PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MADERADE LA MADERAaulavirtual.agro.unlp.edu.ar/pluginfile.php/1689/mod_resource/... · Xilotecnología 2008 3 1. Propiedades físicas: definición Las propiedades

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PROPIEDADES FÍSICAS PROPIEDADES FÍSICAS PROPIEDADES FÍSICAS PROPIEDADES FÍSICAS

DE LA MADERADE LA MADERADE LA MADERADE LA MADERA

CURSO DE XILOTECNOLOGÍA

Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Y FORESTALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA

Ing. Ftal. Spavento, Eleana Ing. Ftal M. Sc. Keil, Gabriel Darío

Dra. Cs. Agrarias y Ftales. Monteoliva, Silvia

- 2008 -

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1. Propiedades físicas: definición ..........................................................................................3

2. Humedad de la madera....................................................................................................3

2.1. Determinación del contenido de humedad en la madera ..............................................4

a. Métodos eléctricos....................................................................................................4

b. Método de secado en estufa......................................................................................5

c. Método de destilación...............................................................................................6

2.2. Contenido de humedad de equilibrio higroscópico .......................................................6

3. Densidad de la madera ....................................................................................................9

3.1. Densidades aparentes...............................................................................................9

a. Densidad aparente anhidra (Do)................................................................................9

b. Densidad aparente normal (Dn): ............................................................................. 10

c. Densidad aparente verde (Dv):................................................................................ 10

d. Peso específico (Pe): .............................................................................................. 10

Peso seco volumétrico (PSV) o densidad relativa básica (Db) ............................................ 10

Clasificación de especies según la Dn al 15% de CH. ............................................................... 15

5. Relación Densidad – Anatomía........................................................................................ 16

6. Cambios dimensionales .................................................................................................. 18

6.1. Contracción normal máxima .................................................................................... 19

6.2. Coeficiente de contracción ...................................................................................... 19

6.3. Punto de saturación de las fibras ............................................................................. 19

6.4. Coeficiente de anisotropía ....................................................................................... 20

Valores de contracción de maderas comerciales ...................................................................... 21

7. Relación Cambios dimensionales – Anatomía ................................................................... 22

7.1. Ejemplo para Roble (Quercus sp.)............................................................................ 22

7.2. Ejemplo para madera de reacción y juvenil............................................................... 23

8. Maderas puestas en servicio........................................................................................... 25

Colapso y contracción total de la madera................................................................................ 25

Fórmulas para la determinación de los cambios dimensionales ................................................. 26

Ejercicios de propiedades físicas ............................................................................................ 28

Bibliografía consultada. ......................................................................................................... 29

Xilotecnología 2008

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1. Propiedades físicas: definición

Las propiedades físicas de la madera son aquellas que determinan su comportamiento ante los factores que intervienen en el medio ambiente natural sin que éste actúe química ni mecánicamente en su estructura interna.

Las propiedades físicas a estudiar en este curso son:

1. Contenido de humedad 2. Densidad real, aparente y peso específico

a. Aparente Anhidra b. Aparente Normal c. Peso específico o peso seco volumétrico o densidad relativa básica

3. Cambios dimensionales

2. Humedad de la madera

Cuando un árbol está recién cortado, su madera contiene gran cantidad de agua, variando el contenido según la región de procedencia y la especie forestal de que se trate.

La albura, por estar conformada por células cuya función principal es la conducción de agua, presenta un contenido de humedad mayor que el duramen.

El porcentaje de agua contenida en los espacios huecos y en las paredes celulares de la madera es muy variable en el árbol vivo.

La relación agua total/materia seca leñosa es muy variable en una pieza de madera, ya que está sujeta a la influencia de varios factores, entre ellos la densidad y la estructura celular.

Mientras el duramen no permite contenidos de humedad elevados debido a las sustancias infiltradas y contenidos en sus células, la albura puede acumular más del 100% de su peso seco en agua.

El agua contenida en la madera se encuentra bajo 3 formas diferentes: Agua libre. Es la que ocupa las cavidades celulares o lúmenes, dándole a la madera la

condición de "verde". Al iniciarse el secado, el agua libre se va perdiendo fácilmente por evaporación, ya que es retenida por fuerzas capilares muy débiles, hasta el momento en que ya no contiene más agua de este tipo. En ese punto, la madera estará en lo que se denomina “PUNTO DE SATURACIÓN DE LAS FIBRAS” (PSF). Cuando la madera ha alcanzado esta condición, sus paredes celulares están completamente saturadas pero sus cavidades están vacías.

Durante esta fase de secado, la madera no experimenta cambios dimensionales, salvo excepciones.

Agua de saturación, de imbibición, higroscópica o fija. Es el agua que se encuentra

en las paredes celulares. Durante el secado de la madera, cuando ésta ha perdido su agua libre por evaporación y continúa secándose, la pérdida de humedad ocurre con mayor lentitud hasta llegar a un estado de equilibrio (HUMEDAD DE EQUILIBRIO HIGROSCÓPICO (HEH)) con la humedad relativa de la atmósfera circundante. Para la mayoría de las especies el valor de HEH se encuentra entre el 12% y 18% dependiendo en gran medida del sitio donde se encuentre. La madera secada al aire solo puede alcanzar estos valores de humedad de equilibrio. Para obtener menores contenidos de humedad, debe acudirse al secado artificial en hornos a fin de eliminar el resto del agua de saturación.

Agua de constitución. Es la que forma parte de la materia celular de la madera y no

puede eliminarse utilizando las técnicas normales de secado. Su separación implica la destrucción de la madera (quemado).


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2.1. Determinación del contenido de humedad en la madera

La determinación del Contenido de Humedad en la madera se hace considerando sólo los valores de agua libre y de saturación o higroscópica. Es decir que, en la práctica, la madera se considera totalmente seca cuando, al secarla en estufa a 103 ± 2 ºC, alcanza su peso constante.

