Caracterização da cana Arundo donax L. e avaliação do seu potencial como material de isolamento térmico em Portugal

Universidade do Minho Escola de Engenharia Adriana Pollina Ansolin Caracterização da cana Arundo donax L. e avaliação do seu potencial como material de isolamento térmico em Portugal Setembro de 2021 Caracterização da cana Arundo donax L. e avaliação do seu potencial como material de isolamento térmico em Portugal Adriana Pollina Ansolin UMinho | 2021 Universidade do Minho Escola de Engenharia Adriana Pollina Ansolin Caracterização da cana Arundo donax L. e avaliação do seu potencial como material de isolamento térmico em Portugal Dissertação de Mestrado Mestrado em Construção e Reabilitação Sustentáveis Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor Ricardo Filipe Mesquita da Silva Mateus Doutora Raphaele de Lira Meireles de Castro Malheiro Setembro de 2021 ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ iii Agradecimentos Na conclusão desta etapa da minha vida profissional, agradeço a minha família, que me apoiou incondicionalmente quando decidi estudar fora do Brasil, que me deu suporte e me manteve forte, que aguentou a distância e a saudade comigo, e sempre estiveram presentes em pensando. Este trabalho não seria possível sem meus orientadores Doutor Ricardo Mateus e Doutora Raphaele Malheiro, que compartilharam seus conhecimentos comigo, me ensinaram, me mostram os caminhos da pesquisa e me proporcionaram trabalhar com um material incrível. Também agradeço a todos os colaboradores do projeto reVer, que não medem esforços para realizar um excepcional trabalho, direcionando a arquitetura para um mundo mais sustentável. Agradeço a Universidade do Minho, pelo excelente programa de mestrado e estrutura proporcionada. Aos colaboradores do Laboratório de Materiais de Construção, Laboratório de Física e Tecnologia das Construções do Departamento de Engenharia Civil, o Instituto de Ciência e Inovação para a BioSustentabilidade, e o Laboratório de Análise Avançada de Materiais do Departamento de Engenharia Têxtil, pela disponibilidade, ajuda e orientação durante a execução laboratorial. Sou grata também, a todo o corpo docente do MCRS, pelo aprendizado e orientações passadas sempre que precisei. Agradeço também aos meus amigos de longa data, pelo incentivo e por compartilharem suas alegrias com as minhas conquistas, e aos amigos que fiz durante o programa de mestrado, eles foram minha família quando ela não pode estar por perto. Tenho sorte de sempre encontrar pessoas incríveis aonde vou. Agradeço a todas as pessoas, que de alguma forma foram presentes em minha vida durante estes dois anos de mestrado, que direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho e conclusão de mais uma etapa profissional. Por fim, agradeço a Portugal, um país lindo e maravilhoso, que pela segunda vez me acolheu e me ensinou muito. Obrigada iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. v Resumo As condicionantes climáticas e o elevado consumo energético dos edifícios têm impulsionado o desenvolvimento de estratégias com contributo para a construção sustentável. Neste contexto, as construções vernáculas têm um papel cada vez mais de destaque, uma vez que algumas das suas soluções e técnicas podem ser adaptadas às construções atuais, contribuindo para a sua sustentabilidade. Contudo, os materiais e as técnicas tradicionais, por si só, não permitem manter de forma passiva o conforto térmico de um edifício durante a totalidade do ano. Assim, é necessário desenvolver uma solução ecológica que aumente a resistência térmica das construções vernáculas. A cana gigante ( Arundo donax L.) é, uma planta invasora abundante em Portugal, tendo sido utilizada de diversas formas, inclusive como material de isolamento térmico. Este trabalho caracteriza as propriedades da cana portuguesa, proveniente do Alentejo, em três níveis (físico, durabilidade e térmico), a fim de compreender o potencial de utilização da Arundo donax L. como material de isolamento térmico na construção vernácula, com destaque para as construções em terra. Para tal, foi levado a cabo um trabalho experimental cujos resultados apontam para um elevado potencial de uso da cana na construção. A cana estudada apresenta um teor de humidade semelhante ao da madeira e retrações reduzidas. Contudo, a facilidade em absorver água, resultado da sua elevada higroscopicidade, poderá ser um atrativo para o surgimento de fungos, mediante a condições específicas, que degradam a cana e podem comprometer algumas das suas propriedades. Para o estudo das características térmicas das canas, foram desenvolvidos painéis (15 x 15 cm) que foram estudados com o auxílio de uma hot box . Os resultados dos ensaios realizados para diferentes modelos de painéis, com diferentes espessuras e posições de ensaio, deixam claro o elevado potencial de utilização da Arundo donax L. como material de isolamento térmico natural não convencional. A cana estudada apresenta uma resistência térmica entre 0,850 e 2,035 m².°C/W, valores próximos dos materiais de isolamento térmico convencionalmente utilizados na construção. Assim, este material natural, abre um leque de possibilidades de utilização e futuras investigações, não devendo ser tratado negativamente apenas como um invasor, mas sim de um potencial material para a construção. Palavras-chave: construção vernácula, materiais naturais, Arundo donax L., caracterização da cana, isolamento térmico vi Abstract Climate conditions and high energy consumption of buildings have promoted the development of strategies with contribution to sustainable construction. In this context, vernacular constructions have an increasingly prominent role, since some of their solutions and techniques can be adapted to current constructions, contributing to their sustainability. However, traditional materials and techniques, themselves do not allow to passively maintaining the thermal comfort of a building throughout the year. Thus, it is necessary to develop an ecological solution that increases the thermal resistance of vernacular buildings. The giant reed (Arundo donax L.) is an invasive plant abundant in Portugal, having been used in several ways, including as a thermal insulation material. This work characterizes the properties of the Portuguese giant reed, from the Alentejo, on three levels (physical, durability and thermal) in order to understand the potential use of Arundo donax L. as a thermal insulation material in vernacular construction, with emphasis on the earth constructions. To this end, experimental work was carried out, the results of which point to a high potential for use of reed in construction. The studied reed has a moisture content similar to that of wood and reduced shrinkage. However, the ease in absorbing water, resulting from its high hygroscopicity, may be an attractive to the emergence of fungi, under specific conditions, which degrade the reed and can compromise some of its properties. To study the thermal characteristics of the reeds, panels (15 x 15 cm) were developed and studied with the help of a hot box. The results of the tests carried out for different models of panels, whit different thicknesses and test positions, make clear the high potential of use Arundo donax L. as non-conventional natural thermal insulation material. The studied reed presents a thermal resistance between 0,850 and 2,035 m².°C/W, values close to the thermal insulation materials conventionally used in construction. Thus, this natural material opens a range of possibilities for use and future research and it should not be treated negatively only as an invasive but as a potential material for construction. Keywords: vernacular construction, natural materials, Arundo donax L., reed characterization, thermal insulation. vii Índice 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 1 Enquadramento .................................................................................................................. 1 Objetivos ............................................................................................................................. 4 Organização da dissertação ................................................................................................. 4 2 ESTADO DO CONHECIMENTO.................................................................................................... 5 Contextualização ................................................................................................................. 5 Construção em terra em Portugal ........................................................................................ 6 2.2.1 Isolamento térmico e a construção em terra................................................................. 8 Materiais utilizados no isolamento térmico de construções vernáculas portuguesas .............. 9 Materiais convencionais e não convencionais utilizados no isolamento térmico das construções contemporâneas .......................................................................................................................... 10 2.4.1 Materiais convencionais ............................................................................................. 11 2.4.2 Materiais não convencionais naturais ......................................................................... 12 O potencial da cana como material de isolamento térmico ................................................. 17 Uso da cana em Portugal e no Mundo ............................................................................... 20 2.6.1 Origem da cana e localização em Portugal e no Mundo .............................................. 20 2.6.2 Uso geral ................................................................................................................... 22 2.6.3 Uso na construção ..................................................................................................... 23 Características da cana ..................................................................................................... 28 2.7.1 Morfologia da cana .................................................................................................... 28 2.7.2 Espécies de cana em Portugal ................................................................................... 28 2.7.3 Colheita ..................................................................................................................... 30 2.7.4 Controle .................................................................................................................... 31 3 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................................... 32 Enquadramento ................................................................................................................ 32 viii Origem e recepção das canas............................................................................................ 32 Material ............................................................................................................................ 33 3.3.1 Identificação da espécie de cana em estudo............................................................... 33 3.3.2 Preparação da cana ................................................................................................... 34 3.3.3 Seleção da ferramenta de corte ................................................................................. 36 3.3.4 Caracterização física .................................................................................................. 37 3.3.4.1 Teor de humidade e variação dimensional .......................................................... 38 3.3.4.2 Massa volúmica ................................................................................................. 41 3.3.4.3 Absorção de água por capilaridade ..................................................................... 42 3.3.4.4 Retração ............................................................................................................ 46 3.3.5 Caracterização biológica ............................................................................................ 48 Painéis de isolamento térmico de cana .............................................................................. 52 3.4.1 Concepção dos protótipos de painéis de isolamento térmico ...................................... 52 3.4.1.1 Protótipo tipo caixa ............................................................................................ 52 3.4.1.2 Protótipo tipo esteira .......................................................................................... 53 3.4.2 Produção dos protótipos de painéis de isolamento térmico ......................................... 54 3.4.3 Caracterização térmica .............................................................................................. 56 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS .............................................................................. 63 Caracterização física da cana ............................................................................................ 63 4.1.1 Teor de humidade ..................................................................................................... 64 4.1.2 Variação dimensional ................................................................................................. 66 4.1.3 Massa volúmica ......................................................................................................... 68 4.1.4 Absorção de água por capilaridade ............................................................................ 70 4.1.5 Retração .................................................................................................................... 74 Caracterização biológica .................................................................................................... 80 Caracterização térmica ...................................................................................................... 87 xv Tabela 27 – Características dos painéis perpendiculares grupo 1 (G1) ............................................ 122 Tabela 28 – Características dos painéis paralelos tipo caixa e esteira do grupo 2 (G2) ..................... 123 Tabela 29 – Características dos painéis perpendiculares do grupo 2 (G2) ........................................ 124 Tabela 30 – Características dos painéis paralelos tipo caixa e esteira do grupo misto (G1+G2) ........ 124 Tabela 31 – Características dos painéis perpendiculares do grupo misto (G1+G2) ........................... 126 xvi Lista de Abreviaturas e Símbolos A - Área 𝐴𝑐 - Absorção de água por capilaridade a.C – Antes de Cristo AD – Arundo donax L. ASTM - American Society for Testing and Materials BS - British Standards cm – Centímetro cm³ – Centímetro cúbico CO2 – Dióxido de carbono Coef. - Coeficiente Conc. - Conclusão Cont. - Continuação CRn - Convergência DP – Desvio padrão e - Espessura EPS – Poliestireno expandido moldado ETA - European Technical Assessment EUA – Estados Unidos da América g - Gramas g/cm³ - Gramas por centímetro cúbico G1 – Grupo 1 G2 – Grupo 2 HR – Humidade relativa H% - Teor de humidade em percentagem IB-S – Instituto de Ciência e Inovação para a Bio-Sustentabilidade ICB – Cortiça expandida ISISE – Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering ISO - International Organization for Standardization xvii Kg/m² - Quilograma por metro quadrado Kg/m³ - Quilograma por metro cúbico LNEC - Laboratório Nacional de Engenharia Civil l1 – Dimensão em determinada direção da amostra saturada l2 - Dimensão em determinada direção da amostra seca ao ar l3 - Dimensão em determinada direção da amostra seca em estufa m - Metro m² - Metro quadrado MDF – Medium density fiberboard mg - Miligrama mm - Milímetro MW – Lã mineral de massa volúmica elevada Mi - Massa da amostra no tempo ti, M0 - Massa da amostra m1 - Massa da amostra húmida m2 - Massa da amostra seca NP - Norma Portuguesa nZEB – Nearly Zero Energy Buildings N° - Número PA – Phragmites australis ρH - Massa volúmica 𝑞 – fluxo de calor R – Resistência térmica RCCTE – Regulamento das características de Comportamento Térmico dos Edifícios Recana – Resistência térmica da cana Reconjunto – Resistência térmica do MDF + Cana + MDF ReMDF – Resistência térmica do MDF REH - Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação RL – Retração linear T - Temperatura média xviii U – Coeficiente de transmissão térmica UE – União Europeia UMinho - Universidade do Minho USDA - United States Department of Agriculture UTDA - Jardim botânico da Universidade de Trás-os-Montes e Alto do Douro UV - Ultravioleta V1 – Volume da amostra saturada V2 – Volume da amostra seca ao ar V3 – Volume da amostra seca em estufa W - Watt XPS – Poliestireno expandido extrudido α – Coeficiente de retração linear αʋ - Coeficiente de retração volumétrica λ - Condutividade térmica λcana – Condutividade térmica da cana Δ𝑇 [°C] – Diferença de temperatura °C – Grau Celsius ± - Mais ou menos % - Percentagem ɛ - Retração linear ɛʋ - Retração volumétrica total 1 1 INTRODUÇÃO Enquadramento As condicionantes climáticas e suas variações nos últimos anos, têm pressionado a indústria da construção como um todo a desenvolver sistemas construtivos e estratégias com contributo sustentável, de maneira a proporcionar maior eficiência energética e reduzir as emissões de CO2. A União Europeia (UE), ao longo dos anos, tem promovido metas de políticas ambientais e energéticas, como o plano de reduzir até 2020 a emissão dos gases de efeito estufa em 20%, aumentar em 20% a eficiência energética e fazer uso de 20% de energias renováveis no consumo de energia da UE. Uma resolução de 2020, promovida pelo Parlamento Europeu, aponta para o Pacto Ecológico Europeu, nele é proposto que até o ano de 2050 os Estados membros atinjam neutralidade quanto ao clima, sendo para 2030 uma redução de 55% dos gases de efeito estufa quando comparado a valores de 1990 (Parlamento Europeu, 2020). O setor da construção é conhecido pelo alto consumo energético. Na Europa, o setor é responsável por 40% deste consumo, onde 75% das edificações existentes são energeticamente ineficientes, além de ser responsável por 36% das emissões de efeito estufa (Filippidou & Navarro, 2019). Estes dados corroboram a necessidade de promover uma integração entre sustentabilidade e construção, sendo importante aliar esta estratégia de sustentabilidade às necessidades sociais e econômicas de cada país. É sabido que, nos últimos anos, a busca por conforto térmico no interior das edificações tem aumentado consideravelmente o consumo de energia (Dhar et al., 2015). Estes índices de consumo tendem a aumentar quando há crescimento da população, expansão da urbanização e o constante desenvolvimento tecnológico (Mishra & Usmani, 2014). Para que uma edificação seja reconhecida como sustentável e energeticamente eficiente, fatores como as necessidades de aquecimento ou a espessura de isolamento térmico ideal são levados em consideração, mas também é avaliada a demanda de energia primária, as propriedades ecológicas dos materiais construtivos e a minimização das emissões de carbono (Dikmen & Ozkan, 2016). Construir de modo sustentável implica, entre outras coisas, a utilização de materiais de baixo impacte ambiental. Neste âmbito, Ferrandez-Garcia et al. (2017) afirma que os materiais de construção que são comumente utilizados podem vir a ser substituídos, em modo parcial, por materiais de fontes renováveis. 