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Table des matières

C’est un plaisir de remercier tous ceux qui ont contribué à la réalisation de cette thèse.

En premier lieu, je voudrais exprimer mes remerciements les plus sincères à mon directeur de thèse, M. Roger Hernández, avec qui j’ai eu le plaisir de travailler pendant ma maîtrise et mon doctorat. Sa confiance et ses suggestions pertinentes m’ont énormément aidée à la réalisation de ce travail.

Je voudrais aussi remercier M. Yves Fortin, M. Alain Cloutier et M. Bernard Thibaut pour leurs commentaires pertinents lors de l’évaluation de cette thèse. Merci également à M. Stéphane Gagné qui a accepté de travailler avec le matériau bois.

Je tiens à remercier l’apport des techniciens du Centre de Recherche sur le Bois. Il s’agit de M. Hervé Bouffard et M. Luc Germain pour la préparation du matériel d’essai, M. Yves Bédard pour la préparation des solutions salines saturées, M. Serge Plamondon pour les essais d’anatomie quantitative, M. Sylvain Auger pour l’aide lors de l’exécution des essais mécaniques, Mlle Kathleen Boivin et M. Albert Tremblay pour la préparation de l’appareillage des multiples expériences. J’adresse aussi mes remerciements à Mlle. Michele Pontin avec qui j’ai eu le plaisir de travailler pendant cette thèse.

Je voulais aussi remercier le Conseil National de Recherche du Brésil et le Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du Canada pour l’aide financière accordée pour la réalisation du présent travail. Merci également à l’industrie péruvienne Exportimo, notamment l’Ingénieur Javier Chung, pour avoir préparé et envoyé les échantillons de bois de congona et cachimbo.

J’ai une gratitude spéciale envers M. Franck Michaud qui a toujours été présent dans toutes les étapes de cette thèse.

Finalement, j’aimerais dédier cette thèse à tous les personnes qui, de près ou de loin, ont donné le support moral et affectif si importants pour la réalisation de cette thèse. Agradeço especialmente aos meus pais e à minha irmã que sempre me encorajaram na realização de meus projetos.

L’objectif principal de cette thèse a été d’élargir les connaissances sur l’influence de la structure du bois sur ses propriétés physico-mécaniques. Huit espèces feuillues, trois tempérées et cinq tropicales, ont été étudiées dans le but d’avoir une plus grande diversité des caractéristiques anatomiques. Deux techniques expérimentales (solutions salines saturées et membrane poreuse sous pression) ont été utilisées pour la réalisation des essais de sorption à 25ºC. Celles-ci ont été couplées avec des tests de propriétés physiques et mécaniques du bois. Des analyses de résonance magnétique nucléaire (RMN) ont été réalisées dans le but de dissocier les différents types d’eau durant la désorption d’humidité. Les caractéristiques de la structure du bois ont été déterminées par des essais d’anatomie quantitative et de porosimétrie au mercure (PM). Le présent travail a montré qu’à l’équilibre de sorption, le retrait du bois a commencé avant que le point de saturation des fibres (PSF) soit atteint. Les changements de résistance mécanique en compression tangentielle ont aussi débutés avant le PSF. Ces résultats indiquent que la perte de l’eau liée a lieu en présence de l’eau liquide; cette dernière resterait principalement dans les éléments les moins perméables du bois, soit les rayons ligneux. L’humidité d’équilibre à laquelle débute la perte de l’eau liée a varié largement selon l’espèce de bois et a donc été influencée par la structure du bois. Des analyses de RMN ont confirmé que, même à l’équilibre, l’eau liquide est présente à des humidités bien en-dessous du PSF. Les résultats de RMN ont donc corroboré l’hypothèse selon laquelle, en condition d’équilibre d’humidité, il existe un domaine d’humidité où la perte de l’eau liée a lieu en présence de l’eau liquide. À hautes teneurs en humidité d’équilibre, les courbes de désorption ont largement varié selon les espèces étudiées. Les résultats d’anatomie quantitative et de PM se sont montrés utiles à la compréhension de l’influence de la structure du bois sur les relations eau-bois. D’autre part, les propriétés dimensionnelles du bois ont largement varié selon les espèces. Les espèces tempérées ont eu un retrait plus élevé que les espèces tropicales à une masse volumique comparable. Finalement, la présente thèse fournit des informations sur des aspects fondamentaux des relations eau-bois, lesquelles se révèlent très importantes pour une meilleure utilisation de ce matériau.

The main objective of this work is to improve the knowledge of the influence of the wood structure on its physical and mechanical properties. Three temperate and five tropical hardwoods were studied in order to have a high diversity of anatomical properties. Two experimental techniques (saturated salt solutions and pressure membrane method) were used to perform moisture sorption tests at 25ºC. These sorption tests were combined with physical and mechanical property measurements. The nuclear magnetic resonance (NMR) technique was used in order to separate different components of water in wood during desorption. The porous structure of these hardwoods was characterized by mercury intrusion porosimetry (MIP) and by quantitative anatomical analyses. The results showed that at equilibrium moisture content, radial, tangential and volumetric shrinkage, as well as changes in transverse strength, occur above the fiber saturation point (FSP). This result indicates that the loss of bound water takes place in the presence of liquid water. This remaining liquid water would be entrapped on the least permeable tissue elements (ray parenchyma). The initial equilibrium moisture content (EMC) at which bound water starts to be removed varied largely among wood species. The NMR results confirmed that, even at equilibrated conditions, a region exists where the loss of liquid water and bound water take place simultaneously. This region will vary according to the wood structure. Liquid water was present at EMC values lower than the fiber saturation point, which contradicts the concept of this point. At higher values of relative humidity the desorption curves largely varied among species. Quantitative anatomical and MIP results were useful to a better comprehension of the influence of wood structure on the wood - water relationships. Concerning the dimensional properties, a large variation of the shrinkage values was observed among the species studied. Temperate species had larger shrinkage values and the basic density was not correlated with shrinkage when temperate and tropical values were analyzed together. Finally, the present work gives information about fundamental aspects of wood – water relationships, which are important for a better utilization of this material.