Peso del agua

CH (%)= x 100Peso de la madera seca

(1)

Donde el peso del agua se calcula en base a la diferencia entre el peso de la madera húmeda y el peso de la madera anhidra. De este modo, el contenido de humedad (CH) se define como la cantidad de agua que tiene la madera con respecto a su masa anhidra. Para su determinación se trabaja según Norma IRAM 9532 (1963) acorde a la fórmula (2):

Ph - PoCH (%) = x 100

Po (2)

Donde: CH (%) = contenido de humedad, en %. Ph = peso húmedo o inicial, en g. Po = peso anhidro, en g.

La madera con 30% de contenido de humedad (punto de saturación de las fibras) o

menos, solo contiene agua de saturación. La madera con más del 30% del contenido de humedad, contiene agua de saturación (hasta 30%) y libre (más del 30%). El valor de 30%, es un valor teórico dado que el PSF real de las maderas puede variar entre 22 y 42 %.

En algunos casos, como en la industria celulósica y de tableros, que trabaja con madera triturada (celulosa para papel, cartón y tableros de fibra), el contenido de humedad se calcula en función del peso húmedo, utilizando la siguiente fórmula:

Ph - Po

CH (%) = x 100Ph

(3)

El CH (%) en base húmeda nunca es superior al 100%, mientras el CH (%) en base anhidra puede superar el 100% cuando el peso del agua es superior al peso de la madera anhidra y esto ocurre en especies de baja densidad o muy porosas como las salicáceas.

Para determinar el contenido de humedad existen varios métodos, entre ellos los más

utilizados son los siguientes:

a. Métodos eléctricos b. Secado en estufa c. Destilación

a. Métodos eléctricos La medición del contenido de humedad por estos métodos tiene su base en las diferentes propiedades eléctricas de la madera seca y de la madera húmeda. Si bien existen otros, los métodos eléctricos más utilizados son los que se basan en la resistencia que ofrece la madera al paso de una corriente eléctrica continua.

Específicamente, la resistencia eléctrica en la madera depende de su contenido de humedad, principalmente en el rango de 6 a 25 %.

Existe una relación casi lineal entre el logaritmo de la resistencia eléctrica y el contenido de humedad de la madera en el rango del estado anhidro hasta el punto de saturación de las fibras.

Sin embargo, por debajo del 6% de humedad, la resistencia se eleva de un modo tal que no es posible su determinación con este tipo de aparatos. Por encima del 25% de contenido de


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humedad, la relación disminuye debido a la dispersión natural de los valores medios y por lo tanto las lecturas obtenidas no son precisas. La exactitud para el rango entre 6 y 25% de humedad es de ± 2%, desviación aceptable en todos los casos.

La temperatura de la madera afecta los valores de la resistencia eléctrica, por lo que la lectura efectuada con aparatos eléctricos debe ser corregida de acuerdo a dicha temperatura.

Los xilohigrómetros más empleados son los detectores de humedad del tipo de resistencia que se fabrican con electrodos cortos y largos, del tipo aguja, aislados en toda su longitud menos en las puntas (Figura 1); y los de radio frecuencia por pérdida de potencia que son fabricados con electrodos de contacto que se aplican a la superficie de la madera sin perforarla. Estos últimos se utilizan para chapas de madera o madera muy delgada.

Figura 1. Xilohigrómetro

b. Método de secado en estufa

Es el más exacto para determinar el agua contenida en la madera. El éxito en la aplicación de este método depende de la correcta selección de muestras o

probetas para desecación, las cuales deben ser representativas del lote de madera objeto de la evaluación. El procedimiento es el siguiente:

� Obtención de las probetas: Las muestras deberán estar sanas y libres de defectos, y las herramientas para el corte bien afiladas para evitar pérdidas de humedad por recalentamiento de las superficies de corte. La norma IRAM 9532 establece para este ensayo la utilización de probetas cúbicas de 20 mm de lado.

� Determinación del peso húmedo o peso inicial: las probetas se pesan en balanzas con una precisión de 0,1 g para aquellas que pesan 100 g o más y de 0,01 g para probetas más pequeñas.

� Secado de las probetas hasta peso constante: se introducen las probetas en la estufa. Se recomienda el uso de estufas con termostato regulable para mantener la temperatura a 103 ± 2 ºC y con buena circulación de aire. Debe tenerse mucho cuidado en el control del nivel superior de temperatura ya que si ésta sobrepasa los 105 ºC es posible que la muestra pierda peso, no sólo por la pérdida de agua sino también por la evaporación de otras sustancias constitutivas de la madera (extractivos).

� Determinación del peso anhidro o peso constante: Para determinar el momento en que las probetas alcanzan peso constante en dos pesadas consecutivas, se hacen pesadas inmediatas con el fin de observar la disminución del peso. Después del secado, las probetas deben extraerse de la estufa lo más rápidamente posible para evitar que absorban humedad del aire. De igual manera, para eliminar cualquier variación deben enfriarse en un ambiente absolutamente seco, que puede ser un desecador con cloruro de calcio o pentóxido de fósforo.

� Realización de los cálculos según formulas.


