Introdução

A necessidade da utilização de materiais sustentáveis faz com que novos estudos e processos surjam constantemente, e atualmente, o bambu é um material que tem ganhado cada vez mais destaque. Este produto sustentável é natural, de fácil cuidado e manuseio, pode ser replantado, não causa nenhum impacto negativo ao meio ambiente e apresenta excelentes propriedades mecânicas (Yuan et al., 2020).

O bambu é uma planta semelhante à madeira, que apresenta uma cavidade cilíndrica e oca na forma de colmos. Estes colmos são cobertos com uma superfície porosa, reduzindo a perda de umidade, além de apresentarem nós (Bui; Grillet; Tran, 2017).

Segundo Bui, Grillet e Tran (2017) o bambu cresce do solo através de caules e raízes chamados de rizomas. Algumas espécies podem apresentar tamanho final de mais de 30 metros, diâmetro acima de 30 centímetros e crescer até 60 centímetros por dia.

Considerando as construções tradicionais de tijolos, concreto, madeira e aço, o bambu é um material sustentável, renovável e com excelentes propriedades mecânicas para esta utilização (Nie et al., 2022). De acordo com a Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura (Food and Agriculture Organization) (FAO, 2007) estima-se que mais de um bilhão de pessoas no mundo vivam em construções tradicionais de bambu e 2,5 bilhões de pessoas dependam economicamente deste.

Na Figura 1, pode-se observar um exemplo de aplicação de bambus em uma construção.

O bambu apresenta ótimas propriedades mecânicas, grande capacidade de fixação de carbono e pequeno ciclo de renovação (Lee et al., 2018). Suas dimensões, propriedades mecânicas ou físicas podem variar de acordo com o tipo de espécie, idade, presença ou não de nós e posição (base, meio ou topo).

Com o objetivo de aprimorar sua durabilidade contra o ataque de insetos, fungos e umidade, são realizados tratamentos em bambus. Dentre os principais tipos têm-se os tratamentos químicos e térmicos, sendo o último, foco desta pesquisa.

Segundo Yuan et al. (2020) tratamentos térmicos são alterações físicas, nas quais a biomassa do produto é aquecida em altas temperaturas e em baixos níveis de oxigênio, aumentando a estabilidade dimensional, gerando anticorrosão, reduzindo a umidade e potencializando a resistência do material. É vantajoso executar tratamentos térmicos, pois, após o aquecimento os índices de amido são reduzidos, assim evitando o ataque de insetos.

A partir destas informações e dados coletados na literatura, como nos trabalhos de Fabiani et al. (2023), Du et al. (2023) e Lin et al. (2023), é notório afirmar que realizar tratamentos térmicos em bambus aumenta a sua durabilidade e a vida útil, sendo vantajosos. Assim, este artigo apresenta um estudo de tratamentos térmicos em bambus da espécie Dendrocalamus stricuts, cujos objetivos foram prolongar sua durabilidade e melhorar suas propriedades mecânicas.

Para isto, as amostras de bambu foram aquecidas em estufa, de acordo com faixas de temperatura e duração selecionadas, as quais não prejudicam as propriedades mecânicas do bambu. Estes dados de configuração foram extraídos de uma revisão sistemática de literatura que foi desenvolvida previamente.

Após o tratamento térmico e execução dos ensaios de propriedades mecânicas, as amostras tratadas e não tratadas foram expostas ao besouro da espécie Dinoderus minutus, mais conhecido como caruncho do bambu.

Portanto, foi realizado o tratamento térmico em diferentes condições e em seguida investigadas as propriedades mecânicas de resistência na compressão e tração paralela às fibras, o teor de umidade, a variação de cor do material e o teste de proteção contra o ataque biológico.

Materiais e método

Os colmos de bambu utilizados na pesquisa são fruto de doação de um cultivo situado na Escola de Agronomia da Universidade Federal de Goiás, no município de Goiânia, no centro do estado brasileiro de Goiás, com altitude de 730 metros e clima tropical semiúmido.

Os bambus extraídos e estudados são da espécie Dendrocalamus strictus, mais conhecidos como bambu maciço, que apresentam entre 3 e 5 anos e altura variando entre 4 e 8 metros.

Após o seu corte e coleta, os colmos foram conduzidos e armazenados em local seco, sem contato com solo ou umidade e longe de intempéries como sol e chuva e neste mesmo local, os colmos foram mantidos em posição vertical por 21 dias para em seguida serem produzidos os corpos de prova.

