Propiedades físico-mecánicas de madera de teca de plantaciones comerciales

Properties of the wood from commercial teak plantations

Raúl Rodríguez Anda¹, Juan Francisco Zamora Natera², José Antonio Silva Guzmán¹, Eduardo Salcedo Pérez¹ y Francisco Javier Fuentes Talavera¹

¹ Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Universidad de Guadalajara. Correo-e: rrodrigu@dmcyp.cucei.udg.mx

Fecha de recepción: 27 de abril de 2014;
Fecha de aceptación: 17 de junio de 2014.

RESUMEN

Las propiedades físico-mecánicas de la madera de Tectona grandis (teca) procedente de plantaciones comerciales del sureste mexicano fueron analizadas. Se eligieron árboles de 9 y 15 años del estado de Campeche, 21 años de Chiapas y 15 años de Tabasco. Se recolectaron 10 trozas de 3 m de longitud por edad y procedencia. Las propiedades físicas y mecánicas se evaluaron conforme a las normas DIN. La densidad normal fluctuó de 0.55 a 0.66 g cm^-3. La contracción máxima radial y tangencial fue 2-2.8 % y 4.3-5.1 % (baja), su anisotropía 1.8-2.2 (de buena a alta), sin diferencia estadísticamente significativa (P>0.05) por edad y procedencia. La madera de 15 años de Tabasco fue superior en el módulo de elasticidad a flexión (9 479 N mm^-2), cizallamiento (11.3 N mm^-2), dureza Brinell longitudinal (49 N mm^-2) y lateral (28 N mm^-2). En tanto que, la de 15 años de Campeche presentó los valores más elevados de resistencia a flexión (108 N mm^-2) y compresión longitudinal (48 N mm^-2). La de 21 años de Chiapas exhibió los mejores resultados de módulo de elasticidad a compresión longitudinal (10 920 N mm^-2) y al trabajo por impacto (41 kJ m^-2). La de 9 años de Campeche fue la que tuvo los menores registros en todos los ensayos mecánicos.

Palabras clave: Cizallamiento, compresión longitudinal, estabilidad dimensional, impacto, normas DIN, Tectona grandis. L. f.

ABSTRACT

Key Words: Shear strength, longitudinal compression, dimensional stability, impact, DIN norms, Tectona grandis. L. f.

INTRODUCCIÓN

Tectona grandis L. f. (árbol de teca) se cultiva en regiones tropicales de América Latina, África y Asia, con una extensión aproximada de 5 millones de hectáreas, y está en constante aumento. La mayoría de las plantaciones (77 %) es menor de 20 años, y se estima que el volumen de madera talada de bosques nativos de teca es de 0.5 millones de m³ y en los cultivados de 1.5 a 2 millones de m³ (Kollert y Cherubini, 2012), lo que significa un alto volumen en el suministro comercial de troncos con dimensiones pequeñas.

Aunque en México no se cuenta con información estadística oficial relacionada con las plantaciones de teca, actualmente, existe un notable y creciente interés por esta especie, dada su apreciable madera, lo que ha motivado al establecimiento de un número mayor de plantaciones comerciales, de ellas la mayoría está en sus primeros 10 a 15 años de vida, con manejo que incluye mayores labores culturales. Una práctica común dentro de los tratamientos silvícolas es el raleo, cuya finalidad es la de sostener incrementos rápidos de los árboles seleccionados (Galoway et al., 2001). De estos se genera una cantidad considerable de madera en rollo sin grandes beneficios comerciales, ya que su uso en artículos no es amplio, por lo que quedan a la deriva, comparativamente, con la madera procedente de bosques naturales y de plantaciones superiores a 50 años, sus posibles campos de aplicación ligados a sus propiedades tecnológicas.

La madera de teca es de alto valor comercial, debido a sus propiedades físico-mecánicas que la hacen una de las más apropiadas y durables para la construcción, fabricación de muebles, puertas, ventanas; y es considerada la de mejor estabilidad dimensional, por su bajo punto de saturación de la fibra y contracción (Upadhyay et al., 2005; Bhat e Índira, 1997).

