Propriétés clés du bois pour la construction et le design

Le bois est le deuxième matériau le plus utilisé dans la construction, le mobilier, les revêtements de sol et bien d'autres applications. Si la pierre reste prédominante dans la construction, le bois a connu un essor considérable ces dernières années. Voici des faits fascinants sur le bois et ses caractéristiques mécaniques, chimiques et physiques.

La couleur, le lustre, la texture, la macrostructure, l'odeur, l'humidité, le retrait, les tensions internes, le gonflement, la fissuration, le gauchissement, la densité et la conductivité son-électro-thermique sont les principales propriétés physiques du bois. L'aspect du bois est déterminé par sa couleur, son lustre, sa texture et sa macrostructure.

Propriétés du bois

Les principales propriétés du bois sont les suivantes :

• Propriétés mécaniques
• Propriétés thermiques
• Propriétés électriques
• Propriétés acoustiques
• Caractéristiques sensorielles
• Densité et gravité spécifique
• Dégradation
• Hygroscopicité
• Retrait et gonflement

Caractéristiques sensorielles

La couleur, le lustre, l'odeur, la saveur, la texture, le fil, le dessin, le poids et la dureté du bois sont des propriétés sensorielles. Ces caractéristiques macroscopiques supplémentaires sont utiles pour décrire un morceau de bois à des fins d'identification ou autres. Les bois présentent une large gamme de couleurs, bien que la plupart soient des tons de blanc et de brun. D'autres couleurs incluent le jaune, le vert, le rouge et le blanc presque pur. Selon les différences de couleur entre le bois de cœur, l'aubier, le bois initial, le bois final, les rayons et les canaux résinifères, des variations peuvent être visibles sur une même pièce. Le blanchiment, la teinture ou une exposition prolongée à l'environnement peuvent altérer la couleur naturelle. Le robinier faux-acacia, le févier d'Amérique et quelques espèces tropicales sont des exemples de bois brillants.

Certaines essences, comme l'épicéa, le frêne, le tilleul et le peuplier, ont un lustre naturel particulièrement visible sur les surfaces radiales. Les composés volatils du bois produisent l'odeur et le goût. Ce sont parfois des traits distinctifs utiles, bien que difficiles à décrire. La « texture » désigne l'uniformité d'une surface de bois, généralement transversale. Le terme « grain » est souvent utilisé indifféremment avec texture (grossier, fin, régulier). Il peut aussi décrire la direction des éléments du bois (droit, spiralé, onduleux). Parfois, « grain » remplace « dessin », comme pour le « grain d'argent » du chêne. Le dessin désigne les motifs naturels sur les surfaces du bois (normalement radiales ou tangentielles).

Le poids et la dureté sont considérés comme des propriétés sensorielles au sens diagnostique plutôt que technique : le poids s'évalue en soulevant la pièce, la dureté en appuyant l'ongle. On trouve des bois plus légers et plus lourds dans les tropiques, avec des masses volumiques allant de 80 à 1 300 kg/m³ (5 à 80 lb/pi³) pour le balsa et le gaïac respectivement. Les bois tempérés courants ont généralement une masse volumique de 300 à 900 kg/m³ (environ 20 à 55 lb/pi³) à l'état sec à l'air.

Densité et gravité spécifique

La gravité spécifique est le rapport du poids ou de la masse du bois à celle de l'eau, tandis que la densité est le poids ou la masse d'un volume unitaire de bois. Comme 1 cm³ d'eau pèse 1 gramme, la densité moyenne et la gravité spécifique du bois de douglas sont toutes deux de 0,45 g/cm³ dans le système métrique. (Un gramme par centimètre cube, soit environ 62,4 lb/pi³, s'exprime comme poids par unité de volume.) Comme le bois est hygroscopique, la teneur en humidité affecte considérablement son poids et son volume, rendant la détermination de sa densité plus complexe que pour d'autres matériaux. Poids et volume sont calculés à des valeurs d'humidité prédéfinies pour obtenir des résultats comparables.

Le standard utilise le poids au four (humidité quasi nulle) et soit le volume au four, soit le volume vert (vert = teneur en humidité supérieure au point de saturation des fibres, en moyenne 30 %). D'autres expressions de densité (basées sur poids et volume sec à l'air ou sur bois vert) sont moins précises mais ont des applications pratiques, comme pour l'expédition du bois.

Hygroscopicité

Au contact de l'eau, le bois peut l'absorber sous forme liquide ou sous forme de vapeur de l'air. L'eau est le liquide ou gaz le plus significatif que le bois puisse absorber. Du fait de sa nature hygroscopique, le bois contient toujours de l'humidité, qu'il fasse partie de l'arbre vivant ou qu'il soit un matériau. (Les termes eau et humidité sont utilisés indifféremment ici.) L'humidité impacte tous les aspects du bois, mais seule l'humidité dans les parois cellulaires est significative ; celle dans les cavités cellulaires n'ajoute que du poids.

