I

A secagem e asrelações da água com a madeira

José António Santos

José António Santos

II

Sumário

• Teor em água da madeira • Secagem natural e artificial

(ao ar, convencional, desumidificação, vácuo, solar)

• Efeitos da água na madeira (degradação, deformações, descolamentos, perda propriedades mecânicas, etc.)

• Ganho de teor em água • Exemplos práticos

Esta comunicação constitui o resumo de informações obtidas em estudos e observações que têm vindo a ser realizadas por uma equipa do INETI ao longo de vários anos, na procura de soluções para os pontos de menor satisfação na utilização da madeira como material, tanto na construção e estruturas como em aplicações decorativas e outras, e valorização de espécies menos estudadas, tarefa que ainda não está terminada por aparecimento contínuo de novos desafios e aumento da exigência dos clientes finais.

Especiais agradecimentos a quem mais de perto contribuiu para muitas das constatações apresentadas ao longo da apresentação oral e deste texto de apoio, Eng.ª Carlota Duarte e Eng.ª Joana Santos.

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Modelo da Secagem A água sai da madeira por evaporação à superfície, processo que é alimentado pela água que vem do interior da massa da madeira através de migração. A primeira água a sair é a água livre que se encontra nos espaços vazios das células, lumens nas Resinosas e vasos e fibras nas Folhosas. A saída da água é muito maior nas secções transversais, ou seja nos topos das peças, do que nas superfícies laterais, cantos e faces das peças de madeira. Um factor condicionante da qualidade da secagem é o de manter um equilíbrio entre a água que é evaporada nas superfícies e a que vai chegando às superfícies por migração. Se a evaporação é muito intensa começam as camadas perto da superfície a ficar muito mais secas do que as camadas que se encontram mais para o interior, dando origem ao que se designa por gradientes de teor em água. Se a evaporação for mais lenta do que a migração não há inconveniente para a qualidade, mas se esta diferença for muito significativa é porque o processo não está a ser optimizado, ou seja, não se está a aproveitar todo o potencial de secagem disponível e a secagem vai demorar muito mais tempo do que seria possível.

Um efeito secundário da perda de água, quando este corresponde à saída de toda a água livre, é a diminuição de espessura da parede celular o que faz com que a soma total desta diminuição de volume se venha a reflectir no volume e geometria de toda a peça de madeira, sob a forma de retracções. As retracções são insignificantes na direcção axial, mas significativas nas direcções tangencial e radial, sendo a radial cerca de metade da tangencial.

Interior da peça de madeira

Ventilação ar exterior

Retracção = diminuiçãoda espessura da parede celular

Células da Madeira

Águalivre

>35% 12%35 a 12%Retracção = diminuiçãoda espessura da parede celular

Células da Madeira

Retracção = diminuiçãoda espessura da parede celular

Células da Madeira

Águalivre

>35% 12%35 a 12%

Águalivre

>35% 12%35 a 12%

evaporação

evaporaçãoev

apor

ação

evap

oraç

ão

evaporação

evaporaçãoev

apor

ação

evap

oraç

ão

Gradiente do teor

em água

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Os efeitos das retracções nas direcções transversais, tangencial e radial, está ligado ao gradiente de secagem, pois a um gradiente de teor em água elevado correspondem também elevadas diferenças de dimensão entre as camadas da peça de madeira, podendo causar tensões de tracção nuns locais e tensões de compressão noutros locais. Estas tensões internas podem causar deformações plásticas por fluência, ou mesmo abertura de fendas quando as tensões máximas de tracção são ultrapassadas. O teor em água da madeira é definido com base no peso anidro da madeira, através da expressão

100%0

0 ⋅−

=P

PPH H

onde H representa o teor em água da madeira, PH representa o peso da madeira com o teor em água indicado por H, e P0 representa o peso da mesma amostra depois de completamente seca a 0% de teor em água, o que se consegue por uma permanência prolongada numa estufa a 103ºC.