El mercado internacional es cada vez más exigente en el cumplimiento de estándares de calidad y propiedades tecnológicas de la madera, sobre todo de aquéllas procedentes de plantaciones forestales jóvenes (menores de 21 años), ya que en ellas pueden ser muy variables, en comparación con la madera de bosques naturales o plantaciones con más de 40 años, edad a la que se estima alcanzan su madurez (Richter et al., 2003; Tze, 1999). Por otra parte, no es claro que tanto afecta a las propiedades de la madera un rápido incremento diamétrico (Pérez y Kanninen, 2005). Bhat (1998) registra que las más importantes son las bajas porciones de madera juvenil y de tensión; alta proporción de duramen; densidades mayores a 0.675 g cm^-3; y resistencias a la flexión superiores a 135 N mm^-2.

Pérez y Kanninen (2005) evaluaron los efectos de la intensidad de raleos sobre la proporción de duramen, densidad básica y la forma del fuste; consignan que la madera en estadios jóvenes de crecimiento no presentaron una clara relación entre la densidad y propiedades de la madera, con los regímenes de raleos en plantaciones ubicadas en el lado tropical húmedo de Costa Rica. También observaron alta variabilidad en algunas, considerándose como normal en las primeras etapas de crecimiento bajo condiciones similares. Moya y Pérez (2008) analizaron el efecto de las características físicas y químicas del suelo sobre las propiedades de la madera de 7 y 15 años de 23 plantaciones de Costa Rica; y determinaron que existe una correlación (r<0.65) de las propiedades edáficas con la contracción normal tangencial y radial, pero no tienen influencia sobre la densidad de la madera y el porcentaje de duramen formado.

Kokutse et al. (2004) afirman que la calidad de sitio donde se desarrolla la planta juega un papel importante en la formación de duramen, en el módulo de elasticidad y contenido de humedad de la madera. Bhat y Priya (2004) indican que las variaciones de las propiedades mecánicas de una madera de rápido o lento crecimiento pueden deberse a la procedencia, y sugieren que la región geográfica influye en el grosor de la pared celular y las propiedades físico-mecánicas. Thulasidas y Bhat (2012) señalan que las plantaciones agroforestales con irrigación y tratamientos de fertilización tienen menor calidad de la madera que la de bosques naturales o plantaciones típicas, con manejo forestal convencional. Por otra parte, Bhat et al. (2005) registran que la madera de lugares húmedos es de color pálido y con baja cantidad de extraíbles, lo que pudiera repercutir en una menor resistencia al ataque de hongos.

MATERIALES Y MÉTODO

Recolección del material biológico

El material de 9 y 15 años de edad se recolectó en el estado de Campeche, el de 21 años en Chiapas y uno más de 15 años en Tabasco. En el Cuadro 1 se resumen algunas de las características de los sitios de muestreo. De cada una de las edades se recolectaron 10 árboles con longitudes de trozas de 3 m a partir del tocón, las cuales fueron divididas en tres secciones. Se formuló un esquema de corte (radial) para su aserrío, con la finalidad de que los tablones estuvieran lo mejor orientados en sus planos radial y tangencial (Figura 1).

Los tablones obtenidos (1 m de longitud, 3" de espesor y ancho variable) fueron secados, parcialmente, al aire libre bajo techo y enseguida en un secador técnico-convencional Hildebrand HD 78 K, hasta contenidos de humedad de 10 %. Al término del proceso de secado se realizó una prueba de "tenedor" para descartar tensiones en la madera, así como una inspección visual. No se observaron defectos: alabeos, colapsos, agrietamientos o rajaduras.

