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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.74.2020.tde-12042021-165453
Document
Auteur
Nom complet
Christian Gauss
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
Pirassununga, 2020
Directeur
Jury
Savastano Junior, Holmer (Président)
Barbosa, Juliana Cortez
Barbosa, Normando Perazzo
Ghavami, Khosrow
Harries, Kent Alexander
Titre en anglais
Preservative treatment and chemical modification of bamboo for structural purposes
Mots-clés en anglais
Dendrocalamus asper
Phyllostachys edulis
Boron
Citric acid
Mechanical characterization
Quality assessment
Tannin
Resumé en anglais
Bamboo-based materials are in the toolbox of sustainable practices and have a high potential for the development and expansion of new products in the construction industry. Although uncountable advantages are attributed to bamboo, there are several problems related to its use that must be solved and mitigated. Without proper treatment, bamboo materials cannot withstand a long service life. The treatment procedures are already well-known, in which different methods and preservative solutions can be used depending on the final application, logistics, material condition, and affordability. Yet, necessary information about the chemical treatment of bamboo in terms of treatability, quality control, and the effect on physical-mechanical properties, and the development of less hazardous solutions are topics not adequately explored. Therefore, this doctorate thesis was divided into two major parts/objectives: assessment of conventional bamboo treatments and evaluation of alternative preservation methods based on chemical modification and in-situ polymerization. In the first part, conventional preservatives were applied for Dendrocalamus. asper and Phyllostachys edulis bamboo treatment and analysed in the quality aspects point of view. Analytical methods for treatability evaluation, such as penetration and retention, were used for disodium octaborate tetrahydrate (DOT) and chromate copper borate (CCB) treated bamboo. Mechanical, physical, and chemical tests were extensively used to characterize treated samples, and the effects of the preservatives on mechanical properties were investigated. Additionally, full-culm bamboo was object of detailed mechanical characterization through digital image correlation strain analysis. The obtained results led in recommendations for future standards for bamboo testing and the observation of the local effect of the node on compression, shear, tension, and bending. Besides, the investigated treatments did not show detrimental effects on the mechanical properties, yet DOT treatment causes an improvement in bamboo strength. Guidelines for treatment by the immersion method using DOT are also proposed to ensure the production quality of treated bamboo. In the second part of this thesis, pursuing the objective to improve the overall properties of bamboo, alternative treatment formulations based on citric acid and tannin in combination with boron compounds were tested. Samples chemically modified with citric acid presented considerable improvement on dimensional stability and decrease of water absorption as the consequence of an esterification process. However, the modification increased bamboo brittleness, reducing especially tension and bending strengths. The use of polymerized tannin/hexamine/boron had positive outcomes on the overall properties of bamboo, increasing the compression and bending strengths and the fungi degradation resistance even after leaching. Moreover, although DOT was effective in improving fungi decay resistance, severe leaching completely decreased its fungicide activity. Through thermogravimetric analyses, boron treated samples exhibited better thermal stability. In general, bamboo is a fascinating material. Nevertheless, although satisfactory treatment can be achieved, it is more difficult to be treated and characterised than wood. To overcome these problems, more research in characterization and treatment methods are necessary for better understanding and use of this abundant and versatile material.
Titre en portugais
Tratamento preservativo e modificação química do bambu para fins estruturais
Mots-clés en portugais
Dendrocalamus asper
Phyllostachys edulis
Ácido cítrico
Avaliação da qualidade
Boro
Caracterização mecânica
Tanino
Resumé en portugais
Os materiais à base de bambu estão na caixa de ferramentas de práticas sustentáveis e têm um alto potencial para o desenvolvimento e a expansão de novos produtos na indústria da construção. Embora inúmeras vantagens sejam atribuídas ao bambu, existem vários problemas relacionados ao seu uso que devem ser resolvidos e mitigados. Sem tratamento adequado, os materiais de bambu não resistem a uma longa vida útil. Os procedimentos de tratamento são bem conhecidos, para os quais diversos métodos e soluções preservativas podem ser utilizados, dependendo da aplicação final, logística, condição do material e acessibilidade. No entanto, informações básicas sobre o tratamento químico do bambu em termos de tratabilidade, controle de qualidade e o efeito nas propriedades físico-mecânicas e o desenvolvimento de soluções menos perigosas são tópicos pouco explorados. Portanto, esta tese de doutorado foi dividida em duas partes/objetivos principais: avaliação de tratamentos convencionais para bambu e o uso de métodos de preservação alternativos baseados em modificação química e polimerização in-situ. Na primeira parte, preservativos convencionais foram aplicados no tratamento dos bambus Dendrocalamus. asper e Phyllostachys edulis e analisados sob o ponto de vista de aspectos de qualidade. Métodos analíticos para avaliação da tratabilidade, como penetração e retenção, foram utilizados para o bambu tratado com octaborato de sódio tetrahidratado (OST) e cromato de cobre cromatado (CCB). Testes mecânicos, físicos e químicos foram amplamente utilizados para caracterizar amostras tratadas e os efeitos dos preservativos nas propriedades mecânicas foram investigados. Adicionalmente, o bambu roliço foi objeto de caracterização mecânica detalhada por meio de análise de deformação por correlação de imagem digital. Os resultados obtidos resultaram em recomendações para futuras normas para ensaios de bambu e na observação do efeito local do nó em compressão, cisalhamento, tração e flexão. Ademais, os tratamentos investigados não mostraram efeitos prejudiciais sobre as propriedades mecânicas, especialmente o tratamento com OST, que resulta em uma melhora na resistência do bambu. Diretrizes para tratamento pelo método de imersão usando OST também foram apresentadas como uma proposta para melhorar a qualidade da produção do bambu tratado. Na segunda parte desta tese, seguindo o objetivo de melhorar as propriedades gerais do bambu, foram testados tratamentos alternativos à base de ácido cítrico e tanino em combinação com compostos de boro. Amostras quimicamente modificadas com ácido cítrico apresentaram considerável melhora na estabilidade dimensional e diminuição da absorção de água como consequência de um processo de esterificação. No entanto, a modificação aumentou a fragilidade do bambu, reduzindo especialmente a resistência à flexão. O uso de tanino/hexamina/boro polimerizado apresentou resultados positivos nas propriedades gerais do bambu, aumentando as resistências à compressão e à tração na flexão e a resistência à degradação por fungos mesmo após a lixiviação. Embora o OST tenha sido eficaz para melhorar a resistência à decomposição de fungos, a lixiviação severa diminuiu completamente sua atividade fungicida. Contudo, por meio de análises termogravimétricas, as amostras tratadas com boro exibiram melhor estabilidade térmica. Em geral, o bambu é um material fascinante. No entanto, embora seja possível obter um tratamento satisfatório, é mais difícil de ser tratado e caracterizado do que a madeira. Para superar esses problemas, são necessárias mais pesquisas em métodos de caracterização e tratamento para melhor entendimento e uso desse abundante e versátil material.
 
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DO6403981COR.pdf (14.58 Mbytes)
Date de Publication
2021-04-12
 
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