Densité du bois

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La densité du bois, grandeur sans dimension correspond pour une essence donnée, au rapport de la masse du bois à la masse d'eau occupant le même volume^[1] (autrement dit c'est le rapport entre la masse volumique du bois et ${\displaystyle \rho _{\rm {eau}}}$, la masse volumique de l'eau à 4 °C). Un intérêt pratique de cette donnée est qu'en première approximation, un bois qui flotte a une densité inférieure à un, s'il coule sa densité est supérieure à 1. Perpétuant l'usage ancien, la densité du bois dans la littérature moderne est encore souvent exprimée par la masse volumique. La masse volumique (la densité absolue) du bois est le rapport de sa masse à son volume, généralement exprimée en kilogramme par mètre cube.

La densité du bois étant dépendante de son humidité, il est possible de dégager les notions suivantes :

• densité anhydre^[2], c'est-à-dire la densité du bois lorsqu'il est déshydraté (par exemple à l'étuve)
• densité à l'état sec à l'air^[3], c'est-à-dire la densité du bois lorsqu'il est en équilibre avec les conditions atmosphériques et Hygrométriques ambiantes^[4], par convention un taux d'humidité de 12 %
• densité à l'état vert^[5]  : densité du bois lorsqu'il est à l'état vert ou saturé.

La masse volumique doit donc être donnée relativement à une teneur en humidité^[6].La densité du bois est corrélée à plusieurs caractéristiques physiques ou technologiques du bois dont la dureté, la résistance mécanique, différentes propriétés acoustiques^[7],[6], thermiques et calorifiques^[6], la flottabilité du bois^[8]. La densité du bois influence aussi le coût du transport des grumes et des bois sciés, le prix d’achat du bois au poids, le rendement en pâte. Elle est enfin un facteur clé pour l’évaluation de la biomasse forestière et de la bioénergie^[6].

En principe la teneur en eau augmente avec la diminution de la densité du bois^[9].

La densité de la paroi cellulaire, constituée de cellulose, lignine et hémicellulose (collectivement appelés lignocellulose^[10]), indifférente de l'essence de l'arbre, est d’environ 1 500 kg/m³ (soit une densité de 1,5^[11]). Les essences ont des densités différentes parce qu'elles ont des porosités différentes^[6],[12]. Le bois peut se concevoir conceptuellement comme une combinaison de matière fixe, les parois cellulaires et de vides plus ou moins remplis d'eau^[12].

Le bois contient également des quantités mesurables d'extractifs organiques tels que des terpènes, des résines et des polyphénols tels que des tanins, des sucres et des huiles; aussi des composés inorganiques tels que les silicates, les carbonates et les phosphates qui apparaissent dans le bois comme des infiltrats et produisent des cendres lorsque la substance du bois est décomposée. Ensemble, la quantité de cendres et d'extractifs va affecter le poids du bois différemment selon les essences^[13]. L'iroko par exemple contient 2,35 % de substances minérales^[14].

La densité anhydre (en anglais, oven-dry density) est la densité basée sur le poids et le volume du bois lorsqu'il est déshydraté au four. Ce bois ne contient que de la lignocellulose (dans les faits aussi quelques extractifs et substances minérales) et de l'air. On peut à partir du bois anhydre déterminer proportion d'espace rempli d'air dans le bois. Considérant un bois ayant une densité anhydre de 500 kg/m³ (densité absolue, masse volumique), un mètre cube d'un tel bois contiendrait 500 kg de lignocellulose dont la densité est d'environ 1 500 kg/m³. Cela signifie que les substances ligneuses n'occupent que 0,33 m³. Le 0,66 m³ restant étant de l'air, soit deux tiers du volume^[15],[16]. Ce calcul met l'accent sur la porosité de la plupart des bois secs.

Il existe plusieurs standards pour compter la densité, qui ne vont pas donner des résultats identiques^[17],[18], et souvent les scientifiques eux-mêmes subissent une certaine confusion dans les systèmes utilisés^[19]. Par définition, ${\displaystyle d=}$${\displaystyle \rho _{\rm {bois}}}$/${\displaystyle \rho _{\rm {eau}}}$, et en première approximation un bois flotte s'il a une densité inférieure à un, il coule si sa densité est supérieure à un. Le balsa flotte alors que le gaïac coule.

Suit une compilation de densités de quelques essences européennes relevées au XIX^e siècle ; le bois est desséché à l'air (humidité de 20 % à 25 %) . Il ne faut pas accorder une valeur absolue à chacun des chiffres, mais le tableau permet un classement des essences suivant leur densité (dixit l'auteur)^[20] :

La méthode habituelle consiste pour calculer la densité consiste à peser une pièce de bois et calculer son volume. La plus simple, employée par tous les cultivateurs consiste à équarrir un morceau de bois de telle manière que le volume soit facilement calculable^[21].