Especímenes para la determinación de las propiedades físicas

Propiedades mecánicas

A excepción de la prueba de dureza Brinell, las otras se realizaron con base en las Normas Alemanas DIN (DIN Normen, 2000). El ensayo de flexión estática se llevó a cabo bajo la norma DIN 52 186, con dimensiones de 20 x 20 x 360 mm. La resistencia a la compresión longitudinal se efectuó siguiendo lo establecido en la DIN 52 185, con medidas de 20 x 20 x 60 mm. El ensayo de trabajo a la ruptura por impacto se evaluó con la norma DIN 52 189, con magnitudes de 20 x 20 x 250 mm; el correspondiente a la resistencia al corte en dirección longitudinal radial de acuerdo a DIN 52 187 y tamaños de 40 x 40 x 40 mm; para el de dureza se aplicó el método Brinell estipulado en la norma europea 1 534, con dimensiones de 40 x 40 x 40 mm. La evaluación mecánica se efectuó en una maquina universal Karl Frank modelo 81105, con una capacidad de carga de 50 000 Newtons; (N), y un péndulo de golpe Karl Frank modelo 53580, con capacidad de 300 Joules (J). Se ejecutó un análisis de varianza unifactorial, por edad y procedencia, para determinar las posibles diferencias significativas entre medias; así mismo se utilizaron las pruebas de rangos múltiples para establecer cuáles de las medias son significativamente diferentes, se usó el paquete estadístico Statgraphics Centurion XV ver. 15.2.06.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Propiedades físicas

Densidad normal. La densidad de las maderas fue influenciada por la edad y el sitio de procedencia (P=0.0000). El valor más alto se estimó para la madera de 15 años del estado de Tabasco (Figura 2). No obstante que la madera de Chiapas provenía de plantaciones de 21 años, su densidad resultó similar a la de 15 años de Campeche, cuya madera de 9 años tuvo el menor registro (Figura 2).

Existe una gran variación en lo que respecta a la densidad de la madera de teca. Bhat y Priya, (2004) citan densidades normales de 0.66 g cm^-3 para madera de 65 años de la región oeste de Ghat en la India. Silva et al. (2010) informan valores, sin mencionar edad y procedencia, dentro de un intervalo de 0.55 a 0.75, con un promedio de 0.65 g cm^-3.

De acuerdo con Bhat y Priya, (2004) y Kokutse et al. (2004), el sitio de crecimiento de los árboles influye en la densidad de la madera de teca, debido a las condiciones físicas y propiedades químicas del suelo que inciden en el incremento en altura y diámetro del árbol, modificando la densidad de la madera. Además, la densidad del arbolado en la plantación, el manejo silvícola, las fertilizaciones, el riego, la precipitación pluvial, la humedad, la altura sobre el nivel del mar y la temperatura del sitio también pudieran incidir en el crecimiento y, en consecuencia, en la densidad de la madera. Los factores antes mencionados explicarían las diferencias entre los materiales de teca de Tabasco y los de Chiapas y Campeche.

Diversos autores han consignado el efecto de la edad en la densidad de la madera, Kokutse et al. (2004) observaron una alta variabilidad, 0.55 a 0.75 g cm^-3, en edades de 6 a 23 años en material procedente de cinco sitios de crecimiento de Togo, con condiciones climáticas y edáficas diferentes. De acuerdo con este autor existe un valor de densidad 17 % menor con respecto a las citadas para maderas de árboles entre 67 y 70 años de otros lugares. Algunos investigadores señalan que la densidad de la madera muestra una tendencia a estabilizarse conforme se incrementa la edad (Pérez y Kanninen, 2003; Kokutse et al., 2004). Asimismo, Pérez y Kanninen (2003) determinaron que maderas de 10 años de edad, de la región de Guanacaste Costa Rica, cultivadas en los linderos de plantaciones tuvieron densidades básicas más altas que las plantaciones de 40 años.

Los resultados del presente trabajo corresponden a los intervalos registrados para maderas de plantaciones comerciales de otras partes del mundo.