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c. Método de destilación

Apropiado para maderas que contienen en su interior una considerable cantidad de sustancias volátiles, como resinas o aceites esenciales. Consiste en colocar unos 10 gramos de madera (astillas pequeñas) en un recipiente de vidrio que contenga aproximadamente 250 cm3 de un disolvente insoluble en agua (xilol, tolueno, tetracloroetano). Sobre el recipiente se coloca un dispositivo refrigerante que actuará como condensador de vapores, conectado a un medidor de volumen, de capacidad adecuada y graduado en cm3. Se aplica una fuente de calor en la base del recipiente de vidrio que contiene las astillas de madera y el disolvente con agua. Al calentarse, los vapores se condensan al llegar al dispositivo refrigerante, siendo recogido el destilado en el tubo graduado. Allí se separan en dos capas perfectamente diferenciadas de agua y de disolvente, debido a los diferentes pesos específicos. El volumen de agua recogida, en cm3 o ml, será igual al peso del agua recogida, en g. El CH se obtiene a través de la siguiente fórmula:

Peso del agua recogidaCH (%) = x 100

Peso de la muestra de madera - Peso del agua recogida (4)

2.2. Contenido de humedad de equilibrio higroscópico

Una propiedad de gran importancia en el sistema agua-madera es la Humedad de Equilibrio Higroscópico.

Cuando la madera verde es expuesta a las condiciones atmosféricas variables (variaciones en la temperatura y humedad relativa del ambiente), existe una transferencia de humedad del cuerpo al medio circundante y viceversa. Cuando el equilibrio es alcanzado, la humedad de la madera no varía y se dice que ha llegado a lo que se denomina Humedad de Equilibrio Higroscópico (HEH). Este contenido permanecerá constante mientras no varíen las características del aire circundante. Así, una madera en condiciones normales se encontrará en un equilibrio dinámico con el aire que la circunda, puesto que las condiciones de HR y T de la atmósfera nunca permanecen constantes.

La importancia de esta transferencia depende fundamentalmente de la humedad relativa (HR) del aire. Para un cuerpo saturado de agua, la transferencia será nula si la HR es del 100% y máxima cuando la HR es de 0%; por el contrario, si el cuerpo poroso está seco, la absorción de humedad del cuerpo será máxima si la HR del aire es del 100% e inexistente si la HR es del 0%. Cuando las presiones de vapor se igualan, se alcanza el contenido de humedad de equilibrio higroscópico.

En la Tabla 1 se presentan valores de contenido de humedad de equilibrio higroscópico en función de la humedad relativa y la temperatura del ambiente. En la Tabla 2 se muestran valores de contenido de humedad de equilibrio higroscópico según zonas. En la Tabla 3 se muestran valores de contenido de humedad y la relación con los usos a los que puede estar expuesta una madera acorde a dicho contenido.


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Tabla 1. Contenido de humedad de equilibrio en función del la HR y la temperatura del aire.


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Tabla 2. Valores de CHEH según zonas.

Tabla 3. Contenido de humedad – usos de la madera


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3. Densidad de la madera

La densidad de la madera es uno de los parámetros de mayor utilización en la cuantificación de las plantaciones y la caracterización de las propiedades de la madera. Se utiliza tanto en las industrias de transformación mecánica de la madera como en las industrias de transformación química. Su valor tiene gran importancia por las estrechas relaciones que mantiene con las restantes propiedades físico-mecánicas de la madera y en especial con la contracción y con la dureza.

Su versatilidad se debe a que reúne las características de ser un buen indicador de calidad de la madera, además de que su determinación es sencilla y económica.

Al ser la madera un material poroso, debemos considerar una “densidad real” y una “densidad aparente” para la misma pieza de madera. La densidad real equivale a la densidad de la materia leñosa de la pared celular, cuando se descuentan, en la valoración del volumen, todos los espacios huecos. El valor de la misma es constante (de aproximadamente 1.53 a 1.56 g cm3) para todas las especies, porque depende de la densidad de sus componentes lignina, celulosa, hemicelulosas y extractivos que son los más densos. En términos tecnológicos se considera 1.50.

La densidad aparente (Da) toma en consideración el volumen y la masa de la madera considerando los espacios porosos (macro y microporos). Este es un valor variable, ya que no solo depende de la estructura de la madera, sino también del contenido de humedad de la muestra, el cual influye sobre el peso y sobre el volumen.

Existen cuatro maneras principales de definirla: densidad aparente anhidra, densidad aparente normal; densidad aparente verde y densidad relativa básica (o peso seco volumétrico).

En términos generales, la densidad es la relación entre el peso (g) y el volumen (cm3) de un cuerpo.

3 PD (g/cm ) =

V (5)

Donde: Da = densidad en g/cm3. P = peso expresado en g. V = volumen expresado en cm3.

3.1. Densidades aparentes

La densidad aparente se expresa como el cociente entre la masa y el volumen, obtenidos ambos al mismo contenido de humedad.

Varía entre 0.1 a 0.30 g/cm3 para las maderas livianas hasta 1.2 a 1.4 g/cm3 para las más pesadas.

La norma IRAM 9544 establece las pautas para la determinación de las densidades aparentes de la madera.

a. Densidad aparente anhidra (Do): se expresa como la relación entre el peso de la muestra

anhidra y el volumen de dicha muestra en iguales condiciones de humedad.

3 PoDo (g/cm ) =

Vo (6)

Donde: Do = densidad aparente anhidra en g/cm3. Mo = peso anhidro expresado en g. Vo = volumen anhidro expresado en cm3.


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b. Densidad aparente normal (Dn): se define como la relación entre el peso de la muestra seca al aire y el volumen de la misma en iguales condiciones de humedad. Esta humedad debe corresponder a la humedad de equilibrio higroscópico.

3 PhDn (g/cm ) =

Vh (7)

Donde:

Dn = densidad aparente normal, en g/cm3. Mh = peso húmedo o inicial, expresado en g. Vh = volumen húmedo o inicial, expresado en cm3.

c. Densidad aparente verde (Dv): es la que posee la madera en la planta viva, que se puede considerar que se halla con su máximo volumen. Esta forma se utiliza principalmente para los cálculos de transporte de trozas hasta los sitios de elaboración.

(8)

Dado que el numerador de estas ecuaciones aumenta en mayor proporción que el volumen, a medida que aumenta el CH entre el estado anhidro y el PSF la densidad aumenta. Luego del PSF al permanecer constante el volumen y seguir aumentando el numerador, la densidad sigue aumentando en mayor proporción.

