Skrinkages and physical properties of Acacia mangium Willd, Tectona grandis L. f. and Terminalia amazonia A. Chev, plantation wood from Costa Rica

Freddy Muñoz-Acosta¹; Pablo A. Moreno-Perez^2*

¹ Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Ingeniería Forestal, Centro de Investigación en Integración Bosque-Industria. 800 m Sur de la Basílica de los Ángeles. Cartago, Costa Rica. Apartado postal 159-7050. Correo-e: fmunoz@tec.ac.cr

² Universidad de Los Andes, Facultad de Ciencias Forestales y Ambientales, Laboratorio Nacional de Productos Forestales. Vía principal Chorros de Milla, Mérida, Venezuela. Apartado postal 5101. Correo-e: pmoreno@ula.ve (*Autor para correspondencia).

RESUMEN

De acuerdo con las normas ASTM D 2395-02 y D 143-94, se determinó la contracción total y normal en dirección radial (CR), tangencial (CT) y volumétrica (CV) y el coeficiente CT/ CR total y normal de Acacia mangium Willd., Tectona grandis L. f. y Terminalia amazonia A. Chev, maderas provenientes de plantación. También se determinaron algunas propiedades físicas como peso específico básico (PEB), PE_12% y PE_anhidro, densidad verde (DV) y normal (DN), punto de saturación de la fibra (PSF) y contenido de humedad (CH). Algunos criterios de clasificación, propuestos por otros investigadores, se aplicaron para categorizar la estabilidad dimensional y propiedades físicas de estas especies. Se encontró que la CR, CT, CV totales y CT_total/CR_total tienen diferencias significativas entre especies, al igual que las propiedades físicas PEB y PSF. El índice CT_total/CR_total indicó que T. grandis tiene mejor estabilidad dimensional. La relación lineal (R²= 0.7769) indicó que el PSF es un buen indicador de la magnitud de la CV_total. Las especies de plantación de este estudio comparadas con las del bosque natural tienen estabilidad dimensional similar pero menor PEB.

Palabras clave: Peso específico básico, densidad, punto de saturación de la fibra, contenido de humedad, estabilidad dimensional.

ABSTRACT

Based on ASTM standards D 2395-02 and D 143-94, total and normal shrinkage in radial (RS), tangential (TS) and volumetric (VS) directions and the total and normal TS/RS ratio were determined in the plantation woods Acacia mangium Willd., Tectona grandis L.f. and Terminalia amazonia A. Chev. Also, physical properties such as basic specific gravity (BSG), SG_12% and SG_ovendry, green density (GD) and normal density (ND), fiber saturation point (FSP) and moisture content (MC) were determined. Some classification criteria, proposed by other researchers, were used to categorize the dimensional stability and physical properties of these species. Significant differences were found among the species for total RS, TS, VS and TS_total/RS_total, as well as for the physical properties BSG and FSP. The TS_total/RS_total ratio indicated that T. grandis has better dimensional stability. The linear regression (R²= 0.7769) indicated that FSP is a good indicator of VS_total magnitude. The plantation species of this study compared with those of the natural forest have similar dimensional stability but lower BSG.

Keywords: Basic specific gravity, density, fiber saturation point, moisture content, dimensional stability.

INTRODUCCIÓN

Actualmente, el mercado de la industria maderera costarricense se abastece con madera proveniente de plantaciones, mientras que el abastecimiento con madera procedente del bosque natural es cada vez menor. Según estadísticas forestales de la Oficina Nacional Forestal (ONF, 2011), el consumo de madera de plantación en troza es de 800,000 m³·año^-1, y 37,000 m³·año^-1 de madera procedente de bosque natural. Las especies Acacia mangium Willd., Tectona grandis L.f. y Terminalia amazonia A. Chev. provenientes de plantación son de interés comercial en la industria maderera costarricense (Moya et al., 2010), por lo que, se hace necesaria la caracterización de las mismas, siendo importante conocer su comportamiento en cuanto a la estabilidad dimensional (contracciones) y propiedades físicas tales como densidad, peso específico básico, punto de saturación de la fibra, y contenido de humedad. Estas propiedades serán de utilidad a los industriales, para que puedan adecuar los procesos productivos y obtengan productos de madera con mayor valor agregado.

La madera es un material poroso, higroscópico y heterogéneo en su estructura, presenta un comportamiento anisotrópico (propiedades que varían en su magnitud en dirección radial, tangencial y axial), por lo que sus propiedades físicas son también variables. El contenido de humedad es una de las propiedades físicas de la madera que influye sobre los cambios dimensionales (contracciones e hinchamientos) y el peso específico. El conocimiento de las propiedades físicas básicas tales como contenido de humedad, densidad, peso específico y cambios dimensionales, facilita el procesamiento, utilización óptima, comparación y selección entre diferentes maderas para un producto final específico.

