Artículo original

Densidad y módulo dinámico de tres maderas mexicanas impregnadas con boro. Evaluación con vibraciones transversales

Densidade e módulo dinâmico de três madeiras mexicanas impregnadas com boro Avaliação com vibrações transversais

0000-0002-1527-8801Javier Ramón Sotomayor Castellanos^{1  *}  , 0000-0003-2646-2142Luz Elena Alfonsina Ávila Calderón¹ 

¹Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México.

Resumen

El objetivo de este trabajo fue evaluar los efectos de las sales de boro en las densidades y en los módulos dinámicos de la madera. Para ello, se trataron cuarenta probetas de Spathodea campanulata, Fraxinus americana y Albizia plurijuga mediante el método de baño caliente-frío en tres grupos con concentraciones de 1 %, 2 %, 3 %, más un grupo de control. Antes y después del tratamiento, se calcularon las densidades de la madera, el contenido de humedad, sus retenciones y se determinaron sus módulos dinámicos con vibraciones transversales. Los valores de las retenciones aumentaron proporcionalmente a la concentración de sales de boro utilizada, pero disminuyeron a medida que las densidades de cada especie variaron. El tratamiento en probetas de pequeñas dimensiones no alteró las densidades de la madera. En cambio, el tratamiento sí modificó los módulos dinámicos determinados con vibraciones transversales. Se confirmó el paradigma en ciencias de la madera que propone la caracterización del comportamiento mecánico de cada especie en particular. Las experiencias se realizaron en el laboratorio de Mecánica de la Madera de la Facultad de ingeniería en Tecnología de la Madera de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, en Morelia, México.

Palabras-clave: Albizia plurijuga; baño caliente-frío; Fraxinus americana; retención de sales de boro; Spathodea campanulata.

Resumo

O objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos dos sais de boro sobre as densidades e módulos dinâmicos da madeira. Para este fim, quarenta espécimes de Spathodea campanulata, Fraxinus americana e Albizia plurijuga foram tratados pelo método de banho quente-frio em três grupos com concentrações de 1 %, 2 %, 3 %, mais um grupo de controlo. Antes e depois do tratamento, foram calculadas as densidades da madeira, o teor de humidade, as suas retenções e os seus módulos dinâmicos com vibrações transversais. Os valores das retenções aumentaram proporcionalmente à concentração de sais de boro utilizados, mas diminuíram à medida que as densidades de cada espécie variaram. O tratamento em pequenos exemplares não alterou as densidades da madeira. No entanto, o tratamento modificou os módulos dinâmicos determinados com vibrações transversais. Foi confirmado o paradigma nas ciências da madeira que propõe a caracterização do comportamento mecânico de cada espécie em particular. As experiências foram realizadas no Laboratório de Mecânica da Madeira da Faculdade de Engenharia Tecnológica da Madeira da Universidade Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, em Morelia, México.

Palavras-Chave: Albizia plurijuga; banho quente-frio; Fraxinus americana; retenção de sais de boro; Spathodea campanulata.

Introducción

El uso cotidiano y las aplicaciones prácticas de la madera requieren de su protección contra el deterioro ocasionado por agentes biológicos y/o físicos ^{(Cruz de León, 2010}; ^{Simsek et al., 2010)}. El tratamiento con sales de boro es una práctica eficiente para proteger a la madera del ataque de hongos e insectos, así como para disminuir el deterioro ocasionado por su exposición al fuego (^{Tondi et al., 2012}; ^{Keskin y Mutlu, 2017)}. Esta estrategia se considera una tendencia dentro de la tecnología química sustentable ^{(Simsek y Baysal, 2015}; ^{Pizzi, 2016)}. Sin embargo, es necesario conocer los efectos de las sustancias preservantes en las propiedades físicas y mecánicas de la madera.

^{Lahtela et al., (2014)} reportan que, en general, las sustancias preservantes no modifican significativamente las propiedades elásticas de la madera. No obstante, los autores hacen notar que existe evidencia empírica respecto a resultados contradictorios. Las diferencias pueden ser atribuidas principalmente a la especie en estudio, al tipo y concentración de preservante utilizado, así como a la temperatura, a la presión y al tiempo del tratamiento.

