Mechanical properties of chemically modified portuguese pinewood

To turn wood into a construction material with enhanced properties, many methods of chemical modification have been developed in the last few decades. In this work, mechanical properties of pine wood were chemically modified, compared and evaluated. Maritime pine wood (Pinus pinaster) was modified with four chemical processes: 1,3-dimethylol-4,5- dihydroxyethyleneurea, N-methylol melamine formaldehyde, tetra-alkoxysilane and wax. The following mechanical properties were assessed experimentally: Modulus of elasticity measured statically, stiffness stabilization efficiency in different climates (30 and 87% of relative humidity), modulus of rupture, work maximum load, impact bending strength, compression, tensile and shear strength at indoor conditions (65% of relative humidity). In both types of active principle of modification, cell wall or lumen fill, no significant changes on the bending stiffness (modulus of elasticity) were found. In the remaining properties analysed significant changes in the modified wood-material took place compared to unmodified wood control: - Cell wall modification was the most effective method to achieve high stiffness stabilization efficiency (up to 60%) and also increased compression strength (up to 230%). However, modulus of rupture, tensile, shear and the impact bending strength were reduced by both resins, but in a varying extent, where the N-methylol melamine formaldehyde endured less reduction than 1,3-dimethylol-4,5-dihydroxyethyleneurea resin. In the latter, reduction up to 60% can take place. - In the lumen fill modification: tetra-alkoxysilane has no effect in the mechanical properties. Although, a slight increase in shear strength parallel to the grain was found. Wax specimens have shown a slight increase in bending strength, compression, tensile and shear strength as well as in the absorption energy capacity.

Nephrotoxicity effects of the wood preservative chromium copper arsenate on mice: histopathological and quantitative approaches

Chromium copper arsenate(CCA)was used for the protection of wood building material suntil the restriction by EPA in2002. During a short period of time 14–24h,a comparative nephrotoxicity study was performed regarding the effects of CCA and its compounds per se. Histopathological and histochemical features were correlated with the concentration of the total arsenic and chromium in mice kidney. Animals were subcutaneously injected with CCA(7.2mg/kg arsenic and 10.2mg/kg chromium per body weight), CrO3 (10.2 mg/kg),As2O5 (7.2 mg/kg)andNaCl(0.9%) per se. The histopathological examination of the renal sections evidenced acute tubular necrosis in the groups of animals exposed to CCA(in both periods of time). Although the same contents of pentavalent arsenic and hexavalent chromium were injected in treated animals with CCA and with the prepared solutions of As2O5 and CrO3, the arsenic concentration on kidneys of CCA-exposed animals was much higher than those in animals exposed to As2O5 (32- and28-fold higher at 14 and 24h,respectively). However,the elimination of chromium seems to occur similarly in the kidneys of animals treated with CCA and CrO3 per se. Interactions among the components of CCA result in a marked decrease of the ability of kidney to eliminate simultaneously both analytes.The nephrotoxicity of CCA was higher than its components per se, evidencing a possible synergetic effect.

Experimental Reinforcement of Wood Beams

Rehabilitation is becoming more and more usual in the construction sector in Portugal. The introduction of newer construction materials and technical know-how of integrating different materials for achieving desired engineering goals is an important step to the development of the sector. Wood industry is also getting more and more adapted to composite technologies with the introduction of the so called “highly engineered wood products” and with the use of modification treatments. This work is an attempt to explain the viability of using stainless steel and glass fibre reinforced polymer (GFRP) as reinforcements in wood beams. This thesis specifically focuses on the flexural behaviour of Portuguese Pine unmodified and modified wood beams. Two types of modification were used: 1,3-dimethylol-4,5- dihydroxyethyleneurea (DMDHEU) resin and amid wax. The behaviour of the material was analysed with a nonlinear model. The latter model simulates the behaviour of the reinforced wood beams under flexural loading. Small-scale beams (1:15) were experimented in flexural bending and the experimental results obtained were compared with the analytical model results. The experiments confirm the viability of the reinforcing schemes and the working procedures. Experimental results showed fair agreement with the nonlinear model. A strength increase between 15% and 80% was achieved. Stiffness increased by 40% to 50% in beams reinforced with steel but no significant increase was achieved with the glass fibre reinforcement.

