Romain Bordage a réalisé sa thèse intitulée « Transport spontané et assisté mécaniquement de l’eau dans le bois de hêtre : Analyse par tomographie X et corrélation d’images numériques volumiques » sous la co-Direction de:
Yoshiharu Nishiyama, co-directeur de thèse – Directeur de Recherche CNRS – CERMAV,
Laurent Orgéas, co-directeur de thèse – Directeur de Recherche CNRS – 3SR Lab, et
Sabine Rolland du Roscoat, directrice de thèse – Professeur Université Grenoble Alpes – 3SR Lab.
Résumé de la thèse :
« Le remplissage de liquides dans le bois est une étape importante de certains procédés de transformation du bois, tels que l’imprégnation du bois par une résine pour produire des composites ou les traitements de délignification avec des solutions aqueuses pour la densification du bois améliorant ses propriétés mécaniques. Un tel remplissage peut se produire spontanément au contact de l’eau (imbibition) et met en jeu plusieurs mécanismes de transport de l’eau : transport sous forme de vapeur ou transport capillaire de l’eau libre à travers les vaisseaux et les lumens de l’architecture cellulaire du bois, diffusion de l’eau liée au sein des parois cellulaires polymériques du bois, et échanges de masse aux interfaces. Les structures multi-échelles du bois, l’effet de la teneur en eau sur ses propriétés physico-chimiques et le gonflement important des parois cellulaires conduisent à des mécanismes de transport complexes qui restent encore mal compris. Afin de mieux les comprendre, nous avons réalisé une série d’expériences d’imbibition sur des échantillons de hêtre avec de l’eau, couplées à la microtomographie X à haute résolution et à de l’analyse d’images 3D, en particulier par corrélation d’images numériques volumiques (DVC).
Dans un premier temps, des essais d’imbibition unidirectionnelle ont été effectués sur des échantillons centimétriques de hêtre selon les trois directions principales du bois. Parallèlement, les images 3D acquises à l’échelle cellulaire ont révélé une architecture complexe en forme de nid d’abeilles. Leurs principaux descripteurs structurels ont été extraits, et les tenseurs de diffusion solide et de perméabilité ont été estimés à l’aide de simulations à l’échelle cellulaire basées sur l’homogénéisation, et des images 3D haute résolution. La combinaison des résultats expérimentaux et numériques suggère que la diffusion de l’eau dans les parois cellulaires et dans les pores constitue le mécanisme de transport dominant, quelle que soit la direction de transport, y compris la direction longitudinale.
Pour vérifier ce scénario, une seconde série d’expériences d’imbibition a été menée à l’aide d’un tomographe à rayons X de laboratoire, afin d’obtenir des observations 3D in situ à l’échelle des vaisseaux. Les champs de déformation de gonflement ont été évalués à l’aide de la DVC, permettant ainsi de quantifier la distribution temporelle et spatiale de l’eau liée dans les échantillons. Par ailleurs, l’erreur entre les images 3D corrélées a été utilisée pour détecter le remplissage des vaisseaux par l’eau libre liquide. Pour les expériences réalisées selon les directions radiale et tangentielle, le rôle important des mécanismes de diffusion de l’eau liée est mis en évidence. De plus, la présence d’eau libre liquide dans les pores est observée sans front capillaire net, suggérant des mécanismes de transpiration d’eau dispersés depuis l’intérieur des parois cellulaires saturées vers leur surface, suivis de recondensation de vapeur en eau libre liquide. Pour les expériences d’imbibition longitudinale, le transport de l’eau libre liquide se produit sous forme de montées capillaires discrètes, successives et irrégulières dans les vaisseaux, conduisant à un front d’écoulement macroscopique large comportant de nombreux canaux discrets. Cependant, la diffusion de l’eau liée peut à nouveau être considérée comme le mécanisme de transport dominant : la cinématique de ce front est identique à celle du front diffusif, lequel est à son tour mis en évidence par le front de gonflement du bois.
Enfin, afin d’accélérer l’imbibition du bois, nous avons étudié une voie alternative d’imbibition rapide assistée mécaniquement. À cette fin, un échantillon de hêtre non saturé immergé dans l’eau a été soumis à une compression cyclique avec une déformation croissante et une faible vitesse de déformation, tandis que des images 3D ont été acquises in situ par le microtomographe à rayons X de
la ligne de lumière BM5 de l’ESRF. Lors de la compression, l’eau remplit progressivement les pores. Après une succession de quatre cycles de compression atteignant une déformation de Hencky de 50 %, un remplissage des pores à 90 % est observé. Parallèlement, les parois cellulaires sont incurvées/déformées pendant le chargement sans présenter de dommages sévères. Ces mécanismes de densification élasto-viscoplastiques sont simultanément couplés au gonflement des parois cellulaires induit par la diffusion de l’eau liée, ce qui confère à l’échantillon une apparente réponse superélastique. »
Mots clefs :
transport d’eau dans le bois, imbibition, tomographie à rayon X, correlation d’images numériques volumiques