2 O atual conceito estabelecido entorno de se construir de modo sustentável, visa maximizar o uso de recursos locais existentes e materiais reciclados, desenvolvendo envolventes que estimulem um alto desempenho energético, conduzindo a uma redução do impacte ambiental causado pelo setor da construção (Ferreira et al., 2013; Volf et al., 2015). Segundo Barreca (2012), é imprescindível a existência de novas alternativas e meios construtivos que motivem a redução das perdas de calor na construção e que se estimulem um maior uso de recursos de fontes renováveis (materiais naturais e locais) procurando, desta forma, potencializar o conforto térmico, com um menor impacte ambiental possível. Afinal, uma construção que responde positivamente às condicionantes climáticas tende a reduzir o consumo de energia incorporada na construção (Singh et al., 2010). A temática da sustentabilidade tem sido abordada e intensificada esperando que, num futuro próximo, a construção e a reabilitação estejam voltadas para a adaptação ao meio em que estão inseridas, geograficamente, economicamente e socialmente, sempre reduzindo os desperdícios e focando em fontes renováveis de energia. Neste contexto, as construções vernáculas trazem consigo soluções que ajudam a minimizar o impacte ambiental dos seus edifícios e, por isso, encaminham-se para um papel de destaque no contexto atual. Segundo a “Carta sobre o patrimônio vernacular construído”, a construção vernacular é a expressão fundamental da cultura de uma comunidade, de sua relação com seu território e, ao mesmo tempo, a expressão do mundo e da diversidade cultural (ICOMOS, 1999). Este tipo de arquitetura é direcionado para o uso de materiais naturais locais assim como para as técnicas localmente empregadas, contribuindo, desta forma, para que o custo da construção seja reduzido, bem como para redução da energia incorporada nas edificações (Ramesh, 2012). Estas vantagens são ligadas as dimensões ambientais, econômicas e sociais (Fernandes et al., 2015), sendo assim um importante exemplo de construção sustentável. Por outro lado, devido à baixa resistência térmica da maioria das soluções construtivas tradicionais, o desempenho térmico e conforto podem estar comprometidos, bem como o cumprimento dos regulamentos térmicos em vigor (Ferreira et al., 2015). No que diz respeito às construções tradicionais portuguesas, Fernandes et al. (2013) afirmam que estas possuem alto potencial sustentável para as edificações. As construções em terra, por exemplo, possuem alta inércia térmica, sendo uma excelente solução para verões excessivamente quentes, devido ao atraso do fluxo de calor do exterior para o interior (Fernandes et al., 2013). Contudo, paredes de terra 3 apresentam um insuficiente desempenho térmico no inverno. Neste sentido, é necessário desenvolver uma solução ecológica que proporcione o aumento da resistência térmica destas construções vernáculas. O uso de materiais naturais na construção vem ganhando cada vez mais importância na busca de estratégias construtivas sustentáveis. Utilizar um material natural possui várias vantagens, entre elas a não liberação de qualquer substância tóxica e, também, menores emissões de CO2. A cana, por exemplo, é um material biodegradável que ao fim do seu ciclo de vida é de fácil reciclagem se comparado aos demais materiais construtivos artificiais, podendo também ser queimada para produzir energia térmica (Barreca et al., 2019). Tem sido utilizada tradicionalmente para construção de coberturas, cercas, abrigos, corta-ventos ou barreiras de sombreamento e, em alguns países de característica mediterrânea, também é utilizada como parede na reconstrução ou reforma de edificações (Barreca et al., 2019). De acordo com Marchante et al. (2015), as canas foram, possivelmente, introduzidas em Portugal pelo interesse dos colmos, com uso na agricultura, sebes e na segurança de taludes. Também foi utilizada com isolamento térmico em construções vernáculas, tendo maior expressão nas regiões do Alentejo e Algarve. Esta planta é encontrada em abundância no território português, tanto no continente quanto nas ilhas, sendo a Arundo donax L. e a Phragmites australis as espécies mais frequentes. A Arundo donax L . já é considerada uma planta invasora (Decreto-Lei no 92/2019, 2019), tendo seu crescimento rápido e podendo ocupar áreas de plantas nativas matando a flora local. Tendo em conta o enquadramento acima, este trabalho vem contribuir para o preenchimento de uma lacuna no conhecimento científico, buscando caracterizar um material de isolamento térmico que seja compatível com a construção em terra, permitindo a troca de humidade entre o ambiente externo e interno, característica importante deste tipo de construção. Neste sentido, pretende-se realizar uma pesquisa direcionada à caracterização geométrica, termo-física e durabilidade de um material natural, disponível em território português, para fins de isolamento térmico em construção vernácula tradicional portuguesa. Esta dissertação de mestrado foi desenvolvida no âmbito do projeto reVer+ “Desenvolvimento de um novo sistema de isolamento térmico de base natural para a melhoria do desempenho de ciclo de vida de edifícios vernáculos portugueses", que se encontra em desenvolvimento no Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE) da Universidade do Minho. No seguimento do projeto reVer, que estudou os contributos da arquitetura vernácula portuguesa para o desenvolvimento sustentável do ambiente construído, o projeto reVer+ foca-se no desenvolvimento de um sistema de isolamento térmico que permita melhorar o desempenho térmico dos edifícios vernáculos. 4 Objetivos Esta dissertação tem como objetivo principal a caracterização (geométrica, termo-física e durabilidade) da Arundo donax L. disponível em Portugal, visando contribuir para a definição de uma metodologia de ensaio e tendo como premissa a utilização da Arundo donax L. como material de isolamento térmico para a arquitetura vernácula de construção em terra. Assim, o trabalho em causa pretende apontar caminhos para solucionar o problema da baixa resistência térmica destes sistemas construtivos tradicionais, identificado no projeto exploratório reVer, utilizando um material de base natural disponível em todo território português. O trabalho também pretende dar um contributo para o controle desta espécie invasora, à medida que estuda uma utilização para as suas hastes. Organização da dissertação O tema proposto nesta investigação é desenvolvido e aprofundado no decorrer de cinco capítulos, resumidos abaixo: • Capítulo 1 – introduz o tema, mostrando a importância de uma arquitetura mais sustentável e a importância dos materiais naturais, diante da problemática ambiental atual, além de clarificar o papel da arquitetura vernácula neste contexto. Apresentam-se, também, os objetivos e a estrutura do trabalho; • Capítulo 2 – aborda a temática da arquitetura vernacular portuguesa, focando em materiais potenciais para isolamento térmico, convencionais ou não, direcionando a um material natural para fins de isolamento térmico, bem como sua localização a nível mundial e regional em Portugal, suas características e seus usos mais comuns, principalmente nas construções tradicionais e atuais; • Capítulo 3 – apresenta o procedimento experimental utilizado para avaliação das características termo-físicas e de durabilidade da cana Arundo donax L . colhida em Portugal; • Capítulo 4 – os resultados obtidos nos ensaios referentes a caracterização física, durabilidade e térmica realizados e expostos no capítulo anterior, são apresentados e analisados de modo crítico e com atenção aos resultados existentes na literatura atual; • Capítulo 5 – apresenta as conclusões principais desta investigação tendo por base os resultados obtidos, e por fim, propõe projetos futuros correlacionados com esta investigação e com importância de cunho científico. 5 2 ESTADO DO CONHECIMENTO Contextualização No século XX, um movimento conduzido pela Ordem dos Arquitectos e com apoio do Ministério da Construção, foi responsável por um levantamento nacional da arquitetura tradicional de cada região portuguesa (Simões et al., 2019). Portugal é dividida em duas regiões geoclimáticas: a Atlântica, com predominância do granito como material de construção e com alguns vestígios de xisto, em uma estrutura blocos sobrepostos, sem argamassa ou reboco e a Mediterrânea, com uma tipologia construtiva predominante simples de barro, rebocadas e caiadas com cal, palheiros de madeira e materiais vegetais empregados em situações diversas, contudo, existe o conhecimento de uma terceira região relacionada com a cultura interior da Espanha, tendo como materiais construtivos de destaque o xisto e a madeira (Ribeiro, 1945; Simões et al., 2019). As construções tradicionais variam dentro do país, pois fatores como clima e adaptação às condições ambientais, disponibilidade de materiais e cultura locais, acabam por desenvolver uma identidade arquitetônica que caracteriza cada região (Ferreira et al., 2013; Samuel et al., 2017). Algumas regiões mantém tipologias semelhantes e em outras, apesar dos mesmos materiais construtivos, as características são um pouco mais distintas (Simões et al., 2019). A arquitetura vernácula alentejana e algarvia, por exemplo, é caracteristicamente marcada por elementos como a argila, cal, madeira, cana e cera de madeira, em soluções para acabamentos e revestimentos, principalmente na construção de tabique e taipa, além disso, a cal é também aplicada no exterior como pintura, proporciona proteção contra intempéries e ajuda a aumentar a inércia térmica e reduzir a absorção da radiação solar nas fachadas que se mantém expostas durante o verão (Cruz et al., 2011; Simões et al., 2019). No Alentejo, as construções eram dispostas em filas ao longo de ruas estreitas, com a intenção de promover o sombreamento (Cruz et al., 2011). Já nas localidades da Estremadura, Ribatejo e Beira Litoral é encontrado uma arquitetura caracteristicamente composta por materiais vernáculos do Norte e do Sul do país (Simões et al., 2019). A construção vernácula desenvolveu seus consceitos bioclimáticos a caminho de uma construção sustentável (Ferreira et al., 2013), possuindo menos energia incorporada do que as construções de materias convencionais modernos. Assim, em muitas regiões e países, os edifícios vernáculos ainda são muito comuns e suas construções ocorrem à medida que se encaixam em parâmetros socioeconômicos e socioculturais (Singh et al., 2010). 6 A arquitetura tradicional é composta de uma variedade de materiais e possibilidades, contudo, o legado vernacular foi perdendo o reconhecimento diante de uma era industrial, fazendo com que os materiais e técnicas construtivas locais começassem a ser substituídos por materiais mais modernos, como aço e cimento, por apresentarem vantagens associadas a durabilidade, manutenção, fácil construção e eficiência, fazendo da arquitetura uma espécie de produto de consumo rápido, impactando de modo negativo o meio ambiente (Ferreira et al., 2013; Samuel et al., 2017; Simões et al., 2019). Estes materiais, por si só, não possuem potencial de isolamento térmico, resultando em uma constante demanda por aquecimento devido às perdas de calor e na necessidade de se desenvolver soluções e materiais específicos (Bozsaky, 2010). Há alguns anos, os materiais vernaculares, associados às estratégias passivas, atendiam e supriam as necessidades climáticas da sociedade da época. Porém, diante das constantes oscilações no clima e do aumento da exigência por parte dos utilizadores, muitas destas edificações passaram a apresentar um baixo desempenho energético, recorrendo a meios artificiais de climatização. Mas esta não é uma problemática apenas das construções vernáculas. A modernização e rapidez na construção também desenvolveu edificações de baixo desempenho térmico, onde soluções não eram pensadas nem na fase de projeto nem de execução (Samuel et al., 2017). Isto aponta a necessidade de se reabilitar termicamente não apenas as construções tradicionais, mas também as construídas há poucas décadas, pensando cada vez mais na arquitetura integrada ao meio em que se insere, explorando os recursos e materiais naturais. Para já, no caso da reabilitação, uma opção é adicionar à envolvente, soluções de isolamento térmico compatíveis com os materiais construtivos existentes, sejam os materiais vernáculos ou os convencionais. No âmbito dos estudos realizados pelo projeto reVer e reVer+, dentre as várias expressões da arquitetura vernácula portuguesa, observou-se a necessidade de explorar estratégias eficientes de isolamento térmico para as construção em terra, de modo a estudar e desenvenvolver possível solução isolante térmico compatível como este modelo construtivo tradicional. Com base nesta premissa, a construção em terra e, de modo mais pormenorizado, os materiais de isolamento térmico serão explorados nos itens a seguir. Construção em terra em Portugal A terra é um material reutilizável, abundante e sua utilização na construção é de reduzida incorporação de energia com uma durabilidade considerada elevada. Para além disto, confere uma alta massa e inércia 13 caso do bambu. A maioria destas pesquisas estão relacionadas com a utilização de materiais locais, o que reduz ainda mais o impacte negativo sobre o ambiente. Algumas pesquisas que exemplificam a utilização de materiais naturais, ou parte deles, como materiais de isolamento térmico são apresentadas a seguir. Abundante na Romênia, a fibra de cânhamo e algodão, já com menos destaque na produção têxtil, passaram a ser testadas como materiais de construção sustentáveis e, neste âmbito, Florea & Manea (2019) ensaiaram três diferentes composições, onde WG é a fibra de algodão com gesso e água, HG é fibra de cânhamo com gesso e água, e HGC que é a fibra de cânhamo com adição de cimento branco, gesso e água. Das três amostras ensaiadas apenas a WG e HG se enquadram como isolantes térmicos de acordo com a lei em vigor na Romênia, que considera materiais de isolamento térmico com condutividade inferior a 0,065 W/m.°C, mostrando que estes materiais de abundância local podem ser explorados e utilizados como recurso de isolamento térmico de menor impacte ambiental (Figura 2). Importa destacar que, neste caso, a utilização do cimento, aglomerante de alto impacte ambiental, não promoveu qualquer melhora ao nível térmico do material em desenvolvimento. Figura 2 – Relação da massa volúmica das amostras (a) com respectivas condutividades térmicas (b) (Florea & Manea, 2019). O algodão é um exemplo de material vegetal utilizado com sucesso no desenvolvimento de materiais de isolamento térmico. Zhou et al.( 2010) propuseram o uso do caule do algodão para produzir painéis, sem outros materiais adicionados à mistura e sem adição de aglutinante químico pois o caule possui em sua composição lignina e celulose agindo como aglutinante natural. Após processo para obtenção das fibras em laboratório, os painéis com massa volúmica entre 0,150 g/cm³ e 0,450 g/cm³ foram fabricados através do método de prensagem a quente das fibras secas, em um molde de 300 x 300 x 25 mm e armazenados a uma temperatura de 25ºC e 65 ± 5% de humidade relativa. Utilizando medidores de fluxo de calor e sensores de temperatura, obtiveram uma condutividade térmica entre a) b) Massa volúmica (kg/m³) Condutividade térmica (W/m.°C) 14 0,0585 e 0,0815 W/m.°C, onde, neste caso, quanto maior a massa volúmica do material, menor é a sua capacidade de isolamento térmico, diferente do estudo desenvolvido por Florea & Manea (2019). O bagaço de cana-de-açúcar, que é um produto que resulta da extração e produção de açúcar, com grande concentração e disponibilidade em zonas produtoras, faz com que o uso de ligantes sintéticos seja substituído pelo seu teor de celulose, incentivando pesquisas entorno de painéis aglomerados com função de isolamento térmico. Neste âmbito, Manohar (2012) dispôs uniformemente fibras de cana-deaçúcar dentro de um suporte de amostra de poliestireno, de modo que o posicionamento das fibras fosse perpendicular à direção do fluxo de calor, ensaiando massa volúmica diferentes entre 0,070 g/cm³ à 0,120 g/cm³ em três diferentes temperaturas, resultando numa condutividade térmica de 0,046 W/m.°C para amostra com massa volúmica de 0,100 g/cm³ a uma temperatura média de ensaio de 18ºC. Em outra pesquisa com placas de bagaço de cana-de-açúcar sem aglutinante, realizado por Panyakaew & Fotios (2011), foi obtida uma condutividade térmica de 0,049 à 0,055 W/m.