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Madera y bosques

versión On-line ISSN 2448-7597versión impresa ISSN 1405-0471

Madera bosques vol.27 no.1 Xalapa  2021  Epub 27-Sep-2021

https://doi.org/10.21829/myb.2021.2712079 

Artículos científicos

Resistência mecánica e composição química de madeiras amazônicas deterioradas em ensaios de campo

Mechanical resistance and chemical characterization of Amazonian deteriorated woods in field tests

Lédio Batista1 
http://orcid.org/0000-0003-1561-4016

Diego Martins Stangerlin1 
http://orcid.org/0000-0003-4336-6793

Rafael Rodolfo de Melo2 
http://orcid.org/0000-0001-6846-2496

Adilson Pacheco de Souza1 
http://orcid.org/0000-0003-4076-1093

Eldalisley dos Santos Silva1 
http://orcid.org/0000-0001-6316-0624

Elisangela Pariz1 
http://orcid.org/0000-0002-8009-9789

1Universidade Federal de Mato Grosso. Instituto de Ciência Agronômicas e Florestais. Sinop, Mato Grosso, Brasil. lediospn@gmail.com, stangerlin@ufmt.br, adilsonpacheco@cpd.ufmt.br, eldalisley@gmail.com, epariz@ufmt.br

2Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Centro de Ciências Agrárias. Departamento de Ciências Agronômicas e Florestais. Mossoró, Rio Grande do Norte, Brasil.


Resumo

Neste estudo objetivou-se avaliar a resistência mecânica e a composição química das madeiras de Trattinnickia rhoifolia (amescla), Parkia pendula (angelim), Erisma uncinatum (cedro), Apuleia leiocarpa (garapeira) e Mezilaurus itauba (itaúba) expostas à deterioração em ensaios de campo. Para tanto, amostras de madeira foram parcialmente enterradas em ambientes de campo aberto e floresta, sendo expostas à deterioração durante 360 dias. Os testes foram realizados na cidade de Sinop, estado de Mato Grosso, Região Centro Oeste do Brasil. A cada 60 dias realizou-se a caracterização das madeiras deterioradas por meio de ensaios de flexão estática, para obtenção dos módulos de elasticidade e de ruptura, e de dureza Rockwell. A caracterização química (teores de extrativos, cinzas, lignina, holocelulose e solubilidade em hidróxido de sódio) das madeiras foi realizada antes e depois da exposição aos ensaios de deterioração. As madeiras de itaúba e garapeira apresentaram menores alterações na resistência mecânica e na composição química, em comparação às demais espécies, indicando uma maior durabilidade natural.

Palavras chave: durabilidade natural; qualidade da madeira; flexão estática; dureza Rockwell; química da madeira

Abstract

This study aimed to evaluate the mechanical strength and chemical composition of Trattinnickia rhoifolia (amescla), Parkia pendula (angelim), Erisma uncinatum (cedro), Apuleia leiocarpa (garapeira) and Mezilaurus itauba (itaúba) exposed to deterioration in field tests. To achieve this, wood samples were partially buried in outdoor and forest canopy, being exposed to deterioration for 360 days. The tests were carried out in the city of Sinop, state of Mato Grosso, Middle West of Brazil. Every 60 days, deteriorated wood was mechanically evaluated by the static bending tests, to obtain the modulus of elasticity and rupture, and hardness Rockwell. The chemical composition (extractives, ash, lignin, holocellulose and solubility in sodium hydroxide) were evaluated before and after the exposure to deterioration tests. Itaúba and garapeira wood presented lower change in mechanical resistance and chemical composition, in comparison to the other species, indicating a greater natural durability.

Keywords: natural durability; wood quality; static bending; hardness Rockwell; wood chemistry

Introdução

A madeira quando empregada em ambientes externos, tanto para fins estruturais quanto não-estruturais, está sujeita a ação do intemperismo natural e de organismos xilófagos que causam importantes modificações nas propriedades tecnológicas (Trevisan, Tieppo e Carvalho, 2008; Cademartori, Missio, Mattos e Gatto, 2015; Pilocelli et al., 2015).

