Efecto del preservado de la madera con boro sobre el módulo dinámico (evaluación por medio de ultrasonido)

Effect of wood preservation with boron on the dynamic modulus -evaluation by ultrasound

La madera es una materia prima que compite con otros materiales y tecnologías propias en la industria de la construcción. Es recomendable el conocimiento fundamental de los atributos relativos a la aptitud de este material para construir, ello con el objeto de mejorar la productividad industrial. Uno de esos atributos es la capacidad para retener sustancias protectoras al ataque de agentes biológicos, como son los hongos y moho. Tales agentes producen un deterioro como resultado de exponer la madera a la humedad excesiva y por un largo periodo de tiempo. Los efectos de este proceso de deterioro se manifiestan cuando la superficie cambia de color, toma un aspecto sucio y muchas veces pierde brillo; así mismo, su cohesión de superficie disminuye y aumenta su fragilidad. Es entonces que la madera se fractura y se pueden desprender fragmentos de la misma [1].

No obstante que la madera es un material durable, la conservación de sus propiedades tecnológicas para su óptimo uso en la construcción depende del medio ambiente donde sea instalada. La madera sin protección expuesta al exterior sufre principalmente los efectos del fotodeterioro causado por la luz ultravioleta, la hidrólisis y la variación dimensional. Esto se produce debido a los cambios de humedad, además del biodeterioro y la decoloración derivada de la acción de microorganismos [2].

Cuando la madera no es tratada adecuadamente puede ser deteriorada por agentes biológicos y factores físicos, los cuales modifican sus elementos básicos provocando su gradual degradación. Por ejemplo, las enzimas, las substancias ácidas o la radiación electromagnética provocan reacciones químicas que modifican el estado de la superficie de la madera. Estas moléculas ya descompuestas perturban las partes de la anatomía celular, deteriorando los tejidos vegetales de la madera [3].

La tecnología de preservación de la madera por medio de arsénico, cobre y cromo [4] ha sido remplazada por el empleo de sustancias ecológicamente amigables [5]. Las sales trihidróxido de boro (ácido bórico) y tetraborato de sodio (borato de sodio), son utilizadas para proteger la madera del ataque de hongos e insectos [6]. Sus principales ventajas, respecto a otras substancias preservantes, es que son inodoras, incoloras e inflamables; además que poseen poca toxicidad para el ser humano [7]. El empleo de estas propiedades se ha generalizado para el caso de elementos estructurales en construcciones con madera. Sin embargo, las sales de boro se disuelven en contacto con agua, causando el proceso de lixiviado [8]. Por lo tanto, se recomienda su empleo en componentes que no están expuestos a la intemperie.

El módulo de elasticidad dinámico de la madera es el parámetro de ingeniería que se utiliza en el cálculo de estructuras construidas con este material [9]. Su determinación se realiza por medio de métodos normalizados en condiciones de cargas, estáticas o dinámicas, donde se emplean probetas de pequeñas dimensiones [10]. Así mismo, se utilizan otros métodos que miden la resistencia mecánica en elementos de madera con dimensiones de uso [11]. El empleo de métodos no destructivos en la determinación de propiedades mecánicas permite, igualmente, estudiar piezas de madera antes y después de ser expuestas a un tratamiento [12].

Las ondas acústicas pueden viajar a través de la madera. Se puede determinar el módulo de elasticidad dinámico [13] a partir del cálculo de su velocidad en conjunto con la densidad de la madera. Se puede medir la velocidad del ultrasonido en una especie, aplicar un tratamiento para mejorar alguna propiedad y posteriormente, volver a evaluar en la misma muestra la velocidad del ultrasonido. De esta manera, se pueden comparar los valores antes y después del procedimiento experimental, para así observar si este modifica de manera significativa la velocidad del ultrasonido.