°C, para as placas com massa volúmica entre 0,250 à 0,350 g/cm³. Os resultados destas pesquisas corroboram o potencial de utilização do bagaço de cana-de-açúcar como parte integrante de materiais de isolamento térmico, propondo uma nova solução para a problemática sobre o destino final destes resíduos. Contudo, o impacte ambiental dos materiais não naturais utilizados como parte integrante das soluções propostas deve ser mais bem explorado. A taboa é uma erva daninha originária da Europa e Américas e sua utilização como material de isolamento térmico pode ajudar a controlar a sua disseminação. Neste sentido, Luamkanchanaphan et al. (2012) estudaram o uso das suas folhas (secas, cortadas e trituradas) para a produção de painéis de isolamento térmico. As placas foram produzidas em três massas volúmicas diferentes (0,200, 0,300 e 0,400 g/cm³) e modelagem de 350 x 350 x 10 mm foram pulverizadas com um aglutinante e prensadas a quente. Como resultado, a condutividade térmica alcançada foi de 0,0438 a 0,0606 W/m.°C, sendo que quanto maior a massa volúmica da placa, maior a condutividade térmica. O durião, fruta originária na Malásia e de aparência semelhante à jaca, teve suas propriedades térmicas investigadas por Khedari et al. (2003), que produziram painéis com três ligantes diferentes (ureia formaldeído, fenol formaldeído e isocianato), para cada ligante, foram produzidos painéis com três massas volúmicas diferentes. Os painéis de aglomerados feito com a casca do durião atingiram resultados positivos quanto as suas propriedades de isolamento térmico, tendo como melhor desempenho, entre os ligantes, os painéis com menor massa volúmica. O painel composto por durião e formaldeído (0,428 g/cm³) e outro composto por durião e isocianato (0,357 g/cm³), atingiram ambos 15 uma condutividade de 0,064 W/m.°C. Já a mistura de durião e fenol formaldeído (0,442 g/cm³) obteve uma condutividade de 0,063 W/m.°C. Neste tipo de misturas, com compostos químicos, é importante perceber e destacar o contributo destes sobre o impacte ambiental do material final desenvolvido. O coco é uma fruta abundante e muito consumida em zonas costeiras, principalmente em países tropicais. A fim de estudar um destino final para os resíduos gerados na utilização do coco, Panyakaew & Fotios (2011) ensaiaram placas feitas de casca de coco levando em consideração o padrão japonês para placas, que determina que o teor de humidade de uma placa para fins de isolamento térmico deve estar entre 5 e 13%. A produção consistiu num processo de prensagem a quente, onde em para placas com massas volúmicas entre 0,250 a 0,350 g/cm³ obtiveram uma condutividade térmica entre 0,046 a 0,068 W/m.°C respectivamente. Em outro modelo de ensaio, as fibras de coco foram dispostas em uma amostra de poliestireno, onde para uma massa volúmica de 0,080 g/cm³, foi uma condutividade térmica de 0,048 W/m.°C (Manohar, 2012). O arroz é um alimento de grande produção pelo mundo, consequentemente gerando uma quantidade considerável de resíduos na sua colheita. A fim de estudar um destino final para este resíduo Yarbrough et al. (2005), a partir da casca de arroz triturada, produziram e avaliaram termicamente painéis de casca de arroz seca em estufa e painéis de casca de arroz natural, ou seja, como foi recebido. Seus resultados foram positivos em todas as amostras e massas volúmicas ensaiadas (0,139 g/cm³ a 0,168 g/cm³) e em diferentes temperaturas, alcançando uma condutividade térmica entre 0,044 a 0,056 W/m.°C. Com base nestes resultados, pode-se apontar a solução que utiliza casca de arroz natural como a mais eficiente entre as estudadas uma vez que, ao contrário da casca seca, não utiliza energia para secagem em estufa. Além disso, é um exemplo claro que alguns materiais naturais podem ser utilizados tal como encontrado na natureza, sem nenhum tipo de processamento associado. Com muita frequência, em trabalhos sobre arquitetura vernácula mundial encontra-se o uso da palha como material de construção. Nos Estados Unidos, por exemplo, construções agrícolas com mais de 100 anos eram feitas de palha (Yates, 2006) gerando, assim, várias pesquisas sobre as suas propriedades. Uma dessas propriedades é o seu desempenho térmico, e Goodhew & Griffiths (2005) desenvolveram um estudo onde os propriedade térmicas foram medidas pela técnica da sonda térmica e, para um fardo de 0,060 g/cm³ obtiveram uma condutividade térmica de 0,067 W/m.°C. Em estudo mais recente, durante uma caracterização térmica de um fardo de palha de massa volúmica média de 0,080 g/cm³, com dimensões de 500 x 500 x 100 mm, obtiveram uma condutividade térmica de 0,051 W/m.°C, perpendicularmente ao fluxo de calor (Douzane et al., 2016). Com base nestes estudos é 16 possível dizer que, no caso da palha, quanto maior a massa volúmica do fardo, menor é a condutividade térmica alcançada. Em Portugal o uso de fardos de palha na construção é considerada recente, com uma concentração construtiva no Alentejo (Helena, 2011). Contudo, é sabido que na arquitetura primitiva portuguesa, utilizava-se a palha, não só em coberturas, mas também como sistema de vedação de paredes (formato circular e retangular) (Oliveira et al., 1988). Há quase uma década, Pinto & Cardoso (2012) chamaram atenção para a ausência de legislação relacionada a construção com materiais biodegradáveis em Portugal. Esta lacuna quanto à legislação, aos poucos deixa de ser uma barreira na construção sustentável, pois em 2020 foi aprovada e emitida uma European Technical Assessment (ETA) para um produto de isolamento térmico chamado DuraBale - sistema de construção de palha de arroz, a fabricante é localizada em Monte Serro em Portugal. O produto são fardos amarrados com cordas, que apresentam uma condutividade térmica de 0,041 W/m.°C em condições secas (Itcons, 2020). Aprovações como esta, são um grande passo para o uso de materiais naturais na construção, que dão mais credibilidade e confiança para projetar uma arquitetura mais inclusiva ao ambiente e com qualidade construtiva e térmica. A Tabela 2 indica os resultados apresentados acima para materiais naturais não convencionais. Tabela 2 – Desempenho térmico de materiais naturais não convencionais Material natural Massa volúmica (g/cm³) Condutividade térmica (W/m.°C) Referência Algodão + gesso + água (WG) 0,415 0,046 (Florea & Manea, 2019) Cânhamo + gesso + água (HG) 0,332 0,051 (Florea & Manea, 2019) Cânhamo + cimento + gesso + água (HGC) 0,600 0,073 (Florea & Manea, 2019) Caule do algodão 0,150 – 0,450 0,0585 – 0,0815 (Zhou et al., 2010) Bagaço de cana-deaçúcar 0,100 0,046 (Manohar, 2012) Bagaço de cana-deaçúcar 0,250 – 0,350 0,049 – 0,055 (Panyakaew & Fotios, 2011) 17 Tabela 2 – Desempenho térmico de materiais naturais não convencionais (Cont.) Material natural Massa volúmica (g/cm³) Condutividade térmica (W/m.°C) Referência Taboa 0,200 – 0,400 0,043 – 0,060 (Luamkanchanaphan et al., 2012) Durião 0,357 – 0,442 0,063 – 0,064 (Khedari et al., 2003) Coco 0,250 – 0,350 0,046 – 0,068 (Panyakaew & Fotios, 2011) Coco 0,080 0,048 (Manohar, 2012) Arroz 0,139 – 0,168 0,044 – 0,056 (Yarbrough et al., 2005) Palha 0,060 0,067 (Goodhew & Griffiths, 2005) Palha 0,080 0,051 (Douzane et al., 2016) DuraBale – Palha de arroz - 0,041 (Itcons, 2020) O potencial da cana como material de isolamento térmico O potencial da cana como isolante térmico, reflete-se no uso nas construções, tanto em coberturas, como em paredes, pisos e teto (Lautkankare, 2013a). Também, Almusaed & Almssad (2015) apontam que além de bom isolante térmico e acústico, são construções amigas do ambiente pois não causam impacte negativo e tendem a reduzir o consumo de energia. Neste sentido, e, também, devido à elevada disponibilidade, a cana tem sido utilizada em vários países do Norte da Europa como material de isolamento térmico sendo, inclusive, comercializada em grandes superfícies. Esta utilização contemporânea aliada ao uso da cana como material de isolamento térmico na arquitetura vernácula tem instigado o desenvolvimento de investigação na área. Na Estônia, uma espécie de cana ( Phragmites australis ) vem sendo utilizada em coberturas e paredes durante séculos, e nos últimos anos tem sido realizado ensaios visando analisar o real desempenho térmico desta cana local. Em um dos estudos foi desenvolvido um protótipo de uma casa utilizando hastes de cana em mais que um formato para o fechamento das envolventes (vertical ou horizontal). O resultado mais promissor foi obtido com a cana foi na disposição horizontal, compactadas em 350 mm de espessura de parede, nas extremidades da parede uma camada de “tábuas” de cana pré-cortadas com 50 mm e rebocada com 30 mm de gesso de argila em cada face, totalizando uma parede de 510 mm de espessura que atingiu uma transmissão térmica de 0,207 W/m².°C. Estes valores estão em 18 conformidade com os requisitos para os padrões determinados pela Estônia de transmissão térmica máxima de paredes externas entre 0,2 a 0,25 W/m².°C (Miljan et al., 2013). Este estudo destaca a importância da disposição da cana, horizontal ou vertical, no desempenho térmico. Além disso, mostra o potencial das canas estudadas para utilização como isolante térmico sem fazer uso de qualquer material não natural como parte da solução proposta. Na Romênia, pesquisadores também utilizaram a Phragmites australis , em diferentes combinações de amostras de 150 x 150 x 30 mm, para determinar a sua condutividade térmica pelo método de medição do fluxo de calor, com uma variação de 20°C (Miron et al., 2017). Estas combinações utilizaram álcool polivinílico e cimento. Dentre os resultados obtidos, as hastes da cana com adição de álcool polivinílico, 0,295 g/cm³, apresentaram uma condutividade igual a 0,096 W/m.°C. Já as hastes da cana envolvidas em uma mistura de cimento e água, 1,030 g/cm³, apresentaram uma condutividade igual a 0,091 W/m.°C. Por fim, álcool polivinílico adicionado a hastes de cana e à cana moída, 0,350 g/cm³, apresentaram um valor de 0,074 W/m.°C. Apesar do estudo mostrar o elevado potencial térmico da cana é importante, mais uma vez, explorar o contributo ambiental dos materiais não naturais utilizados. A utilização da cana como material de isolamento térmico também tem sido explorada no sul da Europa. Na Itália, por exemplo, a cana tem sido explorada tanto sob o ponto de vista sísmico, como para isolante térmico, tendo apresentado uma boa resposta em ambos os casos. Em um dos estudos, é ensaiado um painel formado por hastes da espécie Arundo donax L. dispostas ortogonalmente em duas camadas e com um acabamento de gesso de cal natural de 2 cm de espessura em cada lado, obtendo um painel de espessura final de e dimensão de 670 x 780 x 80 mm, inseridos em uma estrutura de madeira que serviu de fôrma para a argamassa de gesso, obtendo valores promissores, 1,31 W/m².°C de transmissão térmica (Barreca & Fichera, 2013). Na Espanha, um estudo também com a Arundo donax L. como material de isolamento térmico, desenvolveu um painel a partir de três camadas, as externas com cana triturada e a interna de hastes inteiras, prensadas a quente, onde na composição, inclui adição de ureia formaldeído como aglutinante e em seguida submetidos a uma temperatura de 20°C e 65% de humidade relativa pelo período de quatro semanas na posição vertical. Os resultados de condutividade térmica obtidos para diferentes massas volúmicas (0,250 a 0,450 g/cm³) foram entre 0,074 a 0,086 W/m.°C, considerado pelos autores de baixa condutividade térmica e, consequentemente, viável para aplicação em isolamento térmico (Ferrández-García et al., 2012). Também em Espanha, painéis de aglomerado de haste e rizoma de Arundo donax L. foram termicamente avaliados. Um conjunto com dezoito painéis diferentes, com 19 diferentes tamanhos de partículas e diferentes resinas, foi ensaiado, totalizando setenta e duas amostras com massas volúmicas entre 0,567 e 0,843 g/cm³, obtendo resultados de condutividade térmica que variaram entre 0,059 e 0,094 W/m.°C (Andreu-Rodriguez et al., 2013). Outro recente estudo em Espanha, investiga a criação de painéis aglomerados de partículas de Arundo donax L. com características térmica, utilizando ácido cítrico como ligante natural e com reduzido consumo de energia no processo de fabricação. As partículas de cana com teor de humidade de 9%, foram misturadas ao ácido cítrico e pulverizadas com água, dispostas em molde e prensadas a quente. A condutividade térmica foi verificada pelo método de fluxo de calor, em amostras de 300 x 300 x 10 mm e massa volúmica entre 0,600 a 0,850 g/cm³, a variação foi de 0,081 a 0,093 W/m.°C. Os autores consideram o material aplicável como isolante térmico, ressaltando que quanto maior a massa volúmica maior a condutividade e menor a resistência térmica (Ferrandez-Garcia et al., 2019). Os resultados obtidos (Tabela 3) tanto com as hastes de cana, quanto com a cana triturada, corroboram o potencial de utilização térmica da cana. Até a finalização deste trabalho, não foi encontrado nenhuma investigação quanto a eficácia da cana como material de isolamento térmico utilizando a cana colhida em Portugal. Contudo, Val, Faria, & Silva (2015) estudaram paredes monolíticas ecoeficientes, produzidas com seis diferentes composições que fizeram uso dos seguintes materiais: argamassas de terra, canas inteiras ( Arundo donax L.) e fibras de cana. Os autores concluíram que, comparativamente a outras soluções de paredes de terra, as paredes ensaiadas com fibras de cana apresentam um maior desempenho térmico, contudo não foi ensaiado termicamente as paredes com haste inteira. Tabela 3 – Investigações de desempenho térmico utilizando a cana Espécie Espessura (mm) Massa volúmica (g/cm³) Transmissão térmica – U (W/m².°C) Condutividade térmica – λ (W/m.°C) Referência PA* 20-50 - - 0,055 (Köbbing et al., 2013) PA - 0,130 - 0,190 0,358 0,045 - 0,056 (Schiavoni et al., 2016) PA 30-120 - - 0,055 (Hiss Reet, 2017) PA 30 0,350 -1,03 - 0,074 - 0,191 (Miron et al., 2017) PA 510 - 0,207 - (Miljan et al., 2013) 20 Tabela 3 – Investigações de desempenho térmico utilizando a cana (Cont.) Espécie Espessura (mm) Massa volúmica (g/cm³) Transmissão térmica – U (W/m².°C) Condutividade térmica – λ (W/m.°C) Referência - - 0,200 0,280 0,053 (Leobonder.it, 2021) AD* 10 0,600 - 0,850 - 0,081 - 0,093 (Ferrandez-Garcia et al., 2019) AD - 0,567 - 0,843 - 0,059 - 0,094 (Andreu-Rodriguez et al., 2013) AD 18,7 - 22 0,250 - 0,450 - 0,074 - 0,086 (Ferrández-García et al., 2012) PA*: Phragmites australis ; AD*: Arundo donax L. Uso da cana em Portugal e no Mundo 2.6.1 Origem da cana e localização em Portugal e no Mundo A localização geográfica de origem da cana é muito discutida (Bell, 1997; Danelli et al., 2020; Hardion et al., 2014; Mariani et al., 2010; Ortuño et al., 2011). Com uma abordagem focada na diversidade genética do gênero Arundo , Mariani et al. (2010) sugerem sua origem na Ásia, com base em duas linhagens distintas encontradas, eliminando a possibilidade de origem no Mediterrâneo que apresentou uma menor diversidade de genes. Em outro estudo de mapeamento genético, Hardion et al. (2014) observaram que a cana é dividida em linhagem oriental e ocidental com quatro grupos biogeográficos ao longo do Himalaia, apoiando, assim, a hipótese de que a introdução da Arundo donax L. se deu da antiga Eurásia oriental para a ocidental, podendo representar uma das invasões biológicas mais antigas do mundo. Assim como a Phragmites australis que também tem na sua origem a Eurásia e a África (Sluis et al., 2013). Ambas as espécies possuem facilidade em se adaptar a uma variedade de habitats climáticos, introduzindo-se no ecossistema de diversos continentes, sendo detetada no Sul da Europa, na África do Norte, Arábia Saudita, Estados Unidos, Austrália e América do Sul, reproduzindo-se com rapidez e tornando-se invasivas, causadoras de incêndios e de obstrução de cursos d’água (Barreca & Fichera, 2013; Sluis et al., 2013). 