Na prática esta expressão dá a quantidade de água que existe numa determinada massa de madeira anidra, com se vê no exemplo do quadro,

Esta é a forma de avaliar o teor em água, definida em todas as normas nacionais, Europeias e internacionais. Para efeitos práticos interessa registar alguns marcos correspondentes a determinados valores do teor em água, como se indica no quadro seguinte, Os valores de teor em água e correspondentemente as quantidades de água a retirar da madeira até à sua secagem são muito diferentes entre Resinosas e Folhosas, mas dependem sobretudo da massa volúmica da madeira anidra, pois têm a ver com a dimensão dos espaços vazios dentro da madeira. O teor em água máximo pode ser calculado aproximadamente através de expressão matemática,

Teor em água %

Peso de madeira sem

água (g)

Peso de água contida na Madeira (g)

100 100 100

50 100 50

25 100 25

12 100 12

0 100 0

• Madeira verde > 30% (água livre + ligada) • Madeira com teor em água do ponto de saturação das fibras PSF - 25 a 35% (água ligada) • Madeira comercialmente seca - 18% • Madeira seca - 10 a 14% • Madeira no estado anidro - 0%

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Esta expressão permite por exemplo determinar os teores em água máximos para algumas espécies conhecidas, como apresentado no quadro, Massa volúmica a 0 % (g / cm3) H% máximo

0,510 Choupo 131

0,565 Pinho 112

0,600 Castanho 102

0,800 Eucalipto 60

Exemplos

0,850 Carvalho 53

A forma definida para a determinação do teor em água da madeira tem como consequência que o seu valor numérico directo apenas nos dá uma ideia do grau em que o peso de água existente contribui para o peso total da peça, mas não a quantidade de água absoluta, nem a quantidade de água que é possível extrair. Para obtenção destes é necessário utilizar a expressão de definição do teor em água. Por exemplo, um mesmo valor numérico do teor em água, numa madeira pouco densa e numa madeira muito densa, significam quantidades de água a retirar ao contrário do que nos indica o senso comum.

30 % Pinho ρo= 550 kg/ m3 ↓ 12 % 30 % Carvalho ρo = 850 kg/m3 ↓ 12 %

A maior quantidade de água a retirar é da madeira mais densa. Isto ajuda a explicar a maior dificuldade em secar madeiras muito densas em relação a madeiras pouco densas quando tomamos apenas as indicações dos aparelhos de medição do teor em água, acrescido pelo facto de ser menor o calibre dos espaços para a água chegar às superfícies. Em conclusão poderíamos afirmar que uma madeira pouco densa a 30% de teor em água está quase no fim da secagem, enquanto numa madeira muito densa a 30% de teor em água ainda estamos relativamente longe do fim da secagem.

Modelos:

madeira densa madeira pouco 30% 30% saturada densa saturada

D 1,54D)(1,54 100Hmáx

−=

88 l /m3

137 l /m3

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Teor em água de equilíbrio A madeira é um material higroscópico, o que significa que perde água do seu interior para o ambiente circundante, e absorve água do ambiente para o seu interior, num processo interminavelmente reversível enquanto se mantiver em boas condições de conservação. O processo tem uma direcção de passagem regulada por um equilíbrio determinado pela quantidade de água contida na madeira e pelas condições exteriores de temperatura, pressão atmosférica e pela humidade relativa do ar. Ao valor de teor em água correspondente ao ponto de equilíbrio para um conjunto de condições exteriores chama-se teor em água de equilíbrio. O gráfico que se mostra a seguir é a forma mais habitual de representar um conjunto de inter-relações entre teor em água, temperatura ambiente e humidade relativa do ar. Embora cada espécie de madeira apresente as suas características próprias a nível de equilíbrio, as diferenças são tão irregulares e pequenas, que permite que se utilize habitualmente o mesmo gráfico, ou outras formas de representação e cálculo, para a generalidade das espécies de madeira.

(cortesia LNEC) Outra forma alternativa e representar as condições médias de equilíbrio é o gráfico com a humidade do ar em abcissas e o teor em água da madeira em ordenadas, gráfico seguinte.