La cantidad de substancia preservante que una pieza de madera puede retener depende de su capacidad de absorción de fluidos. Debido a la variabilidad en su estructura anatómica, cada especie tiene un comportamiento distinto de acuerdo con el tratamiento aplicado [14]. En términos cuantitativos, cabe mencionar que la retención de sales de boro es función también de la concentración de la sustancia preservante empleada en el tratamiento [15].

La experimentación con sales de boro en la madera se ha orientado a determinar el grado de retención de las mismas. La estrategia se concentra en el estudio de métodos experimentales, y la eficiencia que pueden tener para introducir substancias preservantes en la madera. En ese sentido, [16] consiguieron en probetas de Gmelina arbórea retenciones de 0.32 a 1.28 kg m^-3, con un método de inmersión-difusión. Así mismo, [17] empleando un método de presión en piezas de madera de Eucalyptus grandis, obtuvieron retenciones de 3.7 a 11.6 kg m^-3. Finalmente, por medio de un proceso al vacío, [15] reportan retenciones de 17.42 kg m^-3 para madera de Fagus orientalis y de 15.98 kg m^-3 para Pinus sylvestris.

Por su parte, empleando un tratamiento de preservación específicamente diseñado, [6] encontraron retenciones de 2.88 a 9.16 kg m^-3 en madera de Fagus sylvatica, y de 3.25 a 9.57 kg m^-3 para Pinus sylvestris. Aplicando un tratamiento de preservación con temperatura de 103°C, [18] lograron una retención de 4.2 kg m^-3 para madera de Pinus sylvestris, y de 5.7 kg m^-3 para la de Fagus sylvatica. En cada investigación se emplearon especies de madera, concentraciones de sales de boro y métodos de aplicación diferentes. Por tal razón, los resultados son difíciles de comparar.

Respecto de la aptitud para la preservación de maderas mexicanas, [14] reportan trabajos en los cuales el tratamiento de preservación denominado como "baño caliente-frío" ha sido empleado con éxito. Esta práctica solo necesita de instrumentos accesibles y resulta una técnica económica. En la literatura mexicana relacionada con el tema se encuentra información sobre las características de las especies en estudio [19]. Igualmente, existe información relevante sobre los métodos de carácter no destructivo [20].

En ese contexto, en [21] se detalla información sobre la experimentación con sales de boro en la madera y sus estrategias de aplicación. La influencia del tratamiento de impregnación con sales de boro y su efecto en el módulo de elasticidad determinado con ondas de esfuerzo se reporta en [22]. La presente investigación usa como referencia las especies de madera reportadas por estos autores, pero con la diferencia en cuanto al uso de un enfoque y una técnica de evaluación diferentes. Sin embargo, no se encontraron trabajos publicados que integren pruebas de ultrasonido con el efecto de las sales de boro sobre la densidad, la velocidad de onda y el módulo de elasticidad dinámico de la madera.

El objetivo de esta investigación fue observar el efecto del tratamiento de preservación con sales de boro sobre la densidad, la velocidad de onda y el módulo de elasticidad dinámico en las especies de madera G. ulmifolia, S. campanulata y A. religiosa.

La Tabla 1 presenta los resultados de la densidad, de la velocidad de onda y del módulo de elasticidad dinámico para las especies G. ulmifolia, S. campanulata y A. religiosa. Los datos están tabulados para antes y después del tratamiento de preservación. La retención y absorción de sales de boro se tabularon solo para después del tratamiento.

Tabla 1.
Densidad de la madera, velocidad de onda, módulo de elasticidad dinámico, absorción y retención de sales de boro.

La magnitud del contenido de humedad, antes y después del tratamiento, fue en promedio de 11%, varió 2.2% y sus coeficientes de variación se diferenciaron 1.2%. De forma que se consideró este parámetro como no influyente en los resultados.

Las pruebas de normalidad para todas las variables de respuesta (véase Tabla 2) confirmaron que los datos de las muestras provinieron de distribuciones normales.

