A secagem e as
relações da água
com a madeira
José António Santos
I
José António Santos
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.
II
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.
evaporação
evaporação
evaporação
evaporação
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.
Ventilação ar exterior
Gradiente
do teor
em água
Interior da peça de madeira
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.
Células
da
Madeira
Água
livre
>35%
35 a 12%
12%
1
Retracção = diminuição
da espessura da parede celular
José António Santos
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
P − P0
H% = H
⋅100
P0
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,
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
Teor em água
%
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,
• 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%
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,
2
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100 (1,54 − D)
1,54 D
Esta expressão permite por exemplo determinar os teores em água máximos para algumas
espécies conhecidas, como apresentado no quadro,
H máx =
Massa volúmica a 0 %
(g / cm3)
Exemplos
H% máximo
0,510
Choupo
131
0,565
Pinho
112
0,600
Castanho
102
0,800
Eucalipto
60
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 %
↓
12 %
3
Pinho ρo= 550 kg/ m
3
Carvalho ρo = 850 kg/m
88 l /m3
30 %
↓
12 %
137 l /m3
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
saturada
madeira pouco
densa saturada
30%
3
30%
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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 interrelações 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
30
28
26
24
Teor em água de equilíbrio (%)
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
Humidade relativa do ar (%)
0ºC
10ºC
20ºC
30ºC
40ºC
4
50ºC
60ºC
70ºC
90
95
100
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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 RECOMENDADOS
30%
30%
25%
25%
22%
MADEIRA EM CONTACTO COM FOCOS DE HUMIDADE
22%
18%
MADEIRA EM LOCAIS DESCOBERTOS
18%
15%
MAD. LOCAIS ABERTOS E COBERTOS
LIMITE DE
SEGURANÇA
CONTRA
PODRIDÃO
15%
14% LOCAIS FECHADOS NÃO AQUECIDOS
14%
SECAGEM
10% LOCAIS FECHADOS E AQUECIDOS
8%
0
10%
LOCAIS COM AQUECIMENTO CONTÍNUO 8%
10
20
30
UTILIZAÇÕES ESPECIAIS
40
50
60
70
80
90
HUMIDADE RELATIVA DO AR EM % (TEMP. 15 a 20ºC)
5
100
ARTIFICIAL
NECESSÁRIA
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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 :
9
9
9
9
9
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.
6
José António Santos
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.
7
José António Santos
Pressão interna
trava o efeito
da capilaridade
Migração de líquidos por capilaridade
c)
b)
a)
d)
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.
L
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,
L2
t=
D
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.
8
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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.
Frio
Concentração
humidade
Vapor de
água
Calor
humidade
Protecção
superficial
impermeável
Gotículas
de água
Evaporação da água
Madeira saturada de humidade
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.
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José António Santos
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.
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