A capacidade da madeira em resistir à ação desses agentes de deterioração é denominada de durabilidade natural. A durabilidade natural da madeira pode ser influenciada pelo ambiente e período de exposição (Melo et al., 2010; Ribeiro et al., 2014), bem como pelas propriedades intrínsecas da madeira, como por exemplo a massa específica e a composição química (Paes et al., 2007; Carneiro, Emmert, Sternadt, Mendes e Almeida, 2009).

A caracterização da durabilidade natural da madeira pode ser avaliada por meio da exposição de amostras em ensaios de campo ou de laboratório. Os ensaios de campo, com amostras de madeira em contato direto com o solo, são mais fidedignos nos resultados obtidos (Brischke e Rolf-Kiel, 2010), tendo em vista que a madeira fica sujeita á deterioração pela ação dos agentes bióticos (fungos, térmitas, brocas e bactérias) e abióticos (radiação solar, precipitação pluviométrica e umidade).

O processo de deterioração resulta em alterações químicas e mecânicas da madeira em serviço, as quais influenciam diretamente em sua vida útil. As madeiras mais suscetíveis à deterioração apresentam menor tempo de vida útil em serviço. Nesse sentido, o conhecimento da durabilidade natural em conjunto com a composição química e a resistência mecânica auxilia na definição do correto emprego de uma madeira em condições de serviço.

No setor madeireiro brasileiro, o estado de Mato Grosso é um dos principais responsáveis pela exploração de madeiras amazônicas para produção de múltiplos produtos serrados. Esse processo se dá principalmente por meio de Planos de Manejo Florestais Sustentáveis, autorizado e supervisionado pela Secretaria Estadual de Meio Ambiente. Os produtos originados são comercializados no mercado interno, principalmente nos estados do sul e sudeste do Brasil, e externo. As madeiras de Trattinnickia rhoifolia Willd. (amescla), Erisma uncinatum Warm. (cedro), Parkia pendula (Willd.) Benth. ex Walp. (angelim), Apuleia leiocarpa (Vogel) J.F. Macbr. (garapeira) e Mezilaurus itauba (Meissn.) Taub. (itaúba) destacam-se por serem as mais comercializadas na região norte de Mato Grosso, principal pólo madeireiro do estado, sendo empregadas tanto para fins estruturais como não-estruturais na construção civil (Melo et al., 2015).

Objetivos

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a resistência mecânica e a composição química de cinco madeiras amazônicas (Trattinnickia rhoifolia - amescla, Parkia pendula - angelim, Erisma uncinatum - cedro, Apuleia leiocarpa - garapeira e Mezilaurus itauba - itaúba) expostas a ensaios de deterioração de campo durante 360 dias.

Materiais e métodos

Coleta do material e preparo dos corpos de prova Para realização desse estudo utilizaram-se seis tábuas, com dimensões de 0,03 m × 0,30 m × 3 m (espessura, largura e comprimento, respectivamente), para cada uma das cinco espécies amazônicas (Trattinnickia rhoifolia - amescla, Parkia pendula - angelim, Erisma uncinatum - cedro, Apuleia leiocarpa -garapeira e Mezilaurus itauba - itaúba), as quais foram obtidas em diferentes serrarias no município de Sinop, estado Mato Grosso, Brasil.

A partir das tábuas selecionadas foram confeccionados 78 corpos de prova, com dimensões de 2 cm × 2 cm × 30 cm (espessura, largura e comprimento, respectivamente), para cada uma das espécies amazônicas. Desse total, 72 corpos de prova, de cada espécie, foram submetidos aos ensaios de deterioração em campo, enquanto o restante foi utilizado para caracterização inicial da flexão estática e dureza Rockwell (material testemunha, sem exposição aos ensaios de deterioração em campo).

Antecedendo os ensaios de deterioração em campo e a caracterização mecânica inicial, os corpos de prova foram lixados com lixa de grã nº 200 e submetidos à secagem em estufa de circulação forçada de ar, com temperatura de 60 °C, até obtenção de massa anidra.