Inicialmente foi realizada uma revisão sistemática de literatura a fim de adquirir informações sobre tratamentos térmicos e ensaios. Para isto foram lidos e estudados diversos artigos e trabalhos de autores que realizaram tratamentos térmicos em bambus e publicaram os artigos em periódicos. Pode-se citar como destaque os trabalhos de Bui, Grillet e Tran (2017), Yang et al. (2022), Yuan et al. (2020), Xu et al. (2017), Tang et al. (2019), Brito et al. (2018), dentre outros.

Os dados mais importantes obtidos após a leitura destes artigos foram as faixas de temperatura e duração ideias, as quais o tratamento deveria ser realizado. Estas faixas foram consideradas como aquelas que não prejudicariam as propriedades mecânicas do bambu, sendo assim são ideais para os tratamentos.

Para a realização dos ensaios foram seguidas as recomendações da NBR 16828-2 (ABNT, 2020b). De acordo com a norma, os colmos foram numerados sequencialmente em posição horizontal, em seguida os galhos foram cortados, resultando nas varas a serem utilizadas. Foram utilizadas apenas corpos de prova entre nós e não houve a distinção entre as partes do corpo do bambu, que são: a base, o meio e o topo.

Seguindo as recomendações da NBR 16828-2 (ABNT, 2020b), os corpos de prova foram confeccionados com seção retangular e foram utilizados para determinar a umidade dos corpos de prova.

Ensaio de compressão paralela às fibras

Para o ensaio de compressão paralela às fibras utilizou-se o total de 10 amostras, sendo 9 tratadas a diferentes temperaturas e durações, e 1 não tratada, tomada como referência. Para cada amostra foi atribuída uma letra do alfabeto para maior controle de dados.

Em seguida, após o ensaio de compressão paralela às fibras os mesmos corpos de provas foram utilizados para realizar o ensaio de umidade.

Os ensaios e cálculos foram determinados segundo as recomendações da NBR 16828-2 (ABNT, 2020b), em seguida foram calculadas as resistências à compressão e tração paralelas às fibras.

As dimensões dos corpos de prova apresentaram comprimento de 101 mm. A média dos diâmetros externos dos colmos foi de 40,79 mm, já os diâmetros internos exibiram a média de 19,86 mm e por fim, a média das espessuras de paredes foi de 10,46 mm.

Todos os ensaios foram executados em uma Máquina Universal de Ensaios EMIC INSTRO 23 - 300, com capacidade de 300 KN. e velocidade de ensaio igual a 0,05 mm/s, medido automaticamente pelo curso do travessão do equipamento.

O ensaio de compressão paralela às fibras foi executado seguindo as diretrizes da NBR 16828-2 (ABNT, 2020b).

Na Figura 3, pode-se observar o corpo de prova posicionado no equipamento.

O corpo de prova foi posicionado e centralizado na máquina de ensaio e teve registrada a carga máxima durante o processo de sua ruptura. A resistência à compressão paralela às fibras é calculada conforme a Equação 1.

Sendo:

F_c0 é a resistência à compressão paralela às fibras (MPa);

F_Máx: é a carga de ruptura em compressão (kN); e

A é a área da seção transversal do corpo de prova (mm²).

Para o cálculo do módulo de elasticidade em compressão paralela às fibras, que é medido a partir da média das leituras, do medidor de deformação vertical instalado na máquina universal de ensaios, deve-se realizar a relação entre 20% e 60% da força durante a ruptura do corpo de prova, sendo calculada pela Equação 2:

Em que:

E_c0 é o módulo de elasticidade em compressão paralela às fibras (GPa);

F₆₀ é 60% da carga de ruptura em compressão (N);

F₂₀ é 20% da carga de ruptura em compressão (N);

A é a área da seção transversal do corpo de prova (mm²);

ε₆₀ é a deformação específica corresponde a F₆₀, (‰); e

ε₂₀ é a deformação específica corresponde a F₂₀, (‰);

Ensaio de tração paralela às fibras

Na preparação dos corpos de prova para o ensaio de tração paralela às fibras utilizaram-se o total de 10 corpos de prova, sendo 9 tratados em estufa a diferentes temperaturas e durações e mais 1 corpo de prova não tratado, conforme pode ser visto na Figura 4. Estes apresentaram comprimento aproximado de 176,4 mm, uma espessura média de paredes de 2,02 mm e uma largura média de 8,39 mm.