^{Percin et al., (2015)} informan que el módulo de elasticidad de las maderas de Quercus petraea aumenta o disminuye de acuerdo a los tipos de sales de boro empleados en combinación con la intensidad y la duración del tratamiento térmico utilizado. Por su parte, ^{Simsek y Baysal (2015)} refieren, para Fagus orientalis y Pinus sylvestris, el aumento de la densidad de la madera y a la vez la disminución del módulo de elasticidad en función de la especie y en relación con la cantidad de retención de sales de boro, parámetro que varía para cada madera. Estos resultados confirman las observaciones de ^{Kartal et al., (2008)}, para madera de Cryptomeria japonica y de ^{Adanur et al., (2017)}, para madera de Fagus orientalis, quienes consideran que todos los resultados son particulares a cada investigación.

^{Sotomayor y Villaseñor (2016)} y ^{Sotomayor y Ávila (2019)}, ^{Sotomayor castellanos (2016)} determinan las retenciones de sales de boro en concentraciones de 1 %, 2 % y 3 %, con en el método baño caliente-frío en diversas maderas. Sus resultados sugieren que la capacidad de las maderas estudiadas para retener sales de boro depende, principalmente, de la especie y disminuye en relación con su densidad.

Sobre las densidades y módulos dinámicos, ^{Sotomayor y Correa (2016)}, utilizan ondas de esfuerzo para analizar el efecto de las sales de boro con una concentración de 3 %, en Guazuma ulmifolia, Spathodea campanulata y Abies religiosa. Los autores concluyen que estas maderas pueden ser impregnadas con sales de boro con el método baño caliente-frío, sin reducir sus propiedades físicas y mecánicas. Los autores proponen que es necesario caracterizar el comportamiento físico-mecánico de la madera con un enfoque de experimentación de caso por caso de una especie en particular.

Por su parte, ^{Sotomayor y Villaseñor (2016)}, usan vibraciones transversales para verificar el efecto de las sales de boro con una concentración de 3 %, en la densidad y el módulo dinámico de las especies G. ulmifolia, S. campanulata y A. religiosa. ^{Sotomayor et al., (2018)}, hacen lo mismo con las especies y concentración referidas, pero esta vez con pruebas de flexión estática. Los autores concluyen que cada especie se comporta de manera diferente cuando se impregna con sales de boro por el proceso de baño caliente-frío.

En los trabajos referidos, se miden parámetros como las concentraciones y retenciones de sales de boro, así como su efecto sobre la densidad y el módulo elástico, este último determinado principalmente en condiciones estáticas. Sin embargo, los resultados no muestran una tendencia clara respecto al aumento o a la disminución de la densidad y el módulo de elasticidad. Las diferencias entre las investigaciones anteriores indican que los resultados están relacionados con las variables y a las condiciones de ensayo, particularmente, a la especie y a la retención de los reactivos. Por ello, estos autores proponen caracterizar el comportamiento mecánico de la madera con un enfoque de experimentación de caso por caso de una especie en particular.

La estrategia de los trabajos referidos guía el enfoque experimental de la presente investigación, pues es necesario contar con datos estadísticamente representativos, para que se pueden proponer procesos de impregnación a nivel industrial ^{(Gérardin, 2016)}. El objetivo de la investigación es determinar en qué medida el tratamiento modifica la densidad y el módulo dinámico. Se partió de la hipótesis de que el tratamiento de impregnado no modifica esos parámetros. Para verificar esta propuesta, se impregnaron probetas de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga con sales de boro mediante el método de baño caliente-frío, con concentraciones de 1 %, 2 % y 3 %.

Materiales y métodos

Se recolectaron piezas de madera aserrada de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga en empresas de transformación de productos forestales en el estado de Michoacán, México. La madera no contenía anomalías estructurales ni defectos de crecimiento y con ella se prepararon 40 probetas con una sección transversal de 0,02 m de ancho, 0,02 m de espesor y de 0,4 m de largo de acuerdo con la norma ISO 3129: 2012 ^{(International Organization for Standardization, 2012)}. Estas dimensiones correspondieron a las direcciones radial, tangencial y longitudinal del plano leñoso. Antes y después del tratamiento de impregnado, las probetas se conservaron en una cámara de acondicionamiento con una temperatura de 20 °C (± 1 °C) y una humedad relativa del aire de 65 % (± 2 %), hasta que su peso fue constante. El contenido de humedad de la madera fue para todas las probetas de 10 % en promedio, por lo que se consideró que el contenido de humedad no intervendría en el tratamiento estudiado. Con el objeto de evitar flujo excesivo de líquidos en los extremos de las probetas, sus caras laterales fueron cubiertas con pintura vinílica.