Movimiento dimensional

El movimiento dimensional de la madera se evaluó en función de la contracción normal por secado (β_N, la contracción máxima (β_máx) y el hinchamiento diferencial (q). En el Cuadro 2 se muestran sus valores tanto por edad-procedencia de las maderas como el promedio poblacional. Las contracciones normal por secado y máxima fueron muy bajas, se ubican en la categoría de muy pequeñas de acuerdo a la clasificación sugerida en la base de datos PROSPECT (1997) del Oxford Forestry Institute, lo que coincide con una de las características sobresalientes de la madera de teca, su bajo movimiento dimensional.

El efecto de edad y de procedencia no se evidenció en la dirección tangencial, estadísticamente no existió diferencia significativa (p > 0.05), y en la dirección radial las diferencias fueron distintas en cada índice. Numéricamente, la madera de 15-Tabasco mostró los valores más altos; las de 9-Campeche, 15-Campeche y 21-Chiapas tuvieron similar movimiento dimensional.

A partir de los índices consignados en el Cuadro 3, se calcularon las anisotropías de la contracción por secado (A-β_N), contracción máxima (A-β_máx) y del hinchamiento diferencial (A-q), con el objetivo de inferir sobre la estabilidad dimensional de las maderas. De acuerdo a Silva et al. (2010), la estabilidad dimensional es un término cualitativo útil para calificar el movimiento dimensional de la madera expuesta a cambios cíclicos de humedad relativa del aire y temperatura, además permite tener una visión teórica sobre posibles distorsiones durante el secado o en el intervalo higroscópico de uso práctico de la madera (35 % a 85 % humedad relativa del aire). Entre más bajos son los valores de anisotropías, se infiere una mayor estabilidad de la madera.

El movimiento dimensional está dentro del intervalo consignado por varios autores, tanto con maderas de plantaciones de edades similares como de otras más maduras de diversas procedencias del mundo. Por ejemplo, en plantaciones del Ecuador de 22 años, Crespo et al. (2008) citan contracción máxima radial y tangencial de 2.0 y 5.7 %, respectivamente, y A-β_máx= 2.9; para maderas de 18 años 2.1 y 5.2 %, y A-β_máx. = 2.5. De plantaciones en Costa Rica con 17 años de edad, Castro y Raigoza (2000) obtuvieron valores de 2.2 y 3.9 %, con A-β_máx= 1.8; por su parte, Rivero-Moreno y Moya-Roque (2006) registraron 2.6 y 5.3 % y A-β_máx= 2.0 con maderas de 8 años, en Bolivia.

En comparación con maderas de 50 a 70 años de edad procedentes del este de Timor, Miranda et al. (2011) informan una contracción máxima radial y tangencial de 3.5 y 5.2 %, respectivamente con A-β_máx= 1.6.

Lo anterior muestra que a pesar de tratarse de material procedente de plantaciones de menor edad, el movimiento dimensional fue similar. Las variaciones pudieran deberse al porcentaje y tipo de extractos, ya que estos interfieren los sitios de sorción de humedad de la madera (Posch et al., 2004); así como a la cantidad de radios y vasos, presencia de tilosis y proporción de volumen vacío de los vasos, (Shukla y Kamdem, 2010).

La diferencia fundamental se muestra en la anisotropía de la contracción máxima (A-β_máx), y en consecuencia en la evaluación global de la estabilidad dimensional; todas las maderas de este estudio tuvieron una menor estabilidad en comparación con la madera de teca de 50-70 años de Timor.

Propiedades mecánica

Módulo de elasticidad a flexión (MOE). El módulo de elasticidad más alto se observó en las maderas de mayor edad, no hubo diferencia estadística por procedencia entre los 15 y 21 años (Cuadro 4). Sin embargo, la madera de 9 años tuvo un módulo de elasticidad mucho menor. Con base en lo anterior, se establece que existe una influencia más de la edad que de la procedencia sobre el módulo de elasticidad.

