ANLISIS DE LA POROSIDAD DE LA MADERA

Autor: Pablo-Romero Rein, Carlos. Directores: Jimnez Octavio, Jess. Caro Carretero, Raquel. Entidad colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia de Comillas y Ecole Centrale de Paris.

RESUMEN DEL PROYECTO INTRODUCCIN: Actualmente, existen varias maneras diferentes de evaluar las caractersticas de unamuestra de madera, sus propiedades, su estructura, etctera. Estos mtodos, queproporcionanbastanteinformacin,sonmuytilesalahoradedistinguirlosdiferentestipos demadera. Principalmente, lamadera esta diferenciada endos grandes familiassegnsuporosidadysuestructurainterna.Para el estudio de la porosidad de la madera, evaluamos tres de los procesos msimportantes: observar la superficie con unmicroscopio digital, analizar la estructurainterna mediante la tomografa de rayos X y determinar las caractersticas de laporosidad con la porosimetra demercurio. A travs de estos anlisis, tres muestrassern clasificadas entre madera dura o blanda. Adems, se realizar un test decompresinparaestablecerunarelacinentrelaporosidadyelmodulodeYoungdelamuestra,quecontribuiralaclasificacindeesta.Lasmaderasduras,oangiospermas, tienenclulasmasdesarrolladasque lasmaderasblandas,ogimnospermas[1].Estonosllevaaunaclaradiferenciacinporlosporos.Lasmaderasdurasconstandeunagranlistadeclasificacionesposiblessegnsusporos,porejemplo segn su distribucin (difusa, semicircular o circular). Las maderas masimportantes de este grupo son el roble y la haya, la cual tiene unos poros difusos yligeramentemayoresquelosdelroble,queademssoncirculares.Lasmaderasblandasconstan de poros incluso mas pequeos ya que cuentan con las traqueidas paratransportarelaguaylasabiabruta.Lasmaderasblandasmascomunessonelpinoyelabeto[2].METODOLOGAYRESULTADOS:El microscopio digital proporcion respuestas importantes, como una primeraimpresindeltamaodelosporosdecadamuestraysudistribucin.Primero,elroblepareca diferir de la teora previa presentando porosmuy grandes (del orden de 300m) en comparacin con los de la haya (entre 40 y 6 m). Sin embargo, debido a lalimitadapotenciadel zoom,ungrannumerodeporosnopudieronsermedidosni lasdiferentes contribuciones a la porosidad de las muestras. En el caso de la maderaresinosa,habaporosmuygrandes(200m),queencajanconlastraqueidas,rodeadosdemuchosporosmuypequeos.

Despus , con la realizacin de la tomografa de rayos X tratamos de estudiar laestructura interna de las muestras. El principio de este mtodo es crear un rayo departculas X que atraviese la muestra [3]. En el lado opuesto, un detector mide laintensidaddelrayoytraselanlisisdelaestaydelaenerga,elinstrumentodeterminala densidad de cada pixel de la muestra (pequeo cuadrado de la superficie de unarebanadade lamuestra). Ladensidadesta relacionada conunaescaladegrisesquemastardeformaranunaimagensuperponiendolasrebanadas.Noobstante,estemtodonofuemuyfructfero.Debidoasuelevadacomplejidad,tommuchotiempoy,esms,laaltadefinicindelasimgeneshicieronqueestasfueranmuypesadasydifcilesdemanejarytransmitir,haciendoquecasinotuviramosimgenesdisponibles.Finalmente,esteprometedorestudioresultserunpocointilycomplejo.Por ultimo, la porosimetra de mercurio result ser el proceso ms instructivo ycompleto. El trmino porosimetra se utiliza para incluir las medidas del tamao,volumen, densidad y otras caractersticas relacionadas con los poros, que son muyimportantes en las estructuras de los materiales y afectan a sus propiedades fsicas(comoporejemploalmodulodeYoung).Estatcnicaestabasadaenlamedidadelacantidaddeliquidonohumectante(mercurioennuestro caso)quepuede ser introducido en losporosdeun solidobajodiferentespresiones[4].Eltamaodelporosecalculaatravsdelapresinaplicadaenoposicinalafuerzadetensinsuperficialdelliquido.Esteprogresivoaumentocontroladodelaspresiones calcula el volumen y la distribucin de los tamaos por la ecuacin deWashburn(1).

4HgcosHgpHg (1)

Antesdecomenzarconlosensayos,eranecesarioeliminartodalahumedadpresenteenelinteriordelasmuestrasatravsdeliofilizacinparanodaarlas.En la grfica 1 se comparan los resultados para cada muestra, estableciendo unarelacinentrevolumendeintrusinypresinaplicadaalmercurio.

Grfica1.Diagramadeintrusionenfuncindeltamaodelosporos.Serealizarontresensayosparacadamuestra.Elresultadomsnotableeseldelroble.Abajaspresioneshayungranpicodeintrusin,loquesignificaunaaltacontribucindelosgrandesporosenlaporosidaddelamadera.Sinembargo,estonoconcuerdaconlopreviamentevistoenlateora.Adems,losensayosdelasotrasdosmuestrasnotienenestepico,lquenoshacepensarenalgnerrorduranteelproceso.Lostamaosdeporosprincipalesestnentre0,83y0,22m.Segundo,lostresensayosdehayapresentaronunacurvadetendenciamuysimilar(eltercero un poco diferente, ero no mucho). Tienen tambin dos tamaos de porosprincipales:entornoa10m(entre15y5)y,menosimportante,de0,35m.Porultimo, lamuestra resinosa tieneporos considerablementemspequeosque losotrosdostipos.Estoconcuerdaconloestudiadorespectoalasmadurasblandasyduras.Tambintienedostamaosdestacables:0,22y0,05m(esteltimoenmenormedida).Adems, un pequeo pico al inicio de la grfica para las resinosas concuerda con eltamaodeporosde las traqueidas (100m).Noobstante, lapartedel ensayoa altaspresionesnoserealizaroncorrectamenteparadosmuestrasresinosasyunaderoble.