Antes del tratamiento de baño caliente-frío, se determinaron las densidades y se realizaron pruebas de vibraciones a cuyos resultados se les identificó como "antes del tratamiento" (AT). Una vez terminado el tratamiento, las probetas se almacenaron por tres meses, en las mismas condiciones de temperatura y de humedad en que se estabilizaron. Posteriormente se determinaron las densidades y se realizaron pruebas de vibraciones trasversales, cuyos resultados se identificaron como "después del tratamiento" (DT).

Las pruebas de vibraciones transversales consistieron en medir la frecuencia natural de la vibración perpendicular a la dirección longitudinal de la probeta. Con tal propósito, se utilizó el aparato Grindosonic ^®. La Figura 1 muestra la configuración de las pruebas no destructivas de vibraciones transversales. El impulso elástico inicial fue aplicado en el centro geométrico de la cara superior de la probeta, en la dirección tangencial a la misma, apoyada sobre dos soportes rígidos de tipo simple a una distancia nodal de 0,224 L. El ensayo dinámico en cada probeta fue repetido tres veces y el promedio de valores fue considerado para su análisis posterior. Durante las pruebas, se calcularon los momentos de inercia de la sección transversal de las probetas correspondientes a cada ensayo.

Las experiencias se realizaron en el laboratorio de Mecánica de la Madera de la Facultad de ingeniería en Tecnología de la Madera de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, en Morelia, México (Figura 1).

Fig. 1 - Configuración de las pruebas de vibraciones. L = longitud de la probeta 

Para el tratamiento de impregnado con el método de baño caliente-frio ^{(Ávila et al., 2012)}, se prepararon 30 litros de solución de sales de boro con una concentración al 3 %. La mezcla consistió en ácido bórico (39,4 %) y borato de sodio (60,6 %). Para aligerar el texto, en lo subsecuente el término tratamiento hará referencia al tratamiento de impregnado con el método de baño caliente-frío. La madera se sumergió durante 8 horas en un baño de agua con temperatura de 60 °C. Posteriormente, las probetas se sumergieron durante 16 horas en un baño frío con la mezcla a una de temperatura de 23 °C. Posteriormente, se calculó la retención de las sales con la fórmula (1) ^{(Percin et al., 2015)} (Ecuación 1).

Donde:

R	= Retención (kg m^3
P DT	= Peso después del tratamiento (kg)
P AT	= Peso antes del tratamiento (kg)
V DT	= Volumen después del tratamiento (m^3)
C	= Concentración de la mezcla de sales de boro

Para cada probeta se calculó la densidad aparente correspondiente al contenido de humedad de la madera en el momento de las pruebas. La densidad se calculó con la fórmula (2) conforme a la norma ISO 13061-2:2014 ^{(International Organization for Standardization, 2014)} (Ecuación 2).

Donde:

ρ CH	= Densidad (kg m^-3)
P	= Peso de la probeta (kg)
V	= Volumen de la probeta (m^3)

El contenido de humedad se determinó por el método de diferencia de pesos conforme a la norma ISO 13061-1:2014 ^{(International Organization for Standardization, 2014)} con grupos complementarios de 10 probetas recortadas del mismo lote de madera con el cual se fabricaron las probetas. El módulo dinámico se calculó con la fórmula (3) (^{Faydi et al., 2017)} (Ecuación 3).