Adicionalmente foram confeccionados 10 corpos de prova com dimensões de 2 cm × 2 cm × 10 cm (espessura × largura × comprimento, respectivamente), para cada uma das espécies amazônicas, os quais foram, posteriormente, transformados em serragem de granulometria de 60 mesh para caracterização da composição química inicial.

Ensaios de deterioração em campo

Os ensaios de deterioração de campo foram realizados em duas áreas experimentais da Universidade Federal de Mato Grosso, Campus Universitário de Sinop, sendo uma de campo aberto e outra de floresta nativa, durante o período de maio de 2014 a maio de 2015, totalizando 360 dias. A região onde foi realizado o estudo apresenta uma caracterização climática com duas estações bem definidas - seca (maio a setembro) e chuvosa (outubro a abril). Segundo a classificação de Köppen, o clima é do tipo tropical de savana, com intensidade pluviométrica próxima aos 2000 mm anuais (Souza et al., 2013).

Em cada ambiente, os corpos de prova foram distribuídos em cinco blocos casualizados, contendo em seis linhas cada um, sendo alocados, aleatoriamente, 36 corpos de prova por bloco. Os blocos e as suas linhas foram distanciados 30 cm e 15 cm entre si, respectivamente, por sua vez os corpos de prova foram enterrados parcialmente, aproximadamente 15 cm, estando equidistantes 5 cm uns dos outros.

A cada 60 dias, seis corpos de prova, de cada ambiente e espécie amazônica, foram retirados dos ensaios de deterioração em campo para avaliação da perda de massa e resistência mecânica. Na última amostragem (após 360 dias), os corpos de prova também foram avaliados quanto às alterações na composição química.

Em cada amostragem, os corpos de prova foram limpos superficialmente para retirada de solo aderido e posteriormente submetidos à secagem em estufa de circulação forçada de ar, com temperatura de 60 °C, até obtenção de massa anidra.

Perda de massa e de resistência mecânica das madeiras

A perda de massa das madeiras durante o período de exposição aos ensaios de deterioração foi determinada por meio da relação entre a massa seca inicial e final (Equação 1). A resistência mecânica das madeiras foi caracterizada a partir da obtenção da dureza Rockwell e dos módulos de elasticidade e ruptura à flexão estática, conforme procedimentos estabelecidos por Stangerlin, Costa, Pastore e Garlet (2013) e na norma D143 da American Society for Testing and Materials - ASTM (1995), respectivamente.

PM=Mi-MfMix 100 (Equação 1)

Em que:

PM - perda de massa (%)

Mi - massa inicial (g)

Mf - massa final (g)

Composição química das madeiras

As análises químicas foram realizadas em duplicata, sendo determinados os teores de cinzas, extrativos, lignina e solubilidade em hidróxido de sódio a 1%, conforme procedimentos estabelecidos na Norma Brasileira Regulamentadora - NBR 13999, 14853, 7989 e 7990 da Associação Brasileira de Normas Técnicas [ABNT] (2003); (2010a); (2010b); (2010c), respectivamente.

Com relação ao teor de holocelulose, o mesmo foi definido como sendo a diferença entre a composição química total (100%) e a composição da fração não-carboidrato (somatório entre os teores de extrativos, lignina e cinzas).

Análise estatística

O delineamento estatístico utilizado foi o delineamento em blocos casualizados. Para análise dos resultados foram estabelecidas correlações de Pearson entre as alterações nas propriedades mecânicas de dureza Rockwell e dos módulos de elasticidade e ruptura à flexão estática em função das perdas de massa devido à exposição aos ensaios de deterioração.

Resultados

As madeiras apresentaram uma baixa perda de massa nos primeiros 120 dias de exposição aos ensaios de deterioração em campo, sendo os valores próximos a 2%, independente do ambiente (Fig. 1A e 1B). As madeiras de garapeira e itaúba apresentaram alta resistência natural, com valores finais de perda de massa entre 2,44% a 2,84% e 2,23% a 2,30%, respectivamente. A partir desse período inicial, houve um aumento considerável na deterioração, com as madeiras avaliadas apresentando valores variando entre 16,95% a 38,73%.

Figura 1 Perda de massa média observada para cada dia de coleta das cinco madeiras amazônicas expostas aos ensaios de deterioração em ambiente de campo aberto (A) e floresta (B). 