Global material analysis on phosphorus flows, supply horizon and impact assessment on phosphorus depletion

Different problems are daily discuss on environmental aspects such acid rain, eutrophication, global warming and an others problems. Rarely do we find some discussions about phosphorus problematic. Through the years the phosphorus as been a real problem and must be more discussed. On this thesis was done a global material flow analysis of phosphorus, based on data from the year 2004, the production of phosphate rock in that year was 18.9 million tones, almost this amount it was used as fertilizer on the soil and the plants only can uptake, on average, 20% of the input of fertilizer to grow up, the remainder is lost for the phosphorus soil. In the phosphorus soil there is equilibrium between the phosphorus available to uptake from the plants and the phosphorus associate with other compounds, this equilibrium depends of the kind of soil and is related with the soil pH. A reserve inventory was done and we have 15,000 million tones as reserve, the amount that is economical available. The reserve base is estimated in 47,000 million tones. The major reserves can be found in Morocco and Western Sahara, United Sates, China and South Africa. The reserve estimated in 2009 was 15,000 million tone of phosphate rock or 1,963 million tone of P. If every year the mined phosphate rock is around 22 Mt/yr (phosphorus production on 2008 USGS 2009), and each year the consumption of phosphorus increases because of the food demand, the reserves of phosphate rock will be finished in about 90 years, or maybe even less. About the value/impact assessment was done a qualitative analysis, if on the future we don’t have more phosphate rock to produce fertilizers, it is expected a drop on the crops yields, each depends of the kind of the soil and the impact on the humans feed and animal production will not be a relevant problem. We can recovery phosphorus from different waste streams such as ploughing crop residues back into the soil, Food processing plants and food retailers, Human and animal excreta, Meat and bone meal, Manure fibre, Sewage sludge and wastewater. Some of these examples are developed in the paper.

Contribuição para o conhecimento sobre o efeito da utilização de material pozolânico no fabrico de betão

O presente trabalho, realizado no âmbito da Tese de Mestrado, tem como principal objectivo estudar as características pozolânicas dos materiais da zona de Arganil para substituição parcial do cimento Portland com o objectivo de intensificar certas qualidades devido à diminuição da porosidade do betão. Estas qualidades são interessantes quando se procura maior durabilidade. Para tal, foram realizados diversos ensaios para a caracterização física, química e mineralógica dos produtos. Os metacaulinos utilizados foram obtidos de amostras de argila submetidas a calcinação (750oC, durante uma hora), processo que permitiu a desidroxilação quase total da matéria-prima, transformando esta numa fase amorfa e irreversível, com propriedades pozolânicas. São apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da matéria-prima, das condições de calcinação e do produto resultante da desidroxilação, nomeadamente a determinação da pozolanicidade e superfície específica e das características fundamentais para a aplicabilidade do produto. Descreve ainda o emprego do metacaulino em betões de resistência convencional. Estudou-se a influência do emprego do metacaulino (15% de substituição de cimento, em massa) na resistência à flexão e à compressão (aos 28 dias) em argamassas e o emprego de metacaulino (10%, 15% e 20% de substituição de cimento, em massa) na resistência à compressão (3, 7 e 28 dias) no betão.

Material compósito - propriedades do aglomerado de gesso e partículas fragmentadas de bambu (phyllostachys edulis)

Neste trabalho estudou-se um compósito de gesso FGD reforçado com fibras vegetais. As fibras utilizadas neste estudo são provenientes de bambu da espécie Phyllostachys edulis e foram trituradas até se obter uma granulometria apropriada à composição de uma pasta de gesso que permitisse a execução de placas de gesso laminado. As placas produzidas foram ensaiadas à flexão e posteriormente submetidas à análise de humidade para aferir a percentagem de água de cristalização nas amostras. Foram ainda produzidos provetes cúbicos com 7cm de aresta para permitira a execução de ensaio à compressão. Foram produzidos dois tipos de pastas, uma sem a adição de partículas de bambu (controlo) e outra com adição de 15% de partículas de bambu.