21 A Figura 3 mostra que a maior concentração de Arundo donax L. está na Ásia, região de origem. No caso da Phragmites australis a localização a nível mundial é mais distribuída, habitando lugares (países) não ocupados pela Arundo donax L. Figura 3 – Distribuição da Arundo donax L. (giant reed) (a); distribuição Phragmites australis (common reed) (b) (CABI, 2021). Algumas páginas na internet são responsáveis por mapear o avistamento de planta nativas, exóticas e invasoras. Estes interagem com colaboradores pelo mundo que compartilham seus registros, e este é o caso de duas páginas em Portugal, o Invasoras.pt (Plantas invasoras em Portugal, 2021) e o Flora-on.pt (Flora-on: Flora de Portugal Interactiva, 2014). Tanto a Arundo donax L. quanto a Phragmites australis , estão distribuídas por todo o território português (Figura 4 (a; c)). A Arundo dona x L. é a que atinge uma área mais abrangente no país, sendo mais fácil localizar esta espécie para eventuais estudos. Apesar da sequência de figuras apresentar espaços não ocupados, Instituições de botânica em Portugal, como o Jardim botânico da UTAD, indicam que a espécie está espalhada por todo o país (UTDA, 2021), seguida (em termos de quantidade) pela Phragmites australis e em pouca área de ocupação a Arundo micranta Lam. Figura 4 – Ocupação das espécies de cana em Portugal Continental; Arundo donax L. (a); Arundo micranta (b); Phragmites australis (c); as três espécies juntas (d) (Flora-on: Flora de Portugal Interactiva, 2014). a) b) c) d) a) b) 22 2.6.2 Uso geral Por ser um material flexível e leve, é possível utilizá-la de inúmeras maneiras, na fabricação de ferramentas, matéria-prima para artefatos, uso medicinal e produção de instrumentos musicais (Barreca, 2012). A cultura deste material na introdução musical surgiu no Egito a mais de 5000 anos na produção de instrumentos musicais como as flautas, sendo um dos mais antigos usos conhecidos (Figura 5(a)), além do uso para construção de flechas e para enrolar os mortos com suas folhas (Bassam & Dalianis, 2010; Perdue, 1958) dentre outras tantas utilidades apresentadas na literatura. Por volta de 2800 e 2700 a.C, as hastes de cana eram usadas como meio de comunicação através da escrita, pois eram transformadas em canetas (Paananen, 2013). Durante a Segunda Guerra Mundial, a cana foi utilizada para produção de esteiras com a finalidade de cegar o inimigo, ao cobrir as estradas e os caminhos no Sul da França, já no México eram utilizadas para produzir tapetes para a construção de celeiros e evitar derramamento de grãos (Perdue, 1958). Também serviu, em áreas rurais, como forragem para o gado, e sua floração para preencher o núcleo dos colchões e travesseiros (Häkkinen, 2007). Em Portugal, especificamente na região do Alentejo, Fernandes & Carvalho (2004), em entrevista aos moradores mais antigos do concelho de Beja, buscaram entender as formas e os usos aplicados a cana, especificamente a Arundo donax L., abundante na região. Notaram que esta cana é conhecida vulgarmente por bengala, tendo os mais diversos usos, como a utilização do caule já seco para produzir uma espécie de canudos que são tubos utilizados por ceifeiros nos dedos como proteção (Figura 5 (b)), que apesar do desuso atual, ainda são produzidas por artesãos devido à procura dos turistas. Também é utilizada como instrumento na coleta de caracóis em locais com espinho, para cozinhar pratos locais, como instrumento de medição, na preparação de “alças” de escovas utilizadas para branquear as casas, para produção de instrumentos musicais, fabricação de brinquedos para as crianças, uso na agricultura, apoio em pomares e para bater nas oliveiras no período de colheita das azeitonas. Figura 5 – Flauta egípcia feita de Arundo donax (a) (Blaiis, 2010); Produto de cana produzida para proteção dos ceifeiros (b) (Fernandes & Carvalho, 2004). a) b) 29 dá ao final da estação quente, sendo uma panícula entre 30 à 60 cm em forma de pluma, inicialmente avermelhada se tornando quase branco ao final da floração (Bassam & Dalianis, 2010; Bell, 1997; USDA, 2014). A Figura 12 apresenta suas características morfológicas com maior detalhe. Os nós possuem um distanciamento entre si de 12 a 30 cm ao longo da haste (entrenó), neles uma espécie de broto germina criando ramificações secundárias a partir do segundo ano de crescimento. Outro fator importante quanto ao nó é sua estabilidade mecânica graças a concentração de lignina. Com rizomas longos e lenhosos entre 1 e 10 cm, a Arundo donax L. cresce em qualquer tipo de solo podendo florescer até em solos inférteis. Contudo, cresce vigorosamente em solos drenados com abundante humidade, tendo como melhor ambiente para crescimento os canais e valas, ou bordas de lagos, tolerando alta salinidade, podendo crescer até 7 cm por semana (Bassam & Dalianis, 2010; Perdue, 1958; Sánchez-Balibrea et al., 2015; Torró et al., 2012). • A: Inflorescência; • B: Espigueta; • C: Parte do caule mostrando a base das folhas; • D: Parte do rizoma ascendente; • E: Gluma inferior; • F: Gluma superior; • G: Lema, visão axial; • H: Palea; • I: Flor; • J: Lígula Figura 12 – Características morfológicas da Arundo donax L. (eFloras, 2008). Esta espécie, considerada como invasora em Portugal (Decreto-Lei no 92/2019, 2019), propaga-se com ou sem inundação e seu caule tende a crescer rápido, inclusive após contato com o fogo (USDA, 2014), sendo de difícil erradicação. Também não costuma produzir sementes aptas a reprodução, deixando o trabalho para os rizomas através de uma reprodução assexuada (Monteiro et al., 2015; Perdue, 1958). A Arundo micranta Lam. também habita o território português, mas em menor proporção (Flora-on: Flora de Portugal Interactiva, 2014). Com hastes ramificadas ainda no primeiro ano se difere da Arundo donax L., altura até 4 m, com diâmetro de 1 a 2 cm, folhagens eretas e não pendentes como a donax , as inflorescências são mais estreitas, com até 80 cm de comprimento, habita lugares ruderais, margens 30 dos rios e costas de praias, contudo, ainda é considerado por alguns autores a necessidade de mais estudos taxonômicos nesta espécie para determinar com mais precisão suas características, visto que pode ser erroneamente confundida com outras espécies do gênero Arundo (Hardion et al., 2012; Sánchez-Balibrea et al., 2015). A Phragmites australis , espécie semelhante a Arundo donax L. possui características diferenciadas, a começar pela sua nomenclatura vulgarmente conhecida como caniço ou cana comum, suas dimensões são reduzidas tanto no diâmetro como no comprimento da haste (Marchante et al., 2015). Costuma atingir até 4 m de altura, e muito raramente 7 m (Duarte & Moreira, 2009; Myllyniemi & Virtanen, 2013), o diâmetro da haste é de 2 cm, sua folhagem com largura de 1 a 2 cm e comprimento de 20 a 45 cm de comprimento e sua panícula pode atingir até 50 cm com uma floração, caracteristicamente roxa e ao fim do verão cinza, que pode durar até três meses (Julho a Setembro), com um rizoma vasto e ramificado (Bassam & Dalianis, 2010; Packer et al., 2017; Roosaluste, 2007). Conhecer as espécies que ocupam o ecossistema português, auxilia não apenas na identificação, mas para melhor acompanhar o comportamento e investigar suas propriedades. 2.7.3 Colheita Devido às variedades de utilização da cana, a época exata de colheita vai depender para que fim será destinada. Para o setor da construção o ideal é que a colheita seja realizada durante o inverno, quando o caule está mais seco e contém menos micro-organismos (Lautkankare, 2007). Quando a cana é colhida em grande proporção, o ideal é amarrá-las em feixes, dispondo-as com a base da cana para baixo e empilhadas em formato de pirâmide, podendo ser deixadas no mesmo local de colheita ou movidos para outra área com boa ventilação (Figura 13) (Miljan, 2013; Ortuño, 2003; Perdue, 1958). A secagem pode durar de dois a quatros meses. Concluído este período, a cana tem suas folhagens e ramificações retirados, são cortadas e selecionadas. As canas em bom estado de conservação passam por um período de cura ao sol e sem contato com o solo, dispostas obliquamente em posição horizontal. Desta forma mantém-se a melhor conservação e garante a integridade das hastes (Perdue, 1958). 31 Figura 13 – Disposição da cana em secagem ao sol (a) (Hemmi et al., n.d.); armazenamento da cana (b)(Donati, 2021). O período total de secagem para uso pode variar, podendo ser até doze meses. Esta decisão está relacionada com o ponto crítico desenvolvido pelo produtor. Em alguns casos, sua secagem pode ser concluída em estufa. Findado o processo de secagem, a cana é disposta em local arejado para posteriormente seguir para o consumidor final (Perdue, 1958). No caso da arquitetura vernácula portuguesa, as canas eram colhidas no inverno por motivos relacionados, também, com a durabilidade (Almeida, 2010). O dito popular “cana cortada em Janeiro dura o ano inteiro” corrobora esta informação. Também é sabido que as canas eram colhidas com mais de dois anos de idade, período a partir do qual, de acordo com o conhecimento popular, a cana atingia altura e resistência necessárias para utilização na construção (Almeida, 2010). 2.7.4 Controle Por ser uma invasora e causar diversos danos, por exemplo, à flora local e as obras de arte, muitos locais buscam erradicar a cana, seja com soluções de corte desde o rizoma até a incorporação de substâncias químicas. Para controlar o avanço desta invasora é necessário considerar alguns fatores, como o tamanho do território que ocupa e a época do ano, considerando-se eficaz o método de pulverização de herbicida sistêmico foliar, com dosagem regulada, no período de crescimento ativo da planta (Bell, 1997; USDA, 2014), evitando que a planta siga evoluindo e se disseminando. Apesar de existirem atualmente muitas pesquisas que visam eliminar a existência destas invasoras sem prejudicar o ecossistema em que está inserida, observa-se uma mais valia de colher de forma correta de modo utilizá-la, principalmente na construção. a) b) 32 3 MATERIAIS E MÉTODOS Enquadramento O interesse pela utilização da cana como matéria prima para produtos da construção tem vindo a aumentar. Um dos motivos é a busca por novas soluções construtivas que visem maior sustentabilidade. Neste sentido, é preciso estudar e conhecer as características do material para melhor empregá-lo na construção. Tendo em conta a influência dos parâmetros ambientais sobre o desenvolvimento da cana e, consequentemente, a variabilidade das suas características em função do ambiente onde se insere o seu crescimento, é fundamental caracterizar a cana disseminada no território português. Neste capítulo serão conhecidos o local de colheita da cana utilizada nesta investigação, os critérios adotados para sua classificação, bem como os métodos utilizados para sua caracterização física, biológica e térmica. O estudo das características térmicas conduziu ao desenvolvimento de painéis de cana com diferentes configurações, otimizando soluções em busca dos melhores resultados, que também serão apresentados neste capítulo. Origem e recepção das canas As canas em estudo são provenientes de Serpa (Figura 14), cidade que pertence à região do Baixo Alentejo, cujo clima é mediterrâneo, de acordo com a classificação internacional de Köppen-Geiger, caracterizando-se como temperado quente e seco (Csa), com inverno chuvoso, com temperatura média anual de 16,6 °C e precipitação total anual média de 537 mm (Climate-data, n.d.; IPMA, 2020). O local escolhido para colheita está relacionado com a abundância deste tipo de material e com a proximidade dos locais onde a cana tem uma utilização mais expressiva ao longo tempo para diversas finalidades, como pode ser visto no item 2.6.1 e 2.6.2. As canas em estudo foram colhidas manualmente com o auxílio de um alicate apropriado, no início da primavera de 2019 e seguiram para as instalações da Universidade do Minho, sendo recepcionadas no Laboratório de Física e Tecnologia das Construções do Departamento de Engenharia Civil. As canas passaram por um processo de limpeza onde as folhas foram retiradas e, em seguida, permaneceram 33 em ambiente de laboratório, na posição vertical, em processo de secagem natural, até à sua utilização. É neste processo que a cana elimina o excesso de água na sua parede celular. Figura 14 – Localização de Serpa em Portugal continental (a) (Wikipedia, 2020); local de colheita das canas (b); canas ( Arundo donax L.) (c). Material 3.3.1 Identificação da espécie de cana em estudo Como citado no capítulo anterior, são duas as espécies de cana que são largamente disseminadas ao longo de todo o território português: Phragmites australis e Arundo donax L. Nesta fase da pesquisa importa saber qual espécie está sendo estudada. A espécie de cana destinada a esta pesquisa, foi identificada como Arundo donax L., uma planta robusta que possui vários nomes populares como, por exemplo, cana gigante, cana-do-reino e caniço. Visualmente nota-se o formato de sua folhagem que aparenta “abraçar” o caule (Figura 15 (a)), sendo uma característica marcante desta espécie se comparada com a Phragmites australis , assim como a inflorescência no topo da cana (Figura 15 (b)), que são diferentes entre as duas espécies. O verde bem vivo da folhagem que reveste a cana e folhas com comprimento entre 73 cm são características típicas da Arundo donax L. como visto anteriormente no item 2.7.2. A idade da cana também pode ser estimada com base nas suas características. O fato de a haste da cana colhida apresentar pequenos ramos secundários ainda em crescimento, (Figura 15 (c)), aponta para uma planta com idade superior a um ano. De acordo com Couvreur & Remón (2019), este é considerado o período ideal de colheita da cana para uso na construção. a) b) c) 34 Figura 15 – Bainha da folha "abraçando" o caule (a); inflorescência da Arundo donax L. (b); ramificação secundária (c). 3.3.2 Preparação da cana A utilização das canas para os ensaios laboratoriais desta dissertação de mestrado foi precedida de um processo de seleção, seguido de uma etapa de classificação da cana por grupos. A fase de seleção consistiu em identificar as canas que se encontravam fisicamente em bom estado de conservação, ou seja, não apresentavam qualquer seção com fissura ou algum sinal de podridão do material. Esta seleção foi feita através de uma análise táctil-visual. A fase de classificação teve início com a caracterização geométrica das canas, após o período de secagem. Este processo determinou o comprimento da haste, o diâmetro na seção de corte e centro da haste, ambos medidos pela superfície externa da cana, e a espessura da parede interna da base (Figura 16). Para tal, utilizou-se fita métrica e paquímetro digital de resolução de 0,01 mm. Figura 16 – Determinação do diâmetro no centro da cana (a); determinação da espessura da parede da cana (b). Após a caracterização, definiu-se um “diâmetro crítico”, 11 ± 1 mm, abaixo do qual identificou-se que as canas possuíam menos resistência, partindo com maior facilidade seja ao toque ou durante processo a) b) c) b) a) 35 de corte com o uso do serrote de fita. Assim, as partes que não estavam em conformidade com os requisitos acima foram removidas e as canas selecionadas para estudo podem ser vistas na Figura 17. Figura 17 – Canas selecionadas para o estudo. Todas as canas selecionadas foram identificadas e, em seguida, foram novamente caracterizadas a fim de determinar o comprimento e o diâmetro externo (Anexo I). Esta identificação e nova caracterização teve por objetivo: • Calcular, considerando o comprimento das hastes, a percentagem da cana colhida que está em condições de utilização. Neste caso, apenas 44,74%; • Separar as canas por grupos, e; • Identificar com precisão as canas que irão compor cada painel de isolamento térmico a ser ensaiado nas etapas seguintes. A divisão por grupos permite estudar características distintas de um mesmo material. Neste caso, observou-se que o diâmetro é uma característica que diferencia as canas em estudo. As canas foram separadas, de acordo com o diâmetro, em dois grandes grupos: Grupo 1 (G1) canas com diâmetro entre 11 mm e 15 mm; Grupo 2 (G2) canas com diâmetro superior a 15 mm (Figura 18). Assim, durante o estudo, será possível avaliar se os parâmetros físicos, térmicos e de durabilidade em estudo são influenciados pelo diâmetro da cana. Figura 18 – Canas divididas em grupos de acordo com o diâmetro. 36 Os caules das canas de ambos os grupos foram cortados em hastes com comprimentos de 15 cm, tamanho previamente estipulado para montagens de painéis para posterior ensaio térmico. Após o corte, os ramos secundários crescentes no caule foram retirados (Figura 19 (a)), com ajuda do serrote de fita. Em seguida, com auxílio de uma grosa, lixou-se o local de remoção do ramo secundário (Figura 19 (b)). Figura 19 – Ramo que identifica a idade aproximada da cana (a); retirada do ramo e lixamento da superfície (b). A cana em sua estrutura caracteristicamente longa, cilíndrica e oca no interior, é segmentada por nós e entrenós, como já apresentado no Capítulo 2. Contudo, durante o procedimento do corte observou-se uma estrutura no interior da cana, localizada pouco acima do nó, que não está documentada na literatura sobre o assunto. Trata-se de uma espécie de “algodão” branco em formato circular, com espessura de 0,10 mm, naturalmente fixado na parede celular da cana (Figura 20), que parece funcionar como proteção para o nó. Esta estrutura não foi removida para realização dos ensaios realizados no âmbito desta dissertação. Figura 20 – Estrutura de "algodão": vista de cima (a); vista em perfil (b). 3.3.3 Seleção da ferramenta de corte A ferramenta de corte utilizada, serrote de fita, foi definida após uma rápida investigação laboratorial. Foram testadas três diferentes ferramentas: serrote reto, serrote de fita (Figura 21 (a)) e máquina elétrica de corte (Figura 21 (b)). a) b) “algodão” nó a) b) 37 Figura 21 – Ferramentas de cortes testadas: serrote de fita e serrote reto (a); máquina elétrica de corte (b); resultado de corte com máquina elétrica (c). Das três opções testadas, o serrote de fita, com dentes finos, menor comprimento e assim, maior estabilidade, proporcionou um corte mais firme e preciso, executado de maneira segura, sendo a opção selecionada para esta fase. O serrote reto mostrou-se pouco estável durante o processo de corte, dificultando o trabalho e comprometendo o resultado. A máquina de corte, por sua vez, apresenta-se como uma opção eficiente, com corte reto, preciso e com maior rapidez para execução do trabalho. Contudo, a lâmina utilizada apresenta dentes largos, que no momento do corte acabam por “desfiar” a extremidade da cana, comprometendo o resultado final do corte e, consequentemente, a durabilidade do material (Figura 21 (c)). A utilização de uma lâmina com dentes mais estreitos, poderá conduzir a um melhor resultado para trabalhos com maior volume de hastes de cana. 3.3.4 Caracterização física A caracterização física de um material nos permite identificá-lo e compreender os diferentes aspectos diretamente relacionados com a sua composição. Quando se estuda um material natural com muitas variedades, informações e dados ainda desconhecidos, a relevância de entender suas propriedades e mecanismos é ainda maior. Seguindo esta premissa, é preciso entender como a cana se comporta face aos diversos ensaios a que será submetido (Tabela 4). a) b) c) 38 Tabela 4 – Relação de ensaios x normatizações utilizadas como referência Ensaio Normatização Material Teor de humidade e variação dimensional NP 614 - Determinação do teor em água Madeira Massa Volúmica NP 616 - Determinação da massa volúmica Madeira BS ISO 22157:2019 - Bamboo structures - Determination of physical and mechanical properties of bamboo culms - Test methods Bambu Absorção de água por capilaridade LNEC E393 - Determinação da absorção de água por capilaridade Betão Retração NP 615 - Determinação da retração Madeira Até ao final deste estudo, ainda não havia nenhuma norma direcionada para a cana. Para a realização destes ensaios utilizou-se como base normas portuguesas aplicáveis a madeira e ao betão, e no caso da massa volúmica, também a norma aplicável ao bambu. Todos os ensaios foram realizados no Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. A fim de verificar a influência do diâmetro (grupos 1 e 2) e da presença dos nós nos resultados obtidos para cada ensaio listado na Tabela 4, foram estudadas 20 amostras de cana de acordo com o esquema apresentado na Figura 22. No caso da massa volúmica, foram consideradas apenas canas sem nó. Figura 22 – Relação de quantidade de amostras para ensaio. 