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Introducción
El módulo de elasticidad de la madera de especies forestales está documentado en literatura internacional (Forest Products Laboratory, 2010) y en la bibliografía mexicana (Silva et al., 2010; Sotomayor, 2015; Tamarit y López, 2007). Este parámetro se utiliza en cálculo ingenieril y se determina en piezas de madera con dimensiones de empleo y bajo protocolos de normatividad. Sus valores son útiles en la industria de la edificación y de productos de madera (Thelandersson y Larsen, 2003; American Institute of Timber Construction, 2012). Sin embargo, para caracterizar maderas y potenciar usos alternos a los tradicionales, los módulos de elasticidad se determinan en probetas de pequeñas dimensiones (American Society for Testing Materials, 2014; International Organization for Standardization, 2014a).
Otra forma de determinar experimentalmente el módulo de elasticidad es bajo condiciones dinámicas empleando métodos no destructivos (Pellerin y Ross, 2002; Bucur, 2006). Esta tecnología aporta parámetros según los tipos de pruebas: el ultrasonido (Gonçalves et al., 2014; Dackermann et al., 2016), las ondas de esfuerzo (Neto et al., 2016; Freitas et al., 2016), las vibraciones transversales (Spycher et al., 2008; Kouroussis et al., 2017) y las vibraciones longitudinales (Chauhan y Sethy, 2016; Sotelo et al., 2017).
La madera es un material que se deteriora (Mattos et al., 2014; Bari et al., 2015; Beck et al., 2018). Para atenuar este fenómeno se han desarrollado técnicas de impregnación, principalmente, para evitar el deterioro producido por agentes biológicos (Henriques et al., 2014; Temiz et al., 2008) y la desintegración causada por el fuego (Wang et al., 2017; Jin y Chung, 2018). Entre las sustancias de impregnación más aplicadas, las sales de boro son una alternativa amigable con el medio ambiente (Obanda et al., 2008; Ahn et al., 2010).
La literatura especializada acerca del efecto de las sales de boro sobre la densidad y el módulo dinámico muestra resultados particulares a cada especie y según el método de impregnación aplicado. Baysal et al. (2007) y Keskin y Mutlu (2017) reportan que la densidad y el módulo dinámico aumentan como consecuencia del tratamiento. En cambio, Kartal et al. (2008) y Percin et al. (2015) informan que estos parámetros disminuyen. Este efecto se desconoce en la madera de Spathodea campanulata, Fraxinus americana y Albizia plurijuga. Con la perspectiva de utilizar mejor estos recursos maderables, generar información técnica para proteger la madera de estas especies y ampliar el conocimiento de sus características tecnológicas para el diseño de productos y estructuras de madera, se planteó el objetivo de determinar el efecto del tratamiento de preservación con sales de boro en la densidad y en el módulo dinámico de la madera de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga.
Materiales y métodos
Se trabajaron piezas de madera aserrada de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga adquirida en establecimientos comerciales en el estado de Michoacán, México. La madera se acondicionó durante 12 meses en una cámara con temperatura de 20 °C y humedad relativa de 65 % hasta que alcanzó su contenido de humedad en equilibrio. Para cada especie se elaboraron 40 probetas con dimensiones de 0,02 m × 0,02 m de sección y 0,4 m de largo, orientadas respectivamente en las direcciones radial, tangencial y longitudinal de la madera de acuerdo a la norma ISO 3129:2012 (International Organization for Standardization, 2012). Las probetas contenían solo madera de duramen y estaban libres de defectos.
Antes y después del tratamiento de impregnación se determinaron para cada especie el contenido de humedad y la densidad aparente en 40 probetas obtenidas de los mismos lotes de madera para las pruebas de vibraciones longitudinales con dimensiones de 0,02 m × 0,02 m de sección y 0,06 m de largo. El contenido de humedad se determinó por el método de diferencia de pesos de acuerdo a la norma ISO 13061-1:2014 (International Organization for Standardization, 2014b). La densidad aparente de la madera se determinó de acuerdo a la norma ISO 13061-2:2014 (International Organization for Standardization, 2014c).