Ao analisar a composição química das madeiras antes e após a deterioração nos ensaios em campo, pode-se observar que as madeiras de amescla, angelim-saia e cedrinho apresentaram resultados semelhantes, com redução dos teores de holocelulose e aumento dos teores de lignina (Tabela 1). Esse resultado pode indicar uma maior deterioração das madeiras pela ação biológica, como no caso de cupins e fungos apodrecedores que deterioram enzimaticamente celulose e polioses, em comparação à oxidação da lignina pela ação das intempéries - intemperismo natural (Stangerlin et al., 2013).

Tabela 1 Propriedades químicas das madeiras sadias e deterioradas em ensaios de campo. 

Madeira Cz (%) Et (%) Lg (%) Hc (%) NaOH (%)
Amescla - Sd 0,58 2,94 25,17 71,30 7,95
Amescla - Ca 0,58 5,49 28,06 65,87 18,92
Amescla - Fl 0,55 6,04 29,19 64,22 18,65
Angelim - Sd 0,39 4,31 27,93 67,39 6,30
Angelim - Ca 0,63 4,81 33,77 60,79 17,26
Angelim - Fl 0,45 5,83 33,76 59,96 16,31
Cedro - Sd 0,76 3,79 30,72 64,73 5,36
Cedro - Ca 0,71 4,42 32,53 62,33 14,86
Cedro - Fl 0,63 5,05 33,00 61,32 16,09
Garapeira - Sd 1,37 13,48 24,17 60,98 12,98
Garapeira - Ca 1,45 12,09 24,32 62,14 20,19
Garapeira - Fl 1,08 12,56 24,39 60,97 19,75
Itaúba - Sd 0,55 10,99 35,59 52,87 13,66
Itaúba - Ca 0,50 9,28 36,42 53,81 15,77
Itaúba - Fl 0,50 9,73 36,17 53,60 16,04

Sd - sadia; Ca - deteriorada em campo aberto; Fl - deteriorada em floresta; Cz - teor de cinzas; Et - teor de extrativos; Lg - teor de lignina; Hc - teor de holocelulose; NaOH - solubilidade em hidróxido de sódio a 1%..

Para as madeiras de garapeira e itaúba verificase que os teores de holocelulose e lignina tiveram um acréscimo e decréscimo, respectivamente. Entretanto, devese ressaltar que os valores desses constituintes apresentaram variação de aproximadamente 1% entre as avaliações iniciais e finais, indicando a resistência natural dessas madeiras à deterioração.

Nas figuras 2A e 2B podese observar que as durezas Rockwell das madeiras de amescla, angelim e cedro apresentaram expressiva redução a partir de 60 dias de exposição aos ensaios de deterioração.

Figura 2 Dureza Rockwell das cinco madeiras amazônicas expostas aos ensaios de deterioração em ambiente de campo aberto (A) e floresta (B). 

Em relação aos ensaios de flexão estática, as madeiras de amescla, angelim e cedro apresentaram os menores valores de resistência mecânica durante o período de exposição aos ensaios de campo, considerando os valores dos módulos de elasticidade (Fig. 3A e 3B) e ruptura (Fig. 4A e 4B).

Figura 3 Módulo de elasticidade das cinco madeiras amazônicas expostas aos ensaios de deterioração em ambiente de campo aberto (A) e floresta (B). 

Figura 4 Módulo de ruptura das cinco madeiras amazônicas expostas aos ensaios de deterioração em ambiente de campo aberto (A) e floresta (B). 

As médias das perdas dos módulos de elasticidade foram de 78,06%, 57,81%, 52,71%, 16,54% e 11,46% para as madeiras de amescla, angelim, cedro, itaúba e garapeira, respectivamente. Por sua vez, as médias das perdas dos módulos de ruptura foram de 81,72%, 75,53%, 75,23%, 15,97% e 10,45% para as madeiras de angelim, amescla, cedro, itaúba e garapeira, respectivamente.

