Effets de la réticulation des fibrilles de cellulose sur le comportement hygro-mécanique effectif du bois à différentes échelles

Effects of the reticulation of cellulose fibrils on the effective hygro-mechanical behavior of wood at different scales

• Auteur / Autrice : Nhat-Tung Phan
• Direction : François Auslender, Joseph Gril
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Matériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Bornert, Michel Grédiac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Jullien, Frédéric Dubois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres cellulosiques

Propriétés mécaniques

Bois

Mots clés libres

Comportement hygro-élastique effectif

Modèle multi-échelle

Homogénéisation numérique

Ondulations et interconnections des fibrilles

Effective hygro-elastic behavior

Multiscale model

Numerical homogenization

Fibrils undulations and interconnections

Résumé

La détermination du comportement hygro-élastique du bois sous l'effet de chargements mécaniques ou de changements environnementaux présente un enjeu pratique important, du fait de son utilisation dans de nombreux domaines tels que la construction, l’industrie, l’ameublement, etc. Classiquement, le bois peut être considéré comme un matériau hiérarchique, c'est-à-dire un matériau possédant une structure multi-échelle. Pour de nombreux problèmes impliquant de tels matériaux, la structure hétérogène à une échelle particulière peut être remplacée par une structure homogène aux propriétés similaires déterminées par l'application de méthodes d'homogénéisation. Dans cette thèse, on vise à étudier l'influence de la morphologie réelle de la paroi cellulaire sur le comportement macroscopique du bois en prenant en compte des fibrilles cellulosiques ondulées et interconnectées entre elles, plutôt que de les considérer parallèles comme cela est supposé habituellement dans la littérature. Pour cela, un modèle multi-échelle, qui permet d’estimer le comportement macroscopique du bois, sera développé. Ce modèle multi-échelle intègre 3 échelles différentes de microstructure du bois : celle de la paroi cellulaire, celle du tissu et celle du cerne, à partir desquelles on s’appuiera sur des méthodes d’homogénéisation à la fois numériques et analytiques pour déterminer leur comportement effectif en définissant à chaque échelle considérée une cellule élémentaire périodique. A l’aide de ce modèle multi-échelle, on montre que l'influence des ondulations et interconnections des fibrilles est significative pour certains modules macroscopiques, tels que les modules de cisaillement effectifs, alors qu'elle ne l'est pas pour d'autres modules au niveau macroscopique (échelle du cerne). De plus, bien que l'effet des réticulations des fibrilles soit assez fort pour certaines composantes du comportement élastique au niveau de la paroi cellulaire, il perd de son importance au niveau macroscopique, surtout pour le bois de faible densité. Cette tendance peut être expliquée par l'inclinaison antisymétrique des microfibrilles dans les parois des cellules adjacentes. En revanche, pour les bois les plus denses où l'interaction entre les parois cellulaires adjacentes est moins dominante, l’effet des ondulations des fibrilles reste important.

The determination of the hygro-elastic behavior of wood under mechanical loading or environmental changes is of great practical interest, because of its use in many fields such as construction, industry, furniture, etc. Classically, wood can be considered as a hierarchical material, i.e. a material with a multi-scale structure. For many problems involving such materials, the heterogeneous structure at a particular scale can be replaced by a homogeneous structure with similar properties determined by applying homogenization methods. In this thesis, we aim to study the influence of the real cell wall morphology by considering wavy and interconnected cellulosic fibrils on the macroscopic behavior of wood, rather than considering them parallel as usually assumed in the literature. For this purpose, a multi-scale model, which allows to estimate the macroscopic behavior of wood, has been developed. This multi-scale model integrates 3 different scales of wood microstructure: cell wall, tissue and ring. From these scales, we will use both numerical and analytical homogenization methods to determine their effective behavior by defining a periodic elementary cell at each scale. Using this multi-scale model, we show that the influence of the undulations and interconnections of the fibrils is significant for some macroscopic moduli, such as the effective shear moduli, while it is not significant for other moduli at the macroscopic level (growth-ring sscale). Furthermore, although the effect of fibril crosslinks is quite strong for some components of elastic behavior at the cell wall level, it loses its importance at the macroscopic level, especially for low-density wood. This tendency can be explained by the antisymmetric tilting of microfibrils in adjacent cell walls. On the other hand, for denser woods where the interaction between adjacent cell walls is less dominant, the effect of fibrils undulations remains important.