La densidad aparente anhidra y normal son las de mayor uso en investigación y en la industria, respectivamente.

d. Peso específico (Pe): se expresa como el cociente entre la densidad de la madera y la

densidad del agua, por lo tanto es adimensional.

3

3

Densidad de la madera (g/cm )Pe =

Densidad del agua (g/cm ) (9)

3

3

Peso de la madera (g)Densidad de la madera (g/cm ) =

Volumen de la madera (cm ) (10)

Por lo tanto:

3 3

Peso de la madera (g)Pe =

Volumen de la madera (cm ) x Densidad del agua (g/cm ) (11)

La más usado es el peso seco volumétrico o densidad relativa básica.

Peso seco volumétrico (PSV) o densidad relativa básica (Db) Po

PSV ó Dr = b Vv x aguaσ (12)

Donde:

PSV ó Drb = peso seco volumétrico o densidad relativa básica. Po = peso anhidro en g. Vv = volumen verde en cm3. δ agua = densidad del agua en g/cm3. Dado que el numerador de esta ecuación permanece constante (Po) y que el volumen de la madera crece (por hinchamiento) a medida que aumenta el contenido de humedad, en el intervalo entre el estado anhidro y el punto de saturación de las fibras, el peso específico disminuye a

3 PvDv (g/cm )=

Vv


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medida que aumenta el contenido de humedad hasta llegar a un mínimo en el PSF, a partir del cual permanece constante. La densidad relativa básica es la de mayor uso sobre todo en la industria celulósica puesto que con el dato de ésta y calculando el volumen en el campo se puede obtener rápidamente el peso de madera. Superponiendo los gráficos de densidad/peso específico con respecto al contenido de humedad se observa un alejamiento de ambas curvas a medida que aumentan los valores de densidad aparente/peso específico (Ver Figura 2).

Figura 2. Densidad/Peso específico vs Contenido de Humedad (%).

En valores bajos de densidad y peso específico se observa una proximidad entre ambas curvas y las mismas no experimentan un quiebre en el PSF, sino que se manifiestan como una recta entre al 0 el 70 % de contenido de humedad (Ver Figura 3).


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Figura 3. Densidad aparente y peso específico vs. contenido de humedad (P = densidad aparente y G = peso específico).

� Determinación de las densidades

Para determinar la densidad hay métodos destructivos y no destructivos. Los métodos no destructivos funcionan en forma parecida a los xilohigrómetros, pero utilizando radiación u ondas de ultrasonido. Son equipos muy costosos y utilizados solamente en investigaciones especiales en Física de la madera. Los métodos destructivos exigen aserrar la madera para poder obtener las probetas y, con estas, determinar su peso y su volumen a los efectos de conocer la densidad de la madera. El método de medición a utilizar dependerá de la precisión requerida para el trabajo y de la especie a ensayar. En Argentina la determinación de la densidad aparente en maderas está estandarizada por la norma IRAM 9544, donde se recomienda el uso de probetas cúbicas de 20 mm de lado, con las caras limpias y pulidas. Según esta norma, se deben realizar dos determinaciones: la masa y el volumen. La masa se determina con balanza analítica de 0,01 gramos de precisión (al igual que para la determinación del contenido de humedad) y para la medición del volumen se pueden emplear métodos directos y por desplazamiento de fluidos.

� Determinación del volumen a. La medición directa o estereometría

Consiste en medir directamente las probetas con calibre en sus tres direcciones y a partir

de ellas obtener el volumen. Este método se puede usar cuando las probetas están bien preparadas, es decir, con sus caras paralelas, superficies lisas y ausencia de grietas o rajaduras.

b. Los métodos por desplazamiento de fluidos


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Estos métodos recomiendan sumergir la probeta en agua o mercurio. Entre los aparatos más conocidos que utilizan mercurio se encuentra el volumenómetro de Breuill (Figura 4), que está descripto en la norma IRAM 9544 junto a su funcionamiento. El volumen en cm³ se obtiene por diferencia entre dos lecturas hechas con y sin la probeta de madera, respectivamente. Actualmente este aparato se utiliza poco en los laboratorios, porque si bien es preciso, los vapores de mercurio que desprende son peligrosos y perjudiciales para la salud.

Figura 4. Volumenómetro de Breuill

El método mayor difusión actual es el de desplazamiento de agua, empleando el método de

las pesadas. Se trata de medir el volumen de la probeta de madera en función del peso del líquido desplazado por su inmersión, o sea por la medición del empuje. Al sumergir la pieza en un recipiente con agua, se produce el desplazamiento de su nivel, lo que da lugar a una variación del volumen equivalente al volumen de la pieza sumergida.

P (peso del líquido desplazado) = E (empuje del líquido desplazado) (13) Por hidrostática, se tiene:

E = V x D agua (14) Por lo tanto:

P = V x D agua (15) Siendo V el volumen del líquido desplazado o volumen de la probeta Al ser la densidad del agua igual a 1 g/cm³

3P (g) = V (cm ) (16) De acuerdo a esto se coloca sobre una balanza un recipiente de vidrio con agua suficiente para poder sumergir totalmente una probeta de 20 mm de lado, se tara la balanza (se lleva a peso 0). Apoyada con una aguja se sumerge la probeta, teniendo cuidado que no toque el fondo ni las paredes del recipiente, anotándose el peso indicado en la balanza. Tal lo indicado el peso en gramos de la balanza va a ser numéricamente igual al volumen en cm³ de la probeta, (Figura 5). El método posee una adecuada precisión para la mayoría de los trabajos con madera y es de un costo muy bajo. Debe tenerse presente que al sumergirse la madera en agua, ésta puede tomar humedad provocando error en la estimación del volumen; se puede evitar sumergiendo la probeta por muy poco tiempo, necesario para efectuar la pesada, o impermeabilizándola con una fina capa de parafina.