Nephrotoxicity of CCA-treated wood: a comparative study with As2O5 and CrO3 on mice

The purpose of this work was to assess the acute toxicity on male mice to a chromated copper arsenate (CCA) solution, a widespread wood preservative used in building industry until 2002. Animals were subcutaneously injected with CCA (7.2 mg/kg arsenic and 10.2 mg/kg chromium per body weight), CrO3 (10.2 mg/kg), As2O5 (7.2 mg/kg) and NaCl (0.9%) per se, during 48 h and 96 h, for histopathology, histochemistry, chromium and arsenic analysis. The results showed some histopathological changes within renal tubules lumen of CCA exposed animals (during 48 h, and 96 h), and CrO3 (for the period of 96 h). Furthermore, the renal levels of arsenic and chromium in treated animals were statistically more evident than controls. Although, the same contents of pentavalent arsenic and hexavalent chromium were injected into treated animals with CCA and with the prepared solutions of As2O5 and CrO3, a different distribution of the pattern of these compounds was observed in kidneys.

Desenvolvimento de uma ferramenta para cálculo de estruturas em material compósito

Os desafios à engenharia moderna são cada vez maiores, pretendendo-se quase sempre obter estruturas mais leves, com propriedades mecânicas atrativas e muitas vezes com geometrias complexas. Com tais requisitos, um dos materiais que tem vindo a ter uma crescente aplicação é o material compósito. Contudo, no que toca ao cálculo estrutural destes materiais, tudo se torna mais complexo, já que são materiais que geralmente são formados por empilhamento de várias camadas de material heterogéneo, podendo estas encontrarem-se dispostas segundo diferentes orientações. Assim, a utilização de um software que permita a previsão das propriedades mecânicas de uma estrutura em material compósito através da micromecânica, a aplicação da Teoria Clássica dos Laminados e de um critério de rotura, como por exemplo o de Tsai-Hill, é fundamental para agilizar o processo de estudo da estrutura a fabricar. Para dar uma resposta a tal necessidade foi desenvolvida uma aplicação, em MATLAB® GUI, denominada CAFE – Composite Analysis For Engineers, com ambiente gráfico apelativo, que permite determinar todas as variáveis importantes no estudo de estruturas em material compósito. Esta aplicação visa suportar e agilizar a aprendizagem desta área do conhecimento, permitindo também o acesso ao código de cálculo por parte do utilizador, de modo a conhecerem-se as equações utilizadas e, eventualmente, ser alvo de futuros desenvolvimentos. O programa desenvolvido foi alvo de validação, recorrendo-se para tal, a uma comparação dos resultados obtidos entre o respetivo programa e por um outro programa de grande fiabilidade. Assim sendo, concluiu-se que o software CAFE apresenta resultados válidos, encontrando-se apto a ser utilizado.

Experimental and numerical evaluation of composite repairs on wood beams damaged by cross-graining

An experimental and Finite Element study was performed on the bending behaviour of wood beams of the Pinus Pinaster species repaired with adhesively-bonded carbon–epoxy patches, after sustaining damage by cross-grain failure. This damage is characterized by crack growth at a small angle to the beams longitudinal axis, due to misalignment between the wood fibres and the beam axis. Cross-grain failure can occur in large-scale in a wood member when trees that have grown spirally or with a pronounced taper are cut for lumber. Three patch lengths were tested. The simulations include the possibility of cohesive fracture of the adhesive layer, failure within the wood beam in two propagation planes and patch interlaminar failure, by the use of cohesive zone modelling. The respective cohesive properties were estimated either by an inverse method or from the literature. The comparison with the tests allowed the validation of the proposed methodology, opening a good perspective for the reduction of costs in the design stages of these repairs due to extensive experimentation.