Pode ser observado na Figura 5 que o ensaio de tração paralela às fibras foi conduzido na máquina de ensaio EMIC-INSTRON 23 – 300, com capacidade de carga de 300 kN e velocidade de ensaio igual a 0,05 mm/s.

Corpos de prova para avaliação de ataques biológicos

Para avaliação do ataque biológico (durabilidade biológica) utilizaram-se 4 corpos de prova após os ensaios de compressão, estes foram expostos ao Dinoderus minutus (caruncho do bambu) por 21 dias, para que fosse possível analisar o impacto desta exposição e o dano que estes causariam aos corpos de prova e a eficácia do tratamento térmico contra o ataque biológico. Sendo viável verificar a eficácia do tratamento térmico em relação a durabilidade dos corpos de prova, pela presença ou ausência de vestígios da ação de insetos implantados.

Para os testes de durabilidade biológica, as amostras “A160-1h”, “B160-1,5h”, “C160-2h” e “J”, da Figura 2, foram expostas ao caruncho do bambu (Dinoderus minutus) por 21 dias, e, durante a exposição, verificou-se o efeito deste dos ataques biológicos.

Os corpos de prova foram dispostos cada um em um recipiente e, em seguida, 5 insetos foram adicionados, posteriormente foram inseridas pequenas mechas de algodão contendo água. Por fim, o recipiente foi lacrado com uma tela fina para a entrada de ar e para impedir a saída dos insetos.

O principal produto analisado foi a presença de pó no frasco. Este pó, resíduo do ataque ao bambu, é um indicativo resultante da ação dos besouros. Em seguida a amostra foi pesada em balança analítica com o intuito de verificar o quanto o corpo de prova foi danificado.

Na Figura 6 pode-se observar como foi realizado o experimento de durabilidade biológica.

Faixas de temperatura e duração

Após a revisão sistemática de literatura (RSL), foram selecionadas faixas de temperatura e duração de acordo com dados obtidos pela literatura. Estes valores elencados são provenientes de trabalhos científicos em que outros pesquisadores realizaram tratamentos térmicos, em amostras de bambu e em seguida ensaios físicos e mecânicos.

Para o desenvolvimento da RSL foram pesquisados artigos científicos entre os anos de 2017 e 2022 em 3 grandes bases de dados. Durante a busca utilizou-se os seguintes termos: “Bamboo AND (heat treatment OR thermal treatment) AND “mechanical properties”.

Após isto, foram selecionados artigos que se encaixavam na temática principal e em todos os critérios de inclusão e exclusão pré-definidos. Concluída a sistematização alguns dados referentes às faixas de temperatura e duração, tipos de tratamentos, propriedades mecânicas médias e espécies de bambus mais comumente utilizadas foram extraídos.

Assim, foram selecionadas faixas de temperatura e duração que não influenciariam negativamente nas propriedades mecânicas. Através da literatura, foi constatado que, a partir de 220 ºC e com 3 horas de duração de tratamento, ou mais, o bambu sofre decréscimo de valores de suas propriedades e, portanto, foram selecionados intervalos inferiores a estes.

Na Tabela 1 é possível verificar a nomenclatura dos corpos de prova e suas respectivas faixas de temperatura e duração de tratamento térmico.

Todos os tratamentos térmicos foram realizados em Estufa de Secagem e Esterilização, marca SOLAB, modelo SL-100.

Teor de umidade

O ensaio de teor de umidade do bambu foi determinado por pesagem dos corpos de prova após secagem em estufa em cada configuração mostrada na Tabela 1.

Para a obtenção da umidade foram utilizados corpos de prova similares àqueles empregados no ensaio de tração. Os corpos de prova, com comprimento de 176,4 mm e seção retangular, foram pesados em Balança Semi Analítica, marca BEL, com precisão de 0,001g.

Após isto, os corpos de prova foram aquecidos respeitando-se as faixas de temperaturas e duração, sendo posteriormente pesadas novamente, para ser determinado o teor de umidade segundo as prescrições da NBR 16828-2 (ABNT, 2020b), sendo calculada pela Equação 3:

Sendo:

U é o teor de umidade da amostra (%);

M é a massa do corpo de prova, antes da secagem em estufa, com precisão de 0,01 g; e

m₀ é a massa do corpo de prova, depois da secagem em estufa, com precisão de 0,01 g.

Após o teor de umidade ser calculado, a seção dos corpos de prova foi reduzida, para se adequar melhor aos ensaios de tração, que foram executados posteriormente.