3.3.4.1 Teor de humidade e variação dimensional A determinação do teor de humidade é um importante parâmetro a ser determinado, pois está relacionado com a durabilidade do material, assumindo maior importância para os materiais naturais. TOTAL DE AMOSTRAS 20 TOTAL DE AMOSTRAS POR GRUPO 10 10 AMOSTRAS SEM NÓ 5 5 AMOSTRAS COM NÓ 5 5 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA POR GRUPO G1 G2 45 Contudo, devido à leveza do material, quando a água é inserida em ambos os recipientes, a base plástica de apoio da cana flutua, sendo necessário colocar peças densas para firmar e estabilizar (Figura 30). Figura 30 – Procedimento de ensaio de absorção de água por capilaridade na cana. Para a verificação da massa, a cana é retirada uma por vez, seca em um pano húmido para absorver o escesso de água na base, é pesada e em seguida retorna para sua posição no ensaio. A primeira verificação de massa da cana ocorreu nos 15 minutos após insersão de água e início do ensaio, em seguida as verificações são aferidas a cada 30 minutos do início do ensaio, totalizando 6 horas de verificação no primeiro dia. Foram realizadas mais duas pesagens: após 24 e 48 horas de ensaio. Finalizado o ensaio, obtem-se a ascenção capilar de cada amostra atingida pela água absorvida. Esta é verificada após a amostra de cana ser cortada ao meio, com um serrote de fita, no sentido longitudinal e ter o silicone removido da superfície exterior e interior, analisando visualmente e medindo com o auxílio de uma fita métrica a altura atingida pela água no interior e exterior de cada amostra. A absorção de água por capilaridade 𝐴𝑐 é calculada levando em consideração o aumento de massa e a área da amostra em um dado espaço de tempo, como representado na Equação 3. 𝐴𝑐= 𝑀𝑖− 𝑀0 𝐴 Equação 3 Onde: • Mi é a massa da amostra no tempo ti, expressa em gramas (g); • M0 é a massa da amostra, expressa em gramas (g); • A é a área da superfície da amostra em contato com a água, expressa em metro quadrado (m²), e; • 𝐴𝑐 é a absorção de água por capilaridade, expressa em Kg/m². 46 3.3.4.4 Retração A cana, assim como a madeira, é um material higroscópico que quando submetida ao contato com a água, tende a sofrer um inchamento devido a absorção e saturação das fibras. Consequentemente, durante sua secagem, natural ou artificial, tende a retrair, resultando na diminuição da parede celular. Este é o processo a ser analisado neste ensaio, bem como possível deformações na amostra ocasionadas pela retração. a) Preparação das amostras: Foram preparadas 10 amostras de cada grupo (Figura 22), mantendo seu formato cilíndrico. Considerando que a massa volúmica da água é superior à da cana, desenvolveu-se uma amarração com fios de aço que ajudaram a fixar as canas à base (esteira de plástico), de modo a evitar flutuação e manter as canas totalmente imersas na água (Figura 31). Também neste ensaio foi necessário a utilização de peças densas para impedir a flutuação da esteira. Figura 31 – Fixação da cana para ensaio de retração. a) Procedimento de ensaio O procedimento foi baseado em conformidade com a NP 615 – Determinação da retracção aplicada a madeira (NP 615, 1973). Optou-se por calcular: • A retração linear da cana, que inclui calcular a retração linear total de uma amostra , que corresponde a redução do teor em água desde a saturação das fibras até 0%; • O coeficiente de retração linear da cana, que corresponde a redução do teor em água desde H% até 0%, sendo H% igual ou inferior ao teor em água de saturação das fibras; • Retração volumétrica da cana que consiste em calcular a retração volumétrica total de uma amostra, que corresponde a redução de humidade desde a saturação das fibras até 0%, e; • Coeficiente de retração volumétrica que corresponde a diminuição do teor em água desde H% até 0%. 47 O ensaio consiste em pesar a amostra, em seguida imergi-la em água pelo período mínimo de uma semana, ou seja, até saturação das fibras. Passado o período de saturação, as canas são retiradas da água e o excesso de água na superfície da cana é retirado com o auxílio de um papel filtro. Mede-se as dimensões da amostra que, em seguida, é disposta em um tabuleiro para secar naturalmente até atingir sua massa inicial ou próxima a ela (anterior a imersão). Em seguida, a amostra permanece em um exsicador pelo período de 24 horas. Após este período, as dimensões são novamente determinadas e realiza-se uma nova pesagem para determinação do teor em água. Seca-se a amostra em uma estufa a 103±2°C, deixa-se arrefecer em um exsicador e para finalizar pesa-se e afere as dimensões novamente. A retração linear total, ɛ, e o coeficiente de retração linear, α, são calculados de acordo com as Equações 4 e 5, respectivamente. ε = l1−l3 l3 x100 Equação 4 ∝= l2−l3 l3xH x100 Equação 5 Onde: • l1 é a dimensão em uma determinada direção da amostra saturada (mm); • l2 é a dimensão na mesma direção da amostra seca ao ar (mm); • l3 é a dimensão na mesma direção da amostra seca em estufa (mm), e; • H é o teor em água da amostra seca ao ar (%). A retração volumétrica total, ɛʋ, e o coeficiente de retração volumétrica, αʋ, são calculados de acordo com as Equações 6 e 7, respectivamente. ευ= V1−V2 V3 x100 Equação 6 αυ=V2−V3 V3 x H x100 Equação 7 Onde: • V1 é o volume da amostra saturada (cm³); • V2 é o volume da amostra seca ao ar (cm³); • V3 é o volume da amostra seca em estufa (cm³), e; • H é o teor em água da amostra seca ao ar. 48 3.3.5 Caracterização biológica A biologia, conceitualmente, é a área da ciência que busca estudar os organismos vivos, assim, quando se caracteriza biologicamente um material natural, busca-se compreender o seu comportamento diante de uma situação adversa, que pode causar o aparecimento dos chamados agentes biológicos. Assim, é possível avaliar a sua durabilidade e a possibilidade, se necessário, de utilizar uma proteção para o material, aumentando a sua durabilidade para utilização no longo prazo. O objetivo deste ensaio é avaliar o crescimento de fungos na superfície da cana que, por ser um material natural, está sujeito ao ataque de fungos devido à presença humidade na sua parede celular. A superfície escolhida foi a interior por ser a mais porosa e, por isso, representar a situação mais favorável para o aparecimento de fungos. As amostras em estudo foram submetidas a uma câmara climática (ARALAB FitoClima 1000EC45), com temperatura e humidade controladas, localizada no Instituto de Ciência e Inovação para a BioSustentabilidade (IB-S) da Universidade do Minho, de modo a simular um ambiente propício à proliferação de fungos, com temperatura de +22°C e humidade relativa de 90 - 95%, como indicado por Lautkankare (2013). Optou-se por ensaiar, junto com as canas secas naturalmente, algumas amostras de referência. A lã de rocha e o XPS foram os materiais escolhidos por se tratar de isolantes térmicos convencionalmente utilizados na construção e reabilitação das envolventes. Além disso, a lã de rocha possui permeabilidade ao vapor de água semelhante à cana (Asdrubali et al., 2015), podendo proporcionar uma análise mais completa dos resultados. Uma amostra de cana seca em estufa de cada grupo, também foi ensaiada a fim de compreender o grau de influência da humidade neste ensaio. Foram ensaiadas apenas amostras de cana sem nó por considerar que esta parte da cana, devido à sua complexidade, deve ser estudada de maneira mais aprofundada numa futura investigação. Os materiais e as variáveis estudadas são apresentados na Figura 32. 49 Figura 32 – Relação das variações ensaiadas para testar a durabilidade da cana e demais materiais. a) Preparação das amostras O manuseio das amostras, durante a sua preparação e todo o procedimento de ensaio, se deu com utilização de luvas para não contaminar nem comprometer as amostras. Todos os equipamentos foram previamente higienizados com álcool, incluindo os equipamentos de corte e as placas de Petri que foram utilizadas como recipientes individuais para cada amostra (Figura 33). Foram ensaiadas amostras com comprimento de 5 cm, porém com largura variada. Nesta fase o importante é garantir que a amostra seja o mais plana possível para uma melhor visualização no microscópio óptico. Figura 33 – Amostras ensaiadas: grupo 1 (a); grupo 2 (b); XPS (c); lã de rocha (d). TOTAL DE AMOSTRAS 16 AMOSTRAS POR MATERIAL 5 5 3 3 CARACTERIZAÇÃO BIOLÓGICA G1 G2 LÃ DE ROCHA XPS a) b) c) d) 50 b) Procedimento de ensaio O ensaio consiste na avaliação periódica das amostras inseridas em câmara climática para o acompanhamento do desenvolvimento de fungos em sua superfície. O ensaio teve a duração de 6 semanas (42 dias) e as avaliações foram realizadas semanalmente. Esta avaliação incluiu quatro fases principais (Figura 34): • Fase 1 - Determinação da massa de cada amostra em balança de resolução entre e: 1 mg e d: 0,1 mg; • Fase 2 - Avaliação visual (olho nu); • Fase 3 - Registo fotográfico, e; • Fase 4 - Análise em microscópio óptico de campo claro (DM750 M, Leica) acoplado a uma câmera digital de alta definição (MC170 HD, Leica) e Leica Application Suite (versão 4.12.0) com zoom em 5x, 10x e 20x, localizado no Laboratório de Análise Avançada de Materiais do Departamento de Engenharia Têxtil. Figura 34 – Procedimento de análise: verificação da massa (a); amostra de cana para análise visual (b); análise microscópio (c); amostra de cana visualizada com a presença de fungos (d). Para facilitar a avaliação, foi adotada uma marcação centralizada na lateral de cada amostra, feita com grafite para que este não influenciasse nos resultados, visando orientação para uma análise microscópica sempre fixa em um ponto, não desconsiderando analisar outras áreas que possam conter agentes biológicos visíveis. a) b) c) d) 51 Para completar a análise, utilizou-se um modelo desenvolvido por Hukka & Viitanen (1999), o Mould Index , que visa avaliar o índice de desenvolvimento e crescimento dos fungos em um determinado material através de uma avaliação numérica. Esta avaliação considera uma percepção visual a olho nu, mas, também, no microscópio. Adaptou-se este modelo de avaliação, adequando-o para uma avaliação apenas para visualização a olho nu. A avaliação foi realizada por duas pessoas, de modo a minimizar a margem de erro através da interpretação visual individual (Tabela 5). Tabela 5 – Índice de fungo e modelo de classificação para crescimento de fungos adaptado Índice de fungo Taxa de crescimento 0 Nenhum crescimento detectado na superfície 3 Cobertura de 1% a 10% detectada visualmente 4 Cobertura de 10% a 50% detectado visualmente 5 Cobertura de 50% a 80% detectada visualmente 6 Cobertura de 80% a 100% detectada visualmente Após a primeira avaliação (referência), as amostras (em placas de Petri) foram inseridas em dois recipientes plásticos dispostos na câmara de teste (Figura 35). Para realização das análises semanais (visual e microscópica), cada amostra foi transportada individualmente dentro de um exsicador de modo a garantir a integridade do material. Figura 35 – Câmara Climática no Instituto de Ciência e Inovação para Bio-Sustentabilidade da UMinho (a); amostras de cana, XPS e lã de rocha em recipientes dentro de câmara climática (b, c). c) a) b) 52 Painéis de isolamento térmico de cana Para que fosse possível testar e analisar o potencial térmico da cana para utilização em painéis de isolamento térmico, iniciou-se o estudo de viabilidade para a produção de protótipos de painéis feitos de cana inteira, sem qualquer aglutinante na estrutura. 3.4.1 Concepção dos protótipos de painéis de isolamento térmico Foram pensados dois modelos de protótipos para ensaio, o modelo tipo caixa e o modelo tipo esteira. Em uma perspectiva inicial, o modelo tipo caixa foi pensado como uma solução para possível produção em escala, em modo industrial. Contraposto a este, o modelo tipo esteira foi pensado de modo a promover um desenvolvimento junto à população local, que mesmo sem especialização técnica no manuseio do material, pudessem produzir painéis de isolamento térmico, com montagem no local ou de modo pré-fabricado. 3.4.1.1 Protótipo tipo caixa Este modelo de protótipo consiste na utilização de uma caixa de arame que pudesse acomodar as hastes de cana inteira que constituem o painel de isolamento térmico (Figura 36). O modelo proposto possui largura e comprimento de 15 cm, variando apenas a espessura, podendo ser 5 cm, 10 cm ou 15 cm. O arame de aço utilizado é galvanizado com diâmetro de 1,1 mm. Quando as extremidades de cada pedaço do arame se encontram, é realizada uma amarração com arame recozido, mais maleável, para fixar e firmar o molde. Este modelo se assemelha a base de uma estrutura de steel frame , assim, dentro da caixa a cana é disposta em formato livre para que ela se acomode naturalmente, reduzindo os espaços vazios entre as hastes e, consequentemente, propondo uma barreira mais eficiente para fluxo de calor. Figura 36 – Estrutura da caixa de 10cm. 53 3.4.1.2 Protótipo tipo esteira Ao contrário do protótipo tipo caixa, o protótipo tipo esteira pretende acomodar as hastes de cana de maneira organizada. Assim, serão produzidas esteiras que, posteriormente, serão conjugadas entre si para a produção de painéis com diferentes configurações e espessuras. Para o desenvolvimento deste protótipo, resgatou-se uma técnica antiga, porém tradicional e até hoje utilizada por artesãos, que é a amarração das canas através de um tear. Para esta situação produziu-se uma espécie de mini tear de madeira nas proporções 18 cm x 50 cm x 3 cm (L x C x P), como mostra a Figura 37. Estas proporções tiveram em conta as dimensões das esteiras que, assim como o protótipo tipo caixa, apresenta largura e comprimento de aproximadamente 15 cm, variando apenas a espessura. Para o bom funcionamento do tear, foram dispostos pregos no sentido transversal como suporte para a fibra destinada a entrelaçar e juntar as canas na amarração. Já os pregos no sentido longitudinal são para delimitar o espaço e tamanho do painel, bem como controlar o deslizamento das hastes. Para o entrelaçamento e amarração das canas, optou-se pelo uso do sisal, por ser uma fibra natural e firme. Figura 37 – Etapas de produção de esteira de cana utilizando um mini tear. Foram produzidos e analisados modelos de esteiras com canas individuais (cana + sisal + cana), canas duplas (duas canas + sisal + duas canas) e a possibilidade de substituir o sisal pela linha de cânhamo também foi equacionada. O cânhamo não se mostrou firme o suficiente para montagem individual de cada esteira, vindo a ser utilizado posteriormente na união entre as esteiras para formação de painéis com diferentes espessuras. A cana quando somada a espessura do sisal, adquire um espaçamento entre as canas que pode tornarse um problema na barreira térmica. Somado a isto, a cana seca naturalmente é um material de 54 superfície lisa e apresenta, ao longo do seu comprimento, um alargamento dimensional na região do nó que resulta em pequenos vãos quando as canas são encostadas umas às outras. Sua forma assimétrica, dificilmente proporcionará um cilindro 100% perfeito ao longo da haste. Neste sentido, a escolha de cada haste de cana também foi pensada para que cada esteira obtivesse o melhor encaixe possível, resultando na diminuição dos vazios entre canas. Optou-se, também, pela utilização de uma linha de sisal com diâmetro mais reduzido do que a opção inicial. Além disso, a configuração com canas duplas (duas canas + sisal + duas canas) mostrou-se mais eficiente para redução do vazio entre vãos (Figura 38). Figura 38 – Evolução da montagem das esteiras: canas entrelaçadas unicamente coma linha de sisal (a); amarração a cada duas canas com a linha de sisal (b); amarração realizada a cada duas canas e com a linha de sisal com diâmetro reduzido (c). 3.4.2 Produção dos protótipos de painéis de isolamento térmico Foram produzidos protótipos tipo caixa e tipo esteira considerando hastes de cana de diferentes diâmetros: • Grupo 1: canas com diâmetro entre 11 mm a 15 mm; • Grupo 2: canas com diâmetro superior a 15 mm, e; • Grupo misto: canas dos grupos 1 e 2. O protótipo tipo caixa, depois da estrutura montada tem as canas inseridas dentro da caixa, manualmente e de modo livre. Conforme são colocadas na caixa, as canas, por si só, vão se acomodando ao espaço e diminuindo os vãos entre elas (Figura 39). a) b) c) 61 Figura 46 – Combinação entre as variáveis estudadas no ensio térmico. e) Metodologia de cálculo Com os fluxos de calor e as temperaturas superficiais obtidas através do ensaio da hot box foi possível determinar o desempenho térmico dos materiais em estudo. A resistência térmica do conjunto MDF + painel de cana + MDF (Reconjunto), a partir da Equação 8 (ISO 9869, 2014). 𝑅𝑒𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 [m2. ° C W ⁄] = ∑∆T q Equação 8 Onde: • Δ𝑇 [°C] – diferença de temperatura num ponto entre o exterior e o interior; • 𝑞 [W/m2] – o fluxo de calor que atravessa do material. Para a determinação da Re do protótipo de painel de cana é necessário subtrair a Re dos dois painéis de MDF (determinadas durante ensaio na hot box ) utilizados como suporte para fixação do sensor de fluxo de calor e dos termopares. Esta subtração foi feita de acordo com a Equação 9. Recana = Reconjunto − (2 ∗ ReMDF) Equação 9 O coeficiente de transmissão de calor da cana (Ucana) foi obtido a partir do resultado da Recana, de acordo com a Equação 10. 𝑈𝑐𝑎𝑛𝑎[W m2.°C] ⁄=1 Recana Equação 10 De posse do Recana, também foi possível calcular a condutividade térmica (λ) do protótipo de painel de cana a partir da Equação 11. λcana[W/m. °C]=e Recana Equação 11 POSIÇÃO PARA ENSAIO (PARALELO) Vertical Horizontal SOBREPOSIÇÃO Paralela Perpendicular ESPESSURAS (aproximadas) 5cm 10cm 15cm PROTÓTIPO TIPO ESTEIRA G1 G2 G1 + G2 POSIÇÃO PARA ENSAIO Vertical Horizontal SOBREPOSIÇÃO Paralela ESPESSURAS 5cm 10cm 15cm PROTÓTIPO TIPO CAIXA G1 G2 G1 + G2 62 Onde: • e – Espessura do painel de cana. Todos os ensaios obedeceram aos critérios de convergência estipulados pela ASTM C1155, onde: CRn deve ser menor que 0,10 e a variância do valor da resistência deve estar abaixo de 10% (ASTM C1155 - 95, 2013). 