Densités des bois M1 - UE Biophysique des tissus végétaux 2016

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1 Densités des bois M1 - UE Biophysique des tissus végétaux 2016
Meriem Fournier

2 Le bois contient de l’eau Comment quantifier la quantité d’eau dans le bois ?

3 Humidité du bois : quelle eau ?
Point de Saturation des Fibres Saturé Eau "libre" ou eau capillaire Eau "liée" ou eau des parois Anhydre

4 Le bois contient de l’eau Comment quantifier la quantité d’eau dans le bois
Le plus intuitif : H’ (en %) : Masse – Masse anhydre Masse La définition normalisée par les sciences du matériau Teneur en eau H : Masse – Masse anhydre Masse anhydre Savez vous calculer H’ en fonction de H ? 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)

5 70% EAU LIBRE 25% EAU LIEE 0% H’

6 « Deux » matériaux bois Le bois « vert » de l’arbre ou juste après 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, la grume juste abattue On utilise plutôt H’ Le bois sec (bois matériau) = au dessous du Point de Saturation des fibres (entre 4% et 30% de H) le bois d’œuvre après première transformation (sciages, placages), la matière première de la 2ième transfo. (collé, vernis …), le matériau d’usage (la table, la lame de parquet, la charpente) On utilise H

7 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 finale Humidité initiale H’=35%, ce qui fait 5x0,65 =3,25 kg de matière sèche et 5x0,35= 1,75kg d’eau Dans l’état final, il reste 0,11*3,25= 0,36 kg d’eau, on en a perdu 1,75-0,36=1,39kg

8 Porosité : (volume de pores / volume total) ou (1-volume de parois/ volume total)
Balsa : 90% Panacoco : 15% Comment mesurer la porosité sur ces images ?

9 Densités des bois

10 Qu’est ce que la densité d’un tissu ou d’une matière solide en général ?
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 ? Comment la mesurer ? Méthode directe : Mesures de masse (balance) et de volume (par déplacement d’eau ou par mesure de «  longueurs) Masse Volume = Longueur X largeur X épaisseur Masse = volume Méthodes indirectes : Atténuation des rayons X (radiographie, tomographie)

11 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 - 0,85 Charme, Robinier, Movingui, Chêne dur Bois mi-lourds 0,56 - 0,70 Niangon, Iroko, Châtaigner, Chêne tendre, Pins Bois légers 0,45 - 0,55 Framiré, Douglas, Epicéa, Sapin, Pins Bois très légers <0,45 Western red cedar, Séquoia, Peuplier Balsa : 0,1 Amourette, Boco, Gaïac , Panacoco… (bois de fer) : 1 à 1,3

12 Attention la densité du bois dépend de sa teneur en eau :
Densité du bois « sec à l’air » (H=12-15%) Densité du bois « vert » (plus grande ou plus petite ?) Infra-densité dB (basic density, densité basale) = masse sèche contenue dans le volume humide (pour H>PSF), (plus grande ou plus petite ?) Panacoco dB=1,2 g/cm3 Balsa dB=0,15 g/cm3

13 Toutes les définitions sont utiles :
Densité du bois « sec à l’air » (H=12-15%) : intéressant pour le bois matériau, aucun sens pour le bois tissu. 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 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 forestier (on verra ça dans l’exercice)

14 Porosité du bois et conductance spécifique
Modèle physique = loi de Poiseuille (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

15 Porosité et conductivité spécifique
Xylopia nitida Tachigali melinonii 73% % % % % % Porosité (%)

16 Porosité du bois et solidité mécanique ?
Rigidité du bois (cf mercredi matin) 73% 67% 60% 53% 47% 40% Porosité (%) Figure 9 Dlouha et al. In Prep.

17 H important pour le bois matériau, bois sec
H’ =H / (H+1) La définition normalisée par les sciences du matériau H important pour le bois matériau, bois sec Le 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 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.

