Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de sciences et génie des matériaux (Laboratoire des matériaux de construction LMC)

A micromechanical approach to the behaviour of single wood fibers and wood fracture at cellular level

Sedighi Gilani, Marjan ; Navi, Parviz (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3546.

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    Summary
    Mechanical and fracture behaviors of wood are defined by the morphology and mechanical properties of wood fibers and their bonding medium. Parallel orientation of wood fibers makes them the most influential microstructural elements from the mechanical point of view. On the other hand, in wood fracture, the difference between the properties of fiber and bonding medium (which make weak cleavage plates) plays a more important role. Experiments show that the mechanical behavior of a single wood fiber under axial tension is complex, although the cause of this complexity has still not been clearly understood. In this thesis, in order to explain the mechanism underlying the mechanical behavior of wood fibers and the fracture of wood specimens at fiber level, a micromechanical approach has been used. Confocal laser scanning microscopy was used to investigate the pattern of the distribution of microfibrils in different wood fibers. It was shown that the microfibril angle within a single fiber is non-uniform and this non-uniformity in radial walls of earlywood fibers, which contain the bordered pits, is higher than tangential walls of earlywood fibers and also higher than in latewood fibers. Tensile and cyclic tensile tests on single spruce fibers were carried out and their non-linear and force-history dependent behaviors under axial tension were shown. It was found that the fiber behavior is affected by the range of microfibril angle non-uniformities and other defects. After a certain force limit, wood fiber undergoes irreversible strains and the elastic limit of the fiber increases in the tensile loading. To explain these results, a model based on the assumption of helical and non-uniform distribution of cellulose microfibrils in the fiber and damage of the hemicellulose and lignin matrix after yielding, was proposed. The model indicated that multi-damage and evolution of microfibrils in the damages segments are the main governing mechanisms of the tensile behavior of wood fiber. Difficulties of considering the porous and heterogeneous microstructure of wood in a continuum-based fracture model, led us to develop a mixed lattice-continuum model. The three-dimensional geometry of lattice, composed of different beam elements which represent the bonding medium and alternation of earlywood and latewood fibers, enabled us to detect the propagation of cracks in both cross sections and longitudinal sections at the fiber level. Model showed that in Mode I fracture, parallel to the fibers, the location of the developed crack and the resulting stress-strain curves have a good agreement with the experimental evidence.
    Résumé
    Les comportements mécaniques et la rupture du bois sont définis par la morphologie et les propriétés mécaniques des fibres de bois et leur medium de liaison. Le parallélisme des fibres de bois fait de ces dernières les éléments les plus influents du point de vue mécanique. D'un autre côté, en ce qui concerne la rupture du bois, la différence entre les propriétés des fibres et leur medium de liaison (celui-ci étant responsable des plaques de fendage) joue un rôle plus important. Les expériences montrent que le comportement d'une fibre unique de bois sous traction uniaxiale est complexe, de plus son origine reste encore relativement incomprise. Dans le cadre de cette thèse, une approche micromécanique a été utilisée afin d'expliquer le mécanisme sous-jacent du comportement mécanique des fibres de bois et de la rupture d'échantillons de bois à l'échelle de la fibre. La microscopie confocale à balayage laser a été utilisée pour étudier le motif de distribution des microfibrilles de diverses fibres de bois. Il a été montré que l'angle des microfibrilles pour une fibre unique n'est pas uniforme. De plus, cette non-uniformité dans les parois radiales de fibres de bois de printemps, [qui] comprennent des ponctuations auréolées, est plus importante que dans les fibres de bois d'été et que dans les parois tangentielles des fibres de bois de printemps. Des tests de traction ainsi que des tests de tractions cycliques sur des fibres isolées de sapin ont été entrepris et leur comportement non-linéaire ainsi que leur dépendance de l'histoire des déformations ont pu être démontrés. Il a également été montré que le comportement d'une fibre est affecté par la gamme de distributions non-uniformes des angles de microfibrilles ainsi que par d'autres effets annexes. Au-delà d'une certaine force limite, les fibres subissent des déformations irréversibles et la limite élastique de la fibre augmente en traction uniaxiale. Afin d'expliquer ces résultats, un modèle basé sur une distribution hélicoïdale et non-uniforme de la cellulose des microfibrilles dans la fibre ainsi que sur les endommagements de l'hémicellulose et de la lignine après le seuil d'écoulement, a été proposé. Le modèle indique que de multiples endommagements accompagnés d'une évolution des microfibrilles dans les segments endommagés sont les principaux mécanismes gouvernant le comportement en traction des fibres de bois. Les difficultés concernant la porosité et l'hétérogénéité de la microstructure du bois pour un modèle de rupture en milieu continu nous ont conduits à développer un modèle couplé d'une approche en milieu continu et d'un réseau. La géométrie tridimensionnelle du réseau, ce dernier étant composé de différents rayons représentant le medium de liaison et l'alternance entre fibres de bois de printemps et d'été, nous a permis de détecter la propagation de fissures sur les sections transverse et longitudinale à l'échelle de la fibre. Le modèle montre, pour la rupture en Mode I, parallèle aux fibres, que la localisation des fissures de même que les courbes de contrainte-déformation sont en accord avec les évidences expérimentales.