63 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Caracterização física da cana Os valores médios obtidos com base na caracterização geométrica de cada haste de cana é apresentado na Tabela 7. Tabela 7 – Valores médios da caracterização geométrica das canas em estudo. Caracterização geométrica da cana 34 Canas Espessura (mm) Diâmetro – centro (mm) Diâmetro – base (mm) Comprimento (m) Média 3,84 13,20 18,19 2,18 Desvio Padrão 1,35 1,57 2,97 0,50 Durante a execução dos ensaios algumas situações chamaram a atenção. A cana quando está seca, tem sua superficie perceptivelmente lisa, quando colocada na estufa, libera uma espécie de óleo como pode ser notado no adesivo de identificação da cana (Figura 47). Esta espécie de óleo, passou a dificultar as medições, pois tornou a superfície ainda mais instável, dificultando o correto posicionamento do paquímetro utilizado para determinação das dimensões. Figura 47 – Óleo no adesivo de identificação e alteração de cor. Este óleo vem da composição da estrutura celular da cana, que quando aquecida exala o líquido. Através do método da pirólise, a fim de extrair o bio-óleo da Arundo donax L., obtêm-se a sua composição química, que registra uma média de 22% de lignina, considerada semelhante ao bambu entre 21 à 32% e inferior a madeira entre 24 à 34%, além de 42% de α-celulose, 27% de hemicelulose, 2,39% de cinzas; o bio-óleo especificamente, apresentou 65,28% de carbono, 26,48% de oxigênio e 7,37% de hidrogênio e 0,87% de nitrogênio, ácidos, cetonas, furanos, benzenos, fenóis, açúcares, guaiacóis e syringols (Temiz et al., 2013). 64 Canas colhidas no Aveiro, passaram por uma análise química do nó e entrenó, em três frações diferentes do caule (base, centro e topo). Os resultados apontam que o teor de lignina, são maiores na base diminuindo gradualmente até o topo, sendo 22% à 16,4% no entrenó e 20,1% à 15,8% no nó, apontando para uma menor fonte de lignina no nó, já a folhagem apresenta 16,8% de lignina (Neto et al., 1997). Valores corroborados por Seca et al.(2000). 4.1.1 Teor de humidade Antes da determinação do teor de humidade, a cana em estudo passou por um período de secagem natural de aproximadamente um ano. Por isso, a humidade determinada aqui, é o teor de humidade da cana após secagem natural. É, normalmente, neste estado em que a cana é utilizada quando se fala em construção civil. A Figura 48 mostra a variação de massa das amostras estudadas, durante o período de ensaio. Figura 48 – Variação de massa (g) pelo período de 24 horas. Quando analisado o comportamento da massa x tempo apresentado na Figura 48, observa-se que nos primeiros 30 minutos de ensaio, há uma redução de massa significativa em todos os grupos estudados, independentemente da presença de nó. Durante o ensaio, considerou-se que a massa constante da amostra foi atingida quando durante o intervalo de duas pesagens consecutivas, a variação não se apresentou maior que 0,5%. Todas amostras do grupo 1 (G1) atingiram a massa constante em 240 minutos de ensaio, do grupo 2 (G2) apenas três amostras sem nó ainda não haviam atingido a massa constante no mesmo período de tempo. No bambu, por meio de evaporação, quando em posição vertical, tem seu teor de humidade no colmo reduzido debaixo para cima, quando é disposta a secagem 65 horizontalmente a redução é de camada externa para a interna (Anokye et al., 2014; Vetter et al., 2015). No caso das canas, a secagem em estufa foi feita com as amostras na posição horizontal. Considerando o funcionamento de secagem semelhante ao bambu, a camada externa é mais rígida, podendo influenciar na secagem conforme espessura da parede ou da própria camada externa. De qualquer forma, ambos os grupos seguiram em estufa pelo período de 24 horas a contar do início do ensaio. A média da variação de massa (%) foi semelhante entre as amostras de ambos os grupos, onde nota-se que as amostras com nó apresentaram maior variação de massa, com um valor pouco mais acentuado para o G2. A Tabela 8, apresenta a variação de massa e o teor de humidade calculados após o final do ensaio. Tabela 8 – Variação de massa e teor de humidade por grupo G1 s/ nó DP* G1 c/ nó DP G2 s/ nó DP G2 c/ nó DP Variação Massa (%) 8,62 0,06 8,65 0,19 8,53 0,24 11,96 0,34 Teor Humidade (%) 9,43 0,24 9,46 0,17 9,34 0,30 10,18 0,17 DP*: desvio padrão. Quanto ao teor de humidade, observa-se uma pequena variação entre os grupos e entre canas com nó e sem nó. As amostras com nó possuem pouco mais de humidade que as amostras sem nó, levando a considerar que o nó não causa mudança significativa no processo de secagem, porém evidencia uma maior concentração de líquido na região do nó responsável por maior por maior humidade e variação de massa. A Figura 49 apresenta um comparativo entre a média dos teores de humidade das amostras de Arundo donax L. ensaiadas (G1 e G2), com outros materiais naturais, como a madeira, o bambu, a cana Phragmites australis e a própria Arundo donax L. de outra localidade. 66 Figura 49 – Teor de humidade de outros materiais naturais comparados a Arundo donax L. Em um plano geral, os teores de humidade apresentados na Figura 49 são semelhantes. Para a madeira, por exemplo, 12%, considerado o valor de referência (NP 614, 1973). Wakchaure & Kute (2012), para um mesmo período de secagem de um ano, determinou o teor de humidade para uma espécie de bambu da Índia, entre 9,98% e 10,31%. A Phragmites australis , colhida em solo chinês apresentou 8,3%, já em solo italiano apresentou 7,2% (Patuzzi et al., 2013). A Arundo donax L. estudada por Ortuño (2003) em Espanha, apresentou um teor de humidade de 8,63%, já para Lord (2003), o teor de humidade ficou entre 7 e 10% para a mesma espécie colhida nos Estados Unidos, notando-se já um teor de humidade menor na cana dos EUA. Como já foi dito, os valores apresentados acima dizem respeito a cana seca naturalmente. Uma nova colheita foi realizada no inverno e, neste caso, foi determinado o teor de humidade da cana verde, ou seja, a cana foi ensaiada logo após a colheita (aproximadamente duas horas depois). O resultado alcançado foi de 64%. No caso do bambu, Wakchaure & Kute (2012) apontam para uma média de valores entre 60 à 75%. Tanto para a cana quanto para o bambu, se tratando de uma análise mais pormenorizada, deve-se levar em consideração aspectos como espécie, idade, estação de colheita e localização geográfica. 4.1.2 Variação dimensional Visto que a cana já foi seca naturalmente durante um ano, é analisada a variação dimensional com base no teor residual de humidade na cana. A Tabela 9 apresenta os resultados alcançados. Os valores apresentados são as médias entre as verificações nas duas extremidades das amostras. 67 Tabela 9 – Variação dimensional das variáveis ensaiadas por grupo Amostras Diâmetro (%) DP Espessura (%) DP Comprimento (%) DP G1 s/ nó 1,53 0,47 7,35 2,80 0,31 0,10 G1 c/ nó 1,33 0,24 3,07 2,87 0,27 0,08 G2 s/ nó 0,77 0,16 0,94 0,38 0,06 0,02 G2 c/ nó 1,04 0,12 1,17 0,33 0,11 0,01 Comparando os valores entre os grupos, o G1 obteve uma variação dimensional média mais expressiva na espessura das amostras sem nó, sendo 7,35% contra 0,94% do G2, também se sobressaindo no diâmetro e comprimento. Contrário ao G1, as amostras com a presença de nó do G2 obtiveram uma média de variação maior que amostras sem nó, mostrando não existir aqui, uma tendência de alteração dimensional quanto as variáveis por grupo. Verifica-se assim que, para o caso estudado, a perda de massa não está diretamente relacionada a uma maior variação dimensional, afinal a maior variação de massa foi no G2 com nó (11,96%), e no geral a maior variação dimensional foi no G1 sem nó (8,62%). Nas Figura 51 e Figura 51, é possível analisar a média das variações (mm) através dos gráficos, onde fica visível a expressiva diminuição das dimensões do G1. Figura 50 - Médias da variação dimensional no diâmetro da cana. Diâmetro superior e inferior da amostra G1(a); diâmetro superior e inferior da amostra G2(b); a) b) 68 Figura 51 – Média da variação dimensional da espessura superior e inferior G1 e G2(a); variação dimensional do comprimento G1 e G2(b). 4.1.3 Massa volúmica Todas as canas sem nó de ambos os grupos atingiram massa constante aos 240 minutos de ensaio para obtenção do teor de humidade. Contudo, foram realizadas mais duas pesagens após as 24 horas de ensaio, em conformidade com BSI ISO 22157:2019 (2019). O processo de secagem do ensaio anterior (4.1.1), para um mesmo período de 240 minutos, algumas canas ainda não haviam atingido a massa constante. Wakchaure & Kute (2012), menciona que para o caso do bambu, os ensaios, tanto físicos como mecânicos, dependem da fração da haste a ser usada, ou seja, se o material utilizado para ensaio for mais próximo a base inferior da haste, ela possivelmente terá um comportamento diferente da amostra retirada do meio ou topo da haste. No ensaio realizado por ele, dividindo o bambu em frações (inferior, meio e topo), a base inferior apresentou teor em água maior que as demais frações, em três diferentes períodos de tempo. Comparando o processo de secagem destes dois ensaios, e analisando a espessura das amostras, acredita-se que a cana pode funcionar como o bambu nesta situação, pois as espessuras variam ao longo de todo o comprimento da haste devido sua heterogeneidade, podendo influenciar no resultado do ensaio. A Tabela 10 apresenta a média da massa volúmica para determinado teor de humidade das amostras para um período de ensaio de 1440 minutos (24 horas). Não foi realizada análise dimensional posterior a 1440 minutos de ensaio, apenas realizou-se a verificação de massa constante e definição do teor de humidade neste período posterior. a) b) 69 Tabela 10 – Massa volúmica (g/cm³) da Arundo donax L. Grupo Massa Volúmica amostra seco ao ar (g/cm³) DP Massa Volúmica amostra seco em estufa (g/cm³) DP Teor de humidade (%) DP G1 0,524 0,063 0,505 0,059 9,99 0,31 G2 0,476 0,012 0,448 0,011 10,15 0,26 Média total 0,500 0,050 0,476 0,050 10,07 0,28 Tanto para as canas secas ao ar (um ano), como para a seca em estufa, nota-se que as amostras do G1 possuem uma massa volúmica maior que o G2, para um H% de 9,99% e 10,15%, respectivamente. O teor de humidade das amostras utilizadas neste ensaio, são muito semelhantes às do ensaio anterior. As amostras do G1 registram o menor diâmetro e espessura para qualquer situação de secagem, justificando os resultados acima. A causa disto é a massa volúmica dos feixes vasculares, que são maiores em pequenos diâmetros e menores em maiores diâmetros (Shtein et al., 2021). No Anexo II (Tabela 22), pode ser analisado as médias das dimensões das amostras por grupo para os dois procedimentos de secagem durante ensaio Esta variação na massa volúmica da cana, está ligada ao seu colmo, podendo variar da base ao topo da cana (Couvreur & Remón, 2019), assim como o bambu, onde a massa volúmica é maior no topo do colmo do que na sua base, pois a espessura diminui ao longo do colmo, porém sem reduzir a quantidade de fibras (Vetter et al., 2015). Outra questão levantada para ambos os materiais naturais e que pode interferir na massa volúmica é a idade, quanto mais maduro o colmo, mais denso este será (Couvreur & Remón, 2019; Vetter et al., 2015). As ramificações secundárias encontradas nas hastes utilizadas (Figura 15 (c)), indiciam que estas canas podem ter 2 anos ou mais. Molari et al. (2020) ensaiou amostras de 20 mm de Arundo donax L., sem nó e com diâmetro médio de 21,77 mm, obteve uma massa volúmica média de 0,577 g/cm³ para 8,89% de teor de humidade. Já Ortuño (2003), aponta que a Arundo donax L. (seca ao ar) contém uma massa volúmica média de 0,583 g/cm³ para um teor de humidade de 8,63%, e massa volúmica anidra média de 0,537 g/cm³. Destacando aqui, a tendência da influência da humidade do material, onde quanto menor o teor de humidade maior será a massa volúmica da amostra da amostra. Para uma determinada espécie de bambu, encontrado em Portugal, a massa volúmica média foi de 0,600 g/cm³ e 10,94% teor de humidade, as amostras sem nó (25 x 25 mm) foram obtidas a partir da 70 divisão do bambu (base, meio e topo), resultando em massas volúmicas menores na base e maiores no topo (Freitas, 2019). Beraldo et al. (1996) acrescentam que a massa volúmica média do bambu varia conforme espécie. O mesmo ocorre para as diferentes espécies de madeira, quanto a madeira utilizada na construção, os valores obtidos para a massa volúmica do pinho manso (Dias, 2017), são próximas as da cana portuguesa e também de outros locais das UE. Todas estas investigações, possuem resultados aproximados aos obtidos neste estudo, corroborando que a seção do colmo impacta na massa volúmica, pois as canas do G1 deste estudo, foram obtidas entre o meio e o topo das hastes, e o G2 do meio para a seção da base (corte na colheita), confirmando a tendência apresentada pelos autores. 4.1.4 Absorção de água por capilaridade O ensaio de absorção de água foi aqui realizado com um caráter exploratório. Não é usual a utilização deste ensaio para materiais naturais e, por isso, a comparação dos resultados aqui alcançados com os possíveis resultados apresentados por outras pesquisas foi inviabilizada. A realização deste ensaio buscou conhecer um pouco mais sobre o comportamento da absorção de água na cana, ponto considerado importante por se estar a estudar um material higroscópico. Uma vez que, devido à morfologia da cana, algumas alterações foram implementadas ao procedimento do ensaio de absorção capilar descrito pela especificação LNEC E-393, considera-se importante registar algumas observações realizadas durante o procedimento de ensaio. Duas amostras de cada grupo foram ensaiadas dentro de um recipiente fechado, apenas para comparação entre procedimentos de ensaio, apresentaram visível saturação no topo. Quando cortada longitudinalmente, nota-se ao tocar, a humidade no interior da cana, mas o que mais chama a atenção, são os sinais de presença de fungo no diafragma nodal, onde pequenos pontos escuros tomaram conta da superfície (Figura 52). Confirmando que a melhor configuração para este ensaio, é de fato em um recipiente aberto com circulação de ar e em ambiente com temperatura controlada. Materiais de construção orgânicos, tendem a ser sensíveis ao aparecimento de fungos e bolores quando expostos a elevada humidade ou situação de dano de água (Viitanen & Salonvaara, 2010). 77 Tabela 13 – Médias por grupo e variáveis ensaiadas para retração volumétrica, coeficiente de retração volumétrica e teor em água de saturação das fibras Grupo Retração volumétrica (%) DP Coeficiente Retração volumétrica (%) DP Teor em água de saturação das fibras (%) DP G1 s/ nó 6,10 2,46 0,08 0,03 82,86 37,37 G1 c/ nó 7,41 2,39 0,06 0,02 120,29 26,85 Média Total G1 6,69 2,38 0,07 0,03 99,49 36,85 G2 s/ nó 5,47 5,63 0,05 0,02 99,66 63,70 G2 c/ nó 5,22 4,33 0,06 0,03 102,72 86,48 Média Total G2 5,35 4,74 0,05 0,02 101,19 71,62 A cana em comparação com o bambu possui uma retração volumétrica menor. No bambu gigante, a retração volumétrica foi de 15,41% (Brito et al., 2015). Semelhante ao apresentado por Vetter et al. (2015), que indicam uma retração volumétrica entre 10,7% e 18,6%. Concluindo que de um modo geral, com base na análise das médias por grupo, a maior retração volumétrica ocorre no G1, com maior retração nas amostras com nó, compatível com resultados da retração linear. O coeficiente de retração volumétrica quase não varia entre os grupos. No geral, observa-se que a presença do nó não influencia diretamente na retração. Entre as variáveis ensaiadas em ambos os grupos, nota-se uma pequena diminuição da retração na região do nó para o diâmetro e espessura, já para o comprimento, o nó representa um ligeiro aumento na retração das amostras com nó, mas ainda assim é prematuro relacionar a influência do nó na retração do comprimento. Os resultados apresentados, indicam que um maior diâmetro e espessura, caso do G2 em relação ao G1, não significa maior retração. Possivelmente a maior retração está associada a quantidade de feixes vasculares presente em cada seção da cana (base, meio e topo). Por fim, a cana é configurada como um material compatível com estabilidade dimensional, associado a sua baixa retração (Malheiro et al., 2021). Neste estudo, os valores são muito pequenos, dependendo do uso da cana, esses valores de retração não causarão grandes efeitos, pois, o diâmetro varia menos que 5% (retração linear) e 8% (retração volumétrica) para ambos os grupos. 78 Quanto a saturação das fibras, por grupo, o teor em água é semelhante em ambos os grupos. As amostras com nó apresentaram maior saturação das fibras, com destaque ao G1, contudo quando se trata de amostras sem nó, o G2 apresentou maior saturação. A Arundo donax L. ainda verde, apresenta sinais de encolhimento com 150% de teor de humidade nos entrenós (Obataya et al., 2004) e com o ponto de saturação das fibras a 20% (Obataya et al., 2005). Como foi realizada uma única verificação dimensional na cana seca ao ar e uma única com ela seca em estufa, neste estudo não se consegue determinar a que exato ponto de saturação das fibras ocorre a retração da cana. Apontando para ensaios futuros, a necessidade de realizar mais que uma verificação dimensional para cada etapa de secagem. Quanto a absorção de água, após 24 horas de imersão, tendo o peso seco inicial mais a primeira verificação de saturação, obteve-se a massa de água absorvida e o teor de humidade absorvida pela cana apresentada na Figura 60. Figura 60 – Relação variação de massa (a); teor de humidade absorvida x tempo (b). As amostras do G1 atingiram uma média de 95,42% de teor em água e o G2 chegou 82,95%, onde as amostras com nó, de ambos os grupos, mostraram uma maior absorção em 24 horas, e mais contida após 48 horas de imersão. Estes dados são próximos ao de Ortuño (2003) para mesma espécie de cana, com um teor de humidade saturada por 24 horas de 94,85%. Assim como os resultados encontrados por Lord (2003), para a Arundo donax L. sauturada por três dias, que variou entre 75 e 90%. Estes resultados ressaltam a elevada higroscopsidade e facilidade em absorver água, perceptível no ensaio anterior (4.1.4), mesmo que por um período curto de tempo. Ao final das 168 horas de imersão a absorção entre grupos era muito próxima, com uma média de 130,64% (G1) e 129,31 % (G2). a) b) 79 A média do teor de humidade da cana seca naturalmente e seca em estufa, pós imersão é apresentado na Tabela 14. Tabela 14 – Média do teor de humidade Grupo Média teor em água – secas ao ar (%) DP Média teor em água – seca em estufa (%) DP G1 s/ nó 108,64 26,14 163,15 22,52 G1 c/ nó 105,28 12,18 183,01 14,10 G2 s/ nó 117,31 5,66 179,04 7,75 G2 c/ nó 96,52 26,71 175,60 22,79 Pela heterogenidade da cana, o tempo de secagem ao ar (laboratório) variou e não foi o mesmo para todas as amostras, 65% das canas foram para o exsicador com 3380 minutos de sacagem, destes, 50% eram G1 (com e sem nó). Os restantes 35% ingressaram ao exsicador posteriormente, até 4460 minutos de secagem. Cada amostra ficou 24 horas no exsicador antes de verificar as dimensões e massa. Em seguida foram para a estufa, lembrando que 65% foi para a estufa em um dia e o restante em outro. O período em estufa para os 65% e 35% das amostras foi de 3760 e 2850 minutos respectivamente, tendo novamente verificações dimensionais e de massa. Analisando o G1, dentre as amostras com e sem nó, foi possível observar que o nó tem certa influência no período de secagem, apesar de todas as amostras do G1 terem ido juntas ao exsicador por terem atingido massa próxima à inicial, as canas com nó apresentavam uma variação de massa ainda maior que as sem nó (até quase 50%), possivelvente o nó dificulta a disperssão de água no sentido longitudinal das fibras. O teor de humidade findado período de secagem ao ar, se mostrou maior nas amostras sem nó, com destaque para o G2. Contudo, após processo de secagem em estufa, o maior teor de humidade existente foi no G1 com nó, compatível com intensidade de absorção durante imersão total em água, assim como demais variáveis, não apresentando assim, nenhuma tendência por grupo e variável ensaiada. A massa volúmica das amostras saturadas, secas ao ar e em estufa, por grupo, são analisadas a partir da Tabela 15. 