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Figura 5. Método de desplazamiento de fluidos.


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Clasificación de especies según la Dn al 15% de CH.

Tabla 4. Clasificación de maderas.

Especie maderera Densidad normal al 15% de CH (g/cm³)

Categoría

Madera balsa 0,130 Seibo 0,200

Muy livianas (menor de 0,250)

Pino ponderosa 0,370 Pino oregón 0,412 Alamo criollo 0,420 Pino radiata 0,480

Paraíso 0,480 Carne de vaca 0,480 Cedro salteño 0,460

Ciprés de la cordillera 0,460 Laurel amarillo 0,470

Semi-livianas (0,350 – 0,500)

Eucalyptus saligna 0,530 Pino paraná 0,520

Pehén 0,600 Lenga 0,580

Cedro misionero 0,550 Azota caballo 0,600

Medias (0,500 – 0,650)

Eucalyptus viminalis 0,700 Caldén 0,650 Coihue 0,670

Tipa blanca 0,680 Algarrobo blanco 0,760

Loro blanco 0,700 Marmelero 0,740 Rabo molle 0,740 Roble pellín 0,720

Semi-pesadas (0,650 – 0,800)

Eucalyptus camandulensis 0,830 Algarrobo negro 0,830 Anchico colorado 0,970

Curupay 0,900 Espina de corona 0,800

Grapia 0,830 Guatambú blanco 0,820 Guayaibí blanco 0,800

Incienso 0,850 Quebracho blanco 0,880

Pesadas (0,800 – 1,000)

Guayacán 1,180 Lapacho negro 1,050

Urunday 1,100 Urundel 1,150

Quebracho colorado santiagueño 1,200

Muy pesadas (1,000 o mayor)


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5. Relación Densidad – Anatomía Desde el punto de vista de la estructura del leño, las coníferas son más simples y

homogéneas que las latifoliadas. Su leño está formado por traqueidas (leño temprano) y fibrotraqueidas (leño tardío) con diferencias en el espesor de la pared. La densidad de la madera de una especie dependerá de la cantidad de estos elementos celulares que conforman el anillo de crecimiento. Recordando que la cantidad de leño tardío que producen las coníferas es casi constante para cada especie, la cantidad de leño temprano definirá la densidad de la madera de esa especie de conífera (Fotos A y B). Un árbol de rápido crecimiento presentará mayor cantidad de leño temprano de paredes delgadas y por lo tanto tendrá una densidad menor (Foto B).

FOTO A FOTO B

FOTO A: Conífera de lento crecimiento con poco de leño temprano, por lo tanto presenta mayor densidad que la especie de la foto B. FOTO B: Conífera de rápido crecimiento, con mucho leño temprano. Menor densidad que la especie A.

Contrariamente, en las latifoliadas, con una estructura del leño mas compleja (vasos,

fibras y parénquima), la densidad dependerá de la cantidad relativa y el tamaño de estos elementos celulares. Especies con mayor frecuencia de vasos y poros más grandes tendrán menor densidad que aquellas con pocos poros pequeños, algo similar ocurre con la cantidad y distribución de parénquima axial y radial. Para las especies de porosidad circular el menor crecimiento se regula con la formación de menor proporción de leño tardío (con poros pequeños o ausentes) y por lo tanto la densidad disminuye (Foto C). De modo inverso, si el crecimiento anual aumenta, se produce mas leño tardío (de vasos pequeños y fibras gruesas) incrementando en forma relativa la densidad de la madera formada (foto D). Para especies de porosidad difusa, en cambio, la relación es más compleja ya que presenta poros de diámetro similares a lo largo de todo el anillo de crecimiento. En estos casos, el aumento o disminución del crecimiento anual determinará diferentes respuestas en la densidad dependiendo de la especie, pudiendo aumentar, disminuir o permanecer invariable (Fotos E y F).

FOTO C FOTO D


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FOTO C: Latifoliada de porosidad circular y poco crecimiento. Menor densidad que la especie D. FOTO D: Latifoliada de porosidad circular y rápido crecimiento. Mayor densidad que la especie C.

FOTO E FOTO F FOTO E. Latifoliada de porosidad difusa. Poros grandes y poco numerosos. La densidad final depende del espesor de pared de las fibras (en este caso delgadas). FOTO F. Latifoliada de porosidad difusa. Poros pequeños y muy numerosos. La densidad final depende del espesor de pared de las fibras (en este caso delgadas). Para este ejemplo E y F podrían presentar densidades similares.

La foto G muestra imágenes de la sección transversal de la madera de 3 especies A: Picea (abeto), B: Quercus (roble) y C: Fagus (haya), observadas bajo lupa. Se diferencian claramente los anillos de crecimiento en los 3 ejemplos. En forma superpuesta se graficó la variación de la densidad anual (líneas blancas). Se observa que el patrón de variación de la densidad para las 3 especies cambia, siendo en las dos primeras (conífera y angiosperma de porosidad circular) bajas al inicio del anillo y elevadas hacia el final, mientras que en la especie C de porosidad difusa, la densidad varía aleatoriamente en el anillo de crecimiento dependiendo del tamaño y cantidad de poros presentes.

FOTO G. Perfiles de densidad anual en Picea (A), Quercus (B) y Fagus (C).


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6. Cambios dimensionales

El cambio dimensional es la variación de las dimensiones de una pieza de madera cuando se manifiesta una variación en el contenido de humedad. Estas alteraciones dimensionales resultan de las variaciones de volúmenes debido a los procesos de adsorción y desorción de agua entre el estado anhidro y el punto de saturación de las fibras (PSF), afectando y/o limitando el uso de algunas maderas. El aumento de volumen (hinchamiento) se debe a la inclusión de moléculas de agua en los espacios intermicelares de la pared celular, por debajo del PSF. En oposición, la contracción se debe a la eliminación de las moléculas de agua de estos espacios dado por procesos de difusión por debajo del PSF. Esto ocasiona las aproximaciones de las micelas originando la reducción de las dimensiones de la pieza de madera. Estas variaciones en volumen influyen en los procesos industriales de secado, impregnación y curvado de la madera entre otros, como así también en su uso final.