Na tabela 2 pode-se destacar que para todas as madeiras, independente do ambiente de deterioração, as correlações de Pearson entre os módulos de elasticidade e ruptura com as perdas de massa foram significativas a 1% e 5% de probabilidade de erro. Por sua vez, as correlações de Pearson entre as durezas Rockwell e a perda de massa foram estatisticamente significativas apenas para as madeiras de garapeira e itaúba.

Tabela 2 Correlações de Pearson entre a dureza Rockwell (HRL), os módulos de elasticidade (MOE) e ruptura (MOR) à flexão estática e a perda de massa (PM) das cinco madeiras amazônicas expostas aos ensaios de deterioração em ambiente de campo aberto e floresta. 

Parâmetros - Ambiente Amescla Angelim Cedro Garapeira Itaúba
HRL x PM - Campo - 0,60NS - 0,66NS - 0,57NS - 0,72* - 0,94**
MOE x PM - Campo - 0,96** - 0,98** - 0,93** - 0,72* - 0,95**
MOR x PM - Campo - 0,89** - 0,96** - 0,89** - 0,88** - 0,91**
HRL x PM - Floresta - 0,46NS - 0,64NS - 0,54NS - 0,80* - 0,79*
MOE x PM - Floresta - 0,96** - 0,99** - 0,83* - 0,80* - 0,80*
MOR x PM - Floresta - 0,88** - 0,96** - 0,94** - 0,87** - 0,91**

NS - não significativo; * - significativo a 5% de probabilidade de erro; ** - significativo a 1% de probabilidade de erro.

Discussão

Os primeiros 120 dias de exposição das madeiras aos ensaios em campo coincidiram com a estação seca no estado de Mato Grosso, a qual ocorre entre os meses de abril a setembro (Souza et al., 2013). De acordo com Casavecchia, Souza, Stangerlin e Melo (2016), durante a estação seca a madeira é menos suscetível a deterioração biológica. Por outro lado, durante a estação chuvosa (entre outubro a março) o solo torna-se mais úmido, de modo a favorecer a atividade biológica dos organismos xilófagos (Ribeiro et al., 2014).

A maior resistência natural das madeiras de garapeira e itaúba pode estar relacionada aos teores iniciais de extrativos, sendo esses superiores aos verificados para as demais espécies (Tabela 1). Carneiro et al. (2009) relacionaram a resistência natural de 28 madeiras amazônicas ao ataque de fungos apodrecedores com os teores de extrativos, sendo consideradas resistentes as madeiras que possuíam valores de extrativos superiores a 7%, dentre as quais se incluem a garapeira e itaúba.

Outras propriedades químicas que podem ter contribuído positivamente com a resistência à deterioração das madeiras de itaúba e garapeira são os teores de lignina e cinzas, respectivamente. Paes, Medeiros Neto, Lima, Freitas e Diniz (2013) e Shanbhag e Sundarara (2013) relataram que madeiras com elevados teores de cinzas e lignina, respectivamente, apresentam uma maior resistência ao ataque de cupins xilófagos. Esse comportamento pode ser atribuído a uma maior presença de componentes que não são utilizados como fonte de alimento para os organismos xilófagos, dificultando sua propagação.

De acordo com Sarto e Sansigolo (2010) produtos da degradação de polissacarídeos são solúveis em etanol, o que pode justificar o aumento dos teores de extrativos das madeiras de amescla, angelim e cedro, uma vez que este é um dos solventes utilizados para solubilização dos extrativos totais. Em relação às madeiras de garapeira e itaúba, verificou-se uma redução dos teores de extrativos, sendo esse resultado associado à possível lixiviação superficial desses constituintes pela ação do intemperismo natural (Cademartori et al., 2015).

Nas solubilidades em hidróxido de sódio a 1%, quando se comparam os valores médios antes e após os ensaios de deterioração, verifica-se aumento na ordem de até 65,36%, 62,47%, 57,68%, 35,00% e 14,11% para as madeiras de cedro, angelim, amescla, garapeira e itaúba, respectivamente. O aumento nas solubilidades das madeiras em hidróxido de sódio a 1% está relacionado à solubilização de carboidratos de baixo peso molecular oriundos da fragmentação da celulose e polioses devido à ação dos agentes deterioradores. Li, Huang, Hse e Qin (2011) e Malakani, Khademieslam, Hosseinihashemi e Zeinaly (2014) ao avaliarem madeiras de Pinus massoniana e Fagus orientalis, respectivamente, deterioradas por fungos apodrecedores também verificaram aumento na solubilidade em hidróxido de sódio a 1%.