80 Tabela 15 – Análise por grupo da massa volúmica saturada, seca ao ar e seca em estufa Grupo Massa volúmica saturada (g/cm³) DP Massa volúmica seca ar (g/cm³) DP Massa volúmica seca estufa (g/cm³) DP G1 (média total) 1,189 0,116 0,603 0,074 0,491 0,41 G2 (média total) 1,124 0,112 0,579 0,108 0,451 0,058 Aqui, segue a tendência analisada no item 4.1.3, de que as amostras retiradas mais próximas ao topo da haste, possuem maior massa volúmica, neste caso, mesmo saturada. Caracterização biológica Bassam & Dalianis (2010), defendem que a possível durabilidade da Arundo donax L. está relacionada a existência de sílica na sua composição. Contudo, o potencial higroscópico e o conteúdo de nutrientes torna os materiais mais suscetíveis a fungo, sendo que uma humidade relativa considerada segura para o não aparecimento de fungo vai sempre depender do tipo de material (Block, 1953; Viitanen & Salonvaara, 2010). A cana, assim como a madeira ou produtos à base de madeira, sob condições favoráveis pode apresentar sensibilidade ao aparecimento de fungos na superfície (Lautkankare, 2013b). Viitanen (2001) aponta que a qualidade do material determina a intensidade de crescimento do fungo, junto a fatores como humidade do ar, teor de humidade do material, temperatura e o tempo de exposição, que são determinantes para compreender o crescimento de fungos. Normalmente os fungos precisam de nutrientes para crescer, além da humidade e temperatura correta. Contudo, alguns fungos podem simplesmente crescer a partir da poeira na superfície de algum material desfavorável ao aparecimento de fungos (Bergholm, 2012). Sendo a humidade um fator determinante para o desenvolvimento dos fungos, 20% das canas estudadas foram secas em estufa por 24 horas (humidade igual a 0%) e 80% haviam sido secas naturalmente ao ar, pelo período de um ano. O teor de humidade do G1 corresponde a 8,82% e G2 de 8,88%. A Figura 61 apresenta o índice de fungos alcançado para as canas estudadas. A avaliação do índice de fungo foi realizada por duas pessoas. Para ambas foi a primeira vez analisando presença de fungos em material natural, então, tudo o que aparece, a olho nu e no microscópio é algo novo, por não saber exatamente 81 o que procurar, ou o que se está olhando. Algumas vezes, a interpretação no índice de fungo foi oposta e, por isso, é importante mais que um avaliador. Figura 61 – Índice de fungo da cana. O crescimento do fungo pode ser observado em todas as amostras de cana. Observa-se também que a intensidade de crescimento variou entre o tipo de grupo e procedimento de secagem. De acordo com a Figura 61, o período de resposta para o surgimento de fungos e bolores na superfície das amostras de cana foi de 7 dias. Sobre as amostras secas, Figura 62, o G1 não apresentou sinais de fungos visualmente na superfície e nem no microscópio na primeira semana (Figura 62 (a; b; c)). Contudo, o G2 visualmente, apresentava uma pequena macha castanha na lateral em uma das pontas da cana. Uma análise mais detalhada em microscópio permitiu visualizar sinais de fungos na superfície se comparado com a imagem de referência (Figura 62 (d; e; f)), porém com uma intensidade mínima em comparação com as demais amostras (com humidade). Considerando as amostras secas e húmidas, ao analisar os estágios de crescimento de fungo, os índices mais elevados são encontrados no G2, onde a média entre as amostras atingiu índice 5 com 14 dias de exposição e índice 6 com 35 dias. A amostra seca do G2 atingiu índice 5 um pouco mais tardio, com 35 dias de ensaio. Já o G1, independentemente do procedimento de secagem, não chegou a atingir o nível 5 durante todo o ensaio (42 dias). As Figuras 63 e 64 mostram o crescimento dos fungos desde o início do ensaio e ao final dos 42 dias de ensaio para os grupos 1 e 2, respectivamente. 82 Figura 62 – Crescimento de fungos nas canas secas vistas no microscópio (5x). Referência G1-Seco (a); 7 dias de ensaio G1-seco (b); 14 dias de ensaio G1-Seco (c); Referência G2-Seco (d); 7 dias de ensaio G2-Seco (e); 14 dias de ensaio G2-Seco (f). Figura 63 – Crescimento de fungo no G1, cada amostra com imagem de referência e com 42 dias de ensaio. Figura 64 – Crescimento de fungo no G2, cada amostra com imagem de referência e com 42 dias de ensaio. A análise das fotos apresentadas nas Figuras 63 e 64 mostram que apesar de possuírem um teor de humidade semelhante, no geral, o G1 (Figura 63) apresentou uma evolução fúngica mais lenta e com menor degradação em comparação ao G2 (Figura 64). Provavelmente, este comportamento está ligado à espessura das amostras, quantidade e tamanho dos feixes vasculares, que absorveram maior humidade durante ensaio. a) b) c) G1 - Seco G1 - I G2 - Seco GI - II G1 - III G1 - IV G2 - I G2 - II G2 - IV e) f) d) G2 - III 83 É interessante observar que, em alguns casos, a análise a olho nu do material não revela as pequenas partículas de fungos existentes, isso confirma-se quando analisamos fotograficamente o mesmo material, o zoom permite visualizar pontos, que em uma primeira análise não são captados. O G2, com exceção da amostra seca em estufa, em uma semana tinha a superfície das canas cobertas entre 60 e 80% por um fungo de pigmentação castanha e escura. A amostra G2 - II com 21 dias de ensaio apresentou uma espécie de fungo branco que cobriu e elevou-se acima da superfície da cana, evoluindo até a semana seguinte e depois mantendo o crescimento controlado até o final dos 42 dias. O mesmo ocorreu com a cana G2 - IV, mas em menor intensidade e com 35 dias de ensaio. No microscópio, a partir de 14 dias de ensaio, começa-se a notar nas amostras de ambos os grupos, pequenas ramificações fúngicas mais escuras, pequenas “bolinhas” de fungo com coloração às vezes cinza mais claro ou tom escuro também ganham mais forma, evoluindo a ponto de quase não se verificar mais a parede da cana (Figura 65). Com 42 dias de ensaio, manchas escuras tomam conta da cana. No Anexo III, é possível notar a evolução fúngica via registro fotográfico e microscópico, para uma amostra de cada variável analisada neste estudo, seguido do índice de fungo adaptado e registro de massa por semana. Figura 65 – Evolução fúngica no microscópio. Referência G1-II (10x) (a); G1-II com 14 dias de ensaio (10x) (b); G1-II com 28 dias (10x) (c); Referência G2-III (10x)(d); G2-III 14 dias (5x) (e); G2-III 28 dias (5x) (f). Os resultados obtidos para a Arundo donax L. colhida em Portugal corroboram a tendência de crescimento de fungos em materiais orgânicos, e se assemelham a investigação desenvolvida por Bergholm (2012), que utilizou canas provenientes 3 locais diferentes da Finlândia. O autor analisou a camada externa da cana, amostras de 5 cm de Phragmites australis de três diferentes locais, que foram estruturadas em feixes de haste inteira e amarradas com arame de ferro. Estas amostras permaneceram a) b) c) d) e) f) 84 em câmara climática, a uma humidade relativa de ±93 - 95% e temperatura de +22ºC, pelo período inicial de 8 semanas. Foram ensaiadas 18 amostras de feixes de cana, onde, 80% mostraram crescimento de fungo já na primeira semana, visível a olho nu, tendo presença em todas as amostras na segunda semana de análise. Porém, nenhuma das amostras atingiu 100% de cobertura de fungo. Outra conclusão, foi que a origem da cana, não pareceu ter relevância quanto a resistência ao fungo (Bergholm, 2012). Este estudo corrobora a análise de durabilidade da presente investigação, que chegou a um máximo de cobertura por fungo registrada de 90% para G2 e 65% para G1. Quanto aos materiais de isolamento térmico convencionais ensaiados (lã de rocha e XPS), a evolução durante o ensaio pode ser vista na Figura 66. Figura 66 – Análise microscópica (5x) de materiais de isolamento térmico convencionais. Lã de rocha (referência) (a); lã de rocha com 21 dias de ensaio (b); lã de rocha com 35 dias de ensaio (c); XPS (referência) (d); XPS após 28 dias de ensaio (e); XPS após 35 dias de ensaio (f). A estrutura da lã de rocha, por muitas vezes dificultou a análise e compreensão quanto ao aparecimento ou não de fungos. A avaliação visual e até mesmo microscópica é mais complica devido à sua composição e geometria. As amostras antes de ensaio, já tem em sua estrutura muitos pontos escuros, qualquer ponto após início do ensaio pode ou não ser fungo, tornando a percepção delicada. No microscópio, os pequenos filetes transparentes agregados aos pequenos pontos causaram questionamentos (Figura 66 (a; b; c)). Esta mesma barreira, ocorreu na investigação de Bergholm (2012), onde a lã mineral causou dificuldade e contradição entre as avaliações, sendo retirada da conclusão do trabalho. a) b) c) e) f) d) 85 Contudo, a avaliação é de não surgimento de fungos nem a olho nu, nem visualizando em microscópio. Assim como para Viitanen & Salonvaara (2010) que por um período de 3 meses não detectaram sinais de fungo nas superfícies da lã de vidro. Foi observado, que no fundo da placa de Petri, a amostra 3 parecia ter um tom esverdeado, não o suficiente para concluir que se tratava da presença de fungos O XPS manteve-se visualmente intacto pelo período de 42 dias, sem qualquer sinal de colônias fúngicas. Contudo, no microscópio é possível visualizar algumas mudanças no XPS, como um aumento de pontos escuros em 28 dias de ensaio (Figura 66 (e)). Bergholm (2012) utilizou o EPS como material de isolamento térmico em ensaio junto a cana, no qual registrou o não surgimento de fungos nas amostras. Seu estudo também utilizou o betão (sem crescimento de fungos) e a madeira (pinho com 100% de cobertura por fungo) como materiais de referência. A evolução da massa dos materiais estudados é apresentada na Figura 67. Figura 67 – Variação de massa durante 42 dias de ensaio. Em uma semana na câmara climática, todas as amostras de cana elevam a sua massa, podendo este aumento estar relacionado com o aumento da humidade relativa, devido ao equilíbrio entre humidade da amostra e humidade da câmara, e do aparecimento de fungos em 90% das amostras de cana. Contudo, 100% do G2 teve sua massa reduzida mesmo com o crescimento dos fungos na segunda semana de ensaio e ocorrendo a partir daí, uma inconstante variação de massa nas semanas seguintes. Ao final do ensaio, todas as amostras de cana, G1 e G2, tinham um peso inferior ao registrado na semana anterior. 86 Assim como para a madeira, onde a perda de massa é um indicador de decomposição fúngica (Schirp & Wolcott, 2005), a perda de massa na cana pode estar relacionada com o crescimento do fungo que ao mesmo tempo que cresce, degrada o tecido celular da cana, causando diminuição na massa. Com as amostras de lã de rocha e XPS o fenômeno também ocorre, de modo quase imperceptível, entre a segunda e terceira semana. Os resultados apresentados mostram uma resistência à proliferação de fungos inferior para as canas quando comparada aos materiais como o XPS e a lã de rocha, utilizados comumente na construção civil. É necessário levar em consideração que para este estudo foram utilizadas condições climáticas adequadas para proliferação de fungos (+22°C ±90% HR) (Lautkankare, 2013b). Em ambientes naturais específicos, condições climáticas semelhantes podem acontecer. Em Portugal, zona próxima a rios e ribeiras, atinge condições de humidade e temperatura semelhante as deste estudo, podendo ocorrer por um curto período no verão, normalmente à noite (Fernandes et al., 2020). Além disso, na prática, para garantir a saúde dos ocupantes, a humidade relativa do ar deve ser entre 20% e 60% no interior das edificações residenciais (Bergholm, 2012). Quando em situações reais de uso, há resistência a fungos de podridão na superfície externa, principalmente quando ocorre boa ventilação incidente no material (Bejarano & Delgado, 2012). Ortuño (2003) refere que a cana para construção é utilizada sem quaisquer tipos de tratamento, ou seja, é utilizada como se recebe (seca ao ar). Porém, diante dos resultados para durabilidade aqui apresentados, observa-se o importante papel do teor de humidade quanto a proliferação de fungos, pois canas mais secas apresentaram uma evolução mais lenta quanto ao crescimento de fungos. Alguns estudos apresentam alternativas para proteção da cana contra agentes biológicos, podridão e desgastes físicos. Uma das técnicas é mergulhá-las no leite de limão para evitar apodrecimento (Minke, 2006). O projeto Canyaviva, por meio de publicações de seus workshops, cita o uso da cal, gesso e o limão aplicado à estrutura (Canyaviva, n.d.). Outra sugestão para prolongar a vida útil da cana, é utilizar silicato, pois este imita a proteção natural da cana, além de ser considerado fungicida, protege de raios ultravioleta (UV) e é respirável (Couvreur & Remón, 2019). Devido à sua superfície externa rígida e lisa, a aderência de qualquer produto pode ser um desafio, como vivenciado por alguns artesãos que trabalham com a cana, que lixam a sua superfície a fim de aumentar a porosidade e assim proteger melhor o material (Couvreur & Remón, 2019). Um estudo, buscou no bio-óleo da cana a proteção contra fungos e insetos na madeira, obtendo resultados positivos (Temiz et al., 2013). Apontando que a cana em sua estrutura e composição, tem 93 grupo misto, ambos enquadrados no limite de condutividade aceitável em regulamentação, o G2 ficou por último, mas ainda sim com boa resistência térmica. Quando comparado os painéis feitos de esteira, o G1 paralelo possui resultados muito próximos do G1 perpendicular, são duas boas e eficientes soluções, contudo, a paralela precisa de uma esteira a mais na composição, ou seja, precisa de mais canas. Para os painéis de 15 cm, o G1 também apresentou melhor desempenho, seguido do misto e por último G2. Aqui todas as amostras ficaram acima dos 0,065 W/m.°C em condutividade térmica, mas todos cumprem no quesito resistência térmica (>0,30 m².°C/W). Diferentemente dos painéis de 10 cm, neste caso, o G1 perpendicular obteve um melhor desempenho térmico quando comparado com o G1 paralelo, mas mais que isto, este painel atingiu a maior resistência do ensaio, com 2,035 m².°C/W e consequentemente menor transmissão térmica registrada. É, sem dúvida, uma excelente solução de isolamento térmico, mesmo com uma condutividade pouco acima dos requisitos em vigor. No ensaio perpendicular, para ambas as espessuras (10 e 15 cm), o grupo que se destaca em desempenho térmico são com as canas de menor dimensão, ou seja, G1. 4.3.4 Influência do posicionamento das canas para realização do ensaio (horizontal ou vertical) nos parâmetros térmicos estudados Dos painéis paralelos, ensaiados por grupos e espessuras, em ambas as posições (vertical e horizontal), 71,24% obtiveram menor condutividade térmica e maior resistência térmica na posição horizontal. Tornando clara a tendência de que a posição horizontal da cana proporciona um melhor desempenho térmico. Como mencionado no item anterior, os painéis com canas perpendiculares umas às outras possuem um grande potencial como solução de isolamento térmico, e com menos canas. Aqui é um conjunto entre vertical e horizontal, como um equilíbrio, onde a médias para condutividade e resistência foram mais promissoras nos painéis perpendiculares do que nos paralelos. O bom desempenho ligado ao ensaio perpendicular, com menos canas, e a tendência associada aos bons resultados nos painéis ensaiados na horizontal, pode ser da característica anisotrópica do material. Observou-se que nos painéis de 10 cm onde foi realizado um maior número de ensaios verticais e horizontais para os grupos, a tendência é de uma menor condutividade térmica em amostras ensaiadas 94 horizontalmente. Os resultados dos painéis perpendiculares são muito próximos aos painéis paralelos ensaiados na horizontal (esteira) com exceção do G1. Para esteira 15 cm paralelo os ensaios foram apenas verticais, dificultando a comparação, contudo de três grupos ensaiados, dois obtiveram melhor desempenho no modo perpendicular, apontando que o sentido do material tem impacte. A condutividade térmica depende da temperatura, composição e orientação do material, assim, para materiais anisotrópicos, a direção é um importante fator para determinar a condutividade térmica (Ezekoye, 2015). Na Argentina, uma solução construtiva é o muro de quiche, ao centro da espessura da parede são dispostas canas, mais especificamente a Arundo donax L. da região, e revestidas com terra. Ao analisar o desempenho do muro e dos materiais, descobriu-se que para uma fileira de cana (20 mm diâmetro), dispostas na horizontal, possui resistência térmica de 0,209 m².