BEECH OAK RESINOUSTESTNumber 1 2 3 1 2 1POROSITY(%) 53,89 47,94 48,51 63,95 53,60 56,82DENSITY(g/mL) 0,72 0,64 0,66 0,60 0,67 0,66AveragePorosity 50,11 58,78 56,82standarddeviation 3,28 7,31AverageDensity 0,68 0,64 0,66standarddeviation 0,04 0,05

Tabla1.Resultadosdelaporosimetriademercurio Finalmente, intentamos establecer una relacion entre la porosidad de las muestras y sus respectivos modulos de Young. Los ensayos de compresion se utilizan para evaluar las propiedades mecnicas de los materiles, los cules ms tarde seran importante para el diseo.

0,00

0,050,10

0,15

0,200,25

0,30

423,4

8560,72

833,07

324,23

617,30

511,33

37,2

484,7

283,1

902,0

911,3

280,8

340,5

530,3

490,2

270,1

510,0

950,0

630,0

400,0

260,0

170,0

120,0

090,0

06

Intrusion

mL7gr

Poressize(microns)

ResineuxHETRECHENEPINE1PINE2BEECH1BEECH2OAK1

En estamuestraSimulttarde es La reprecaracterAdemsLas mucomporrelacion

Los matpermanecompor(relacio Comparmuestrafuerza diferent

El mateYoung dproporcresultad04101proporcN/m2(resinos

as pruebas, a, la deforneamente, stos datos pa

esentacin griza el coms, podemos uestras de mrtamiento elna las dos m

teriales elasente, mien

rtamiento pn no linear)

ramos ahoraas muestran la relacin te (calculado

erial ms rede 0,91010cional es ddos son m0N/m2 y 0cionalyun(5368N)pso.

0,02

x100000

una fuerzarma. En nla mquina

ara desarrol

grfica es mmportamient

determinar madera sonlstico. Para

medidas tom

sticos recupntras que lplstico se ) [5].

a los resultun comportension-de

o a partir de

Grf

esistente y e0N/m2, ligede 3460Nms parec031010 N/na fuerzamaraelrobl

0100200300400500600700800900

20 0,000

x100000

a creciente nuestro casa registra lallar el diagra

muy til parto de un mlos compor

n consideraa obtener el

madas:

peraran su elos materiaalcanza cu

ados de lasrtamiento eleformacin el gradiente

fica2.Diagram

elstico es leramentem(71107Nidos, aunq/m2 respecmximamle;54107

0,020 0

constantemso, la fuera fuerza apama de tens

ra calcular ematerial elrtamientos dadas elsticl mdulo el

estado y altuales plsticuando la re

s tres muestlstico. Com

vara. Cade de las graf

madetensind

la haya, qumayorqueN/m2) y laque el robctivamente.spequeaN/m2(542

0,040 0,06

mente, pararza tambie

plicada y lasin-deform

el mdulo dstico) y sde las mues

camente linstico, utiliz

ura inicial, scos conservecta del di

tras en la gmo previstoda muestra ficas).

delastresmues

e experime para lasomxima fuble un po. No obstaas:4510726N)y61

60 0,080

alela al eje en es paraa deformaci

macin.

e Young (pu punto de

stras para laear e isentzamos la ley

sin sufrir nivaran las agrama com

grfica 2. In, a medida tiene un

stras.

ntalmente totrasdosmuerza 3835co mayornte, el robN/m2 (411107N/m2

0,100

longitudinalela a lasion, utilizan

parmetro fe tensin m

as fuerzas aptrpicas duy de Hooke

inguna defodeformacio

omienza a

nicialmente,que aumentmdulo de

tiene un mmuestras. S5N. Los otque el re

ble tiene un55N)and2(6100N)

ResinousBeechOak

nal de la s fibras. ndo ms

sico que mxima. plicadas. rante su

e (2) que

(2)

ormacion ones. El doblarse

, las tres tamos la

e Young

dulo de u lmitetros dosesinoso,n lmite57107parael

Enlosdiagramasvemosalgoinusual,lasdeformacionescomienzanenvaloresnegativos(algofsicamenteimposible).Estoesdebidoprobablementeaunamalainicializacindelossensores.Porotrolado,aunqueelvalorabsolutodelasfuerzasmedidasparaelrobley el resinoso sonmayores, proporcionalmente a la superficie aplicada, la delhaya esmayor.Simplificamoslascomparacionesdelosresultadosenlasiguientetabla(2):

Oak Resinous BeechPorosity(%) 58,78 56,82 50,11Density(g/ml) 0,64 0,66 0,68Transversesection(105m2) 9,34 10,03 4,85Maximalstress(107N/m2) 5,75 6,08 7,90Maximalforce(N) 5368,48 6100,55 3835,09Proportionallimit(107N/m2) 4,45 5,45 7,13Proportionallimit(N) 4155,62 5426,47 3458,19Young'smodule(1010N/m2) 0,40 0,30 0,90

Tabla2.Resumendelosresultados

Como muestran los resultados, existe una relacin entre la porosidad y la densidad, y los parmetros de resistencia mecnica. La habilidad para resistir a las tensiones parece incr