Resultados e discussões

Teor de umidade

Na Tabela 2 pode-se analisar os resultados obtidos para o teor de umidade, sendo 18,47% o maior valor obtido, proveniente do tratamento com duração de 2 horas em uma temperatura de 200 ºC.

O teor médio de umidade entre as amostras foi de 15,29%. A NBR 16828-1 (ABNT, 2020a) recomenda que uma forma de garantir a resistência mecânica do bambu, é manter o teor de umidade entre 10% e 20%, na condição de equilíbrio com o ambiente.

Como pôde ser observado, o presente estudo fixou um plano fatorial completo, de duas variáveis independentes (tempo e temperatura de tratamento térmico) operando em três níveis cada (1, 1,5 e 2h; 160, 180 e 200 ºC, respectivamente), gerando 9 experimentos distintos, além do experimento de controle (J), com a amostra de bambu sem tratamento térmico. Assim como ocorreu para o ensaio de teor de umidade, os ensaios mecânicos e de durabilidade biológica tiveram seus resultados comparadas entre si, ora em função da temperatura, ora em função do tempo de tratamento térmico, tendo a amostra padrão sem tratamento, como referência.

Resistência à compressão paralela às fibras

Os resultados do ensaio de compressão paralela às fibras, obtidos estão expressos na Tabela 3.

Observando a Tabela 3 pode-se notar que a maior tensão de ruptura foi de 76,85 MPa, na amostra C160-2h, e o valor médio para todas as amostras foi de 68,83 MPa.

Os dados obtidos seguem a mesma análise daqueles de teor de umidade, ou seja, cada amostra foi tratada uma única vez e realizado apenas um ensaio nestas. Por exemplo, o corpo de prova A160–1h foi aquecido durante uma hora a 160 ºC e, após seu resfriamento até a temperatura ambiente, foi submetido ao ensaio de compressão, resultando na determinação da em tensão de ruptura em compressão, de 76,24 MPa. As demais amostras foram submetidas ao mesmo método, em seus respectivos parâmetros experimentais.

Os valores de resistência em compressão paralela às fibras estão de acordo com aqueles encontrados na literatura, como pode ser constatado nas pesquisas de Bui, Grillet & Tran (2017) que obtiveram resultados entre 42 e 69 MPa, já Wang et al. (2020) adquiriram resultados na faixa de 19 a 105 MPa, Azadeh, Ghavami e García (2021) com dados entre 53 e 60 MPa, dentre outros.

Os resultados obtidos apresentaram discrepância entre si, por causa das propriedades físicas dos corpos de prova, que possuíam diâmetros, espessuras e comprimentos diferentes. E, até mesmo sua umidade e estabilidade dimensional eram distintas, por conta do aquecimento. Esta variação entre os dados de tensão de ruptura em compressão pode ser bem elucidada na Figura 7, indicando, por cores diferentes para uma mesma faixa de temperatura, as faixas de temperatura e suas amostras.

A maior tensão obtida é um produto da amostra C160 – 2h, e a segunda maior é de 76,24 MPa da amostra A160 – 1h, ambas submetidas a menor temperatura do ensaio. O aquecimento na temperatura mais baixa gerou melhores resultados, concordando com a literatura, pois quanto maior a temperatura maior a probabilidade de as propriedades mecânicas serem prejudicadas conforme as pesquisas de autores como de Liu et al. (2020), Azadeh, Ghavami e García (2021), Wang et al. (2020), Tang et al. (2019) e Yuan et al. (2020).

Foram escolhidas faixas de temperatura e duração que não influenciam negativamente nas propriedades mecânicas, como é possível verificar pelos resultados obtidos. Exemplificando, pesquisas como a de Liu et al. (2020), afirmam que tratamentos acima de 200 ºC danificam as propriedades do bambu, assim estas temperaturas não foram aplicadas neste experimento.

Resistência à tração paralela às fibras

As propriedades mecânicas das amostras obtidas após o ensaio de tração paralela às fibras estão expostas na Tabela 4.

Na Tabela 4 também se encontram as dimensões dos corpos de prova. Pode-se observar que a espessura e a largura da seção transversal são pequenas e, por conta disto, os corpos de prova analisados eram delicados, resistindo a forças de, no máximo 2,77 kN.

Os resultados são melhor apresentados na Figura 8.