Retrait et gonflement

Lorsque le taux d'humidité du bois varie en dessous du point de saturation des fibres, des changements dimensionnels se produisent. Le retrait et le gonflement sont causés respectivement par la perte et le gain d'humidité. Ces changements sont anisotropes : ils diffèrent selon les directions axiale, radiale et tangentielle. Les valeurs moyennes de retrait sont d'environ 0,4 % (axiale), 4 % (radiale) et 8 % (tangentielle). La perte de volume est d'environ 12 %, avec de grandes variations entre essences. Ces pourcentages sont exprimés par rapport aux dimensions vertes et correspondent au passage de l'état vert à l'état sec au four. La structure de la paroi cellulaire est la principale responsable du retrait et gonflement différentiels selon les directions de croissance.

L'orientation des microfibrilles dans les couches de la paroi cellulaire secondaire explique les différences entre la direction axiale et les deux directions latérales (radiale et tangentielle), mais la raison des écarts entre directions radiale et tangentielle reste floue.

Dégradation

Bactéries, champignons, insectes, foreurs marins, ainsi que facteurs environnementaux, mécaniques, chimiques et thermiques contribuent à la destruction du bois. L'aspect, la structure ou la composition chimique peuvent changer, affectant arbres vivants, grumes ou produits. Ces changements vont d'une simple décoloration à des transformations irréversibles rendant le bois totalement inutilisable. Comme en témoignent les meubles et artefacts en bois trouvés intacts dans les tombes des pharaons égyptiens, le bois peut durer des centaines, voire des milliers d'années. Le bois ne se dégrade ou ne se détruit que sous l'influence d'éléments extérieurs.

Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques (de résistance) du bois indiquent sa capacité à résister aux forces externes qui tendraient à modifier sa taille et sa forme. L'intensité et le mode d'application de ces forces, ainsi que la densité et la teneur en humidité du bois, influencent cette résistance. Dans la direction axiale (parallèle au fil), les caractéristiques de résistance du bois diffèrent notablement de celles dans la direction transversale (perpendiculaire au fil).

La résistance du bois en traction et compression (mesurée en directions axiale et transversale), au cisaillement, à l'éclatement, la dureté, la flexion statique et la résistance au choc (flexion sous impact et ténacité) sont ses principales caractéristiques mécaniques. Des essais normalisés déterminent les contraintes par unité de surface chargée (à la limite élastique et à la charge maximale) ainsi que d'autres critères : ténacité, module de rupture, module d'élasticité (mesure de la rigidité). On utilise généralement de petits éprouvettes transparentes de section 2 x 2 cm ou 2 x 2 pouces.

Propriétés thermiques

Bien que le bois se dilate et se contracte avec les variations de température, le retrait et le gonflement dus aux changements de teneur en humidité sont des altérations dimensionnelles bien plus significatives. Ces expansions et contractions liées à la température sont généralement négligeables et sans conséquence pratique. Des fissures de surface ne peuvent se produire qu'en dessous de 0 °C (32 °F) ; des fentes de gel peuvent apparaître sur les arbres vivants par contraction inégale des couches externes et internes.

Comparé aux métaux, marbre, verre et béton, le bois a une faible conductivité thermique (forte capacité isolante). Les bois clairs et secs sont de meilleurs isolants car la conductivité thermique est maximale dans la direction axiale et augmente avec la densité et la teneur en humidité.

Propriétés électriques

Le bois sec au four est un isolant électrique. Cependant, quand la teneur en humidité augmente, la conductivité électrique augmente aussi, faisant du bois saturé (humidité maximale) un conducteur proche de l'eau. Remarquable : la résistance électrique chute dramatiquement quand l'humidité passe de 0 au point de saturation des fibres. Elle diminue de plus d'un milliard de fois dans cette plage, mais seulement d'environ 50 fois du point de saturation à l'humidité maximale. La résistance électrique du bois est peu affectée par d'autres paramètres (essence, densité) ; les variations inter-essences sont liées à la chimie des extractifs. La résistance axiale est environ la moitié de la résistance transversale.

Les propriétés diélectriques (mauvais conducteur) du bois sont aussi importantes. Constante diélectrique et facteur de puissance jouent un rôle pratique dans les hygromètres électriques (types capacité et perte de puissance radiofréquence), le séchage du bois par courant électrique (possibilité théorique, pas encore réalité) et le collage du bois par courant haute fréquence. La polarisation électrique (apparition de charges opposées sur faces opposées) sous contrainte mécanique fait manifester au bois l'effet piézoélectrique. Inversement, le bois subit une déformation mécanique sous champ électrique (changements de dimensions).

Propriétés acoustiques

Le bois peut à la fois produire du son (par percussion directe) et amplifier ou dévier les ondes sonores provenant d'autres corps. Ces facteurs en font un matériau unique pour les instruments de musique et autres applications acoustiques. La taille, la densité, la teneur en humidité et le module d'élasticité du bois influencent la fréquence de vibration, donc la hauteur du son produit. Une densité et une élasticité plus élevées, une humidité réduite et des dimensions plus petites contribuent à des sons plus aigus.

Ceci conclut cet article où les propriétés du bois sont listées et expliquées. J'espère que vous en avez retiré beaucoup. Si c'est le cas, partagez-le ! Merci de votre lecture, à bientôt !