°C/W (Cuitiño et al., 2011). Um painel esteira de 10 cm, com canas do G2 de diâmetro acima de 15 mm, é composto por 6 esteiras, se o equivalente a uma esteira a resistência apresentada por Cuitiño et al. (2011) é 0,209 m².°C/W, e multiplicado este valor pelas 6 esteiras do painel, é possível obter valores de resistência próximas a este presente ensaio. Boa parte dos resultados aqui apresentados, quanto a condutividade térmica, se assemelham ao encontrado para a Arundo donax L., em painéis com condutividade entre 0,074 a 0,086 W/m.°C (Ferrández-García et al., 2012). Contudo, na composição do painel estudado por Ferrández-García et al. (2012) há aglutinantes, que contribuem para o resultado. 4.3.5 Influência do diâmetro das canas nos parâmetros térmicos estudados Os resultados obtidos apontam para uma tendência de melhor performance térmica para os painéis do G1, com diâmetro médio igual a 13,37 mm. O G2 com 16,79 mm (com amostra chegando a 21,5 mm) possuem resultados ligeiramente inferiores de modo geral. Contudo, quando o painel é misto, há um certo equilíbrio entre os diâmetros, não tem o melhor nem o pior resultado, com exceção do painel caixa 5cm, que o painel misto se sobressaiu. Esta tendência é facilmente observada nos resultados para painéis perpendiculares. Um estudo realizado com Phragmites australis , usando o método da hot box , painéis com 56 mm, tendo canas com média de diâmetro entre 3,6 e 8,8 mm, obteve-se 0,065 W/m.°C de condutividade térmica (Asdrubali et al., 2016). De acordo com o autor, em oposição aos resultados obtidos nesta pesquisa, a diferença entre os diâmetros das canas não causa interferência nos resultados. Um importante fator a 95 ter em conta nesta comparação entre resultados é a questão do diâmetro. Os diâmetros aqui trabalhados não são tão pequenos como os da Phragmites australis estudadas por Asdrubali et al. (2016) . 4.3.6 Cana como material de isolamento térmico Analisando o poder de transmitir o calor de um lado a outro do material, um fardo de palha com 500 mm de espessura atinge uma transmissão térmica (U) entre 0,130 a 0,200 W/m².°C (Nunes, 2017), e a cana colhida em Portugal tem muito potencial para competir com a palha, visto que em 150 mm de espessura chegou a uma transmissão térmica de 0,491 W/m².°C no painel perpendicular. Pois, quanto mais baixo for o valor U, melhor será considerado o isolamento térmico da construção (Energy Saving Trust, 2006). Se os painéis fossem analisados como um elemento opaco vertical da envolvente exterior, analisando os limites de referência para o coeficiente de transmissão térmica (U), compreendido no Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH), e considerando a zona climática I1 (inverno) e V3 (verão) (Decreto-Lei n° 80/2006, 2006), correspondente ao conselho de Serpa (local de colheita das canas), o valor de referência para U em zona I1 é de 0,50 W/m².°C e U máximo de 1,75 W/m².°C (Ministério do Ambiente, 2015). Os painéis de cana se aproximam deste valor de referência, tendo um abaixo de 0,50 W/m².°C, sendo que nenhum atinge o limite de transmissão determinado. A humidade está diretamente ligada com uma alta ou baixa condutividade, quanto maior for o conteúdo de humidade do material maior será a sua condutividade térmica, permitindo uma maior transferência de calor (Gaujena et al., 2020; Modi et al., 2014). Sendo as canas utilizadas, apenas secas naturalmente, ainda possuem humidade residual no tecido celular, esta pode ou não,, ter tido alguma participação nos resultados. Diversos autores, creditam ao ar, o potencial térmico dos materiais, como Al-Homoud (2005), que aponta que o que confere a resistência térmica é o ar contido no material natural, assim, se um material tem capacidade de resistir ao fluxo de calor insidente nele, significa que existe ar na parede célular. Focando diretamente nas hastes de cana, Miljan (2013) afirma que a boa propriedade de isolamento térmico está na estrutura oca, preservando o ar dentro de sua haste. Materiais de isolamento térmico convencionais com base de espuma de plástico como o poliestireno e poliuretano, na fabricação utilizam um gás fluorocarbono, conhecido por ser mais pesado que ar. Este 96 gás substitui o ar dentro das células proporcionando um melhor desempenho térmico (Al-Homoud, 2005). Mesmo sem este gás pesado, o desempenho da cana é evidentemente satisfatório (Tabela 20). Tabela 20 – Conditividade térmica de materiais de isolamento térmico convecionais comparados a cana em estudo Material de isolamento térmico Espessura (mm) Condutividade Térmica W/m.°C Resistência Térmica m².°C/W Referência XPS 50 - 100 0,036 – 0,038 1,40 - 2,65 (Danosa, 2021) EPS 50 - 100 0,034 – 0,042 1,15 - 2,90 (Fibroson, 2021) Lã de rocha 50 - 100 0,033 – 0,037 1,35 - 3,00 (Termolan, 2021) Arundo donax L. 50 - 100 0,044 – 0,078 0,85 - 1,65 Este estudo Dos 33 ensaios apresentados, 36,36% possui condutividade térmica em conformidade com os requisitos térmicos exigidos para Portugal (< 0,065 W/m.°C), e 100 % dos painéis ensaiados cumprem com a legislação para resistência térmica (>0,30 m².°C/W). A Arundo donax L. é uma promissora solução para isolamento térmico das envolventes, tendo de ser sempre levado em consideração a massa volúmica e a posição do painel. Os resultados são positivos do ponto de vista térmico, mas também do ponto de vista da sustentabilidade. Sendo uma solução viável e eficiente como material de isolamento térmico, sem custo na produção do material, com tipologia de painéis que podem ser executados por mão-de-obra não especializada, e com custo reduzido no transporte, sendo um material de fácil localização em Portugal. É importante seguir realizando ensaios com a cana a fim de se chegar a melhores soluções, como por exemplo testar painéis com canas de menores espessuras que o estipulado no G1, ou seja, mais próximas ao topo. Isto para seguir testando a tendência de quanto maior a massa volúmica menor a condutividade, e como visto anteriormente (4.1.3), a cana com menor espessura tem maior massa volúmica. Além disso, é necessário conhecer o comportamento dos painéis de cana como material de isolamento térmico para soluções construtivas reais, vernáculas e em terra, através de ensaios in situ ou em protótipos, no sentido de dar resposta à questão inicial do trabalho. 97 5 CONCLUSÕES Em contraponto com a produção de materiais de isolamento térmico convencionais, associados ao consumo de grandes quantidades de energia durante a sua produção e transporte (energia incorporada) e, consequentemente a importantes emissões de gases de efeito estufa, a utilização de materiais naturais tem-se tornado uma opção cada vez mais viável e atrativa. Os resultados aqui apresentados evidenciam o potencial de utilização da cana gigante Arundo donax L. colhida em Portugal como material de construção e, de maneira mais específica, como material de isolamento térmico. Mostra-se aqui, através de características técnicas, que a cana que em tempos teve um lugar de destaque na arquitetura vernácula portuguesa, continua a apresentar potencial para ser inserida novamente na construção, podendo ser utilizado de muitas formas na arquitetura, tanto na reabilitação da arquitetura tradicional como em novas propostas contemporâneas, criando novas técnicas de construção e possibilitando um maior conforto térmico. Sendo um material abundante e disponível em todo o território Português, é possível desenvolver e fabricar painéis termicamente eficazes que possam contribuir para o conforto no interior de uma edificação. É importante ainda ressaltar que, por ser um material local, o custo com o transporte é baixo, fomenta cadeias de valor à escala local e emite menores quantidades de poluentes. Adicionalmente, a Arundo donax L., no final da sua vida útil, pode ser devolvida ao meio ambiente com reduzidos impactes ambientais ou ser valorizada energeticamente. A Arundo donax L. portuguesa atinge teores de humidade semelhantes e até mais baixos que a madeira, tornando-a um material em potencial para ser aplicado na construção. A Arundo donax L. mostrou uma elevada higroscopicidade, podendo em condições de imersão total atingir mais de 90% de absorção de água (teor de humidade) em apenas 24 horas, e um aumento de massa de 50% em imersão parcial, sendo este um fator a ter em consideração quando da sua utilização em soluções construtivas. A variação dimensional durante secagem em estufa, após um ano de secagem natural, destacou-se para as amostras com menor diâmetro (entre 11 e 15mm), nos três quesitos avaliados, diâmetro, espessura e comprimento, com maior variação na região sem nó (entrenó). A maior variação alcançada foi 7,35% para a espessura. A retração na Arundo donax L. ocorre, com valores inferiores ao bambu e muito próximos aos valores da Phragmites australis . Considerando o uso da Arundo donax L. inteira na construção, a retração não deve ser um problema, visto que para os diferentes diâmetros estudados a 98 retração linear é de menos de 5% e menos de 8% na retração volumétrica. Além de não ter sido notada qualquer deformação na estrutura da cana, como pode acontecer ao bambu e a madeira. No que diz respeito ao desenvolvimento de fungos, sob condições favoráveis, as amostras Arundo donax L. apresentaram uma taxa de desenvolvimento elevada ao final de 42 dias de ensaio. Contudo, há alguns pontos que devem ser destacados: a superfície estudada foi a mais vulnerável, interior; condições semelhantes as que foram estudadas podem ocorrer em ambientes naturais muito específicos; quando submetida a uma secagem artificial, há uma redução considerável na taxa de crescimento dos fungos. O desempenho térmico da Arundo donax L . estudada é muito satisfatório. Quase 40% dos painéis cumpriram com a regulamentação em vigor no que diz respeito à condutividade e 100% apresenta resistência térmica em conformidade. Destacam-se os painéis de 5 cm, que já cumprem todos os requisitos com menos canas que um painel de 15 cm que cumpre parcialmente, tornando claro que uma maior quantidade de cana não está diretamente relacionada com um melhor desempenho térmico. Contudo, é preciso encontrar um equilíbrio, pois apesar das baixas condutividades em painéis de menores espessuras, a resistência também é a menor registrada. Há uma tendência para painéis com maior massa volúmica apresentarem menor condutividade térmica e quanto menor a massa volúmica maior a resistência térmica. Um fator relevante é a posição de ensaio (vertical ou horizontal). As canas na horizontal demonstram melhor desempenho. Sobre o diâmetro, as hastes de Arundo donax L. com menor diâmetro mostraram maior potencial térmico. A tipologia do painel também deve ser tida em consideração. Para o caso estudado, no geral, os painéis construídos em modo esteira, apresentaram melhores resultados. Muitos são os fatores que devem ser considerados, levando a importância de se realizar mais ensaios e analisar as tendências aqui apresentadas. Os resultados com as hastes de Arundo donax L. paralelas umas às outras, foram muito semelhantes entre os tipos de painéis, de modo geral, as caixas atingiram uma resistência térmica entre 0,878 e 1,935 m².°C/W e as esteiras entre 0,850 e 1,894 m².°C/W, e a maior resistência térmica foi registrada no painel perpendicular de 15 cm do G1 com 2,035 m².°C/W. A Arundo donax L. tem amplo potencial para ser utilizada na arquitetura, com boas perspectivas como material de isolamento térmico, além de seus usos variados. Será mesmo que esta planta deve ser considerada uma invasora ao invés de recurso abundante? Será esta a melhor solução? Muitos locais já plantam propositalmente, seja para construção ou para capturar CO². Portugal tem em seu território um interessante material natural, um recurso abundante, e com capacidade de resistência a fogos rurais, pois o seu rizoma garante a sua continuidade. No entanto, o seu crescimento deverá ser controlado de 99 modo a não causar danos ao ecossistema, isso é indiscutível, mas deve ser feito melhor uso, retirando da lista de invasora, e inserir em uma lista de solução natural com potencial construtivo. É necessário na arquitetura, continuar a procurar novas alternativas mais sustentáveis para a construção, novas tecnologias e materiais que minimizem os impactes causados nas últimas décadas, sempre levando em consideração os pilares da sutentabilidade: económico, social e ambiental. É preciso que se pense em usos diferentes para estes materiais naturais por meio de antigas técnicas da construção vernácula aliadas a soluções inovadoras, explorar e potencializar novos materiais que possibilitem a bioconstrução com funcionalidade, base científica, bom desempenho técnico e alta eficiência energética. Espera-se que a cana aliada às paredes tradicionais de terra, destacadas pelo projeto de investigação reVer, alcancem uma compatibilidade física e térmica, a ponto de dispor de um bom desempenho térmico interno e durabilidade. Sabe-se que ambos os materiais (cana e terra) compõem técnicas construtivas vernáculas, como as paredes de tabique e as paredes de “quiche” da Argentina. A questão a esclarecer é como a cana vai reagir como uma solução construtiva pelo exterior, sem ser parte da composição da alvenaria de terra. Assim, o projeto reVer+ segue no comprometimento com a sustentabilidade na construção, buscando e analisando soluções promissoras e viáveis para a arquitetura portuguesa. O mundo clama por eficiência energética diante das alterações climáticas causadas pelo ser humano num processo constante de industrialização e consequentemente emissão de poluentes na atmosfera. A arquitetura contemporânea e a selva de aço e betão precisam evoluir, e o futuro deve ser inspirado nas técnicas e materiais do passado, aliados ao conhecimento científico do presente. Sugestões para trabalhos futuros A cana é um material que tem muito ainda para ser investigado, não só na construção, mas em diversas áreas científicas. No segmento desta investigação propõem-se algumas sugestões de trabalhos futuros que venham a complementar esta pesquisa, que são: • Analisar o efeito da humidade no potencial térmico da cana, ensaiando canas com diferentes períodos e modos de secagem; • Verificar o nível de permeabilidade ao vapor de água da cana; • Realizar ensaio mecânicos com a cana de origem portuguesa e comparar com dados de outras regiões do globo; 100 • Realizar ensaios com produtos (naturais ou não) de potencial proteção física da cana, a fim de atestar uma melhor durabilidade mas com a garantia de não alteração das propriedades do material; • Realizar uma análise de durabilidade mais aprofundada, com diferentes humidades relativas e temperaturas, a fim de analisar e verificar a que condições climáticas de segurança a cana resiste ao crescimento de fungos; • No âmbito do desempenho térmico, realizar novos ensaios com painel de cana revestido com uma argamassa de gesso ou argamassa de terra, analisando seu desempenho em uma situação de proteção e acabamento do painel; • Caracterizar a espécie de “algodão” existente no interior das canas e estudar a sua importância na estrutura da cana e no comportamento do nó; • Realizar os mesmos ensaios de caracterização termo-física e de durabilidade para a espécie Phragmites australis , realizando uma análise comparativa com a Arundo donax L. analisada neste estudo; • Realizar de uma avaliação do ciclo de vida para as canas, para identificar as suas mais-valias ambientais em relação aos materiais de isolamento térmico convencionais; • Analisar microscopicamente a cana sob efeito de absorção de água e durante a secagem, em processo de retração, a fim de estudar o comportamento celular (fibras e poros) perante estas situações. 101 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AAVV. 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G1 (Fotografia) G1 (Fotografia) G1 (microscópio 5x) Índice de fungo Massa (g) G1 – seco em estufa (Fotografia) G1 – seco em estufa (Foto) G1 – Seco em estufa (microscópio 5x) Índice de fungo Massa (g) 28 dias 4,0 0,187 28 dias 4,0 0,137 35 dias 4,0 0,195 35 dias 4,0 0,143 42 dias 4,0 0,189 42 dias 4,5 0,138 117 Tabela 24 – Crescimento de fungo na Arundo donax L. grupo 2 (G2) durante 42 dias G2 (Fotografia) G2 (Fotografia) G2 (microscópio 5x) Índice de fungo Massa (g) G2 – seco em estufa (Fotografia) G2 – seco em estufa (Fotografia) G2 – Seco em estufa (microscópio 5x) Índice de fungo Massa (g) Referência 0 0,406 Referência 0 0,308 7 dias 4,0 0,485 7 dias 1,5 0,361 14 dias 5,0 0,445 14 dias 4,0 0,321 - 21 dias - 5,0 0,410 21 dias 4,0 0,308 118 Tabela 24 – Crescimento de fungo na Arundo donax L. grupo 2 (G2) durante 42 dias (Cont.) G2 (Fotografia) G2 (Fotografia) G2 (microscópio 5x) Índice de fungo Massa (g) G2 – seco em estufa (Fotografia) G2 – seco em estufa (Fotografia) G2 – Seco em estufa (microscópio 5x) Índice de fungo Massa (g) 28 dias 5,5 0,418 28 dias 5,0 0,309 35 dias 6,0 0,431 35 dias 5,0 0,319 42 dias 6,0 0,417 42 dias 6,0 0,301 125 Tabela 30 – Características dos painéis paralelos tipo caixa e esteira do grupo misto (G1+G2) (Cont.) Painel Paralelo G1+G2 Espessura e Posição Painel Caixa Nº de canas Nº de canas c/ nó Nº de canas s/ nó Massa volúmica (g/cm³) Espessura e Posição Painel Esteira Nº de canas Nº de canas c/ nó Nº de canas s/ nó Massa volúmica (g/cm³) 5 cm (H) 38 37 1 0,238 10 cm (V) - - - 0,194 10 cm (V) -- 71 69 2 0,221 10 cm (H) 62 54 8 0,214 10 cm (H) -- 71 69 2 0,221 15 cm (V) -- 97 88 9 0,175 15 cm (V) 101 98 3 0,212 126 Tabela 30 – Características dos painéis paralelos tipo caixa e esteira do grupo misto (G1+G2) (Conc.) Painel Paralelo G1+G2 Espessura e Posição Painel Caixa Nº de canas Nº de canas c/ nó Nº de canas s/ nó Massa volúmica (g/cm³) Espessura e Posição Painel Esteira Nº de canas Nº de canas c/ nó Nº de canas s/ nó Massa volúmica (g/cm³) 15 cm (H) 98 - - 0,209 Tabela 31 – Características dos painéis perpendiculares do grupo misto (G1+G2) Painel Perpendicular G1+G2 Espessura e Posição Painel Esteira Nº de canas Nº de canas c/ nó Nº de canas s/ nó Massa volúmica (g/cm³) Espessura e Posição Painel Esteira Nº de canas Nº de canas c/ nó Nº de canas s/ nó Massa volúmica (g/cm³) 10 cm 53 51 2 0,183 15 cm 70 68 2 0,158