Teor em água de equilíbrio da madeira

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Humidade relativa do ar (%)

Teor

em

águ

a de

equ

ilíbr

io (%

)

0ºC 10ºC 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC 60ºC 70ºC

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Desta forma torna-se mais evidente que a maior dependência do teor em água provém da humidade relativa e pouco da temperatura. Para um leque de temperaturas entre 0ºC e 70ºC as linhas estão bastante próximas e o gráfico torna-se de mais fácil leitura. Além da consulta em tabelas, existem métodos numéricos de determinação do teor em água de equilíbrio que muito facilitam o tratamento de grandes quantidades de dados, alguns baseados nas tabelas de pressão do vapor, consultada automaticamente por software informático simples, ou mesmo por cálculos feitos numa folha de Excel. Uma fórmula empírica definida na norma ASTM D 4933-99 dá resultados perfeitamente satisfatórios e precisos para a generalidade das necessidades de previsão de condições, sendo a expressão de cálculo a seguinte,

com,

W = 330 + 0.452T + 0.00415 T2 K = 0.791 + 0.000463T - 0.000000844 T2 h = humidade relativa (forma fraccionária) K1 = 6.34 + 0.000775T - 0.0000935 T2 K2 = 1.09 + 0.0284T - 0.0000904 T2 T = temperatura (°C)

e onde,

M - representa o teor em água de equilíbrio (M – moisture content), W, K, K1, K2 são calculadas por expressões com dependência da temperatura e da humidade relativa.

A utilidade deste conhecimento do teor em água de equilíbrio tem a ver com a regulação controlada dos processos de secagem, mas também com a definição do teor em água alvo que é o valor que corresponde ao valor desejado no final duma secagem, para que uma peça vá para o seu destino final com a humidade próxima da média da que vai ter durante toda a sua vida útil. Na figura seguinte mostram-se valores de referência para utilizações da madeira em ambientes bem determinados,

TEORES EM ÁGUA RECOMENDADOS30% 30%

25% 25%

22% MADEIRA EM CONTACTO COM FOCOS DE HUMIDADE 22%

18% MADEIRA EM LOCAIS DESCOBERTOS 18%

15% MAD. LOCAIS ABERTOS E COBERTOS 15%

14% LOCAIS FECHADOS NÃO AQUECIDOS 14%

10% LOCAIS FECHADOS E AQUECIDOS 10%

8% LOCAIS COM AQUECIMENTO CONTÍNUO 8%

UTILIZAÇÕES ESPECIAIS0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

HUMIDADE RELATIVA DO AR EM % (TEMP. 15 a 20ºC)

SECAGEM ARTIFICIAL NECESSÁRIA

LIMITE DE SEGURANÇA CONTRA PODRIDÃO

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Processo de retirada de água da madeira - secagem Secagem ao ar A secagem ao ar corresponde em primeira análise ao que acontece com uma peça de madeira deixada livremente durante um tempo longo num dado local. Se este local corresponde a um equilíbrio mais baixo do que o teor em água efectivo, a madeira vai secando gradualmente até atingir o equilíbrio. É o que acontece com todas as peças de madeira ao longo do seu tempo de existência. No entanto, o termo secagem ao ar, ou também chamado secagem natural, é utilizado industrialmente para definir um conjunto de procedimentos que têm em vista conseguir retirar da madeira a água em excesso e aproximar o mais possível do teor em água final desejado. Como é de esperar, em climas temperados ou em certas épocas do ano, mesmo com condições de empilhamento e facilidade de ventilação favorecidas, o processo pode tornar-se demasiado lento para a exigência de uma produção industrial, pelo que se desenvolveram técnicas de aceleração do processo de secagem, dentro do que se chama secagem artificial ou forçada. Secagem artificial Dentro da secagem artificial destacam-se os processos de secagem convencional ou de ar quente climatizado, a secagem por vácuo, a secagem por desumidificação, e a secagem por correntes de alta frequência. Todos estes processos são altamente consumidores de energia eléctrica e térmica, além de elevado custo de investimento em equipamentos.

Energia para a secagem artificial : energia para aquecer a madeira (20ºC a 70ºC) 9 650 kcal / m3 energia para aquecer a água contida na madeira (660 l) 33 000 kcal / m3 energia de vaporização da água (594 l/m3) 332 640 kcal / m3 energia de ventilação

(≈0.35kW/m3; ≈4 dias) ≈ 34 kW.h / m3 perdas para o exterior

(≈ 30% da energia de aquecimento total) 112 587 kcal / m3 Totais * ≈ 487 877 kcal / m3 (térmica) + 34 kW.h / m3 (energia eléctrica)