18 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. Porosité

19 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

20 Relation entre infradensité et porosité ?
la densité (sèche) des parois est constante égale à 1,5 Vtotal = 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

21 Une question : est ce qu’un bois de porosité grande conduit mieux ou moins bien l’eau ? On vote …

22 Une réponse expérimentale
Xylopia nitida Tachigali melinonii

23 Une autre réponse expérimentale : Echantillons de même densité
1 4 7 8 68 19 9 Relative conductivité spécifique

24 Et pourtant il y a une « loi physique » derrière tout ça
Modèle physique = loi de Poiseuille (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 Demandez à vos profs d’analyse d’image de mesurer les vaisseaux pour estimer la performance hydraulique du bois 24

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

26 Pour une infradensité donnée, quelle H maxi ?
Volume Volume Volume Infradensité=0,1 infradensité=0,4 Infradensité=0,8 Hmax= 183% Hmax= 58% Hmax= 934% gaz gaz gaz eau Parois eau Parois PSF Saturation PSF Saturation PSF Saturation Quelle est la teneur en eau H maximale à saturation (plus de gaz) Hyp: additivité des volumes 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

27 Avec ça on peut aussi déduire :
que la densité à saturation totale Dv max est : Dv = dB (1+H) Dvmax= dB (1+Hmax) Hmax= 1/dB – 2/3 Dvmax= 1 + dB/3 Côté pratique, vous mesurez comment Dvmax ?

28 Mini projet (qui n’est pas qu’une application directe) Combien de carbone dans mon arbre ?
Un hêtre On doit évaluer combien de carbone il contient (en kilogrammes) et question subsidaire : Le carbone stocké dans cet arbre compense combien de kms parcourus avec ma voiture (site ADEME : qui rejette du CO2)

29 Quelle méthode ? Vous êtes en groupe de 5 : Mettez en place la méthode ensemble et organisez vous pour mesurer, calculer, rédiger, vérifier … On vous dit que la concentration en carbone du bois peut être prise à 0,48 (entre 0,45 et 0,50) par g de matière sèche (Lamlom et Savidge 2003 ou Loustau 2004 en France)

30 Qu’est ce que vous mesurez sans abattre l’arbre (rappel cours UE 701)
Je vous donnerai de quoi mesurer le diamètre ou la circonférence de l’arbre. La mesure de hauteur n’est pas indispensable mais vous pouvez utiliser la croix du bucheron ou l’application smartphone Baumhoehenmesser.

31 Rappel du cours de l’UE 701 sur la croix du bucheron
• Prendre deux crayons (ou bâtons) de même dimension (sur le schéma : ab = oh) • Placer le premier crayon en position horizontale et le deuxième en position verticale. • Se placer face à l'objet à estimer (ici un arbre), à une distance voisine approximativement de sa hauteur. • Faire coïncider sur une même ligne, le pied de l'arbre, le bas du bâton et son œil. • Faire de même, en se déplaçant si nécessaire, pour que coïncident le haut de l'arbre, le haut du bâton et l'œil. • Lorsque les deux extrémités de l'arbre correspondent bien aux extrémités du bâton, mesurer la distance entre soi et l'objet. (BC sur le schéma) La hauteur de l'arbre (ici AB) est alors égale à la distance BC. Mesure de hauteur d’arbre :

32 Méthodes d’estimation statistique de la biomasse d’un arbre (Fleur Longuetaud et Frédéric Mothe)
Fleur Longuetaud ou Frédéric Mothe (Bâtiment B’ à Champenoux et TD mercredi) sont disponibles pour vous donner des références d’équations statistiques de volume ou de biomasse pour estimer la biomasse par des équations statistiques à partir de vos mesures de diamètre ou de circonférence et même de hauteur. Plusieurs méthodes possibles (vous pouvez en tester plusieurs)

33 et question subsidaire :
Le carbone stocké dans cet arbre compense combien de kms parcourus avec ma voiture (site ADEME : qui rejette du CO2 On vous rappelle que dans le poids moléculaire du CO2 est de = 44g/mole