Thulasidas y Bhat (2012) estiman 9 102 N mm^-2 para maderas de 35 años procedentes de Ernakulam, India. El módulo de elasticidad obtenido por dichos autores es menor al de 15 y 21 años del sureste mexicano, cuya relevancia radica en la diferencia de edades entre la madera de teca de la India, con respecto a la mexicana. Por otra parte, Bhat y Priya (2004) evaluaron maderas de 21 años (8436 N mm^-2) de Konni, India; valor comparativamente igual a la de 9 años de Campeche y muy inferior a su similar de edad de Chiapas.

Existe cierta controversia entre el presente trabajo y otros autores en lo relativo a la influencia de la edad y procedencia sobre el módulo de elasticidad a flexión. Bhat y Priya (2004) señalan que una explicación anatómica pudiera dar esclarecimiento a ciertas diferencias de resultados, sobretodo una alta cantidad de tejido parenquimático y baja proporción de fibras.

Módulo de ruptura a flexión (MOR). Estuvo influenciado por la edad entre los 9 y 15 años de las maderas de Campeche y Tabasco, cuando fue superior, la procedencia determinó su comportamiento como se observa en la madera de 21 años de Chiapas (Cuadro 4).

Un factor por considerar es la precipitación media anual de Chiapas, de 2 000 a 2 500 mm, y la de Campeche de 1 300 a 1 500 mm, ya que este incide en un rápido crecimiento de la madera de 21 años, al tener mayor cantidad de agua disponible; por lo tanto, un gran incremento de anillos anuales de crecimiento, más contenido de tejido parenquímatico y menor cantidad de fibras (Bhat y Priya, 2004).

Bhat y Priya (2004) determinan valores de resistencia a la flexión de 92 N mm^-2 para maderas de 21 años, procedentes de Koni, India. Asimismo, Thulasidas y Bhat (2012) registran 110 N mm^-2 para maderas de 35 años del distrito Ernakulam, Kerala, India; zona húmeda con una precipitación media anual de 2 500 a 3 500 mm, lo que repercute en la disminución de la mayoría de las propiedades mecánicas, ya que tienen gran cantidad de tejido parenquimático y menor proporción de fibras, a pesar de la edad de la madera. De los valores citados por Thulasidas y Bhat (2012), comparativamente con la madera mexicana de 15 años, difiere tan solo en 2 N mm^-2 con respecto a la de 35 años de Ernakulam. Respecto a la de 9 y 21 años pueden considerarse como semejantes a las de 21 años procedentes de Koni, India.

De acuerdo a la base de datos Prospect (1997), la madera de teca mexicana de 9, 15 y 21 años por su resistencia a la flexión se clasifica como "Media".

Módulo de elasticidad a compresión paralela. Los resultados evidenciaron una relación lineal con la edad. Por otra parte, la procedencia jugó un papel importante en el módulo de elasticidad; así la madera que procede de Campeche, sin importar la edad, fue menor en comparación con la de Chiapas y Tabasco.

Resistencia a la compresión paralela. Los valores a la compresión longitudinal incrementaron sus resistencias de los 9 a los 15 años; posterior a esta edad, tienden a disminuir en 4 %. En cuanto a la procedencia se observó su importancia en las maderas de 15 años Tabasco y Campeche. A pesar de poseer la misma edad, la de Campeche presentó los resultados más altos, claro indicativo de que la procedencia contribuyó a la propiedad mecánica de compresión. Al confrontarlos con los obtenidos por Crespo et al. (2008) de madera de 18 años de Balzar (39 N mm^-2) y de 22 años de Quevedo (43 N mm^-2) Ecuador, así como los presentados por Bhat y Priya (2004) de madera de 21 años (45 N mm^-2) de Koni, India, y los de Silva et al. (2010) con 46 N mm^-2; la madera de Campeche de 15 años superó las resistencias señaladas por los autores antes mencionados, y fue ligeramente menor a los de Miranda et al. (2011) con maderas de 50 a 70 años (50 N mm^-2) de Lautem Timor, y a los de Posch et al. (2004) con madera de 10 a 34 años (50 N mm^-2) de Panamá.