Donde:

E vt	= Módulo dinámico (N m^-2)
L	= Longitud de la probeta (m)
l vt	= Distancia entre apoyos (m)
f vt	= Frecuencia natural (Hz)
ρ CH	= Densidad (kg m^-3)
m, K	= Constantes adimensionales (12,65, 49,48)
r	= Radio de giro de la sección transversal de la probeta (m^2)

Con "r = " √ ("I" ⁄"A”);

I	= Momento de inercia de la sección transversal de la probeta (m^4)
A	= Área de la sección transversal de la probeta (m^2)

No obstante, que el número de probetas observadas por cada especie fue de 40, cantidad suficiente para considerar en el análisis la teoría de las grandes muestras, se calculó a posteriori el tamaño de la muestra necesario para validar las pruebas estadísticas para un error aceptable del 0,05. Esto se hizo para cada especie y con los valores de la retención de las muestras correspondientes a C = 1 %. En los casos de la densidad y del módulo dinámico se analizaron los valores de las muestras de control (C = 0 %). El número de probetas se calculó con la fórmula (4) ^{(Gutiérrez y de la Vara, 2012)} (Ecuación 4).

Donde:

n	= Número de probetas
ó	= Desviación estándar
e	= Error de estimación aceptable (e = 0,05)

Diseño experimental

La unidad experimental consistió en doce muestras de diez probetas, cada una correspondiente a cuatro concentraciones de sales de boro para cada una de las tres especies: S. campanulata, F. americana y A. plurijuga. Las variables de respuesta fueron la retención (R, fórmula 1), la densidad (ρCH, fórmula 2) y el módulo dinámico (E_vt, fórmula 3). El impregnado con sales de boro se consideró el tratamiento y da a la madera dos estados: antes del tratamiento (AT) y después del tratamiento (DT). La concentración de sales de boro (C) se reconoció como el factor controlado y tiene cuatro niveles C = 0 (Grupo de control), C = 1 %, C = 2 % y C = 3 %. Se realizaron en total 240 observaciones (10 × 4 × 3 × 2 = 240). El contenido de humedad de la madera (CH) se consideró variable de referencia y no intervino en el experimento. Para las variables de respuesta se determinaron la media ("x"), la desviación estándar (ó) y el coeficiente de variación (CV= σ√X). Para las densidades y los módulos dinámicos se calcularon las variaciones aritméticas entre los valores obtenidos antes y después del tratamiento: ∆ = “[((“x” ̅_” DT” “- ““x” ̅_”AT”)) ⁄”x” ̅_”AT”] Para los valores medios antes y después del tratamiento se calcularon regresiones lineales (y = ax + b) y sus coeficientes de determinación (R ² ) entre los módulos dinámicos y las densidades.

Resultados y discusión

Tamaño de las muestras

Para las muestras de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga el número de probetas necesario para validar el análisis estadístico fue inferior al número de probetas observadas para cada especie (Tabla 1). Estos resultados aseguraron la validez de la estrategia propuesta por el diseño experimental. Caso particular fueron los números necesarios de probetas para analizar datos correspondientes a los módulos dinámicos, los cuales, de acuerdo con la Tabla 1, fueron cercanos pero inferiores al número de observaciones para cada especie.

Tabla 1 - Tamaño de las muestras 

Retenciones

Los valores promedio de las retenciones variaron desde un mínimo de 1,3 kg m^-3 con una concentración de 1 % para S. campanulata hasta un máximo de 6,4 kg m^-3 con concentración de 3 % para A. plurijuga (Tabla 2). Sus coeficientes de variación fueron en promedio de 6,4 % con un mínimo de 4,6 % para S. campanulata con concentración de 1 % y un máximo de 16,8 % correspondiente también a S. campanulata (C = 2 %) (Tabla 2).

Tabla 2 - Densidades, módulos dinámicos y retenciones 

Las magnitudes de las retenciones obtenidas en la presente investigación fueron del mismo orden que las reportadas en la bibliografía. Particularmente, fueron similares a las de ^{Sotomayor y Ávila (2019)}, quienes utilizaron el mismo material y tratamiento que en la presente investigación. Aun así, se observaron diferencias entre especies y tipos de ensayos para determinar los módulos dinámicos. En relación con las densidades de las tres especies, las dispersiones de las retenciones disminuyeron a medida que las densidades decrecían. Esto sugiere que los valores promedio tienden a agruparse y a disminuir (Figura 2). Asimismo, las dispersiones de los módulos dinámicos no indicaron ninguna tendencia en relación con las retenciones (Figura 3).