Los parámetros que permiten evaluar los cambios dimensionales son: la contracción normal máxima en sentido radial (Cnrdmáx) y tangencial (Cntgmáx), el coeficiente de contracción radial (vrd) y tangencial (vtg), el punto de saturación de las fibras (PSF) y el coeficiente de anisotropía (T/R). La contracción axial generalmente no es determinada puesto que su valor se considera despreciable en madera normal.

Para la determinación de estos parámetros se trabaja según la norma IRAM 9543. La misma establece el tamaño y geometría de las probetas, como así también las condiciones a las que deben realizarse dichos ensayos. En la Figura 6 se observan los distintos planos de corte.

Figura 6. Planos de corte


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Figura 7. Probetas de cambios dimensionales

6.1. Contracción normal máxima La contracción normal (Cn) se define como la reducción de las dimensiones de una pieza de madera causada por la disminución del contenido de humedad a partir del PSF. Del mismo modo, la contracción normal máxima (Cnmáx) es la producida entre el PSF y el 0% del contenido de humedad. Por encima del punto de saturación de las fibras se produce la contracción anormal o colapso, la cual se debe a un aplastamiento de los lúmenes celulares como consecuencia de una pérdida brusca de humedad. El colapso puede eliminarse por procesos de vaporización una vez obtenido un contenido de humedad de 16 a 18% aproximadamente; o evitarse sometiendo la madera a un secado lento durante los primeros estados de dicho proceso.

La fórmula empleada para la determinación de la contracción normal es la siguiente:

Lv - Lo

Cn (%) = × 100máx Lo

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Siendo: Cn máx. = contracción normal máxima, expresada en %. Lv = longitud verde, expresada en mm. Lo = longitud anhidra, expresada en mm.

6.2. Coeficiente de contracción El coeficiente de contracción (v) expresa cuanto contrae una madera cuando pierde 1% en

su contenido de humedad. Se calcula empleando la siguiente fórmula:

Lh - Lo × 100

Lov= Mh - Mo

× 100 Mo

(18)

Siendo: v = coeficiente de contracción, adimensional. Lh = longitud entre clavos de las probetas secas al aire, en mm. Lo = definido en la fórmula (17). Mh = masa húmeda o inicial en g. Mo = masa anhidra en g.

6.3. Punto de saturación de las fibras


20

El punto de saturación de las fibras (PSF) es un estado de saturación en el que no hay presencia de agua libre y en el que el agua solo se encuentra saturando las paredes celulares. Se calcula empleando la siguiente fórmula:

Cn o Cnrdmáx tgmáxPSF (%) =

v (19)

Siendo: PSF = punto de saturación de las fibras, en %. Cnrdmáx ó Cntgmáx = contracción radial máxima o contracción tangencial máxima, respectivamente; en %. v = definido en la fórmula (18).

6.4. Coeficiente de anisotropía

El coeficiente de anisotropía (T/R) es el cociente entre la contracción tangencial y la contracción radial. Junto con los valores de Cnrdmáx y Cntgmáx, expresa la estabilidad de la pieza de madera e indica la armonía en la disminución de sus dimensiones a medida que se va secando.

CntgmáxT R =

Cnrdmáx

(20)

Siendo: T/R = coeficiente de anisotropía, adimensional. Cntgmáx = contracción normal máxima en sentido tangencial, en %.

Cnrdmáx = contracción normal máxima en sentido radial, en %.

Tabla 5. Valores de coeficiente de anisotropía

Valor de coeficiente de anisotropía Aplicación de la madera

1 ideal NO EXISTE Alteración idéntica de las dimensiones Rd y Tg

1,2 – 1,5 Excelentes. Aplicaciones sin alabeos

1,6 – 1,9 Normal

> 2 Restringe varias aplicaciones

� Determinación de los cambios dimensionales.

Para la determinación de los cambios dimensionales se trabaja con probetas dimensionadas según norma IRAM 9543 de 20 x 20 x 50 mm de lado (Figura 7).

Los pasos a seguir son los siguientes:

� Preparación de las probetas según norma. � Colocación de los 4 clavos según norma, a una distancia entre ellos de 35 – 40 mm. � Determinación del peso inicial (Ph) de las probetas, utilizando balanza de precisión. � Determinación del peso de los cuatro clavos � Medición (con calibre) de la longitud inicial entre clavos (Lh). � Inmersión de las probetas en agua destilada hasta saturación. � Medición de la longitud entre clavos (Lv) transcurridos 10 días de inmersión. � Secado de las probetas en estufa a 103 ± 2°C hasta peso constante. Se introducen las probetas en la estufa.


21

� Extracción y reposo de las probetas en desecador. � Determinación del peso anhidro (Po). � Medición de la longitud entre clavos del material anhidro (Lo). � Realización de cálculos.

Valores de contracción de maderas comerciales

Tabla 6. Valores de contracción y relación T/R en maderas comerciales.


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7. Relación Cambios dimensionales – Anatomía

Los valores de contracción dependen de la especie, de las condiciones de crecimiento, de efectos genéticos, de la posición dentro del árbol, entre otros; por lo tanto la explicación de este comportamiento recae en la estructura interna de la madera.