Trabajo a la ruptura por impacto. La edad de las maderas fue importante en las resistencias al trabajo a la ruptura por impacto (Cuadro 4). Ligado al trabajo por impacto, tipo de porosidad que puede presentar la madera, la anular es la que juega un papel importante (Mombacher, 1993).

La madera de teca, muestra porosidad de anular a semianular (Silva et al., 2010), lo que le permite una mayor absorción de energía al momento de recibir el impacto. Si bien, todas las maderas en el presente estudio muestran el mismo patrón de porosidad, la precipitación pluvial de cada lugar puede incidir en su estructura anatómica, principalmente, en los tamaños de los vasos, ya que a mayor disposición de agua, aumenta la tendencia de incrementar el tamaño de los vasos. En este sentido, la madera de Chiapas estuvo expuesta a una cantidad superior de precipitación (Cuadro 1) y le correspondió el valor más alto de trabajo al impacto.

En comparación con los registros en la literatura, Silva et al. (2010) obtuvieron resistencias al impacto en intervalos de 32 a 49 kJ m^-2, aunque no mencionan edad ni procedencia. Las maderas de teca mexicana se sitúan dentro del intervalo de resistencia indicado previamente. Sin embargo, conforme a la clasificación de Prospect (1997), valores ≤ 45 kJ m^-2 son considerados como bajos; por lo tanto, la teca mexicana está incluida en esa categoría.

Rivero y Moya (2006) indican valores de 12 N mm^-2 para madera de 8 años de Cochabamba, Bolivia. Crespo et al. (2008) exhiben resistencias de 9 N mm^-2 para maderas de 22 años de Quevedo, así como 11 N mm^-2 para las de 18 años de Balzar, ambas localidades de Ecuador. Por su parte, Silva et al. (2010) sin mencionar edad y procedencias presentan resistencias de 11 a 14 N mm^-2. La madera de 15 años de Tabasco se ubica dentro de los intervalos publicados. Conforme a la clasificación de Prospect (1997), la madera de 9 y 15 años se cataloga como "blanda", y la de 21 años como "Muy blanda".

Dureza Brinell, longitudinal y lateral. Las maderas de Campeche y Chiapas fueron estadísticamente similares, por lo que la procedencia, más que la edad, jugó un rol importante en la dureza de la madera. La de Tabasco tuvo los valores más altos, lo que se explica por su mayor densidad, puesto que existe una alta correlación entre la dureza y densidad de la madera (Forest Products Laboratory, 2010).

La dureza longitudinal de las maderas de teca del presente estudio resultaron más bajas que las de Posch et al., (2004) (56 N mm^-2) para madera de 10 a 34 años procedentes de Panamá. Posch et al. (2004) consignan para la dureza lateral un valor de 32 N mm^-2 para maderas de 10 a 34 años de Panamá; mientras que, Silva et al. (2010) registran un intervalo de 23 a 39 N mm^-2; por lo que la madera de teca mexicana de 15 años está por debajo del valor indicado por Posch et al. (2004) y dentro del límite inferior descrito por Silva et al. (2010).

Las madera de teca mexicana se clasifica como blanda a muy blanda de acuerdo a Mòrath (citado en Lohmann, 1990), quien establece para esta categoría valores menores de 49 N mm^-2.

CONCLUSIONES

La edad y procedencia influenciaron la densidad y las propiedades mecánicas de la madera, sin observarse una tendencia lineal que permita establecer un modelo de interrelación.

En la estabilidad dimensional no incidieron ni la edad ni la procedencia.

El movimiento dimensional fue muy bajo; sin embargo, los valores de anisotropía clasifican la estabilidad dimensional de las maderas de buena a regular.

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