Fig. 2 - Retenciones (R) agrupadas en relación con las densidades (ρ _CH ) 

Fig. 3 - Módulos dinámicos (E _vt ) agrupados en relación con las retenciones (R) 

Densidades

Las magnitudes de las densidades antes y después del tratamiento sitúan las maderas de S. campanulata con la menor densidad, las de F. americana con valores intermedios y las de A. plurijuga con la mayor (Tabla 2). Las diferencias aritméticas tabuladas en la Tabla 3 fueron negativas y menores a la unidad porcentual. Además, las tres espacies promediaron -0,28 %, razón por la que se considera que el tratamiento no modifica las densidades de la madera. Estos resultados fueron similares a los reportados por ^{Sotomayor y Ávila (2019)}, dado que, al igual que los datos concernientes a las retenciones, se trata del mismo material y tratamiento. En el mismo orden de ideas, los coeficientes de variación de las densidades variaron en promedio 5 %, valores congruentes a los reportados en la bibliografía ^{(Tamarit y López, 2007}; ^{Silva et al., 2010)}.

Tabla 3 - Diferencias aritméticas para densidades y módulos dinámicos 

Los valores de las retenciones se alinean con respecto a los de las densidades (Figura 2). Además, las correlaciones entre las densidades, los módulos dinámicos y sus coeficientes de determinación (Figura 4 y Figura 5), indican que la densidad es un buen predictor de los módulos dinámicos. Esto aplica para las tres especies, para las tres concentraciones y el grupo de control, así como para los dos estados de la madera, es decir antes y después del tratamiento. Estos corolarios coinciden con los reportados recientemente por ^{Sotomayor (2019)} para maderas mexicanas.

Fig. 4 - Dispersiones, correlaciones y coeficientes de determinación (R ² ) entre los módulos dinámicos (E _vt ) y las densidades (ρ _CH ) antes del tratamiento (AT) 

Fig. 5 - Dispersiones, correlaciones y coeficientes de determinación (R ² ) entre los módulos dinámicos (E _vt ) y las densidades (ρ _CH ) después del tratamiento (DT) 

Módulos dinámicos

Las magnitudes promedio de los módulos dinámicos de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga listados en la Tabla 2 fueron del mismo orden que los reportados por ^{Sotomayor (2019)}. Los módulos dinámicos promedio de F. americana fueron mayores respecto a los de S. campanulata y A. plurijuga. Así, mientras las diferencias aritméticas entre los valores antes y después del tratamiento (Tabla 3) fueron positivos para S. campanulata y A. plurijuga, los correspondientes a F. americana disminuyeron. Como consecuencia, el promedio de las diferencias para todas las muestras observadas fue de 0,16 %, cálculo difícil de interpretar dado que el efecto del tratamiento en los módulos dinámicos alcanzó un valor máximo de 8,51 para S. campanulata (C = 1 %) y un valor mínimo de -11,64 % para F. americana (C = 1 %), es decir, un intervalo de 20.15 %.

Los coeficientes de variación para los módulos dinámicos (antes y después del tratamiento) promediaron 14.1 % (Tabla 2) y no se vieron afectados por las concentraciones y/o retenciones correspondientes a cada muestra observada. Las dispersiones de los módulos dinámicos se agrupan de manera indiferente a las retenciones (Figura 3). Pero, los valores promedio de las cuatro muestras correspondientes a cada especie y concentración (Control, C = 1 %, 2 % y 3 %) correlacionan bien con las densidades antes del tratamiento (Figura 4) y de manera regular después (Figuras 5).

En el tratamiento baño caliente-frío, los valores de las retenciones aumentan proporcionalmente a la concentración de sales de boro utilizada, pero disminuyen a medida que las densidades de cada especie aumentan.

El tratamiento modifica los módulos dinámicos determinados con vibraciones transversales, estas diferencias son del orden de 3,5 % para S. campanulata, de -2,24 % para K y de 0,16 % para A. plurijuga.

Los valores promedio de las densidades de las tres maderas, antes y después del tratamiento, son buenos predictores de los módulos dinámicos.

El baño caliente-frío es eficiente para impregnar con sales de boro maderas de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga.

Agradecimientos

La investigación estuvo patrocinada por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México.

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Recibido: 20 de Diciembre de 2019; Aprobado: 20 de Marzo de 2020

^*Autor para la correspondencia: [e-mail]

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Los autores han participado en la redacción del trabajo y análisis de los documentos.