Scientia Forestalis, volume 43, n. 105
p.9-18, março de 2015

Efeito do encharcamento prolongado no comportamento físico-mecânico das madeiras de Corymbia citriodora e Eucalyptus grandis

Effect of prolonged waterlogging on physical and mechanical behavior of Corymbia citriodora and Eucalyptus grandis wood

Tainise Vergara Lourençon1
Magarete R. F. Gonçalves2
Darci Alberto Gatto2
Jalel Labidi3
Luis Serrano3
Bruno Dufau Mattos1

1Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. UFPEL –Universidade Federal de Pelotas - Rua Conde de Porto Alegre, 793 - 96010-290, Centro, Pelotas,  RS. E-mail: tainise@gmail.com, brunodufaumattos@gmail.com.
2Doutor Professor no Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. UFPEL –Universidade Federal de Pelotas - Rua Conde de Porto Alegre, 793 - 96010-290, Centro, Pelotas,  RS. E-mail: margareterfg@gmail.com, darcigatto@yahoo.com.
3Departamento de Engenharia Química e Ambiental da Universidad del País Vasco. UPV – Plaza de Europa 1, CP 20018, San Sebastián, Espanha. E-mail: jalel.labidi@ehu.es, luis.serrano@ehu.es.

Recebido em 03/02/2014 - Aceito para publicação em 03/09/2014

Resumo

Este trabalho teve como objetivo avaliar o efeito do encharcamento prolongado em algumas propriedades físico-mecânicas das madeiras de Corymbia citriodora e Eucalyptus grandis. Para tanto, foram abatidas três árvores de cada espécie de povoamentos homogêneos de 50 anos de idade. A obtenção das amostras ocorreu a partir da divisão das árvores em três partes, cada uma com 1 m de altura. Cada parte foi subdividida em quatro amostras com 25 cm de altura e denominadas toretes. Destes, um torete foi utilizado como controle e os demais, foram submersos em água e retirados em diferentes tempos: 4, 8 e 12 meses. Para a caracterização da madeira foram realizados ensaios de flexão estática, determinação de massa específica aparente (ME) a 12% e ângulo de contato. Os resultados mostram que o módulo de ruptura das duas espécies diminuiu até os 8 meses de encharcamento e que ocorreu uma densificação da madeira e homogeneização da ME para ambas espécies.
Palavras-chave: encharcamento, madeira submersa, massa específica aparente, práticas empíricas, madeira estrutural.

Abstract

This study aimed to evaluate the effect of long term waterlogging in some physical and mechanical properties of Corymbia citriodora and Eucalyptus grandis wood. Three trees of each specie were obtained in experimental homogeneous plantations aged 50 years. The samples were obtained dividing each tree into three parts of 1 m. Each part was subdivided into four samples with 25 cm height and denominated small logs. One part was used as control sample and the others were immersed into water and taken out at different times: 4, 8 and 12 months. The wood samples were tested for static bending mechanical test, specific gravity (SG) at 12% and contact angle. The results showed that the modulus of rupture of the two wood species decreased until 8 months of waterlogging and there was an increase of homogeneity and specific gravity of the two kinds of wood.
Keywords: waterlogging, submerged wood, specific gravity, empirical techniques, structural wood.


INTRODUÇÃO

Existe uma série de fatores que levam a madeira a ser exposta a água por períodos prolongados, seja este fato intencional ou não. Na construção civil, em diversas situações, são planejadas construções em que a madeira é utilizada em ambientes ligados diretamente a água. Em algumas indústrias do setor madeireiro, as toras de madeira são reservadas em água, enquanto aguardam o processo de produção, com a finalidade de prevenir rachaduras e ataque de fungos e insetos. Outras situações são observadas, como florestas inundadas devido a criação de reservatórios de água (TENENBAUM, 2004; VAN DER KOOYE, 2011) ou então, madeiras pertencentes a peças arqueológicas subaquáticas (BJÖRDAL et al., 1999; JENSEN; GREGORY, 2006; TAMBURINI et al., 2014). Além destas práticas, submeter a madeira por períodos prolongados em água, vem sendo utilizado por agricultores como técnica para aumentar a resistência a biodegradação da madeira, porém trata-se de um conhecimento empírico que atravessou gerações. Esta técnica também já foi utilizada na construção civil no século XX (CASTELINHO, 2013). Em todas essas utilizações, são conferidas novas características a madeira devido a submersão em água por longos períodos e estudos referentes a este contexto são mínimos ou inexistentes.