Proceso de tratamiento de impregnación
Las probetas se impregnaron utilizando el método denominado baño caliente-frío siguiendo el protocolo propuesto por Ávila et al. (2012). Se prepararon 30 litros de solución de trihidróxido de boro (ácido bórico, 39,4 %) y tetraborato de sodio (borato de sodio, 60,6 %) con tres concentraciones (C) 1 %, 2 % y 3 %, de acuerdo con la norma NMX-C-178-ONNCCE-2014 (Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y Edificación, 2014). Las probetas se sumergieron durante 8 horas en un baño de agua con temperatura de 60 ºC, luego se sumergieron durante 16 horas en un baño frío con la solución a una temperatura de 23 °C.
Después de la impregnación en cada probeta se de-terminó la retención con la ecuación (1) (Simsek et al., 2013):
Donde:
R = Retención (kg m-3)
PDT = Peso de la probeta después del tratamiento (kg)
PAT = Peso de la probeta antes del tratamiento (kg)
C = Concentración de sales de boro VDT = Volumen de la probeta después del tratamiento (m3)
Pruebas de vibraciones longitudinales
Las pruebas de vibraciones longitudinales consistieron en proporcionar un impacto en un extremo de la probeta, orientado hacia su dirección longitudinal (Figura 1) y siguiendo el procedimiento reportado por Yoshihara (2012). La probeta estuvo apoyada sobre un soporte elástico en medio de su longitud, correspondiente al nodo de su primer modo de vibración. Se midió la frecuencia natural del sistema en vibración, empleando el aparato Grindosonic® que capturó la señal de vibración por medio de un micrófono, posicionado en el extremo opuesto al del impacto. Se realizaron tres repeticiones y su promedio se tomó como el valor característico de una prueba. El módulo dinámico se calculó con la ecuación (2).
Figura 1 Esquema de las pruebas de vibraciones longitudinales. L = Longitud de la probeta (0,4 m).
Figure 1. Scheme of longitudinal vibration tests. L =
Length of the specimen (0,4 m).
Donde:
EL = Módulo dinámico (N m-2)
L = Longitud de la probeta (m)
ρCH = Densidad (kg m-3)
f = Frecuencia (Hz)
Diseño experimental
Se examinaron tres grupos de probetas de madera de las especies S. campanulata, F. americana y A. plurijuga. El factor de variación fue el tratamiento de impregnación con cuatro niveles: concentración de sales de boro de cero, uno, dos y tres por ciento. El nivel cero se consideró el grupo de control (testigo). Para cada especie y para cada concentración se formaron muestras independientes de diez probetas cada una, lo que dio un total de 120 probetas (3 × 4 × 10).
Las variables de respuesta para dos estados antes del tratamiento AT y después del tratamiento DT fueron la retención de sales de boro (R), la densidad (ρCH) y el módulo dinámico (Eoe ). El contenido de humedad (CH) solo se consideró como variable de referencia. Para cada variable se calculó la media (
Resultados y discusión
El contenido de humedad de la madera de S. campanulata fue del 8 % (CV = 14 %), el de F. americana del 10 % (CV =6 %) y el de A. plurijuga del 12 % (CV = 5 %). Con estos valores se consideró a la madera en estado seco y se asumió que el contenido de humedad no afectó las variables evaluadas.