Duhamel, Pieter van Musschenbroek, Cossigny, Varennes de Fenilles, au XVIII^e siècle ont réalisé des recherches sur la densité. La méthode employée par Musschenbroek pour calculer la densité consiste à enduire un morceau de bois d'une légère et fine couche de résine qui le rend imperméable à l'eau ; il est ensuite pesé à l'air puis totalement immergé dans l'eau. Le principe d'Archimède permet de calculer simplement le volume du morceau : l'écart de poids entre les deux mesures correspond au poids du volume d'eau déplacé, qui est aussi le volume du morceau de bois.

Par exemple, si un morceau de chêne fraîchement coupé pèse à l'air 1 927 grammes, et 250 grammes plongé dans l'eau : la différence (1 687 grammes) est la masse du volume d'eau déplacée (c'est-à-dire de 1 687 cm³ puisque la masse volumique de l'eau est de 1). On obtient une masse volumique égale à 1 927/1 687, soit 1,142 g/cm³ (ou 1 142 kg/m³). La densité obtenue est de même valeur numérique, soit 1,142^[22]. Si le bois est plus léger que l'eau et qu'il surnage, il faut placer une poulie au fond du vase, attacher le bois à un fil passé dans la poulie, et attacher l'autre bout du fil à un plateau de balance afin de déterminer le poids nécessaire pour submerger le bois.

Quelques densités données par Jean-Henri Hassenfratz en 1804^[21] :

Il arrive qu'en première approximation simplificatrice, les forestiers comptent pour un bois frais ou ressuyé, une tonne par mètre cube de bois quelle que soit l'essence (ce qui suppose que les bois légers, plus poreux contiennent plus d'eau)^[12].

La densité à 12 % d'humidité est la norme de mesure la plus courante pour presque tous les essais de bois effectués dans le monde. Une teneur en humidité de 12 % est atteinte lorsqu'un échantillon de bois a atteint un degré d'humidité d'équilibre, ou équilibre hygrométrique (en anglais : EMC soit Equilibrium moisture content) avec l'air ambiant à une température de 70 °F (environ 21 °C), et une humidité relative d'environ 65 %. L'entreposage du bois dans des zones où l'humidité relative est inférieure à celle-ci se traduira par une teneur en humidité inférieure, et donc une densité correspondante plus faible^[17]. Le balsa a une densité de 0,15 (12 % MC), le gaïac une densité de 1,26 (12 % MC), et celle de Quercus virginiana est proche de 1 (12 % MC). Acacia peuce (en), un bois très dense a une densité de 1,43 (12 % MC). La densité peut varier, généralement de plus ou moins 10 % par rapport à la densité moyenne^[23].

Les bois ont des masses volumiques comprises entre 80 kg/m³ (minimum pour le balsa) et 1 400 kg/m³ (maximum pour le Guaiacum officinale). La plupart des essences commerciales ont une densité comprise entre 350 kg/m³ et 800 kg/m^3[15].

La densité basale^[24] ou masse volumique basale, ou infradensité^[25] (en anglais basic density) est le rapport entre la masse anhydre et son volume à l'état saturé, exprimée en kilogramme par mètre cube ou en livres/pied cube (unités anglaises).

Les densités SG (specific gravity ou wood specific gravity, WSG^[26]) sont basées sur la masse anhydre du bois (étuvé à 101 - 105 °C). Chaque SG utilise deux états de teneur en humidité, un pour la masse et un pour le volume. La masse anhydre étant utilisée dans le numérateur de toutes les normes SG, seul l'état du volume change. ${\displaystyle \rho _{\rm {eau}}}$ est la masse volumique de l'eau. Ces mesures de gravité ont été créées par les forestiers pour faciliter les comparaisons entre espèces. On distingue^[19] :

• Basic SG: masse anhydre / volume vert / ${\displaystyle \rho _{\rm {eau}}}$ ;
• Air dry SG : masse anhydre / volume sec à l'air, à un taux d'humidité particulier/ ${\displaystyle \rho _{\rm {eau}}}$ ;
• Oven dry SG: masse anhydre / volume anhydre / ${\displaystyle \rho _{\rm {eau}}}$.

Strictement parlant du point de vue de la physique, seul le SG anhydre est une véritable densité où la masse et le volume sont déterminés avec du bois dans le même état.

La densité SG est selon une définition équivalente, le rapport entre la masse d'un échantillon de bois anhydre et la masse d'un volume d'eau égal au volume de cet échantillon à un degré d'humidité qui doit être précisé, par exemple : à l'état vert, ou sec à l'air, ou anhydre^[27].