Com o crescimento do uso da madeira, devido as suas diversas vantagens mas, principalmente por ser um recurso natural e renovável, há um consequente crescimento na utilização de madeiras de florestas plantadas de rápido crescimento, em que, na maioria dos casos, trata-se do gênero Eucalyptus (Associação Brasileira de Produtores de Florestas Plantadas - ABRAF, 2012).

Dessa forma, conhecer o comportamento destas madeiras, nas mais diversas situações a que são submetidas, torna-se de suma importância. Cabe ressaltar a carência de estudos similares, o que torna esse estudo preliminar um subsídio de conhecimento para pesquisas acerca de materiais arqueológicos aquáticos, utilização da madeira advinda de florestas inundadas, influência na resistência a biodegradação, estocagem de madeira em água para suprimir rachadura, utilização de madeira em atracadouros, entre outros.

Nesse contexto, o presente estudo tem como objetivo, avaliar algumas propriedades físico-mecânicas de madeiras de rápido crescimento, submetidas ao encharcamento em água por períodos prolongados.


MATERIAL E MÉTODOS

O presente trabalho utilizou, como matéria prima, madeiras de reflorestamento provenientes de plantios homogêneos, originários do Centro Agropecuário da Palma, pertencente a Universidade Federal de Pelotas, situado na BR 116 - km 537, município do Capão do Leão – RS (latitude 31º52’00'' S, longitude 52º21’24''W e altitude de 13,24m). Para o presente trabalho, seguiu-se a norma ASTM D5536-94 (2010). Desta forma, foram abatidas seis árvores a 10 cm do solo tendo, em média, 20 cm de diâmetro cada, sendo três da espécie Eucalyptus grandis Hill ex Maiden e três da espécie Corymbia citriodora Hill & Johnson, ambas com 50 anos de idade. Em cada uma das árvores foram extraídas amostras a partir da divisão destas em três partes com 1 m de altura, as quais foram denominadas de topo, intermediária e base. Cada uma das três partes foi subdividida em quatro amostras denominadas toretes, com 25 cm de comprimento. Destes, um torete (não encharcado) foi utilizado como amostra controle (T0) e os demais foram submetidos ao processo de encharcamento. A Figura 1 ilustra o procedimento de extração de amostras acima descrita.


Figura 1. Esquema representativo da metodologia de extração das amostras de madeira de cada uma das árvores utilizadas.
Figure 1. Scheme of wood samples extraction from each tree.

Para a estabilização da madeira em 12% de umidade, os toretes controle, foram colocados em uma câmara climática nas condições de 20ºC de temperatura e de 65% de umidade relativa do ar.  Os demais toretes foram submetidos ao processo de encharcamento a partir da submersão em caixas d’água de fibra de vidro de 1000 l, preenchidas com água potável proveniente da rede pública. Os toretes submetidos ao encharcamento foram retirados em diferentes tempos: 4, 8 e 12 meses (T4, T8 e T12, respectivamente). Após cada coleta, os toretes encharcados, foram encaminhados as mesmas condições de climatização dos controles, até a confecção das amostras para os ensaios físicos e mecânicos.

Para realização do ensaio de flexão estática a três pontos e determinação das propriedades mecânicas de módulo de elasticidade (MOE) e módulo de ruptura (MOR), utilizou-se uma máquina universal de ensaios mecânicos – da marca EMIC, Modelo DL30000 e seguiu-se a norma americana ASTM D 143-94 (ASTM, 2000), adaptada para seção transversal de menor dimensão. Para tal, retirou-se uma prancha central de cada torete, totalizando a confecção de, em média, 285 corpos de prova (cp’s) para cada espécie, com dimensões de 15 x 15 x 210 mm³ (largura, espessura e comprimento, respectivamente) orientados da medula para a casca.

Para a determinação da massa específica aparente, inicialmente, as amostras provenientes dos corpos de prova utilizados nos ensaios mecânicos, foram colocadas em câmara climatizada para atingir a umidade de 12%, posteriormente, mensurou-se as dimensões e massa dos corpos de prova, e dessa maneira calculou-se a ME12% conforme a norma ASTM D 143-94 (2000).

