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1. Introducción
La protección de la madera con sales de boro es una tecnología aplicada con buenos resultados. Sin embargo, las sales de boro se disuelven en contacto con agua, de tal forma que se recomienda su empleo en componentes que no estén expuestos a la intemperie [1]. Esta técnica es amigable con el medio ambiente [2], no tóxica para los humanos [3], y pretende evitar que la madera se deteriore por el efecto de agentes biológicos [4], climáticos [5] o por la acción del fuego [6].
La literatura sobre el efecto de las sales de boro en el módulo de elasticidad indica resultados particulares a cada investigación: [7] encuentran que, después de impregnar madera con sales de boro, el módulo de elasticidad de Fagus orientalis disminuye 11 % y el de Pinus sylvestris se reduce 4 %. Por su parte, [8] impregnaron madera de Quercus petraea con sales de boro y encontraron que el módulo de elasticidad disminuye hasta un 7 % por el efecto del tratamiento. De manera diferente, [9] reportan para Betula pubescens un incremento de 17 % en el módulo de elasticidad después de su tratamiento con sales de boro. Igualmente, [10] reportan para Pinus sylvestris un incremento de 27 % en el módulo de elasticidad; en cambio, reportan decrecimiento para Fagus selvático de 7 % y para Quercus robur de 10 %. En la determinación del módulo de elasticidad en condiciones estáticas no se requiere la medición de la densidad. De tal forma que los autores reseñados no discuten explícitamente el efecto de las sales de boro en la densidad.
Para maderas mexicanas, [11] reportan que en madera de Spathodea campanulata la densidad disminuye 6 % pero el módulo de elasticidad aumenta 8 %. En cambio, en Guazuma ulmifolia observan aumentos en la densidad de 3 % y en el módulo de elasticidad de 4 %. En el mismo sentido, reportan que en Abies religiosa la densidad se incrementa 4 % pero el módulo de elasticidad disminuye 7 %.
Respecto al efecto de las sales de boro en el módulo dinámico empleando ondas de esfuerzo, [12] reportan para G. ulmifolia un incremento en el módulo dinámico de 4 % y para A. religiosa un incremento de 21 %. Sin embargo, para S. campanulata se reporta una disminución de 19 %. Complementando el estudio de estas especies, [13] reportan para el caso de vibraciones transversales que el módulo dinámico de G. ulmifolia aumenta en 11 %, el de S. campanulata disminuye 5 % y el de A. religiosa aumenta 10 %.
A manera de síntesis, los antecedentes empíricos citados sugieren que, la protección de la madera con sales de boro es recomendable. Sin embargo, su efecto en las características físicas y mecánicas de la madera es diferente según el tipo de tratamiento aplicado, las sustancias utilizadas y según las especies en estudio. De manera que, si se aplica un mismo tratamiento de impregnación y se utiliza una misma mezcla de preservante, pero con diferentes concentraciones, se puede establecer la pregunta de investigación: ¿en qué medida el tratamiento de sales de boro afecta la densidad, la velocidad del ultrasonido y el módulo dinámico en maderas con un amplio rango de densidad?
Para responder a esta pregunta, la investigación propone la hipótesis de trabajo siguiente: la densidad, la velocidad de onda y el módulo dinámico de la madera no se alteran de manera estadísticamente significativa, como resultado del tratamiento de protección con sales de boro. Para verificar esta hipótesis, el objetivo de la investigación fue determinar y comparar estas características por ultrasonido, antes y después del tratamiento de maderas de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga. La revisión de trabajos anteriores no encontró estudios comparativos de la repercusión del tratamiento con sales de boro sobre estas características, particularmente en las especies referidas. Así, los alcances de este estudio comparativo se limitan a la observación de un número limitado de probetas de pequeñas dimensiones, de tres especies angiospermas y para concentraciones de sales de boro de 1 %, 2 % y 3 %.