Un échantillon est prélevé à la tarière de Pressler ; en laboratoire, pour une mesure à l'état vert, il est placé dans l'eau pendant ½ heure pour assurer un gonflement adéquat. La masse volumique de l’échantillon est mesurée par pesage (analyse gravimétrique) et pour le volume par simple calcul en assumant que l'échantillon est cylindrique; une sorte de balance hydrostatique peut être aussi employée. L'échantillon est ensuite séché et mesuré^[26].

Comme la densité dépend du volume du bois, le retrait doit être pris en compte lors de la détermination de la densité en dessous du point de saturation des fibres. Des équations et des tableaux ont été mis au point pour déterminer la masse volumique à n'importe quelle teneur en humidité et densité^[28],[22].

Les tableaux suivants présentent les propriétés mécaniques des essences de bois et de bois d'œuvre, y compris le bambou.

Propriétés du bois^[29],[30] :

Propriétés du bambou^[31],[30]:

La densité du bois est déterminée par des facteurs croissance et physiologiques multiples combinés en une caractéristique du bois assez facilement mesurable (Elliott 1970)^[32].

Pour un arbre sur pied l'âge, la sécheresse du sol, la situation plus élevée, l'exposition plus méridionale, le climat plus chaud tendent à accroître la densité. Dans un même arbre le bois du centre de la tige est plus dense que celui de l'extérieur (parfois c'est l'inverse); celui de la base plus dense que celui du sommet; et celui de la tige plus dense que celui des branches; excepté cependant chez les résineux où ces dernières contiennent beaucoup de résine. Toute cause en général qui tend à ralentir la végétation accroît la densité du bois aux dépens de la production. Les arbres qui ont cru en massif serré et à plus forte raison les arbres dominés ont un bois plus lourd, plus dur, plus compact, que ceux qui se sont développés rapidement en toute liberté^[11],[33].

L'âge, le diamètre, la hauteur, la croissance radiale (tronc), l'emplacement géographique, le site et les conditions de croissance, le traitement sylvicole et la source de graines influencent tous dans une certaine mesure la densité du bois. Une variation est à prévoir. Au sein d'un même arbre, la variation de la densité du bois est souvent aussi grande, voire plus, que celle entre différents arbres (Timell 1986)^[34].

La densité du bois est corrélée à la production de bois d'été^[6]. Dans les régions où une saison froide provoque chaque année un arrêt de la végétation, les arbres s'accroissent par cernes successifs. Les conditions climatiques sont bonnes, l'anneau est épais; elles sont mauvaises, l'anneau est mince. Chaque cerne se compose de deux anneaux jointifs : un anneau clair à trachéides dilatées et membranes fines — le bois de printemps —, et un anneau sombre à trachéides étranglées et membranes épaisses, le bois d'été. Le passage du bois de printemps au bois d'été est progressif; celui du bois d'été au bois de printemps est tranché de par l'arrêt du métabolisme; l’enchainement des cernes est particulier à chaque essence d'arbre. Il est difficile de déterminer l'exacte responsabilité de chacun des facteurs climatiques dans la croissance de l'arbre ; qui consistent essentiellement en les précipitations, l'état hygrométrique de l'air ambiant, les températures et l'ensoleillement^[35],[36]. La structure cellulaire de l'anneau de croissance détermine un accroissement progressif de la densité interne du tissu ligneux, en allant du bois de printemps de densité minimale, au bois d'été de densité maximale. La densité est toutefois moins variable que l’épaisseur des cernes^[35], elle offre toutefois pour des disciplines comme la dendrochronologie et la dendroclimatologie, une alternative intéressante au comptage classique des cernes^[35].

Au Québec, les panneaux OSB sont fabriqués à partir d'essences de faible densité, comme le peuplier faux-tremble^[37],[6].

Parmi les bois les plus denses on trouve Piratinera guianensis, Guaiacum officinale, Acacia peuce (en); le Livre Guinness des records renseigne Krugiodendron ferreum (en)comme le plus lourd au monde^[38].

• Indice de Chalais-Meudon
• Spectroscopie proche infrarouge

• (en) Edith Guilley, Jean-Christophe Hervé et Gérard Nepveu, « The influence of site quality, silviculture and region on wood density mixed model in Quercus petraea Liebl. », Forest Ecology and Management, vol. 189, n^o 1,‎ 23 février 2004, p. 111–121 (ISSN 0378-1127, DOI 10.1016/j.foreco.2003.07.033, lire en ligne, consulté le 1^er mai 2020)

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