2.2.2.3 Sorption et perméabilité de l’eau
Le bois est un matériau hygroscopique; il peut adsorber et/ ou désorber l’eau du milieu environnant, tendant à atteindre un état d’équilibre lorsque l’humidité relative atmosphérique (HR) est stable. Par conséquent, la teneur en humidité (MC) du bois est la teneur relative en eau présente dans les tissus du bois, qui résulte de l’état naturel (dans un arbre vivant) ou est le résultat de l’action de facteurs atmosphériques ou d’exploitation qui affectent le matériau pendant une plus longue période. La relation entre la teneur en humidité d’équilibre et l’humidité relative à température constante est connue sous le nom d’isotherme de sorption. L’isotherme de sorption est une caractéristique du matériau, mais elle est influencée par la température et les antécédents de sorption de l’échantillon examiné. Dans des conditions environnementales instables d’humidité relative, l’humidité du bois change continuellement et l’équilibre est rarement atteint (Popescu et Hill, 2013; Engelund et al., 2013).
Dans un arbre vivant, les valeurs de teneur en humidité varient selon les espèces d’arbres, à l’intérieur de l’arbre, par exemple entre l’aubier et le bois de cœur; entre les saisons; et éventuellement aussi avec l’heure de la journée. Pour les résineux, la teneur en humidité du bois de cœur est généralement considérablement plus faible que pour l’aubier (Pallardy et Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013). Ce n’est pas toujours le cas pour les feuillus, pour lesquels la relation entre la teneur en humidité du bois de cœur et de l’aubier dépend de l’espèce et peut également dépendre de la saison (Pallardy et Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013).
Il a été mentionné que l’eau du bois peut être présente dans trois états différents (eau libre, eau liée au gel et eau liée au gel; Nakamura et al., 1981; Berthold et coll., 1996). L’eau libre est considérée comme l’eau capillaire dans les lumières de la cellule, tandis que l’eau liée interagit avec les polymères du bois plus ou moins hydrophiles. On suppose que l’eau liée au gel est modérément liée à la paroi cellulaire, tandis que l’eau non gelée est fortement liée.
Considérant que les groupes hydroxyles des polymères du bois sont les principaux sites de sorption, à faible teneur en humidité, il est suggéré que les molécules d’eau peuvent se lier simultanément à deux groupes hydroxyles voisins (Joly et al., 1996) formant la monocouche ou l’eau fortement liée aux groupes polaires à l’intérieur de la paroi cellulaire. Cela se produit à une teneur en humidité allant jusqu’à ~ 4%. En outre, l’adsorption polymoléculaire a lieu dans la plage d’une teneur en humidité allant de ~ 4% à 12%, formant de l’eau multicouche ou faiblement liée au substrat ou dans les grappes d’eau plus grandes. Le phénomène de sorption capillaire englobe une teneur en humidité du bois de 12% à ~ 30% (point de saturation de la paroi cellulaire). Le point de saturation en humidité est atteint par le bois lorsqu’il est conservé suffisamment longtemps dans un environnement avec un pourcentage maximal d’humidité relative et est une quantité indépendante de l’espèce de bois.
La mesure de la teneur en humidité fournit des informations sur l’état actuel de l’humidification du bois dans des conditions environnementales données (voir fig. 2.5).
Fig. 2.5. Isotherme de sorption tracé en fonction de l’humidité relative de l’échantillon pour le bouleau (Betula sp.) bois.
La teneur en humidité est généralement exprimée en pourcentage de la masse de bois. Par conséquent, à la même teneur en humidité, la masse d’eau contenue dans le bois est une valeur différente pour les essences de bois individuelles. Le bois de densité supérieure contient plus d’eau que le bois de densité inférieure à la même teneur en humidité.
L’adsorption et la désorption de l’eau s’accompagnent de modifications des dimensions linéaires du bois (gonflement et retrait, respectivement). En raison de l’anatomie anisotrope du bois, ses déformations liées à la teneur en humidité sont différentes pour les directions longitudinale, radiale et tangentielle. Le plus grand changement de taille a lieu dans la direction des anneaux de croissance annuels (tangentiellement), moins transversalement aux anneaux et peu dans la direction de la tige. De plus, différents types de bois gonflent différemment (Rowell, 2005; Hohne et Tauer, 2016).
L’absorbabilité du bois est la capacité du bois immergé dans l’eau (ou d’autres liquides) à l’absorber. L’absorption est définie par trois paramètres, la vitesse d’absorption, la capacité maximale en eau et le degré (coefficient) de saturation. Leurs valeurs numériques dépendent de l’espèce de bois (sa densité et sa porosité), de la zone du tronc (aubier ou bois de cœur), de la teneur initiale en humidité des tissus du bois, du type de liquide, de la taille de l’échantillon et de la direction anatomique du bois.