2. Materiales y métodos
El material experimental consistió en madera de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga. Se recolectaron piezas de madera aserrada en empresas de transformación de productos forestales en el estado de Michoacán, México. Para cada una de las especies se prepararon lotes de 40 probetas con dimensiones de 0,02 m x 0,02 m x 0,4 m, respectivamente en las direcciones radial, tangencial y longitudinal del plano leñoso y de acuerdo con la norma ISO 3129: 2012 [14]. Las probetas se almacenaron durante 24 meses en una cámara de acondicionamiento con una temperatura de 20 °C (± 1 °C) y una humedad relativa del aire de 65 % (± 2 %), hasta que alcanzaron un peso constante.
Las probetas contenían solamente madera de duramen. La madera no presentó anomalías estructurales ni fisuras o defectos de crecimiento, como la desviación de la fibra, los nudos y las bolsas de resinas o ceras. Con el objeto de evitar el flujo excesivo de sales de boro en los extremos de las probetas, sus caras laterales fueron cubiertas con pintura vinílica.
El contenido de humedad y la densidad se calcularon simultáneamente con un grupo adicional de 20 probetas con dimensiones de 0,02 m × 0,02 m × 0,06 m. El contenido de humedad se determinó antes del impregnado con el peso de la probeta al momento del ensayo y su peso en estado seco, de acuerdo a la norma ISO 13061-1:2014 [15], mientras que la densidad se determinó de acuerdo a la norma ISO 13061-2:2014 [16].
Las probetas se impregnaron con el método baño caliente-frío siguiendo el protocolo propuesto por [17]. Se prepararon 30 litros de solución acuosa de trihidróxido de boro (ácido bórico 39,4 %) y tetraborato de sodio (borato de sodio 60,6 %) con tres concentraciones 1 %, 2 % y 3 %, de acuerdo con la norma NMX-C-178-ONNCCE-2014 [18]. La madera se sumergió durante 8 horas en un baño de agua con temperatura de 60 ºC. A continuación, las probetas se sumergieron durante 16 horas en un baño frío, con la solución de sales de boro y temperatura de 23 °C.
La retención se determinó con la ecuación (1) [7]:
Donde:
R = |
Retención (kg m-3) |
PDT = |
Peso después del tratamiento (kg) |
PAT = |
Peso antes del tratamiento (kg) |
C = |
Concentración de sales de boro (%) |
VDT = |
Volumen después del tratamiento (m3) |
Una vez terminado el tratamiento de baño caliente-frío, y realizadas las mediciones para calcular la retención, las probetas se almacenaron por tres meses en las mismas condiciones en que se estabilizó la madera antes del procedimiento; es decir, en una cámara de acondicionamiento con una temperatura de 20 °C (± 1 °C) y una humedad relativa del aire de 65 % (± 2 %), hasta que recuperaron su contenido de humedad en equilibrio. La determinación del contenido de humedad y de la densidad, así como las pruebas de ultrasonido, se realizaron antes y después del tratamiento de preservación.
Las pruebas de ultrasonido consistieron en suministrar un impulso ultrasónico de transmisión directa en la dirección longitudinal de la probeta. La velocidad del ultrasonido se calculó con el cociente entre la longitud de las probetas y el tiempo de transmisión medido con el aparato marca concept-bois-technologie, modelo Sylvatest( (22 kHz de frecuencia de emisión), Saint-Sulpice, Suiza. Los parámetros definidos a continuación tienen el subíndice us, para representar que son parámetros derivados de pruebas de ultrasonido. El módulo dinámico se calculó con la fórmula (2) [19]:
2.1 Diseño experimental
La unidad experimental consistió en tres grupos de 40 probetas correspondientes a cada una de las tres especies. Cada grupo se dividió en cuatro muestras. Tres para concentraciones (C) de sales de boro correspondientes de 1 %, 2 % y 3 % y una para control sin tratamiento (C = 0 %). Las variables de respuesta fueron la densidad, la velocidad de onda y el módulo dinámico, todas relacionadas con el grupo de control y las tres concentraciones. El contenido de humedad y la retención se consideraron variables de referencia. Para todas las muestras se calcularon la media aritmética, la desviación estándar y el coeficiente de variación. Se calcularon regresiones lineales y sus coeficientes de determinación para las retenciones, las velocidades de onda y los módulos dinámicos en función de las densidades.