Adhesively-bonded repair proposal for wood members damaged by horizontal shear using carbon-epoxy patches

In this work, a repair technique with adhesively bonded carbon-epoxy patches is proposed for wood members damaged by horizontal shear and under bending loads. This damage is characterized by horizontal crack growth near the neutral plane of the wood beam, normally originating from checks and shakes. The repair consists of adhesively bonded carbon-epoxy patches on the vertical side faces of the beam at the cracked region to block sliding between the beam arms. An experimental and numerical parametric analysis was performed on the patch length. The numerical analysis used the finite element method (FEM) and cohesive zone models (CZMs), with an inverse modelling technique for the characterization of the adhesive layer. Trapezoidal cohesive laws in each pure mode were used to account for the ductility of the adhesive used. To fully reproduce the tests, horizontal damage propagation within the wood beam was also simulated. A good correlation with the experiments was found. Regarding the effectiveness of the repair, for the conditions selected for this work, a full strength recovery was achieved for the bigger value of patch length tested.

Role of abrasive material on micro-abrasion wear tests

Micro-abrasion wear tests with ball-cratering configuration are widely used. Sources of variability are already studied by different authors and conditions for testing are parameterized by BS EN 1071-6: 2007 standard which refers silicon carbide as abrasive. However, the use of other abrasives is possible and allowed. In this work, ball-cratering wear tests were performed using four different abrasive particles of three dissimilar materials: diamond, alumina and silicon carbide. Tests were carried out under the same conditions on a steel plate provided with TiB2 hard coating. For each abrasive, five different test durations were used allowing understanding the initial wear phenomena. Composition and shape of abrasive particles were investigated by SEM and EDS. Scar areas were observed by optical and electronic microscopy in order to understand the wear effects caused by each of them. Scar geometry and grooves were analyzed and compared. Wear coefficient was calculated for each situation. It was observed that diamond particles produce well-defined and circular wear scars. Different silicon carbide particles presented dissimilar results as consequence of distinct particle shape and size distribution.

Drilling damage in composite material

The characteristics of carbon fibre reinforced laminates have widened their use from aerospace to domestic appliances, and new possibilities for their usage emerge almost daily. In many of the possible applications, the laminates need to be drilled for assembly purposes. It is known that a drilling process that reduces the drill thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, damage assessment methods based on data extracted from radiographic images are compared and correlated with mechanical test results—bearing test and delamination onset test—and analytical models. The results demonstrate the importance of an adequate selection of drilling tools and machining parameters to extend the life cycle of these laminates as a consequence of enhanced reliability.

Diagnóstico e avaliação da segurança de estruturas de madeira existentes

A utilização da madeira enquanto material estrutural é um aspeto abordado com algum receio ou até desconhecimento por parte dos elementos intervenientes no processo de construção civil, sendo ainda uma área pouco lecionada e muitas vezes excluída dos planos curriculares em Engenharia Civil. Assim sendo é importante o surgimento de trabalhos relacionados com esta matéria, relembrando ao sector da construção civil e ao ramo de estudo relacionado, que a madeira já teve e possivelmente voltará a ter um papel importante a desempenhar na área da construção. Um dos aspetos evidenciados nos estudos realizados consiste na importância da reabilitação de edifícios e do seu papel cada vez mais determinante na sociedade. Esta metodologia de intervenção apresenta-se muitas vezes como uma vantagem económica assim como contribui para a preservação do património arquitetónico e cultural, cujo valor histórico é incalculável. A importância da reabilitação de edifícios habitacionais nas zonas históricas, bem como de monumentos de grande importância cultural apresenta-se cada vez mais como um desafio devido à falta de conservação dos mesmos ao longo da sua vida útil, e da necessidade de preservar a identidade do local, beneficiando assim a qualidade do tecido urbano. Assim sendo, este trabalho apresenta um levantamento dos danos possíveis de ocorrer em elementos de madeira, dando especial destaque aos agentes patológicos e às consequências da sua atividade na madeira assim como às metodologias de inspeção e diagnóstico que poderão ser aplicadas em estruturas de madeira existentes, favorecendo assim a vertente da reabilitação ao invés da demolição. Estas metodologias recorrem a ensaios não destrutivos, como é exemplo o Pilodyn, o Resistógrafo, o Ultra-sons, etc., referindo também o recurso a ensaios destrutivos, cuja utilização terá de ser uma questão muito bem ponderada devido às consequências que implica. Por fim, apresenta-se um caso real de estudo em que se analisa um pavimento em madeira através da aplicação de metodologias de ensaio não destrutivas e destrutivas a amostras recolhidas. O objetivo será determinar o estado de conservação da madeira e algumas características físicas tais como a sua densidade e os módulos de elasticidade, sendo posteriormente efetuada uma análise estrutural. Os resultados obtidos permitem efetuar uma avaliação qualitativa do estado geral do pavimento sendo as principais conclusões que o pavimento se encontra atacado por parte de insetos xilófagos e apresenta problemas a nível de verificação a estados limite de utilização, deformação e vibração, fator que condiciona a possível utilização do pavimento.