Tabla 2.
Pruebas de normalidad y de diferencias de medias.

Las pruebas de diferencia de medias entre los resultados, antes y después del tratamiento (véase Tabla 2), indicaron que para la densidad de la madera se encontró una diferencia estadísticamente significativa para S. campanulata y A. religiosa. En contraste, la densidad no cambió para G. ulmifolia. La velocidad de onda de A. religiosa fue la que únicamente denotó una diferencia estadísticamente significativa. Dicha característica no se modificó para G. ulmifolia y S. campanulata. En cuanto al módulo de elasticidad dinámico los valores para G. ulmifolia y A. religiosa fueron estadísticamente diferentes, antes y después de tratamiento. En cambio, el módulo de elasticidad dinámico no se alteró para S. campanulata.

Los análisis de varianza para la absorción y la retención (véase Tabla 3) proporcionaron diferencias estadísticamente significativas entre las tres especies. Es decir, cada una de las tres maderas absorbió y retuvo sales de boro en una cantidad diferente.

Tabla 3.

Análisis de varianza.

Los coeficientes de determinación de las regresiones entre las variables densidad de la madera, velocidad de onda y módulo de elasticidad dinámico (véase Tabla 4) verificaron las correspondencias entre los resultados para las especies G. ulmifolia y S. campanulata, antes y después del tratamiento. Un resultado particular fue el de la especie A. religiosa, donde la velocidad de onda y el módulo de elasticidad dinámico mostraron coeficientes de determinación muy bajos.

Tabla 4.
Regresiones.

Estos resultados se muestran gráficamente en la Fig. 2, antes y después del tratamiento, donde se aprecian las dispersiones de los resultados de cada variable para las tres especies estudiadas, extraídos de las 35 probetas estudiadas. En efecto, los datos de la velocidad de onda y del módulo de elasticidad dinámico son correspondientes entre sí para las tres especies, lo cual se tradujo en coeficientes de determinación altos (véase Tabla 4). En cambio, para A. religiosa los coeficientes de determinación de las regresiones fueron particularmente débiles, en cuanto a la velocidad de transmisión de onda y el módulo de elasticidad dinámico. Así mismo, la dispersión de sus resultados no mostró una dependencia.

Fig. 2.
Dispersiones de la densidad, de la velocidad de onda y del módulo de elasticidad dinámico.

Después del tratamiento la densidad de G. ulmifolia aumentó en un 2.6% y la de A. religiosa en un 3.6%. En contraste, la densidad de S. campanulata disminuyó en un 5.6% (véase Tabla 1). La velocidad del ultrasonido en G. ulmifolia aumentó en un 1.8%; la de S. campanulata aumentó en un 2.5%; y la velocidad del ultrasonido en A. religiosa aumentó en un 6.4%. Esta combinación de resultados repercutió en que el módulo de elasticidad dinámico de G. ulmifolia aumentó en un 6.4%, y el de A. religiosa en un 17.9%. Por otro lado, el módulo de elasticidad dinámico de S. campanulata disminuyó en un 1%. Bajo ese mismo contexto, no se observa una discrepancia importante entre las especies estudiadas, a pesar de que los coeficientes de variación son diferentes para antes y después del tratamiento.

La variación de la densidad ocasionada por el tratamiento de preservación puede ser explicada, entre otros factores, por los cambios sufridos en la estructura anatómica de la madera. El espesor de la pared celular de la madera, así como su capacidad de retención de las sales, que son características propias a cada especie, pueden incrementar la densidad de la madera. Un caso particular es el de la madera de S. campanulata, la cual retuvo más sales de boro donde, sin embargo, mostró una disminución en su densidad.

La absorción, que es un parámetro intermedio necesario para calcular la retención, presenta coeficientes de variación iguales a los de la retención (véase Tabla 1). Las especies G. ulmifolia y A. religiosa tienen retenciones similares. En contraste, S. campanulata retiene más sales de boro: 47.5% en comparación con G. ulmifolia, y 98% en referencia con A. religiosa.