Este punto de vista pone en consideración diferentes escalas de estudio. Así, por ejemplo, la variación de la anisotropía entre los planos longitudinales y transversales está influenciada por varios factores dependiendo de la escala o nivel de estudio. Podemos asociarla a: el ángulo microfibrillar en la pared celular (Figura 8), la estructura y espesor de las capas de la pared celular, la organización celular (en estratos alineados o alternados), las propiedades localmente diferentes entre la paredes tangenciales y radiales, la proporción entre leño temprano y tardío, al tamaño y cantidad de radios, la proporción de los diferentes tejidos (vasos, parénquima y fibras).

Figura 8. Esquema de la medición del ángulo microfibrillar en la pared celular

Los valores de contracción dependen de la combinación de estos caracteres en cada

especie. Por lo tanto, no es posible una generalización para explicar el comportamiento de una especie frente a los cambios del contenido de humedad.

7.1. Ejemplo para Roble (Quercus sp.)

Badel et al. (2006) desarrollaron un modelo para predecir la contracción de la madera de roble a partir de la morfología de los anillos de crecimiento (ancho del anillo, densidad, proporción de tejidos). Encontraron que con un mayor crecimiento del anillo la madera presenta mayor densidad y mayor contracción (aunque con una gran dispersión en los resultados). Estos resultados indican que a pesar de encontrar un modelo para predecir el comportamiento en contracción para esta especie, las variables definidas como morfología de anillo no son suficientes para explicar completamente la contracción medida en la madera de roble. En la foto I se presentan las secciones transversales del estudio y se indican las probetas que siguieron la regla (fotos 1, 4, 8 y 9) y las excepciones a la misma (fotos 2, 3, 6, 10, 11). Puede observarse que son más las excepciones que la regla.


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Foto I. Secciones transversales vistas con lupa de 12 individuos con diferente crecimiento anual

7.2. Ejemplo para madera de reacción y juvenil

Los valores de contracción para madera “normal” varían entre 3-6% en sentido radial y 6-12% en el tangencial, siendo la contracción longitudinal despreciable (0,05-0,3%), por lo que no se la tiene en cuenta tecnológicamente para definir el uso de la madera.

Sin embargo, hay dos excepciones: la madera de reacción y la madera juvenil. Recordemos que la madera de reacción se produce en todos los árboles en la salida de ramas, en los fustes inclinados, cerca de la copa y en las cepas y raíces; por otro lado la madera juvenil es producida en todas las especies en los primeros años de crecimiento asociadas a un cambium joven (con diferencias más marcadas en coníferas). La contracción longitudinal para la madera de reacción y la madera juvenil puede ser del 1% o más. Actualmente, estos dos tipos de madera se presentan con mayor frecuencia, ya que el aprovechamiento proviene de forestaciones de corta rotación tanto para coníferas como para latifoliadas.

Esta diferencia de contracción entre la madera “normal”, la madera de reacción y la madera juvenil puede explicarse por la estructura de las fibras, su composición química y por la disposición en la pared celular.

En la foto J se observa una fibra de madera de tensión de álamo cortada transversalmente en la cual la parte interna de la pared secundaria (S3) denominada capa “G” está desprendida de la capa S1 y S2 de la pared celular y contraída. Esto se debe a que, en el leño de tensión de las angiospermas, la composición química de capa S3 cambia y presenta mucho mas celulosa pero con una disposición de sus microfibrillas muy horizontal (gran ángulo microfibrillar). Comparativamente con la capa S2, la capa G presenta un comportamiento diferente por la disposición de las microfibrillas. La capa S2 tiene una gran resistencia a la contracción ya que sus microfibrillas están casi verticales (menor ángulo).


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Foto J. Figura 9

Foto J. Corte transversal de una fibra gelatinosa con su capa G contraída longitudinalmente. Foto J. Figura 9. Gráfico contracción vs.

Ángulo microfibrillar.

La Foto J. Figura 9 muestra que a medida que el ángulo microfibrillar (eje x) aumenta por encima de 30º (microfibrillas dispuestas horizontalmente), la contracción longitudinal aumenta abruptamente produciendo el efecto de un acortamiento longitudinal muy severo.

No confundir el comportamiento diferente de estos tipos particulares de madera con la contracción anormal o colapso.


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8. Maderas puestas en servicio

La madera una vez puesta en servicio se encuentra sometida a continuos cambios en su contenido de humedad, debido a las fluctuaciones que experimentan las condiciones atmosféricas. Este hecho provoca cambios dimensionales, contracciones e hinchamientos sucesivos, que constituyen lo que se denomina “Juego, Trabajo o Movimiento de la Madera”.

Colapso y contracción total de la madera Existen ciertas maderas de latifoliadas que presentan un fenómeno de reducción

dimensional antes de alcanzar el punto de saturación de las fibras. Ejemplos de esto los constituyen las maderas de eucaliptus y coihue. En estos casos se observa que junto con el comienzo del secado empiezan a producirse contracciones, típicas por la forma irregular que adquiere la superficie de la madera. Este fenómeno se conoce como “Colapso de la madera” y se debe al aplastamiento de las cavidades de las células causado por las presiones que ocasiona el movimiento del agua durante el secado. A diferencia de la contracción normal, no implica una disminución del tamaño de las paredes celulares. En la Figura 1 se observa la contracción normal, anormal y la contracción total.

Figura 1. Curva de contracción (%) vs contenido de Humedad (%)


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Fórmulas para la determinación de los cambios dimensionales

La contracción de una madera que seca desde verde hasta un contenido de humedad h cualquiera, queda definida en general por la siguiente ecuación:

Dv - Dh

Cn (h) (%) = ( ) x 100Dh

(21)

Donde: Cn (h): contracción normal a una humedad h, en %. Dv: dimensión en verde, en cm. Dh: dimensión en húmedo, en cm.

Esta fórmula se puede aplicar para calcular tanto la contracción lineal como la contracción volumétrica, reemplazando en este caso las dimensiones por el respectivo volumen.

