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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.74.2024.tde-29072024-092748
Document
Auteur
Nom complet
André Luiz Pereira de Godoy Júnior
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
Pirassununga, 2024
Directeur
Jury
Savastano Júnior, Holmer (Président)
Astudillo, Nayar Cuitláhuac Gutiérrez
Behnejad, Alireza
Titre en anglais
Effects of alkali pretreatment and drying methods on densification process of bamboo
Mots-clés en anglais
Bamboo
Delignification
Densification
Drying
Resumé en anglais
Due to its fast growth, short rotation period, and very promising properties including a higher cost-efficient compared to conventional bricks and reinforced concrete, bamboo can be considered as one of the best options for replacing conventional materials, being one of the oldest building materials used in human history. Despite bamboos promising properties, some problems and unwanted effects like inhomogeneous mechanical properties, dimensional instability, and degradation must be overcome to have a proper role as a building material. As a solution, some kinds of pre-treatments can be used, followed by the densification process. There are numerous reviews of wood treatment in the scientific literature, but few reviews of how these treatments and the drying method affect the bamboo. In this study, a two-step process of delignification and densification was carried out on Dendrocalamus asper bamboo specimens. It is aimed to investigate the densification properties of the bamboo samples after partial removal of the lignin. To delignify the samples, two different approaches were applied. The first group was treated in a room-temperature NaOH + NaSO3 solution, while the second group was treated in the same solution at 100°C. Afterward, the samples were dried in either an oven with 100°C or at room temperature of 25°C. Hence, a total of four different groups of delignified and dried samples were produced with an average moisture content of 7 - 10%. The samples were then densified to 50% of their original thickness having the thickness reduction determined a priori using a thermo-mechanical press system at 160°C. The results indicated that all alkali treated samples required a lower load for the densification process compared to the reference. This implies that alkali treatment could enable a greater degree of densification with consistent energy consumption. This outcome has the potential to improve the material's mechanical properties and boost its density. Average compression stress of 17.0 MPa for the reference, 10.3 MPa for the samples treated with alkali solution at room temperature, and 7 MPa for the boiled alkali solution and dried at room temperature samples needed only 40% of the stress applied on non-treated bamboo. This finding implies a significant decrease in the energy and load needed to achieve a 50% densification degree. The drying process also affected the compression resistance of bamboo and oven-dried specimens showed an increase of 30% and 17% for room temperature and boiling temperature treatment respectively. The modulus of rupture, limit of proportionality, and elastic modulus of densified bamboo were all negatively impacted by the pre-treatment, according to the results of the bending test. Overall, untreated and treated bamboo displayed similar behavior for physical attributes in densified samples. After being treated with alkaline solution, bamboo showed reduced levels of lignin as well as hemicellulose and cellulose, according to chemical tests. To summarize, subjecting bamboo to this concentration of alkali solution in an open system with a densification degree of 50% is not enough to have a proper densification compromising the mechanical properties of the material.
Titre en portugais
Efeitos do pré-tratamento alcalino e método de secagem no processo de densificação do bambu
Mots-clés en portugais
Bambu
Densificação
Deslignificação
Secagem
Resumé en portugais
Devido ao seu rápido crescimento, curto período de rotação e propriedades muito promissoras, incluindo uma eficiência de custos mais alta em comparação com tijolos convencionais e concreto armado, o bambu pode ser considerado uma das melhores opções para substituir materiais convencionais, sendo um dos materiais de construção mais antigos usados na história humana. Apesar das propriedades promissoras do bambu, alguns problemas e efeitos indesejados, como propriedades mecânicas não homogêneas, instabilidade dimensional e degradação, devem ser superados para que desempenhe adequadamente o papel de material de construção. Como solução, alguns tipos de pré-tratamentos podem ser utilizados, seguidos pelo processo de densificação. Existem numerosas revisões sobre tratamento de madeira na literatura científica, mas poucas revisões sobre como esses tratamentos e o método de secagem afetam o bambu. Neste estudo, foi realizado um processo de deslignificação e densificação em duas etapas em espécimes de bambu Dendrocalamus asper. O objetivo foi investigar as propriedades de densificação das amostras de bambu após a remoção parcial da lignina. Para deslignificar as amostras, foram aplicadas duas abordagens diferentes. O primeiro grupo foi tratado em uma solução de NaOH + NaSO3 em temperatura ambiente, enquanto o segundo grupo foi tratado na mesma solução a 100°C. Em seguida, as amostras foram secas em um forno a 100°C ou em temperatura ambiente de 25°C. Assim, um total de quatro grupos diferentes de amostras deslignificadas e secas foram produzidos, com um teor médio de umidade de 7 a 10%. As amostras foram então densificadas para 50% de sua espessura original, tendo a redução de espessura determinada previamente usando um sistema de prensa termo-mecânica a 160°C. Os resultados indicaram que todas as amostras tratadas com solução alcalina requerem uma carga menor para o processo de densificação em comparação com a referência. Isso implica que o tratamento alcalino poderia permitir um maior grau de densificação com consumo de energia consistente. Esse resultado tem o potencial de melhorar as propriedades mecânicas do material e aumentar sua densidade. A média da tensão de compressão foi de 17,0 MPa para a referência, 10,3 MPa para as amostras tratadas com solução alcalina à temperatura ambiente e 7 MPa para as amostras tratadas com solução alcalina fervente e secas à temperatura ambiente, necessitando apenas 40% da tensão aplicada no bambu não tratado. Isso implica uma diminuição significativa na energia e carga necessárias para atingir um grau de densificação de 50%. O processo de secagem também afetou a resistência à compressão do bambu, e as amostras secas em forno mostraram um aumento de 30% e 17% para tratamento à temperatura ambiente e fervura, respectivamente. O módulo de ruptura, limite de proporcionalidade e módulo de elasticidade do bambu densificado foram todos impactados negativamente pelo pré-tratamento, de acordo com os resultados do teste de flexão. Em resumo, submeter o bambu a essa concentração de solução alcalina em um sistema aberto com um grau de densificação de 50% não é suficiente para obter uma densificação adequada, comprometendo as propriedades mecânicas do material.
 
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Date de Publication
2024-07-29
 
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