Los valores promedio de retención de sales de boro para las tres especies (véase Tabla 1) fueron mayores que el límite inferior tóxico de retención reportado en trabajos anteriores. De acuerdo con [28], el umbral mínimo de retención, necesario para proteger a la madera de las pudriciones ocasionadas por hongos, está comprendido en el intervalo que va de 0.2 a 4.7 kg m^-3. Por su parte, [29] propone una retención mínima de 1 kg m^-3 para protección de la madera en condiciones de uso en exteriores. La Asociación Americana de Preservadores de Madera [30] recomienda una retención mínima de sales de boro de 2.72 kg m^-3 en la madera, esto para elementos estructurales empleados en interiores.

En términos cuantitativos, los resultados de retención son comparables con los de [31] para un tratamiento por inmersión. Este autor presenta valores de retención de sales de boro para nueve especies de madera tropicales: Hymenaea courbaril 23.2 kg m^-3, Terminalia amazonia 12.9 kg m^-3, Hieronyma alchorneoides 8.1 kg m^-3, Cedrela odorata 5.7 kg m^-3, Tectona grandis 9.1 kg m^-3, Cupressus lusitanica 14.9 kg m^-3, Enterolobium cyclocarpum 7 kg m^-3, Calophyllum brasiliense 15 kg m^-3 y Gmelina arborea 8.7 kg m^-3. Los valores de esta investigación para C. odorata pueden considerarse similares a los resultados presentados por [31]. De aquí se desprende que las especies estudiadas pueden ser tratadas con sales de boro, y de esa manera satisfacer los estándares necesarios para su empleo en condiciones donde se requiere un método de protección.

Los argumentos presentados confirman el paradigma que rige en investigación e ingeniería de la madera: es necesario caracterizar los comportamientos físico-mecánicos de la madera con un enfoque de experimentación, caso por caso y para una especie en particular. Cada procedimiento debe estar relacionado con las variables de referencia de las condiciones de ensayo, por ejemplo, la densidad y el contenido de humedad de la madera. También debe haber relación con los datos derivados del tamaño de una muestra representativa, observada estadísticamente. Una vez que se obtienen datos integrantes y estadísticamente representativos, se pueden proponer tendencias en el comportamiento mecánico general para una especie en específico, o por agrupamiento de varias de ellas que denoten un comportamiento similar [22].

Las maderas de G. ulmifolia, S. campanulata y A. religiosa pueden ser impregnadas con sales de boro con el método baño caliente-frío, sin reducir su densidad, velocidad de onda y módulo dinámico. Cada especie se comporta de manera diferente. Para cada una de las especies estudiadas, los valores promedio de retención de sales de boro son mayores que el límite inferior tóxico de retención reportado en trabajos anteriores. Cuantitativamente, los resultados son comparables con los reportados en la bibliografía.

Para la densidad de la madera se encontró una diferencia estadísticamente significativa para S. campanulata y A. religiosa. En contraste, la densidad no cambió para G. ulmifolia. La velocidad de onda de A. religiosa fue la que únicamente denotó una diferencia estadísticamente significativa. Dicha característica no se modificó para G. ulmifolia y S. campanulata. El módulo de elasticidad dinámico los valores para G. ulmifolia, S. campanulata y A. religiosa fueron estadísticamente diferentes, antes y después de tratamiento.

A manera de prospectiva, los resultados de la investigación sugieren el empleo del método baño-caliente frío para impregnar madera con sales de boro. Para su aplicación a nivel industrial se recomienda realizar estudios con piezas de madera con dimensiones de empleo en la industria.

Agradecimientos

A los alumnos de la Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera, de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), por su colaboración en los trabajos de laboratorio. La investigación estuvo patrocinada por la Coordinación de la Investigación Científica de la UMSNH.