Nota-se que a menor tensão de ruptura em tração paralela às fibras foi igual a 80,06 MPa e a maior foi igual a 160,73 MPa, com média entre todas de 123,51 MPa. Estes valores condizem com a literatura, pois Bhonde et al. (2014) analisaram o comportamento mecânico do Dendrocalamus strictus, na Índia, e obtiveram média de resistência à tração paralela às fibras igual a 95,78 MPa.

Da mesma forma, Gomes Neto et al. (2021) que avaliaram as propriedades mecânicas de corpos de prova do bambu da espécie Bambusa vulgaris, e obtiveram valores de resistência à tração paralela às fibras de aproximadamente 100 MPa, em média.

Avaliação do ataque biológico

Para o teste de durabilidade biológica foram analisados apenas os corpos de prova “A160-1h”, “B160-1,5h”, “C160-2h” e “J” resultantes do ensaio de compressão paralela às fibras. Apenas estes foram analisados, pois havia poucos insetos disponíveis e alguns sofreram letalidades no processo e coletar outros poderia gerar discrepâncias nas análises.

Os corpos de prova foram pesados após o tratamento térmico e expostas ao Dinoderus Minutus por 21 dias, em seguida pesadas novamente.

Pela Tabela 5, pode-se notar que houve redução de massa das amostras, resultante das atividades dos besouros. Na amostra “J” não se realizou tratamento térmico, então esta foi a mais atacada pelos besouros, tendo a redução de 1,47% de sua massa.

Na amostra “A160 – 1h” houve a redução de 0,51% da massa total, já na amostra “B160 – 1,5h” aproximadamente 0,41% e por fim no corpo “C160 – 2h” o total de 0,19%. Em todos os corpos de prova a redução de massa foi pequena, fato decorrente do tratamento térmico e da baixa quantidade de besouros, pois em maior quantidade iriam se alimentar mais, assim reduzindo a massa em maiores quantidades.

Estas amostras foram submetidas a temperatura fixa de 160 ºC, ocorrendo apenas variação de duração entre elas. Pode-se notar que à medida que a duração do tratamento se prolongou a atividade do inseto foi reduzida, garantindo maior durabilidade à amostra em questão, pois durante o tratamento térmico a presença de celulose no interior do bambu é reduzida, tornando-o menos susceptível aos ataques.

Influência dos tratamentos na coloração das amostras

A amostra “J” é aquela sem a realização de tratamento térmico e pode-se notar que à medida que as faixas de temperatura e duração aumentam, a coloração tende para marrom mais escuro. Esta tendência segue a literatura, conforme os resultados obtidos em estudos como o de Lee et al. (2018) e Gürgen et al. (2019).

O aquecimento das amostras gera alteração na cor do material, como pode ser visto na Figura 9, abaixo.

Considerações finais

Nesta pesquisa verificou-se a influência de tratamentos térmicos na durabilidade, propriedades mecânicas e físicas do bambu maciço, a diferentes temperaturas (160 ºC, 180 ºC e 200 ºC) e distintas durações de tratamento (1h, 1,5h e 2 horas).

Analisando os dados obtidos, verificou-se que as faixas de temperatura e duração adotadas apresentam pouca interferência nas propriedades mecânicas observadas. Os índices de teor de umidade apresentaram ótimos resultados com média de 15,29%, situando-se no intervalo de 10 a 20%, que é o recomendado pela NBR 16828-1 (ABNT, 2020a).

Os valores de resistência na compressão e tração paralela às fibras apresentaram valores similares aos encontrados na literatura, também, como esperado, os valores de resistência à tração paralela às fibras foram superiores a àqueles obtidos no ensaio de resistência à compressão paralela às fibras. A maior tensão de ruptura em tração paralela às fibras obtida foi de 159,82 MPa sendo aproximadamente 125% maior que a máxima tensão de ruptura em compressão paralela às fibras obtida, sendo igual a 76,85MPa.

Já no teste de avaliação de ataques biológicos, após exposição dos corpos de prova ao caruncho do bambu, foi verificado que o tratamento térmico retarda o ataque do inseto ao bambu.

Concluindo, pode-se afirmar que o bambu é um material promissor e pode ser utilizado em elementos estruturais, desde que seja tratado. O tratamento térmico, se devidamente executado, não prejudica a resistência à compressão e tração paralela às fibras do bambu e o protege contra o ataque de insetos, tornando-o rentável para ser utilizado em ambientes externos.

Referências

Editado por

Datas de Publicação

Histórico