Retención
Las magnitudes de las retenciones de sales de boro en las tres especies analizadas se incrementaron a medida que aumentó la concentración (Tabla 1). En cualquier nivel de concentración las retenciones fueron siempre mayores en E. campanulata, seguida de F. americana y A. plurijuga. Estos resultados pueden atribuirse al efecto de la densidad la madera de cada especie, en donde a menor valor en este parámetro el espacio vacío es mayor y por tanto es posible que la madera pueda retener un volumen mayor de solución impregnante (Tamarit y Fuentes, 2003). Las retenciones son comparables con los reportados por Percin et al. (2015) para Quercus partraea (ρCH = 732 kg m-3; C = 5 %) con retenciones de sales de boro entre 6,73 kg m-3 y 8,27 kg m-3. Los valores promedio de retención para las especies, presentados en la Tabla 1, fueron mayores que la retención mínima de sales de boro sugerida por la Asociación Americana de Preservadores de Madera que es de 2,72 kg m-3 (American Wood-Preservers’ Association, 2007), misma que puede alcanzarse utilizando el nivel de concentración 2.
Tabla 1 Valores de retenciones por nivel de concentración, densidades y módulos dinámicos para
las especies evaluadas.
Table 1. Retention
values by concentration level, densities and dynamic modules for the
evaluated species.
| Especie | Antes del tratamiento | Después del tratamiento | ||||
| C | R | ρCH | EL | ρCH | EL | |
| (%) | (kg m-3) | (kg m-3) | (MN m-2) | (kg m-3) | (MN m-2) | |
| S. campanulata | 0# | 0 | 351 | 4765 | 351 | 3099 |
| (6,3) | (47,5) | (6,4) | (50,8) | |||
| 1 | 2,3 | 363 | 3320 | 355 | 4423 | |
| (7,4) | (41,1) | (7,1) | (12,0) | |||
| 2 | 4,2 | 343 | 2616 | 342 | 4703 | |
| (3,7) | (79,1) | (3,3) | (31,8) | |||
| 3 | 6,4 | 347 | 1623 | 348 | 4277 | |
| (7,8) | (50,2) | (6,7) | (13,2) | |||
| F. americana | 0# | 0 | 654 | 13303 | 658 | 13394 |
| (5,6) | (9,1) | (5,7) | (12,0) | |||
| 1 | 1,6 | 650 | 12268 | 647 | 13314 | |
| (4,4) | (25,2) | (4,4) | (12,4) | |||
| 2 | 3,3 | 659 | 13626 | 656 | 13844 | |
| (7,3) | (9,2) | (7,6) | (14,8) | |||
| 3 | 5,3 | 643 | 13612 | 645 | 14186 | |
| (5,3) | (16,8) | (5,1) | (9,5) | |||
| A. plurijuga | 0# | 0 | 830 | 16769 | 830 | 16993 |
| (2,7) | (21,4) | (2,7) | (16,5) | |||
| 1 | 1,3 | 845 | 19046 | 841 | 18158 | |
| (3,2) | (15,1) | (3,3) | (16,0) | |||
| 2 | 2,7 | 849 | 18319 | 846 | 18280 | |
| (3,2) | (21,8) | (3,3) | (19,7) | |||
| 3 | 3,7 | 827 | 17382 | 827 | 17153 | |
| (4,6) | (15,3) | (4,7) | (14,2) | |||
C = Concentración; R = Retención; ρCH = Densidad; EL = Módulo dinámico; Coeficiente de variación entre paréntesis; # = Testigo.
Densidad
La madera de S. campanulata exhibió la menor densidad promedio (ρCH = 351 kg m-3), F. americana la intermedia (ρCH = 652 kg m-3) y A. plurijuga la más alta (ρCH = 838 kg m-3) (Tabla 1). Las densidades no presentan variaciones importantes respecto a las muestras de control sin tratamiento (C = 0 %) ni entre las retenciones resultantes de las tres concentraciones (Figura 2). La evidencia indica que las densidades de estas maderas no se modifican después del tratamiento con sales de boro, empleando el método de baño caliente-frío. Percin et al. (2015) reporta variaciones en la densidad de la madera ocasionadas principalmente por el peso de las sales de boro, la diversidad en la porosidad de la especie en estudio y, cuando es el caso, el efecto de la temperatura empleada para impregnar la madera.