Para avaliar a molhabilidade superficial das madeiras, foi utilizada a técnica de ângulo de contato. Para tanto, um goniômetro Dataphysics, modelo 0CA foi utilizado. Foram selecionadas quatro amostras do cerne e quatro amostras do alburno do T0, T4, T8 e T12. O ângulo de contato foi determinado de acordo com o método da gota séssil com água deionizada (5 µl) em três pontos distintos da superfície das amostras de madeira, nas seções longitudinal tangencial e longitudinal radial. O comportamento da gota foi avaliado a partir da cinética de absorção em cinco momentos distintos, após 5, 25, 45, 65 e 85 s de contato entre a gota e a superfície da madeira. O volume da gota foi medido na mesma cinética de molhabilidade e fornecido pelo equipamento. Os valores médios de ângulo de contato e volume da gota foram obtidos a partir da média dos três pontos, medidos em cada amostra e para cada seção anatômica.


RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os dados de MOE e MOR foram avaliados por meio de análise de variância fatorial (ANOVA fatorial) considerando como fatores o tempo de encharcamento (T0, T4, T8, T12), posição axial na tora (topo, intermediário e base) e interação entre eles. Posteriormente, com os dados que apresentaram diferença estatística, ou seja, quando observado valor de probabilidade significativo (p<0,05), em que rejeita-se a hipótese nula, utilizou-se o teste de médias LSD de Fisher, em nível de 5% de probabilidade de erro, para o agrupamento das variáveis conforme a Tabela 1.

Tabela 1. ANOVA fatorial para MOE e MOR das espécies Corymbia citriodora e Eucalyptus grandis.
Table 1. Factorial ANOVA for MOE and MOR of Corymbia citriodora and Eucalyptus grandis.
Espécie Variável Fator SQ GL QM Razão f
C. citriodora MOE Tempo de encharcamento 4,69x108 3 1,56 x107 8,76**
Posição 1,98x108 2 9,90 x107 5,54**
Interação 5,11x107 6 8,53 x106 0,48ns
MOR Tempo de encharcamento 15418,9 3 5139,62 4,95**
Posição 2038,49 2 1019,25 0,98ns
Interação 7386,02 6 1231 1,19ns
E. grandis MOE Tempo de encharcamento 5,06x108 3 1,69 x108 11,41**
Posição 5,63x107 2 2,82 x107 1,91ns
Interação 2,73x107 6 4,55 x106 0,31ns
MOR Tempo de encharcamento 20721,8 3 6907,26 5,6**
Posição 882,31 2 441,16 0,36ns
Interação 2181,36 6 363,56 0,29nns
Obs.: SQ – soma dos quadrados; GL – grau de liberdade; QM – quadrado médio; ** - significativo em nível de 1% de probabilidade de erro; * - significativo em nível de 5% de probabilidade de erro; ns – não significativo.

Como pode ser visto na Tabela 1, para ambas espécies e variáveis, a interação dos fatores não foi estatisticamente significativa e tal fato indica que os fatores se comportam de forma isolada. Ao analisar isoladamente o MOE e MOR para o fator tempo de encharcamento, para ambas espécies, observou-se diferença estatística significativa, com 1% de probabilidade de erro, já para o fator posição, apenas o MOE da espécie Corymbia citriodora, apresentou diferença estatística significativa.

Os resultados tidos como significativos pela ANOVA fatorial (Tabela 1) foram desdobrados e analisados separadamente na Tabela 2. Verificou-se para o fator tempo de enchacamento que os valores médios de MOE e MOR, para ambas espécies, apresentaram diminuição até o T8, período de tempo considerado crítico neste estudo, e um posterior retorno à média no T12, aproximando os valores de T12 ao verificado no T0. O aumento das médias para MOE e MOR, na espécie Corymbia citriodora, e para o MOR Eucalyptus grandis representa retorno ao mesmo grupo estatístico do T0.

Tabela 2. Valores médios para MOE e MOR, desvio padrão e teste de médias LSD de Fisher nos fatores que apresentaram diferença estatística significativa.
Table 2. MOE and MOR mean values, standard deviation and Fisher LSD average test for factors that were statistically significant.
Espécie Fator MOE (MPa) MOR (MPa)
C. citriodora Tempo de encharcamento T0 18854,5 ± 5122,71 c 161,191 ± 37,13 b
T4   17174,2 ± 3927,6 b 150,86 ± 27,46 ab
T8 15489,5 ± 3416,01 a 141,1 ± 27,92 a
T12 18352,4 ± 4288,9 bc 154,909 ± 34,53 b
Posição Topo 18074,9 ± 4545,88 b
Int. 18204,1 ± 4228,11b -
Base    16389 ± 4363,29 a
E. grandis Tempo de encharcamento T0   13565,6 ± 051,21 c 109,9 ± 36,36 b
T4 10444,7 ± 3284,59 a 90,57 ± 30,94 a
T8 10247,5 ± 3305,97 a 87,41 ± 30,9 a
T12 12253,7 ± 4428,98 b 99,43 ± 39,24 ab
Obs.: Int. – intermediário; T0– amostras controle; T4– tempo referente a 4 meses; T8– tempo referente a 8 meses; T12– tempo referente a 12 meses; Médias seguidas de letras minúsculas distintas, dentro de cada fator, diferem estatisticamente entre si.

