# Effet du vieillissement naturel sur les propriétés du bois de chêne

Matteo Bourchanin, Miyuki Matsuo-Ueda, Olivier Girardclos, Benoît Brossier, Joseph Gril

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Matteo Bourchanin, Miyuki Matsuo-Ueda, Olivier Girardclos, Benoît Brossier, Joseph Gril. Effet du vieillissement naturel sur les propriétés du bois de chêne. Colloque interdisciplinaire "Naissance et renaissance d'une cathédrale: Notre-Dame de Paris sous l'œil des scientifiques", Apr 2024, Paris, France. Actes du Colloque interdisciplinaire "Naissance et renaissance d'une cathédrale: Notre-Dame de Paris sous l'œil des scientifiques", pp.53, 2024. hal-04830159

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Submitted on 10 Dec 2024

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# Effet du vieillissement naturel sur les propriétés du bois de chêne

Matteo BOURCHANIN (1,2), Miyuki MATSUO (2,3), Olivier GIRARDCLOS (4), Benoît BROSSIER (5), Joseph GRIL (1,6)

## Vieillissement du bois

Le vieillissement naturel du bois correspond à une lente oxydation de ses molécules. Un traitement thermique anhydre a des effets similaires, notamment des changements de couleur.

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L'effet du temps sur les propriétés du bois peut être tracé en fonction du logarithme du temps. Grâce à une courbe maîtresse obtenue par des décalages horizontaux, l'équivalence temps-température peut être quantifiée.

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## Contexte

Les recherches sur le vieillissement naturel se heurtent à deux difficultés majeures : l'obtention d'un échantillonnage bien identifié de bois anciens et la variabilité intrinsèque du matériau. Le bois récupéré de la charpente brulée de Notre-Dame de Paris représente à ce double égard une opportunité exceptionnelle : on dispose en effet d'une source de matériel d'étude inhabituellement abondante de bois de chêne mis en œuvre il y a 1 à 8 siècles, dont la datation précise fait déjà l'objet d'un travail en cours dans le cadre de l'ANR Casimodo.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Stockage des bois récupérés de l'incendie</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Reste de poutre de chêne polluée au plomb</figcaption></figure>

Les résultats présentés ont été obtenus par M. Bourchanin lors d'un stage de M2 mené à l'Institut Pascal au printemps 2023 puis à l'Université de Kyoto (Summer stay JSPS).

## Matériel

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Le bois ancien est au préalable purgé des parties polluées au plomb. Le bois contemporain est extrait de poutres testées au LGC2D d'Egletons pour la nouvelle charpente. Chacun fournit deux types d'échantillons en fonction du test.

Coupes transversales pour analyse dendrochronologique, anatomique, spectrale et colorimétrique

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Un algorithme est utilisé pour répartir les échantillons de bois contemporains en groupes statistiquement identiques, chacun étant utilisé pour un traitement thermique différent.

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Barreaux réalisés au Japon dans les directions L et R du bois pour essais de retrait/gonflement et mesures statique et vibratoire des propriétés mécaniques.

## Resultats obtenus

### Bois ancien

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### Spectrocolorimétrie

#### Profil de couleur

Transition entre charbon, bois torréfié et bois. Le plateau suggère que le bois au milieu de la poutre n'a pas été endommagé par le feu.

Les valeurs de couleur du bois intact de différents siècles sont comparées pour étudier l'effet du temps sur la couleur du bois.

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Mise en évidence par spectroscopie NIRS de gradients de modification chimiques près des bords brûlés

#### NIRS hyperspectrale :

L'analyse des composantes principales est appliquée à la valeur d'absorbance infrarouge des échantillons. Chaque composante principale obtenue peut être associée à des liaisons moléculaires ou même à des molécules.

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## Méthodes

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### Étude anatomique et dendrochronologie

Des images et des scans à haute résolution sont utilisés pour mesurer les largeurs de cernes, ce qui permet de dater les échantillons et d'étudier leurs conditions de croissance. Les coupes transversales sont placées sous microscope pour mieux observer l'anatomie du bois et peuvent être colorées pour identifier des molécules spécifiques.

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### Analyse spectrale : Colorimétrie et NIRS hyperspectrale

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#### CIElab est un espace physico-sensoriel mesurant la couleur telle qu'elle est perçue par l'œil humain.

La NIRS hyperspectrale est une méthode où un spectre infrarouge est mesuré sur chaque pixel d'une image.

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### Caractérisation mécanique

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La méthode BINGO est un moyen non destructif de déterminer les propriétés mécaniques d'un échantillon par les vibrations audibles qu'il émet lors d'un impact.

La flexion 3 points est une méthode mécanique conventionnelle qui peut être utilisée de manière destructive et non destructive. La rupture des échantillons permet d'obtenir la contrainte de rupture en plus des autres propriétés mécaniques.

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1mm

### Bois contemporain

200 échantillons L de chêne contemporain de deux sites ont été testés. La densité, la rigidité, les variations dimensionnelles, la couleur, la largeur des cernes ont été mesurées. Ces données peuvent être utilisées comme comparaison pour étudier l'effet du bois non brûlé et du bois récent.

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Corrélations entre densité (d), module élastique spécifique (E/d), luminance (L*), largeur des cernes (RW)

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Mise en évidence du bon appariement des groupes

Les échantillons sont ensuite placés dans des groupes statistiquement identiques sur la base de ces valeurs. Chaque groupe sera soumis à un traitement thermique à des températures et des durées différentes.

## Bilan et perspectives

- Les résultats des mesures spectroscopiques (couleurs et NIRS) suggèrent que la partie interne des échantillons récoltés n'a pas été affectée par la chaleur de l'incendie et que ceux-ci peuvent par conséquent servir à l'étude du vieillissement naturel du bois de chêne. L'analyse des propriétés physiques et mécaniques du chêne ancien, mesurées par M. Bourchanin lors de son séjour JSPS au RISH à l'été 2023, est en cours. Les traitements thermiques et propriétés résultantes seront étudiées par un étudiant en master de la faculté d'Agriculture de l'Université de Kyoto en 2024-2025, sous la direction de M. Matsuo-Ueda. L'effet combiné du vieillissement naturel et de la chaleur pourra également être abordé.

- Le PEPS INSIS FuturVieuxBois « L'avenir du vieux bois : comportement mécanique différé du bois ancien » démarré en 2024 sera l'occasion de poursuivre ces travaux en élargissant le partenariat (LMGC Montpellier, I2M Bordeaux, LGC2D Egletons, Piaf Clermont-Fd, Univ. Florence...)

<footnote>(1) Université Clermont Auvergne, CNRS, Clermont Auvergne INP, Institut Pascal Clermont-Ferrand; (2) Research Institute for Sustainable Humanosphere, Kyoto University, Japan; (3) Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Japan;</footnote>

<footnote>(4) Chrono-environnement, Univ. Franche Comté, CNRS, Besançon ; (4) Institut des Sciences de l'Évolution de Montpellier, Univ Montpellier, CNRS, IRD, Montpellier; (6) Université Clermont Auvergne, INRAE, PIAF, Clermont-Ferrand, France</footnote>