3. Resultados y discusión
El contenido de humedad de la madera de S. campanulata fue 8 % (CV = 14 %), el de F. americana 10 % (CV = 6 %) y el de A. plurijuga 12 % (CV = 5 %). El promedio de las tres especies fue 10 %. De tal forma que se consideró en estado seco la madera y que el contenido de humedad no intervino en los resultados.
La Tabla 1 presenta las concentraciones, las medias y los coeficientes de variación de las retenciones, densidades, velocidades de onda y módulos dinámicos, para las maderas, antes y después del tratamiento.
Tabla 1. Concentraciones, retenciones, densidades, velocidades de onda y módulos dinámicos.
| DT | AT | DT | AT | DT | AT | DT | ||
| Especies | C | R | ρCH | ρCH | Vus | Vus | Eus | Eus |
| (%) | (%) | (kg m-3) | (m s-1) | (MN m-2) | ||||
| Medidas | ||||||||
| S. campanulata | 0 | 0,0 | 351 | 351 | 3408 | 3557 | 4093 | 4559 |
| 1 | 2,3 | 363 | 355 | 3469 | 3127 | 4362 | 3475 | |
| 2 | 4,0 | 343 | 341 | 3658 | 3283 | 4601 | 3685 | |
| 3 | 6,4 | 347 | 348 | 3497 | 3550 | 4249 | 4389 | |
| F. americana | 0 | 0,0 | 654 | 658 | 4542 | 4069 | 13492 | 10945 |
| 1 | 1,6 | 650 | 647 | 4454 | 3767 | 12933 | 9188 | |
| 2 | 3,3 | 659 | 656 | 4570 | 4006 | 13778 | 10537 | |
| 3 | 5,3 | 643 | 645 | 4632 | 4215 | 13813 | 11500 | |
| A. plurijuga | 0 | 0,0 | 830 | 830 | 4521 | 4023 | 17062 | 13504 |
| 1 | 1,3 | 845 | 841 | 5029 | 4150 | 21484 | 14576 | |
| 2 | 2,7 | 849 | 846 | 4951 | 4887 | 21006 | 20472 | |
| 3 | 3,7 | 827 | 827 | 4428 | 4849 | 16297 | 19515 | |
| Especies | Coeficientes de variación (%) | |||||||
| C | R | ρCH | ρCH | Vus | Vus | Eus | Eus | |
| S. campanulata | 0 | 0 | 6 | 6 | 8 | 14 | 17 | 24 |
| 1 | 5 | 7 | 7 | 7 | 7 | 12 | 13 | |
| 2 | 17 | 4 | 3 | 8 | 7 | 15 | 12 | |
| 3 | 6 | 8 | 7 | 7 | 7 | 13 | 12 | |
| F. americana | 0 | 0 | 6 | 6 | 4 | 8 | 7 | 17 |
| 1 | 10 | 4 | 4 | 5 | 6 | 11 | 9 | |
| 2 | 6 | 7 | 8 | 6 | 5 | 12 | 11 | |
| 3 | 10 | 5 | 5 | 4 | 7 | 10 | 14 | |
| A. plurijuga | 0 | 0 | 3 | 3 | 8 | 6 | 17 | 14 |
| 1 | 10 | 3 | 3 | 7 | 7 | 16 | 16 | |
| 2 | 6 | 3 | 3 | 9 | 11 | 19 | 22 | |
| 3 | 7 | 5 | 5 | 6 | 5 | 15 | 14 | |
| C = Concentración; R = Retención; ρCH = Densidad; vus = Velocidad de onda; Eus = Módulo dinámico: AT = Antes del tratamiento; DT = Después del tratamiento. | ||||||||
3.1. Retenciones
Las retenciones promedio de los tres grupos con concentraciones de 1 %, 2 % y 3 % fueron para S. campanulata R = 3,2 kg m-3, para F. americana R = 2,6 kg m-3 y para A. plurijuga R = 1,9 kg m-3.
