’est ce qu’on a mesuré indépendamment ?

Les liens observés entre variables (Figures 1, 2, 3) sont-ils attendus du fait de lois physiques ? Sont-ils alors conformes à ces lois ?

Que pensez vous de la figure 6, s’attend-on a une relation entre densité du bois vert et infra-densité ? Que signifie la relation observée ?