( 1000 kcal = 1,16 kW.h ) 567+ 34 = 119.2 kW.h / m3 madeira verde Pelo motivo do grande consumo energético da secagem, tem sido sentida a necessidade de tomar medidas para a redução deste dispêndio de energia. Uma forma de compromisso razoavelmente satisfatória é fazer uma pré-secagem ao ar, até um valor conveniente de teor em água, e só depois terminar o processo num secador artificial. Outra forma de contornar o problema do consumo energético, foi pensada para climas como o de Portugal, em que as condições naturais já são bastante favoráveis à secagem, e que com uma pequena ajuda poderia ter-se uma secagem de duração intermédia entre a secagem artificial e a secagem ao ar. Surgiu a ideia de um secador energeticamente eficiente, com recurso a aproveitamento da energia calorífica de origem solar e a uma ventilação forçada de funcionamento intermitente, regulado automaticamente conforme as condições mais favoráveis ao processo. Existe um projecto de investigação aplicada financiado por fundos Europeus e Nacionais que tem em fase final de ensaio e demonstração um equipamento de baixo custo para a secagem de madeiras.

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Efeitos do elevado teor em água O elevado teor em água da madeira, acima dos 20% e até à quase saturação em água do interior dos espaços vazios (entre 25% e 35%), são condições muito favoráveis ao desenvolvimento de microrganismos responsáveis pela degradação biológica da madeira, vulgarmente designada por podridão. A podridão, ou o seu início, têm um efeito devastador sobre as obras em madeira, pois comprometem desde cedo o comportamento mecânico e, depois de iniciado, o processo de degradação tende a prosseguir mesmo com significativa diminuição das condições de humidade mais favoráveis. Os microrganismos da degradação têm inicialmente necessidade de humidade para se desenvolverem, mas depois de iniciado o desenvolvimento há mecanismos de captura da pouca humidade do ar. Num ambiente em que a madeira em bom estado de conservação esteja em equilíbrios de cerca de 14% (medidos com um aparelho eléctrico), as madeiras já em degradação apresentam teores em água acima dos 25%. Ganho de teor em água da madeira Pelas razões apontadas anteriormente a madeira deve ser transformada e mantida durante a sua utilização num estado de teor em água baixo. Só são excepção a esta regra as utilizações em cascos de embarcações e em reservatórios de líquidos. Para uma madeira que se pretende seca, o ganho de humidade corresponde a uma disfunção, uma vez que traz como consequência a perda de resistência mecânica, os inchamentos e tensões internas, além da facilidade em desenvolvimento da bio degradação. Fluxo de líquido Um ganho de humidade muito rápido pode ocorrer por uma acção pontual de exposição a água líquida, imersão temporária, exposição à chuva, ou outra. Se este processo for revertido na totalidade as consequências são limitadas a manchas superficiais, descolamentos de ligações coladas e empenos. Se o tempo de contacto com a água líquida for curto (poucas horas ou minutos) a água não passa das camadas superficiais e facilmente pode ser removida. É o que se passa nas madeiras das caixas de carga de veículos de transporte e outras utilizações em exterior onde raramente se registam degradações biológicas, porque a períodos de forte humidificação seguem-se condições de secagem rápida. Capilaridade O fenómeno da capilaridade tem a ver com a aderência de certos líquidos a materiais com afinidade à água (aderência) e com um efeito amplificador das tensões superficiais dos líquidos pela proximidade das paredes laterais de contacto. Num tubo de diâmetro reduzido (abaixo de um milímetro) ou entre paredes paralelas entre si com uma distância da mesma ordem de grandeza, criam-se forças que podem ser suficientes para um líquido progredir pelo espaço disponível, mesmo contrariando a força da gravidade, até alturas significativas (metros). Este efeito pode ser potenciado por pequenas variações da pressão atmosférica. Os espaços interiores das células da madeira, as fendas da madeira, ou até o espaçamento entre componentes de madeira numa peça mais complexa, permitem o movimento da água para distâncias muito significativas.