Cuando la madera pierde humedad, manifiesta una reducción de peso si sólo pierde agua libre, que es la que se encuentra en el lumen de las células. Sin embargo, cuando se inicia la pérdida de humedad en las paredes celulares (agua higroscópica), se iniciará también la contracción celular y, por tanto, la contracción de la madera en su conjunto de manera más significativa. Este punto de inflexión en el contenido de humedad representa el inicio de las contracciones (en un proceso de secado) o el hinchamiento (en un proceso de adsorción), con los consecuentes cambios dimensionales en la madera (Kollmann & Côté, 1968). Si la madera ha perdido teóricamente toda su agua libre manteniendo sus paredes celulares saturadas de humedad (agua higroscópica), la madera se encontrará a un contenido de humedad que se conoce técnicamente como punto de saturación de la fibra (Fuentes-Salinas, 2000). De acuerdo con Kollmann y Côté (1968), el punto de saturación de la fibra es un valor límite del contenido de humedad que se relaciona con los cambios dimensionales, el calor de humectación de la pared celular, la conductividad eléctrica, la rigidez y la resistencia mecánica de la madera, y la adsorción-compresión del agua en la madera.

Por otra parte, el peso específico es considerado como uno de los mejores indicadores de la resistencia mecánica de la madera (Da Silva, Ribeiro, Gasson, & Cutler, 2009). El peso específico se refiere a la proporción de pared celular, en la fibra de madera, que es espacio vacío respecto del lumen celular (Wiendenhoeft, 2010). El concepto de peso específico también puede ser definido como la relación que existe entre la densidad de la madera a un contenido de humedad determinado y la densidad del agua (Simpson & TenWolde, 1999).

Las tres especies de este estudio pertenecen a un grupo de aproximadamente 10 especies maderables que han destacado por su alto volumen de producción y su grado de aceptación en el mercado maderero nacional (Moya et al., 2010). El aprovechamiento de una especie maderera como materia prima en cualquier proceso industrial, depende entre otros factores, de sus propiedades físicas como densidad, peso específico, contenido de humedad y contracciones. El presente estudio aportará conocimiento tecnológico a los productores, industriales y otros usuarios sobre las propiedades físicas y comportamiento dimensional de las especies, hacia la consecución de procesos de transformación adecuados y productos de madera con mayor valor agregado.

Por tanto, el objetivo de este trabajo fue determinar algunas propiedades de las especies A. mangium, T. grandis y T. amazonia, provenientes de la plantación, y de interés comercial en la industria maderera costarricense. Las propiedades evaluadas fueron la contracción en dirección radial (CR), tangencial (CT) y volumétrica (CV); el coeficiente diferencial CT/CR o índice de distorsiones y alabeos y su relación con las propiedades físicas como peso específico básico (PEB), punto de saturación de la fibra (PSF), densidad normal (DN) y contenido de humedad (CH).

MATERIALES Y MÉTODOS

Las especies seleccionadas para este estudio provienen de tres regiones geográficas de Costa Rica. La especie T. grandis procede de la Región Atlántica, T. amazonia del Pacífico Sur y A. mangium del Pacífico Central. El Cuadro 1 muestra algunas características dendroepidométricas de las plantaciones muestreadas y las condiciones climatológicas medias anuales de cada región. Tres árboles de cada especie con fuste recto, sin bifurcaciones y daños visibles se seleccionaron al azar. El volteo de los árboles se hizo aplicando el método tradicional de corta con dirección abierta.

No se consideraron otras variables dendroepidométricas como, por ejemplo, incremento medio anual (IMA), índice de crecimiento anual (ICA), índice de sitio (IS) y procedencia del material genético, dado que la gerencia administrativa de las plantaciones muestreadas no suministró la información. Otras variables como tiempo de paso, competencia entre copas y clase de copa de los árboles no fue diagnosticado en terreno ni en los procesos de corta y volteo de los árboles muestreados. Al respecto, y considerando variables dendroepidométricas, Álvarez, Barrio, Gorgoso, y Álvarez (2003) proponen una metodología donde se incluyen 14 índices para la selección de árboles competidores. Aunque los factores que regulan el crecimiento del árbol son complejos y poco conocidos, es aceptado universalmente que la interacción espacial es uno de los factores que influye sobre el crecimiento con otros árboles cercanos.