Verificou-se perda total de dureza Rockwell a partir de 300 dias para as madeiras de amescla e angelim e aos 360 dias para a madeira de cedro, devido à intensa deterioração (Fig. 2). Resultados similares foram observados por Stangerlin et al. (2013) concluindo que o emprego do ensaio de dureza Rockwell possibilita a caracterização da deterioração incipiente em madeiras.

Para as madeiras de garapeira (27,33) e itaúba (21,56) verificam-se maiores valores de dureza Rockwell, desde o período inicial até o final da exposição aos ensaios de deterioração. A maior dureza Rockwell inicial dessas madeiras está associada aos seus teores de extrativos, o que favorece uma maior densidade superficial. Em relação à estabilidade da dureza Rockwell durante o período de exposição aos ensaios de deterioração, esse resultado está associado à resistência natural dessas madeiras.

Em relação aos valores de rigidez e resistência observados para madeiras submetidas aos ensaios de apodrecimento em floresta e campo aberto (Fig. 3e 4), resultados similares foram observados por Trevisan, Tieppo, Carvalho e Lelis (2007) e Weiler et al. (2013), em que madeiras deterioradas em ensaios de campo apresentaram maior redução do módulo de ruptura em comparação ao módulo de elasticidade, sendo esse parâmetro mais eficaz na caracterização da deterioração.

A deterioração da madeira exposta a campo proporciona a perda de elasticidade do material, reduzindo a sua capacidade de se recuperar de pequenas deformações, de modo a torná-lo mais plástico e menos resistente aos esforços mecânicos (Silveira, Trevisan, Santini, Cancian e Mariano, 2016).

Deve-se destacar que as perdas de dureza Rockwel foram superiores às perdas dos módulos de elasticidade e ruptura à flexão estática, denotando uma maior sensibilidade dos ensaios de dureza. Malanaki et al. (2013) também verificaram maiores perdas de resistência mecânica em madeiras avaliadas por meio de ensaios de dureza, no caso Brinell, em comparação aos módulos de ruptura à compressão paralela. Nesse sentido, as maiores perdas de dureza Rockwell estão relacionadas ao fato deste ensaio ser realizado pela aplicação de um esforço mecânico superficial, de modo a possibilitar a caracterização de estágios iniciais de deterioração, seja por ação biológica ou do intemperismo natural (Stangerlin et al., 2013).

Em relação ao ambiente de deterioração, não se verificou distinção entre as perdas de massa e resistência mecânica, bem como alterações na composição química. Diversos estudos (Trevisan et al., 2007; Melo et al., 2010; Silveira et al., 2016) relatam que madeiras em contato com solo de ambiente florestal são mais suscetíveis à deterioração quando comparadas ao solo de ambiente de campo aberto.

A diferença entre os resultados obtidos com aqueles encontrados na literatura pode estar relacionada aos ensaios terem sido realizados em região de clima tropical, com temperaturas médias superiores a 18 °C em todos os meses (Souza et al., 2013). Nessas regiões, as condições ambientais favorecem o pleno desenvolvimento dos microorganismos xilófagos ao longo de todo ano, o que intensifica o processo de biodeterioração (Stangerlin et al., 2013).

Conclusões

As madeiras de garapeira e itaúba apresentaram a maior durabilidade natural, devido às menores perdas de massa e de resistência mecânica, em comparação às demais madeiras.

As madeiras apresentaram alterações na composição química após o período de exposição aos ensaios de campo, sendo as maiores solubilidades em hidróxido de sódio verificadas paras as madeiras de angelim, amescla e cedro.

Referências

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Recebido: 26 de Novembro de 2019; Aceito: 24 de Maio de 2020; Publicado: 09 de Julho de 2021

*Autor de correspondencia. rafael.melo@ufersa.edu.br

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