No estudo de Fojutowski et al. (2014) sobre as propriedades da madeira de carvalho após 2 anos de submersão no mar, também foram encontrados menores valores para módulo de elasticidade. Nesse contexto, teoriza-se que a diminuição do MOE e MOR até 8 meses (T8) possa ter ocorrido devido a uma fragilização na microestrutura da madeira, em função do longo período de submersão em água, com mudança no ângulo da microfibrila, o qual afeta diretamente estas propriedades (VIA et al., 2009) e assim, acredita-se que após este período possa ter ocorrido um rearranjo celular microestrutural.

A diferença estatística nos valores médios de MOE para o fator posição, na espécie Corymbia citriodora, encontra-se na Tabela 2. Observa-se que a base das árvores apresentou menor rigidez que as demais posições, diferente do comportamento encontrado por Izekor et al. (2010) e Ogunsanwo e Akinlade (2011), que encontraram variações moderadas destas propriedades decrescendo da base em direção ao topo. No entanto, Machado et al. (2014) afirmam que a variação longitudinal é muito mais significativa para a massa específica do que para as propriedades mecânicas. Além disso, para o MOR do Corymbia citriodora e MOE e MOR do Eucalyptus grandis, não ocorreram diferenças estatísticas em função da posição axial e conforme anteriormente relatado por Panshin e de Zeeuw (1980), o índice de uniformidade axial elevado é considerado uma vantagem para utilização da madeira, especialmente em aplicações estruturais.

Para análise da ME (Figuras 2 e 3) foram compostos gráficos em que adotou-se cores frias, como o azul e o verde, para os menores valores de ME, e cores quentes, como o amarelo, o laranja e o vermelho, para os maiores valores de ME.


Figura 2. Massa específica aparente (ME) das amostras controle e encharcadas, observada na madeira da espécie Corymbia citriodora, no sentido medula-casca e base-topo, nos diferentes tempos de encharcamento.
Figure 2. Specific gravity (EG) of control and soaked wood samples, observed in Corymbia citriodora wood, in the pith-bark and base-top directions, after different times of waterlogging.

Com base em análise visual da Figura 2, observou-se que para a madeira de Corymbia citriodora as cores amarelo e laranja aparecem nas amostras controle e as cores amarelo, laranja e vermelha (maiores ME) são encontradas nas amostras do T4, na região próxima a casca e ao topo, nas amostras do T8, com maior densificação próximo à casca e a base, e nas amostras do T12, altamente densificadas e homogêneas na região da base ao topo e da medula à casca. Os resultados obtidos mostram que ocorre densificação na madeira encharcada e com relação direta ao tempo de encharcamento.

Ainda na Figura 2, pode ser verificado o crescimento intensificado da ME na direção da medula para à casca, conforme previamente indicado na literatura (CARMO, 1996; GATTO et al., 2010; RIBEIRO et al., 2011; LOURENÇON et al., 2013).


Figura 3. Massa específica aparente (ME) das amostras controle e encharcadas observada na madeira da espécie Eucalyptus grandis, no sentido medula-casca e base-topo, nos diferentes tempos de encharcamento.
Figure 3. Specific gravity (EG) of control and soaked wood samples observed in Eucalyptus grandis wood, in the pith-bark and base-top directions, after different times of waterlogging.

Quanto a análise visual da ME para a madeira da espécie Eucalyptus grandis na Figura 3, observou-se a ocorrência de crescimento da ME no sentido da medula para a casca, porém, com intensidade bem menor do que o ocorrido na espécie Corymbia citriodora. Além disto, também, é possível observar que a maior concentração e homogeneização da ME ocorreu no T12 em região próxima a casca indo da base ao topo.

Os resultados obtidos demonstram que o encharcamento possibilita o crescimento da massa específica aparente e que a intensidade desta está relacionada as espécies de madeiras utilizadas no encharcamento.

Conforme Burger e Richter (1991), a ME reflete a composição química e o volume de matéria lenhosa por peso e é, talvez, a característica tecnológica mais importante da madeira, pois dela dependem estreitamente outras propriedades. O comportamento apresentado pelas duas espécies testadas quanto à ME pode ser relacionado a possíveis alterações na composição química da madeira, devido ao processo de encharcamento.