Inmediatamente después de la operación de volteo de cada árbol se obtuvo un disco de 4 cm de espesor de la sección transversal del fuste, a 1.30 m de altura a partir de la base del árbol. El disco fue codificado sólo por especie y empacado en plástico para impedir la pérdida de humedad. De cada disco se obtuvo un listón central sin médula de 3 cm de ancho, obteniendo las probetas para determinar PEB, peso específico al 12% (PE₁₂), peso seco (PE₀), contenido de humedad inicial (CH₁), DB, densidad normal (DN) y CV. Las probetas se obtuvieron de las secciones semicirculares para determinar las contracciones en dirección tangencial y radial, como se muestra en la Figura 1. El procesamiento de la madera, preparación de probetas y ensayos se ejecutaron en las instalaciones del Centro de Investigación en Integración Bosque Industria (CIIBI) de la Escuela de Ingeniería Forestal del Eecnológico de Costa Rica (TEC), Cartago-CR.

Propiedades físicas

Se prepararon, acondicionaron y ensayaron 15 probetas para cada especie, bajo la norma D 2395 "Método de prueba para determinar la densidad básica de la madera y materiales⁷ p_a base de madera, método B" (American Society for Testing and Materiales [ASEM], 2002). La clasificación del PEB de la madera se realizó de acuerdo con Bárcenas (1985) y la clasificación de la densidad normal (12% CH) de acuerdo con el método Sallenave (Pérez, 1983). El porcentaje de CH, contenido de humedad máximo (CH_máx), PEB, DB y densidad verde (DV) de la madera se calcularon con las siguientes ecuaciones de acuerdo con Glass y Zelinka (2010):

El valor del PSF se determinó con la siguiente ecuación, siendo uno de los dos métodos propuestos por Fuentes-Salinas (2000) y que derivan del trabajo de Skaar (1972):

El agua es sometida a elevadas fuerzas de compresión cuando se encuentra en el interior de la pared provocando que la densidad sea mayor (1.113 g·cm^-3) a la que tendría en condiciones normales (Fuentes-Salinas, 2000).

Contracción radial, tangencial, volumétrica y coeficiente diferencial (CT/CR)

Las contracciones se determinaron con el método de la norma D 143-94 "Método de prueba para probetas de madera libre de defectos" (ASTM, 2000). La contracción volumétrica se consideró en dos condiciones de humedad: normal, desde condición verde al 12%, y total, desde condición verde a condición anhidra (estufa por 24 h a 103 °C). La cuantificación de la contracción normal y total en la dirección radial, tangencial y volumétrica se hizo con la siguiente ecuación, de acuerdo con Igartúa, Monteoliva, & Piter (2009).

El índice diferencial de contracción total entre la contracción tangencial (CE) y radial (CR), se determinó con la siguiente ecuación (Igartúa et al., 2009).

La estabilidad dimensional de cada especie se clasificó con base en el coeficiente diferencial o índice de alabeos y distorsiones, utilizando el criterio de clasificación propuesto por Ordóñez, Bárcenas y Quiróz (1989).

Diseño experimental

Los datos se analizaron con un diseño factorial general con un sólo factor (especie) y tres niveles categóricos: A. mangium, T. grandis, T. amazonia y 16 variables respuesta: CE normal y total, CR normal y total, CV normal y total, CE/ CR normal y total, PSF, PEB, PE₁₂, PE_o, DV, DN, CH_inicial y CH_max. El análisis de varianza (ANDEVA) y la prueba DMS (diferencia mínima significativa) se realizaron con una confiabilidad del 95%, utilizando el software estadístico Design Expert^® v.7.0.2.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

De acuerdo con los resultados obtenidos en los ensayos bajo las normas ASTM (2000, 2002) y las metodologías de clasificación para las contracciones y propiedades físicas (Bárcenas, 1985; Fuentes, Silva, Lomelí, Ricther, & Sanjuán, 2002; Ordóñez et al., 1989; Pérez, 1983) de las especies A. mangium, T. grandis y T. amazonia procedentes del bosque natural (Chowdhury, Shams, & Alam, 2005; Escobar, 1994; Hamami, Ashaari, 1998; Keenan & Tejada, 1987; Miranda, Sousa, & Pereira, 2010; Shavanas & Kumar, 2006) se tienen los siguientes resultados:

Contracciones y propiedades físicas

En el Cuadro 2 se indican las contracciones y propiedades físicas promedio de cada una de las especies. Los resultados son comparables con los obtenidos por Moya y Muñoz (2010) y Moya et al. (2010) en maderas de plantación. En el Cuadro 3 se presenta la clasificación de las contracciones y estabilidad dimensional de cada especie.