Las retenciones promedio en las maderas de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga estuvieron en el intervalo reportado por [20] y [21] quienes obtuvieron retenciones que van de 0,32 kg m-3 a 17,42 kg m-3. Las retenciones fueron mayores a las sugeridas por la Asociación Americana de Preservadores de Madera para concentraciones de 2 % y 3 % (2,72 kg m-3) para la madera empleada en elementos estructurales [22].
Las retenciones de sales de boro disminuyen a medida que la densidad de la madera aumenta. Para S. campanulata, (ρCH = 351 kg m-3), la retención es de 3,2 kg m-3, para F. americana (ρCH = 652 kg m-3) es de 2,6 kg m-3 y para A. plurijuga (ρCH = 838 kg m-3) es de 1,9 kg m-3 (Tabla 1). En cambio, las retenciones aumentan a medida que las concentraciones son más fuertes. Las retenciones se agrupan por especie y muestran tendencias similares. Para la concentración de C = 1 %, las retenciones correlacionan con las densidades con un coeficiente de determinación R2 de 0,90. Para C = 2 % el coeficiente R2 es de 0,91 y para C = 3 % el R2 es de 0,79 (Figura 1).
Los coeficientes de variación para las retenciones aumentan cuando las densidades se incrementan. Los valores promedio varían 7,7 % para A. plurijuga, 8,7 % para F. americana y 9,3 % para S. campanulata. Coeficientes similares a los reportados por [11] de 4,2 kg m-3 para G. ulmifolia y S. campanulata y de 17,4 % para A. religiosa, impregnadas con el método de baño caliente-frío en condiciones experimentales similares a las de la presente investigación.
La densidad de la madera es una medida de la cantidad de masa con relación a un volumen dado. Así, a menor densidad, mayor espacio vacío, lo cual es también una ponderación de la porosidad del material. Por lo tanto, a mayor porosidad de la madera, mayor será la cantidad de preservante retenido. Estos resultados coinciden con los reportados por [23] quienes concluyen que aplicando el método de célula llena al vacío para Ragús orientalis (ρCH = 520 kg m-3) la retención de sales de boro aumenta a medida que la concentración de las sales de boro se incrementa, en un rango que va de 1 % a 5 %.
3.2. Densidades
Las magnitudes de las densidades variaron en un rango de 506 kg m-3. Los valores promedio para S. campanulata, F. americana y A. plurijuga son similares a los reportadas para estas especies [24]. Las densidades promedio para S. campanulata fueron de 351 kg m-3, para F. americana 652 kg m-3 y A. plurijuga 838 kg m-3. Después del tratamiento las densidades de las maderas disminuyen en promedio 0,6 % para S. campanulata, 0,2 % para A. plurijuga mientras que para F. americana no se observan diferencias. Para fines prácticos, las densidades no se modifican por el método de baño caliente-frío, el cual permite impregnar maderas con un amplio rango de densidades y tampoco se observaron defectos ocasionados por el tratamiento.
Los coeficientes de variación para las densidades disminuyen cuando las densidades se incrementan. Los valores promedio para antes del tratamiento varían 6.3 % para S. campanulata, 5,6 % para F. americana y 3,4 % para A. plurijuga. Para después del tratamiento, las retenciones varían en promedio 5,9 % para A. plurijuga, 5,7 % para F. americana y 3,5 % para S. campanulata, valores similares a los reportados por [24].