La perméabilité du bois est la sensibilité du matériau à l’humidification et sa capacité à laisser passer le liquide à travers celui-ci. Cette propriété est importante, entre autres, pour les processus d’imprégnation (dans la préservation du bois) et la construction. Les principaux facteurs déterminant la susceptibilité à la perméation comprennent l’anatomie du bois, la zone de section transversale du tronc (aubier, bois de cœur), la direction anatomique et la pression du liquide.
La pénétration de l’eau, lorsque le bois est exposé à l’humidité, et le taux de libération, lorsque le bois est laissé sécher, ont une influence significative sur la détermination de la performance et de la durée de vie prévue. Étant donné que la perméabilité à l’eau est l’un des facteurs clés affectant la performance d’un composant en bois car il contrôle la possibilité de décomposition fongique, les espèces de bois moins perméables à l’eau devraient obtenir de meilleurs résultats que les espèces perméables dans les classes d’utilisation où le bois est exposé à un mouillage intermittent. Le temps d’humidité est également un facteur clé du développement des champignons, et il est affecté par des paramètres environnementaux, y compris la conception, la physique du bâtiment et l’exposition et l’entretien, qui ont un effet remarquable sur les performances et varient considérablement d’une Europe à l’autre (Kutnik et al., 2014).
Les propriétés thermiques du bois caractérisent le comportement du bois sous charge thermique, lorsque la température augmente ou diminue. La température est un paramètre important, qui influence différents processus technologiques et propriétés spécifiques du bois. Parmi les nombreuses propriétés thermiques des matériaux de construction, les suivantes sont les plus importantes dans le secteur de la technologie du bois, la chaleur spécifique, la conductivité thermique et la dilatation thermique (Czajkowski et al., 2016).
La chaleur spécifique (capacité thermique spécifique) d’un matériau est définie comme la quantité de chaleur par unité de masse du matériau nécessaire pour augmenter sa température de 1 ° C et caractérise le matériau en termes de capacité à accumuler de la chaleur. On considère que la chaleur spécifique du bois est élevée; par conséquent, avec la même quantité de chaleur fournie, sa température augmente plus lentement que les températures du métal ou du verre. La chaleur spécifique du bois affecte ses propriétés isolantes et sa capacité thermique (Czajkowski et al., 2016; Glass et Zelinka, 2010).
La conductivité thermique spécifique d’un matériau donné est sa capacité à conduire la chaleur des endroits de température plus élevée vers des endroits de température plus basse en faisant passer le flux d’énergie rayonnante vers des molécules adjacentes. Cette propriété du matériau est décrite par la valeur numérique du coefficient de conductivité thermique et plus sa valeur est élevée, plus le matériau conduit de chaleur. La conductivité thermique du bois augmente avec l’augmentation de la teneur en humidité et de la densité. Cela dépend également de la température du bois et de la direction du flux de courant thermique par rapport à la direction du grain. Mesuré le long du grain, le coefficient de conductivité thermique du bois est deux fois plus élevé que mesuré dans la direction transversale au grain, soit respectivement 0,35 et 0,15 W / mK (Czajkowski et al., 2016; Glass et Zelinka, 2010).
La diffusivité thermique est une mesure de la vitesse à laquelle un matériau peut absorber la chaleur de son environnement. Il est défini comme le rapport de la conductivité thermique au produit de la densité et de la capacité thermique. En raison de la faible conductivité thermique et de la densité et de la capacité calorifique modérées du bois, la diffusivité thermique du bois est beaucoup plus faible que celle des autres matériaux structurels, tels que le métal, la brique et la pierre (Glass et Zelinka, 2010).
La dilatation thermique du bois est une propriété qui apparaît en raison de l’augmentation de la température (chauffage). Il se caractérise par le coefficient de dilatation linéaire et volumétrique. La première est la relation d’allongement d’une unité de longueur de matériau donnée par augmentation de température de matériau à sa longueur initiale, tandis que la seconde est calculée de manière analogique. En même temps, la dilatation linéaire calculée sur la direction longitudinale est beaucoup plus faible que celle radiale ou tangentielle. Un faible coefficient de dilatation longitudinale est un avantage du bois utilisé dans les structures de construction (Glass et Zelinka, 2010).
Les propriétés acoustiques du bois sont un ensemble de caractéristiques liées à l’évolution des phénomènes accompagnant le déplacement des ondes ultrasonores et à leur influence sur d’autres paramètres physiques du bois. L’anatomie du bois permet au son de voyager dans les directions parallèles et transversales au grain. Ainsi, la détermination de chaque propriété du bois s’effectue selon trois plans anatomiques (directions) (Bucur, 2006). La vitesse des ondes ultrasonores dans le bois est également affectée par différents facteurs. Les changements dans l’anneau de croissance, les défauts naturels, l’humidité et la température provoqueront une atténuation des paramètres ultrasoniques acoustiques. Par example, la vitesse diminue lorsque la teneur en humidité est plus élevée dans la direction radiale que dans la direction tangentielle. Les propriétés acoustiques sont également influencées par la densité du matériau (Chen et al., 2012; Yang et coll., 2015).