La razón CE_total/CR_total es un índice para distorsiones y alabeos, entre mayor sea, existe mayor probabilidad que ocurra una distorsión o deformación en la pieza de madera debido al cambio de humedad en un proceso de secado o cuando la madera esté en servicio. El coeficiente diferencial CE_total/CR_total indicó, para las tres especies, que la contracción tangencial es aproximadamente dos veces la contracción radial, coincidiendo con lo reportado por Simpson y TenWolde (1999). La CV_total de A. mangium superó en 54% (promedio) a E. grandis y E. amazonia. De la comparación entre las contracciones totales de las especies procedentes de plantación y de bosque natural se obtuvo que A. mangium de plantación presenta contracciones totales dentro del mismo rango que la madera de bosque natural. La especie T. grandis presentó mayor CR y menor CT/CR que la madera procedente de bosque natural. Para el caso de T. amazonia, la CT y CV se encuentran dentro del mismo rango, pero la T. amazonia de plantación presentó mayor CR y mayor CT/CR que la madera de bosque natural (Cuadros 2 y 4). En general, las especies de plantación de este estudio y las de bosque natural tienen estabilidad dimensional similar.

Los valores de PEB obtenidos son similares a los reportados por Moya y Muñoz (2010) y Moya et al. (2010) para las mismas especies en plantación; pero el PEB es menor al reportado para las mismas especies de bosque natural (Cuadros 2 y 4). Esta diferencia puede ser atribuida a lo indicado por Glass y Zelinka (2010) y León (2010), quienes mencionan que la relación entre el peso específico y las propiedades está influenciada por las diferencias de peso específico entre la madera de leño temprano y leño tardío. Sobre estas diferencias del peso específico, Muñoz y Moya (2008) y Toro, Ruiz, Velásquez, y Gómez (2009) determinaron una tendencia de variación en dirección radial del PEB en el gradiente médula-corteza.

Morgado et al. (2010) determinaron que dentro de un mismo árbol existe variabilidad y una correlación entre el peso específico y la altura de evaluación, siendo el valor del peso específico superior en la base del árbol. Estas variaciones implican diferencias en las propiedades físicas y mecánicas dentro de una misma especie maderable, dentro de un mismo árbol e incluso dentro de un mismo anillo de crecimiento anual que está compuesto por ambos tipos de leños. El peso específico está directamente relacionado con el porcentaje de CH en la madera; esto explica las diferencias encontradas, dado que el porcentaje de CH inicial también varía entre especies y entre árboles (Simpson & EenWolde, 1999).

Por otra parte, Glass y Zelinka (2010) indican que el PEB es un buen parámetro para determinar el contenido máximo de humedad en la madera. Lo anterior se demuestra en la Figura 2, en donde existe un buen coeficiente de relación lineal entre el PEB y % CH_max.

 

Cuando el PEB aumenta, el volumen del lumen de la célula, disminuye debido a que el peso específico de la pared celular es constante entre especies. Sin embargo, el contenido máximo de humedad disminuye dado que hay menos espacio para el agua libre en el lumen de la célula; por tanto, sólo hay mayor espacio para agua higroscópica que se concentra precisamente dentro de la pared celular (Glass & Zelinka, 2010). Lo anterior se comprueba para A. mangium que obtuvo el menor CH_máxy mayor PEB y PSF. Cuando hay mayor humedad en la pared celular y menos agua libre (lumen) se incrementa la posibilidad de tener mayores contracciones volumétricas (CV), dado que al eliminar mayor cantidad de humedad de la pared celular, aumenta la probabilidad de que ésta sufra contracciones.

Referente a las contracciones y deformaciones en la madera, Eenorio y Moya (2011) y Tenorio, Moya, y Quesada (2012) encontraron algunos inconvenientes en la especie A. mangium, luego de un proceso de secado (torceduras, arqueaduras, alabeos grietas y rajaduras). Esto es atribuido a la presencia de zonas puntuales con altas concentraciones de humedad, predominantemente en la sección radial de las piezas, que produjeron alta variabilidad en el CH_final de la madera. Al parecer, esta concentración de humedad anormal está asociada con infecciones bacterianas (wetwood), aumentando el CH y produciendo manchas y deformaciones en la madera (Kabir, Leininger, Araman, & Winn, 2006; Moya, Muñoz, & Escalante, 2006; Moya & Muñoz, 2008; Ward & Pong, 1980).