De la fórmula (20) se desprende que:

(22)

(23)

Es frecuente que en la práctica se necesite el cálculo de la contracción normal porcentual que se producirá la secar la madera hasta un contenido de humedad. Para este tipo de cálculo se utiliza la siguiente fórmula:

(24)

(25)

El coeficiente de contractibilidad (v) expresa cuanto contrae una madera cuando pierde 1% en su contenido de humedad o cuanto hincha cuando gana 1% de su contenido de humedad.

(26)

Conociendo el valor del coeficiente de contractibilidad (v) podemos simplificar la fórmula de

la siguiente manera:

(27)

CnDv = Dh x (1 + )

100

100 x DvDh =

100 + Cn (h)

Cn máxCn (h) = x (PSF - h)

PSF

hCn (h) =Cn máx x (1 - )

PSF

Cn máx (%)v (%) =

PSF

Cn (h) = v (PSF - h)


27

Para el juego entre dos contenidos de humedad (J (h1 – h2) se aplica la siguiente fórmula: (28)

Donde h1 y h2 representan los contenidos de humedad mayor y menor respectivamente.

1 2 1 2J (h - h ) = v (h - h )


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Ejercicios de propiedades físicas

1- Se transportan 6 m3 de Eucalyptus glóbulus a un contenido de humedad de 50%. ¿Cuántos kilogramos de agua de más se transportan con respecto a la misma carga al 18% del contenido de humedad? Datos: Do = 0.650 g/cm3 Dn (CH = 15%) = 0.750 g/cm3

2- En que especie será mayor la disminución de peso en la carga de madera seca, en Eucalyptus glóbulus o en Populus deltoides cv. Catfish 2? Datos: Do = 0.381 g/cm3 Dn (CH = 15%) = 0.420 g/cm3

3- Calcular la contracción que alcanzará un tablón floreado de Pinus ellioti de 2” x 6”. Datos: Cn rd máx. = 2% Cn tg máx = 2.8%

4- Determinar las dimensiones que alcanzará un tablón cuarteado de Guatambu blanco que seca desde verde hasta el 12% del CH, cuyas dimensiones al estado verde son de 2” x 7”. Datos: Cn rd máx. = 6.7% Cn tg máx = 9% 5- Cual será el juego máximo que alcanzará una pieza estructural de Pinus ellioti secada hasta el 11.5%, de 3” x 6” y de corte floreado. La estructura será colocada en la ciudad de Bariloche. Datos: Cn rd máx. = 2% Cn tg máx = 2.8%

6- Un aserradero debe entregar 200 vigas de Eucalyptus globulus con 12% de CH, de corte floreado, de 2” x 4” x 6 metros. Se trabaja con material verde.

a. ¿Qué volumen deberá procesar (en pié 2) si la madera no se colapsa? b. ¿Qué volumen deberá procesar (en pié 2) si la madera se colapsa?

Datos: CT rd = 7.7% CT tg = 16.3% Cn rd máx. = 6.5% Cn tg máx = 11.7%

Referencias: Do = densidad aparente anhidra; Dn = densidad aparente normal; Cn rd máx. = contracción normal radial; Cn tg máx = contracción tangencial máxima; CT rd = contracción total radial; CT tg = contracción total tangencial. 1 m3 = 424 pie2 1 pulgada (") = 25.4 mm.


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Bibliografía consultada.

Andía, I. & Keil, G. (2004). “Propiedades físicas de la madera”. Publicación Docente Nº 01/04. Cátedra de Tecnología de la Madera. Universidad Nacional del Comahue. 28 pp.

Badel E., Bakour R., Perré P. (2006). Investigation of the relationships between anatomical pattern and local swelling of oak wood. IAWA J. 27 (1):55-71.

Coronel E.O. (1994). “Fundamentos de las propiedades físicas y mecánicas de la madera. Aspectos teóricos y prácticos para la determinación de las propiedades y sus aplicaciones”. 1 Parte: “Fundamentos de las propiedades físicas de la madera”. Publicación ITM - UNSE. 187pp.

Coronel E.O. (1995). “Fundamentos de las propiedades físicas y mecánicas de las maderas. Aspectos teóricos y prácticos para la determinación de las propiedades y sus aplicaciones. 2 Parte: “Fundamentos de las propiedades mecánicas de las maderas”. Publicación ITM – UNSE. 335 pp.

IRAM 9532. (1963). “Método de determinación de humedad”. Instituto de Racionalización de Materiales. 14 pp.

IRAM 9543. (1985). “Método para la determinación de los valores de contracción de la madera”. Instituto Argentino de racionalización de Materiales. 10 pp.

IRAM 9544. (1985). “Método para la determinación de la densidad aparente”. Instituto Argentino de Racionalización de Materiales. 10 pp.

Junta del Acuerdo de Cartagena (JUNAC). (1989). “Manual del Grupo Andino para el Secado de Maderas”. 1ª Ed., Lima. Perú. Pp 294.

Keil, G. (2005). “Densidad y peso específico de la madera”. Material didáctico. Curso Industrias Forestales I, Plan 6. Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal. Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales, UNLP. 9 pp.

Nuñez, C. (2003). “Relaciones entre densidad básica y densidad seca de madera”. PROCYP Programa de Investigación de Celulosa y Papel. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Posadas Misiones Argentina.

Panshin A.J. & C. de Zeeuw. (1980). Textbook of wood Technology. McGraw-Hill, 722 pp. Tappi 258. (1994). “Densidad básica y contenido de humedad de la pulpa de madera” Walker J.C.F. & B.G. Butterfield. (1995). The importance of microfibril angle for the

processing industries. N.Z. Forestry 40:34-40. Zobel B.J. & J. Talbert. (1988). Técnicas de mejoramiento genético de árboles forestales.

Ed. Limusa, 545pp. Zobel B.J. & J. B. Jett. (1995). Genetics of wood production. Springer-Verlag, 337 pp.

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