O comportamento típico da gota na superfície da madeira de cerne e alburno (Figura 4) mostra que em todos os casos a gota decresce com o decorrer do tempo e que em ambos os lenhos do T12 ocorre um espalhamento da gota bastante visível. O aumento da higroscopicidade superficial da madeira devido a longos períodos em água, também foi relatado por Fojutowski et al. (2014) em estudo do carvalho após 2 anos de submersão no mar.


Figura 4. Comportamento típico da gota na superfície da madeira de cerne e alburno em função do tempo de encharcamento.
Figure 4. Typical behavior of the drop on the surface of the heartwood and sapwood wood in relation to waterlogging time.

Os resultados referentes a molhabilidade para espécie Corymbia citriodora (Figura 5) apresentaram no T12, menores ângulos de contato que os demais tempos de encharcamento, incluindo os controles, tanto nos diferentes lenhos quanto nas distintas seções anatômicas. Este comportamento evidencia o aumento da higroscopicidade desta madeira devido ao período de encharcamento prolongado.


Figura 5. Análise da molhabilidade da madeira da espécie Corymbia citriodora, a partir da determinação do ângulo de contato e volume da gota em função do tempo de submersão em água.
Figure 5. Wetting ability analysis of Corymbia citriodora wood, for the determination of the contact angle and drop volume according to waterlogging time.

Observa-se que o ângulo de contato (ângulo θ), no alburno da espécie Eucalyptus grandis (Figura 6), no tempo referente a 12 meses de encharcamento em água, apresentou comportamento semelhante a espécie Corymbia citriodora, com ângulos menores que os demais períodos de encharcamento e controles. Já o cerne da espécie Eucalyptus grandis, apresentou menores ângulos no período de 8 meses de submersão em água.


Figura 6. Análise da molhabilidade da madeira da espécie Eucalyptus grandis, a partir da determinação do ângulo de contato e volume da gota em função do tempo de submersão em água.
Figure 6. Wetting ability analysis of Eucalyptus grandis wood, for determination of the contact angle and drop volume according to waterlogging time.

Para o controle do cerne na seção tangencial, de ambas espécies (Figura 5 e 6), observou-se a presença de caráter hidrofóbico, que refere-se ao ângulo superior a 90° (POGORZELSKI et al., 2013), comportamento também observado para o cerne radial até metade da cinética (45 s).  No alburno controle, de ambas espécies e seções anatômicas, o comportamento troca de hidrofóbico para hidrofílico aos 25 s, tal como observado em outros casos por Hakkou et al., (2005); Cademartori et al., (2013), em que tal fato ocorre devido a característica hidrofílica natural da madeira. Estes resultados mostram que ambas espécies quando avaliadas nas amostras controle, principalmente no cerne, apresentam naturalmente alta hidrofobicidade superficial.

O volume da gota, em todos os casos analisados, para ambas espécies, mostrou-se constante no cerne em ambas seções anatômicas. No alburno ocorreram pequenas variações durante a cinética de molhabilidade, justificada pela anatomia deste lenho, todavia, na seção anatômica radial do alburno, da espécie Corymbia citriodora, a diminuição do volume no T12 foi mais acentuada, e este comportamento explica-se devido a menor homogeneidade anatômica nesta superfície (BRISOLARI, 2008).

Apesar da diminuição do ângulo θ com o encharcamento, em todos os casos testados, ocorreu estabilidade do volume da gota ao longo da cinética de molhabilidade, ou seja, houve presença do fenômeno de espalhamento e ausência de absorção da gota pela madeira. Tais fatos podem ser justificados pelo aumento da massa específica aparente das madeiras encharcadas e, consequente, redução da porosidade (MARRA, 1992).


CONCLUSÕES

Com base no estudo preliminar do comportamento das madeiras de Corymbia citriodora e Eucalyptus grandis submetidas a longos períodos de encharcamento, conclui-se que o MOE e o MOR da madeira das duas espécies não diminui se o tempo de encharcamento for de, no mínimo, 12 meses.  A submersão por período prolongado (12 meses) promoveu uma densificação das madeiras testadas e homogeneização da ME no sentido base-topo e medula-casca, com relação direta ao tempo de submersão em água, além disso, longos períodos de submersão da madeira em água resultou na diminuição do ângulo de contato, principalmente aos 12 meses de encharcamento, porém, não foi observado o fenômeno de absorção.


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