De acuerdo con los valores obtenidos de densidad normal (Cuadro 2) y los criterios de clasificación de las especies latifoliadas (Pérez, 1983), las especies de plantación A. mangium, T. grandis y T. amazonia se clasifican como maderas livianas; mientras que, por los valores de PEB (Cuadro 2) y los criterios de clasificación de Bárcenas (1985), A. mangium y T. grandis son maderas moderadamente pesadas y T. amazonia se clasifica como madera pesada.

Con un 95% de confiabilidad, tanto el modelo aplicado como el factor especie son significativos para todas las variables respuesta. La proporción de variabilidad de cada respuesta es explicada por el modelo estadístico mediante el valor de R². Por otra parte, el valor R² ajustado indica que el número de factores presentes en el modelo es adecuado, por lo tanto, se confirma la validez del ANDEVA que se resume en el Cuadro 5. La prueba DMS reportó diferencias estadísticamente significativas de las propiedades físicas y contracciones entre las especies de plantación (Cuadro 2).

Relación entre las propiedades físicas y contracciones

Se encontró una relación lineal entre DV-CH_máx , para A. mangium (R² = 0.606) y T. amazonia (R² = 0.925), pero no para T. grandis (R²= 0.025), mientras que para la relación PEB-CH_máx , se encontraron coeficientes de relación lineal más altos para las tres especies estudiadas (Figuras 2a y b). Esto significa que el PEB es mejor indicador que la DV para estimar el CH_máx , . Por tanto, a mayor PEB, la madera tendrá menor capacidad de contener humedad en su estructura celular. Eambién se encontró una correlación lineal entre PEB-CV sólo para T. grandis (R²= 0.357), para las otras dos especies la relación lineal fue de R² = 0.06. Por otra parte, una relación de tipo lineal se determinó entre el PSF y la CV_total; el PSF resultó ser un buen indicador para estimar si una especie tendrá menor o mayor CV_total debido al buen coeficiente de relación lineal obtenido para cada especie estudiada (Figura 2c).

Glass y Zelinka (2010) reportan que la contracción en la madera es afectada por un número variable de factores, pero en general, la CV está asociada con valores altos de densidad. Sin embargo, siendo la CV_total significativamente diferente entre especies (Cuadro 2), no existe para A. mangium una relación lineal (R² = 0.0095) entre DV-CV_total, a pesar de que es la especie con mayor CV_total y DV (Cuadro 3), de igual manera sucedió con T. grandis (R²= 0.0806). En el caso de T. amazonia se encontró una relación lineal entre DV-CV_tota, (R²= 0.4463).

Fuentes et al. (2002) reportan que no es conocida la linealidad entre CE/CR en todo el rango higroscópico de la madera, por lo que este índice está en función del rango de humedad en el cual se determine. Para el caso de las especies evaludas, en el rango higroscópico de verde a 12% se obtuvieron los siguientes coeficientes de regresión lineal entre CE/CR y CH: R²= 0.646 para A. mangium, R² = 0.199 para T. grandis y R²= 0.98 para T. amazonia. Simpson y EenWolde (1999) reportan para madera de Douglas-fir, una relación lineal de la CE y el CH, determinando que al decrecer el CH, la CE de la madera incrementa como se muestra en la Figura 3.

CONCLUSIONES

A. mangium presentó el mayor punto de saturación de la fibra (PSF) y la mayor contracción volumétrica total (CV_total). La especie con la mejor estabilidad dimensional (menor índice de alabeos y distorsiones) es T. grandis, mientras que T. amazonia presentó mayor índice de alabeo y distorsiones (CT/ CR). Entre menor sea el valor de este índice, existe menor probabilidad de que ocurra una distorsión o deformación en la pieza de madera por cambio de humedad. El PSF resultó ser un buen indicador de la CV_total. El peso específico básico (PEB) resultó ser un buen indicador del contenido de humedad máximo, es decir, a mayor PEB, menor será el valor de humedad máxima que la madera podría contener en su estructura celular. En general, comparando las especies de plantación y las de bosque natural, los valores de contracción y estabilidad dimensional se registraron en rangos similares. Sin embargo, las especies de plantación presentaron menor PEB.

Se recomienda en futuras investigaciones con estas u otras especies maderables, la inclusión de otras variables dendroepidométricas de interés y verificar su evidencia significativa sobre los resultados de las propiedades físico-mecánicas y las contracciones de las especies en estudio.

AGRADECIMIENTOS

Al Centro de Investigación en Integración Bosque-Industria (CIIBI) por el apoyo de personal técnico y de equipamiento. A las empresas, Precious Woods de Centro América, Ecodirecta Group y Barca, S. A. por el suministro del material de estudio y a la Vicerrectoría de Investigación y Extensión del Tecnológico de Costa Rica, por el apoyo financiero.

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