Problemática associada à utilização de diferentes tipos de mochila para transporte de material escolar

O transporte de cargas é uma tarefa comum para crianças, adolescentes e adultos, pela necessidade de transferência diária de objetos pessoais, livros e artigos de papelaria para os locais de trabalho ou escolas. Diversos autores apontam que o peso carregado durante transporte de material é o principal responsável pelo aparecimento de dor lombar. Deste modo é importante o constante estudo da temática para a definição recomendações e limites. O presente estudo teve como principais objetivos a caraterização da problemática associada à utilização de mochilas e a determinação do Peso Máximo Aceitável (PMA) e do Índice de Esforço Percebido (IEP) para a tarefa de transporte de mochilas, através da abordagem psicofísica. O estudo foi desenvolvido com estudantes do 7º, 8º e 9º ano de escolaridade e, foi dividido em duas fases. Na 1ª fase foram aplicados questionários para a análise da problemática associada à utilização de diferentes tipos de mochilas escolares. Nesta fase, foram incluídos aspetos associados à identificação do tipo de mochila mais utilizada, as rotinas e hábitos dos estudantes e as características da mochila utilizada. Verificou-se que os estudantes utilizam, maioritariamente, a mochila de duas alças para transporte de material escolar. Posteriormente foram efetuadas medições de peso da mochila, altura e peso aos 131 estudantes que constituíram a amostra da 1º fase. O principal objetivo deste ponto foi identificar o tipo de mochila habitualmente utilizada pelos estudantes assim como, o peso transportado nas mochilas. Na 2ª fase foi efetuado um estudo para a determinação do PMA e do IEP, através da abordagem psicofísica, para a tarefa de transporte de mochila, considerando-se uma amostra constituída por 10 estudantes. Para este estudo, apenas foi considerada a mochila mais frequentemente utilizada, identificada na 1º fase. A tarefa consistiu no transporte da mochila nos dois ombros e com as alças devidamente ajustadas ao corpo, num percurso pré-definido, de acordo com o procedimento experimental. Os resultados indicaram que nem todos os estudantes transportam mochilas com pesos dentro das recomendações da Organização Mundial de Saúde. O PMA determinado pelos estudantes foi de 6.8 kg para a mochila de duas alças e a região dos ombros foi identificada durante todo o estudo como sendo a que apresentava maior intensidade de dor durante o transporte da mochila.

GFRP waste reinforced polymer mortars: a new waste management solution for GFRP scrap material

To date, glass fibre reinforced polymer (GFRP) waste recycling is very limited and restricted by thermoset nature of binder matrix and lack of economically viable enduse applications for the recyclates. In this study, efforts were made in order to recycle grinded GFRP waste proceeding from pultrusion production scrap, into new and sustainable composite materials. For this purpose, GFRP waste recyclates, a mix of powdered and fibrous materials, were incorporated into polyester based mortars as fine aggregate and filler replacements, at different load contents (between 4% up to 12% of total mass) and particle size distributions. Potential recycling solution was assessed by mechanical behaviour of resultant GFRP waste modified polymer mortars. Test results revealed that GFRP waste filled polymer mortars present improved flexural and compressive behaviour over unmodified polyester based mortars, thus indicating the feasibility of GFRP waste reuse in concrete-polymer composites.