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O movimento da capilaridade é muitas vezes contrariado por efeito da não possibilidade de saída do ar interior, provocando uma pressão que se opõe à progressão do líquido, como se mostra no modelo representado na figura anterior. É por esta última razão que no processo de impregnação da madeira com produtos de tratamento, em que se pretenda uma penetração profunda dos líquidos, se recorre a um ciclo de vácuo inicial para permitir a retirada do ar que impediria a progressão do líquido. Também um aumento da temperatura e a consequente expansão do gás tem como efeito uma diminuição da quantidade de ar existente dentro da madeira e é facilitador dos processos de impregnação. Higroscopicidade / Difusão Este processo de ganho de humidade da madeira tem a ver com a afinidade das moléculas de celulose pela água, indo também ao encontro dos valores do teor em água de equilíbrio. A difusão tende a igualar as concentrações de componentes químicos, no caso presente a água. Para esta igualização, os pontos mais húmidos vão fornecendo água aos pontos mais secos até uma quase uniformidade, que é atingida ao fim de um período de tempo longo para o interior do volume da madeira.

Um forma prática de determinação aproximada do tempo de progressão da humidade dentro da madeira por difusão foi apresentada por John Sankey (www.sankey.ws/wetwood.html), em que,

t - tempo em segundos para o teor em água variar 63 % x (Hi – He) L – distância do local de humidade interior (Hi) à superfície (He) na direcção da difusão em análise Da = 1x10-5 cm/s (constante D para simulação no sentido axial) Dt = 1x10-6 cm/s (constante D para simulação nos sentidos radial ou tangencial)

A utilização de cálculo por este método obriga a aproximações sucessivas, porque para cada cálculo obtém-se o tempo para redução do teor em água de 63%. Depois simula-se a diferença que resta para novo cálculo de tempo, e assim sucessivamente. Daqui resulta uma curva de variação em exponencial decrescente como seria de esperar, ou seja, a variação é mais rápida quando o gradiente é maior.

L

DLt

2

=

a) b) d)c)

Migração de líquidos por capilaridadePressão interna

trava o efeito da capilaridade

c)

Migração de líquidos por capilaridadePressão interna

trava o efeito da capilaridade

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Transporte por movimento de ar húmido Este processo é semelhante ao curso livre da água líquida por espaços vazios, mas com maior velocidade e passagem por espaços estreitos, tendo em vista a baixa viscosidade de um gás relativamente a um líquido. Embora a quantidade de água transportada seja pequena, a persistência do processo pode levar à madeira importantes quantidades de água, mesmo em locais distantes do ponto de entrada. Zonas quentes para zonas frias Este fenómeno é complexo e o autor não tendo encontrado informação bibliográfica sobre o assunto viu-se obrigado a uma reflexão baseada em constatações práticas, suportadas por algum trabalho experimental que agora se iniciou sobre este tema. Nas zonas quentes tende a ser maior a quantidade de água sob a forma de vapor, que se movimenta no interior da madeira com maior rapidez, também favorecido por algum aumento de pressão. Nas zonas frias há uma condensação quando se atinge o ponto de orvalho (humidade relativa máxima possível para essas condições). Deste modo acaba por haver uma movimentação de água que terá de sair da madeira. Se a superfície da madeira na zona fria estiver impermeabilizada haverá uma retenção da humidade, que pode permanecer aprisionada por longos períodos. Se o teor em água da madeira atingir as condições favoráveis ao desenvolvimento de microrganismos da degradação, entra-se numa situação de risco para a conservação da madeira.

CalorFrio Vapor de

águaConcentração

humidade

humidade

Gotículas de águaProtecção

superficial impermeável

Madeira saturada de humidade Evaporação da água

CalorFrio Vapor de

águaConcentração

humidade

humidadeCalor

Frio Vapor de água

Concentração humidade

humidade

Gotículas de água

Gotículas de águaProtecção

superficial impermeável

Madeira saturada de humidade

Protecção superficial

impermeável

Madeira saturada de humidade Evaporação da águaEvaporação da água

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Conclusões Como corolário desta comunicação destacam-se quatro ideias chave que muito poderiam contribuir para a melhor utilização da madeira:

• Adequar sempre o teor em água às condições médias climáticas e às particularidades do local

• Manter a madeira arejada e num teor em água abaixo do limite de desenvolvimento de microrganismos da degradação

• Utilizar medidas construtivas para afastar a madeira de fontes de humidade

• Escolher madeiras com boa estabilidade e durabilidade natural,

ou utilizar melhoramento tecnológico (madeira tratadas, coladas, etc.) A madeira seca e em boas condições de conservação, pode ter um tempo de vida e de boa funcionalidade como material, quase ilimitado.

Igreja de Urnes na Noruega, construída em 1130, em parte com madeira de outra igreja anterior.