TD densités accompagnement 2014

Report
M1 - UE Biophysique des tissus végétaux
Densités des bois
Meriem Fournier
2014
Le bois contient de l’eau
Comment quantifier la quantité
d’eau dans le bois ?
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
Masse – Masse anhydre
Teneur en eau H :
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)
Humidité du bois :
quelle eau ?
Point de
Saturation
des Fibres
 30%
Saturé
Anhydre
EAU LIEE
EAU LIBRE
70%
25%
0%
H’
« 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 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
Porosité : (volume de pores / volume total) ou (1-volume de parois/ volume total)
Balsa : 90%
Panacoco : 15%
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 ?
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)
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
Bois très lourds
Bois lourds
Bois mi-lourds
Bois légers
Bois très légers
Balsa : 0,1
Densité
Essences
>0,85
Azobé, Ipé
0,70 - 0,85
Charme, Robinier,
Movingui, Chêne dur
0,56 - 0,70
Niangon, Iroko,
Châtaigner, Chêne
tendre, Pins
0,45 - 0,55
Framiré, Douglas,
Epicéa, Sapin, Pins
<0,45
Western red cedar,
Séquoia, Peuplier
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 ?)
Panacoco
dB=1,2 g/cm3
Balsa
dB=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 D
Tarif 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
Modèle physique = loi de Poiseuille
Ks 

Vaisseaux sur surface observée
 4
8 x64
Aire de la surfaceobservée
• 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
(Tyree, 1992)
Porosité et conductivité spécifique
Xylopia nitida
Tachigali melinonii
73%
67%
60%
53%
Porosité (%)
47%
40%
Rigidité du bois (cf mercredi matin)
Porosité du bois et solidité mécanique ?
73% 67% 60% 53% 47% 40%
Porosité (%)
Figure 9 Dlouha et al. In Prep.
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.
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.
Volume
Porosité
100%
80%
60%
Gaz
Eau
40%
20%
0%
Parois
PSF
Saturation
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 1,5
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
Le côté pratique, vous mesurez la porosité en mesurant l’infra-densité
Xylopia nitida
Tachigali melinonii
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)
Pour une infradensité donnée, quelle H maxi ?
Volume
Volume
Infradensité=0,1
100%
80%
Hmax= 934%
40%
60%
gaz
20%
0%
Hmax= 183%
20%
0%
Saturation
Hmax= 58%
gaz
60%
eau
40%
20%
Parois
PSF
Infradensité=0,8
100%
80%
gaz
40%
eau
PSF
infradensité=0,4
100%
80%
60%
Volume
Saturation
0%
Parois
PSF
Saturation
Quelle est la teneur en eau H maximale à saturation (plus de gaz)
Hyp: additivité des volumes
À saturation, pas 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
Hmax= 1/dB – 2/3
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 ?
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 ?

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