Ce document est présenté sous la forme d'une thèse de publications. Il a été conçu selon les critères de présentation adoptés par le comité du programme de 2 ème et 3 ème cycles en sciences du bois de l'Université Laval, en avril 1988. On retrouve dans cet ouvrage six articles écrits en anglais présentés dans les chapitres 2, 3, 4, 5, 6 et 7. Une description sommaire de ces articles est proposée ci-après :

Chapitre 2:
Almeida, G. et R.E. Hernández.2006.«Changes in physical properties of yellow birch below and above the fiber saturation point». Wood and Fiber Science , 38(1):74-83.
Chapitre 3:
Almeida, G. et R.E. Hernández. 2006.«Changes in physical properties of tropical and temperate hardwoods below and above the fiber saturation point». Il a été soumis pour publication dans la revue Wood Science and Technology .
Chapitre 4:
Almeida, G., S. Gagné et R.E. Hernández. 2006. «An NMR study of water distribution in hardwoods at several equilibrium moisture contents». Il sera soumis pour publication dans la revue Wood Science and Technology .
Chapitre 5:
Almeida, G. et R.E. Hernández. 2006. «Influence of the pore structure of wood on moisture desorption at high relative humidities». Il a été soumis pour publication dans la revue Wood Science and Technology .
Chapitre 6:
Almeida, G. et R.E. Hernández.2006.«Effect of the anatomical parameters on the sorption behavior of some temperate and tropical hardwoods». Il sera soumis pour publication dans la revue Annals of Forest Science .
Chapitre 7:
Almeida, G. et R.E. Hernández. 2006. «Effect of the anatomical parameters on the dimensional stability of some temperate and tropical hardwoods». Il sera soumis pour publication dans la revue Annals of Forest Science .

Ces articles ont été tous rédigés par l’auteure de cette thèse, laquelle a fait la rédaction et l’établissement du contenu de la première version de ceux-ci, et par le directeur de cette thèse, lequel a réalisé la révision portant autant sur le fond que sur la forme de ces articles. L’article presenté au Chapitre 4 a été écrit en collaboration avec le professeur Stéphane Gagné, du Département de biochimie et de microbiologie de l’Université Laval.

Les résultats de ce travail ont également été présentés aux conférences suivantes :

  • 48 ème Congrès Annuel de la « Society of Wood Science and Technology «, qui a eu lieu à Québec, le 19 Juin 2005;

  • 59 ème Congrès International de la « Forest Products Society «, qui a eu lieu à Québec, du 20 au 23 Juin 2005 ;

  • 9 ème Conférence Internationale sur le séchage du bois de « l’Union Internationale des Instituts de Recherche Forestière «, qui a eu lieu à Nanjing, Chine, du 21 au 26 Août 2005. L’article « Changes in Shrinkage of Temperate and Tropical Hardwoods Below and Above the Fiber Saturation Point « a été publié dans les comptes-rendus de cette conférence;

  • Réunion annuelle de l’» International Academy of Wood Science » et » X Reunión sobre Investigación y Desarrollo de Productos Forestales », qui ont eu lieu à Concepción, Chile, du 14 au 17 Novembre 2005. L’article « Influence of wood structure on physical and mechanical properties of temperate hardwoods « a été publié dans les comptes-rendus de cette conférence.

θ

angle de contact entre le liquide et la surface du capillaire

coefficient de retrait partiel en volume

coefficient de retrait partiel tangentiel

coefficient de retrait partiel radial

ψ e.f.

composante potentielle dû à l’effet combiné des autres champs de force agissant sur l’eau du bois

R

constante des gaz parfaits (R = 8,31 J mol-1K-1)

s11

déformation tangentielle

G0

énergie spécifique de l'eau libre à l'état de référence

G

énergie spécifique de l'eau libre de Gibbs à l'état considéré (énergie libre)

Hcap

enthalpie de l’eau capillaire

H*

enthalpie

S*

entropie

m, R

facteur de gonflement

g, Q

gonflement différentiel

M0

masse anhydre du bois

m

masse du solide

MH

masse humide du bois

Mw

masse moléculaire de l’eau

Db

masse volumique basale

MOE

module d’élasticité

MOR

module de rupture

PSF

point de saturation des fibres ou humidité à la saturation des membranes (H sm )

μ

potentiel chimique

ψ p

potentiel de pression

ψ g

potentiel gravitationnel

ψ

potentiel hydrique

ψ m

potentiel matriciel

ψ o

potentiel osmotique

P

pression appliquée

Pc

pression capillaire

p

pression partielle de la vapeur

Pm

pression hydrique équivalente

p /

pression relative de la vapeur (h)

pression de vapeur saturante

λ

proportion du volume des pores

n

quantité de gaz adsorbée

υ

rapport d’hystérèse

S

rapport de sorption

r

rayon du capillaire

T

température du système

T1

temps de relaxation longitudinale ou spin-réseau

T2

temps de relaxation transversale ou spin-spin

Héq

teneur en humidité d’équilibre du bois

HR

teneur en humidité de l’air (h exprimé en pourcentage)

H

teneur en humidité du bois

γ

tension superficielle

VL

volume molaire du liquide adsorbé

volume spécifique de l’eau

© Giana Almeida, 2006