Módulo dinámico
El menor valor del módulo dinámico lo presentó S. campanulata (3081 MN m-2) y el máximo A. plurijuga (17879 MN m-2). Los coeficientes de variación tienen valores entre 9,1 % para F. americana y 21,8 % para A. plurijuga (Tabla 1). Caso excepcional fue S. campanulata con coeficientes de variación entre 41,1 y 79,1 %.
Los módulos dinámicos presentan diferencias importantes entre las muestras de control sin tratamiento (C = 0 %) y las muestras tratadas con boro (Figura 3). Excluyendo los resultados de S. campanulata, las magnitudes de los módulos de elasticidad y sus coeficientes de variación son similares a los reportados por Baar et al. (2015). Los autores reportan módulos dinámicos determinados por vibraciones longitudinales para Afzelia bipindensis de 12860 MN m-2 (CV = 18 %; ρCH = 766 kg m-3); Intsia bijuga de 18220 MN m-2 (CV = 13 %; ρCH = 813 kg m-3); Millettia laurentii de16570 MN m-2 (CV = 15 %; ρCH = 856 kg m-3); Astronium graveolens de 17920 MN m-2 (CV = 12 %; ρCH = 840 kg m-3); y para Microberlinia brazzavillensis de 19620 MN m-2 (CV = 15 %; ρCH = 810 kg m-3).
Figura 3 Comportamiento del módulo dinámico (EL), en función de la retención (R) por especie.
Figure 3. Behavior of the dynamic module
(EL), as a function of retention (R) by species.
Las magnitudes de los módulos dinámicos clasifican las maderas de F. americana y A. plurijuga (Tabla 1) en el grupo I de valores especificados de módulos de elasticidad correspondiente al 5° percentil de maderas de especies latifoliadas en el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal y sus Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Madera (Gobierno del Distrito Federal, 2004). No así para S. campanulata cuyos módulos dinámicos son menores que los requeridos por este reglamento. Sin embargo, los valores de la Tabla 1 son derivados de pruebas dinámicas en probetas de pequeñas dimensiones y libres de defectos. De tal forma que para emplear estas maderas en cálculo estructural es necesario determinar experimentalmente sus módulos de elasticidad en piezas de tamaño estructural y ajustarlos con los factores que recomiendan el reglamento citado.
La densidad determinada en las especies evaluadas es un índice confiable para estimar su resistencia mecánica (Baar et al., 2015), este hecho se explica por la alta correlación entre el módulo dinámico y la densidad de la madera, antes del tratamiento de impregnación, dado su excelente valor en el coeficiente de determinación (Figura 4), condición que se ratifica por la correlación referida entre ambas variables después del proceso de impregnación (Figura 5). La impregnación conserva la magnitud de las densidades de F. americana y A. plurijuga, y no modifica sus módulos de elasticidad. En cambio, los resultados para S. campanulata señalan que el tratamiento modificó sus módulos de elasticidad de una manera importante.
Figura 4 Correlación del módulo dinámico (EL) en función de la densidad
(ρCH) antes del tratamiento de impregnación con sales
de boro.
Figure 4. Correlation of the dynamic modulus (EL) as a
function of the density (ρCH) before the impregnation
treatment with boron salts.
Conclusiones
El método de baño caliente-frío es eficiente para impregnar con sales de boro las maderas de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga. Las retenciones se incrementaron a medida que las concentraciones aumentan. En cambio, disminuyen a medida que la densidad de las maderas aumenta.
Las pruebas de vibraciones longitudinales permiten determinar los efectos del impregnado en los módulos de elasticidad. El método de impregnación no modificó las densidades y módulos dinámicos en F. americana y A. plurijuga, en tanto que los módulos dinámicos variaron para S. campanulata. Se confirmó que los módulos dinámicos de las tres maderas aumentan en función de su densidad.
Con base en sus módulos dinámicos las maderas de F. americana y A. plurijuga pueden usarse en diseño estructural. En cambio, S. campanulata puede emplearse como componente en productos donde no se requiera alta resistencia mecánica.