Las densidades predicen las velocidades de onda con coeficientes de determinación R2 entre 0,69, para antes del tratamiento y 0,55 para después del tratamiento (Figura 2).
Para los módulos dinámicos, las densidades explican estas relaciones con coeficientes de determinación R2 de 0,88 para antes del densificado y R2 de 0,80 para después del densificado (Figura 3).
3.3. Velocidades de onda
Como efecto del tratamiento con sales de boro, las velocidades de onda promedio disminuyeron en promedio para S. campanulata -3,6 %, para F. americana -11,8 % y para A. plurijuga -5,1 % (Tabla 1). Las magnitudes promedio son similares a las reportadas para estas mismas especies por [24]. En cambio, las velocidades de onda aumentan a medida que las densidades se incrementan (Figura 2). Estas tendencias en el aumento de las velocidades de onda respecto a las densidades coinciden con los resultados reportados por [25] para madera de Enterolobium cyclocarpum, Tabebuia rosea y Juglans pyriformis.
Después del tratamiento, los coeficientes de variación promedio de las velocidades de onda aumentan según la especie y/o la concentración (Tabla 1). Para las tres especies en conjunto se incrementan de 6,7 % para antes del tratamiento hasta 7,5 % para después del tratamiento. Esta variabilidad se distingue en la Figura 2 donde se aprecia la dispersión de valores de cada probeta medida y el agrupamiento de datos especie por especie, con y sin tratamiento.
Esta discrepancia en los resultados de los coeficientes de variación entre especies ocasionada por el impregnado con sales de boro, ha sido reportada por [12] para el caso de ondas de esfuerzo en maderas de S. campanulata, Abies religiosa y Guazuma ulmifolia. Sus resultados sugieren que efectivamente, para una generalización donde se estudian varias especies con un amplio intervalo de valores de densidad y de velocidades de onda, existe la probabilidad de que la retención afecte estos parámetros. Por su parte, existe evidencia empírica de que la estructura anatómica particular a cada especie interviene en las mediciones de descriptores dinámicos de la madera [26] [27] [28].
3.4. Módulos dinámicos
El efecto del proceso de impregnado con sales de boro con el método de baño caliente-frío reduce los módulos dinámicos de manera particular a cada especie o retención (Tabla 1). Combinando los resultados del grupo de control con las tres concentraciones y sus retenciones consecuentes, para S. campanulata, la reducción después del tratamiento alcanza un promedio de -6,4 %; para F. americana la disminución es de -22 % y para A. plurijuga es de -9 %.
En el mismo contexto, los coeficientes de variación para S. campanulata aumentan de 14,1 % para antes del tratamiento, hasta 15,4 % para después del tratamiento. Igualmente, los coeficientes de variación de F. americana aumentan de 9,9 % hasta 12,8 %. Caso diferente es A. plurijuga cuyos coeficientes de variación disminuyen de 16,6 % hasta 16,3 %. Esta variación particular a cada especie está reportada por [12] y [13], para módulos dinámicos y por [11] para módulos de elasticidad en maderas de S. campanulata, A. religiosa y G. ulmifolia impregnados con sales de boro. Igualmente, en la literatura internacional sobre el tópico [3] [8] [9] [29] [30] reportan un aumento y/o disminución de los coeficientes de variación cuando se impregna madera con sales de boro, y cuando se preserva madera con tratamientos diferentes [2] [6] [7] [10] [11].
4. Conclusiones
Se determinó la capacidad de retención de sales de boro en las maderas de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga. Las retenciones disminuyen a medida que las densidades aumentan; cabe mencionar que las densidades de las maderas no varían significativamente por el efecto del tratamiento. El proceso de impregnado con sales de boro con el método de baño caliente-frío reduce los módulos dinámicos de manera particular a cada especie o retención; igualmente, como efecto del tratamiento, las velocidades de onda se reducen.
