TEORIA

PROPIEDADES DE LA MADERA PROPIEDADES FÍSICAS

INTRODUCCIÓN

El progreso de la humanidad, siempre ha estado íntimamente asociado a la madera, de una u otra forma, pues el hombre ha dependido de ella para satisfacer sus necesidades.

A medida que los avances tecnológicos son mayores, más diversos y sofisticados son los usos que el hombre encuentra para la madera; actualmente, la madera es materia prima de mayor complejidad que cualquier otro material, su utilización bajo condiciones competitivas de la moderna tecnología requiere un alto conocimiento técnico y científico.

Los estudios fundamentales sobre la madera deben tomar en cuenta, las propiedades que son comunes a todas las maderas, las propiedades que distinguen a cada una de ellas, el grado de variabilidad que se puede presentar dentro de una especie, sus características anatómicas, sus propiedades físico - mecánicas y químicas.

Para determinar las propiedades físicas que presenta una madera, como es su contenido de humedad, densidad y gravedad específica, porosidad, contenido de humedad máximo, contracción y expansión, hay que seguir metodologías las cuales están normadas, existiendo una diversidad de normas técnicas internacionales (COPANT, ASTM) y las Normas Técnicas Peruanas (NTP).

Objetivos:

Conocer las características macroscópicas, organolépticas, microscópicas de la madera.

Conocer como influye la presencia del agua en la madera, en sus propiedades físicas.

Conocer sus propiedades físicas: contenido de humedad, densidad y gravedad específica, porosidad, contenido de humedad máximo, contracción y expansión.

UNIDAD I

COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LA MADERA

Ing. Antonio AYLAS MONTALVO 1


LA MADERA

Se llama madera al conjunto de tejidos del xilema que forman el tronco, las raíces y las ramas de los vegetales leñosos, excluida la corteza; las dimensiones de las células que forman el tejido xilemático y el espesor de las mismas varían con su composición, estructura, edad, condiciones de crecimiento y especie

Se entiende por vegetales leñosos aquellos que presentan las siguientes características:

Son plantas vasculares que presentan tejidos conductores especializados: xilema y floema.

Son plantas perennes, deben vivir durante un cierto periodo de años.

Tienen un tallo principal (tronco) que persiste de un año a otro.

Tienen crecimiento secundario (crecimiento del diámetro independiente del crecimiento longitudinal)

PLANOS O SECCIONES DE ESTUDIO

La madera es un material orgánico heterogéneo y muestra diferentes características dependiendo de la sección que estemos observando. Por su arreglo tridimensional, el cilindro xilemático, para el estudio de su estructura macroscópica y microscópica, dada su heterogeneidad, se establecen tres planos o secciones de estudio, uno horizontal y dos longitudinales, en cada uno de ellos, podemos observar los mismos elementos, solo que vistos desde un ángulo diferente para cada caso. :

Sección Transversal.- perpendicular al eje de la rama o tronco de un árbol, expone la sección transversal de la madera, donde se pueden observar todos los elementos que forman el sistema axial, pero seccionados transversalmente. Se pueden observar los poros (tipo y distribución), presencia o ausencia de parénquima y su distribución, presencia de contenidos en los vasos, canales axiales de resina, abundancia de contenidos en los vasos y su espesor.

Sección Radial.- es el corte longitudinal que se logra siguiendo la dirección de los radios o sea pasando por la médula y un radio de la rama o tronco, se puede observar con la ayuda de un microscopio el tipo de radio, tipo de platina de perforación, tipo y distribución de punteaduras de los vasos.

Sección Tangencial.- corte longitudinal que es tangente a los anillos de crecimiento o perpendicular a la dirección de los radios, podemos observar el espesor de los radios, las marcas de estratificación, canales radiales de resina, diámetro de los vasos y fibras, y espesor de la pared celular.

Para tener una idea de cómo se comporta, la madera resiste entre 20 y 200 veces más en el sentido del eje del árbol, que en el sentido transversal.



Debido a este comportamiento estructural tan desigual, se ha hecho necesario

establecer:

Eje tangencial

Eje radial y

Eje axial o longitudinal

El eje tangencial, como su nombre lo indica, es tangente a los anillos de crecimiento y

perpendicular al eje longitudinal de la pieza.

El eje radial, es perpendicular a los anillos de crecimiento y al eje longitudinal



El eje longitudinal es paralelo a la dirección de las fibras y por ende, al eje longitudinal del

tronco. Forma una perpendicular respecto al plano formado por los ejes tangencial y

radial.

ESTRUCTURA MACROSCOPICA

Al examinar a simple vista, en un tronco las tres secciones o planos, se pueden observar la siguiente estructura:

A. La corteza.- Es la capa exterior del árbol, reseca, lisa o rugosa, que protege al vegetal contra agresiones externas; consta de dos capas: la epidermis, que es la capa más externa y fina, y el corcho; capa más gruesa e interior. El corcho varía su espesor según la especie.



Corteza externa.- Es la corteza propiamente dicha

Corteza interna o Floema o Líber.- Se trata de madera embrionaria, existe debajo del corcho, por ella circula el alimento preparado por las hojas (savia elaborada) en estado de disolución para que alimente al resto de la planta.

B. Cambium o Cambio Vascular (CV).- Capa delgada de células vivas, aparece sobre el segundo año de crecimiento, origina tejidos: xilema o madera y floema.

C. Xilema o Vasos leñosos.- Son los que conducen la savia bruta (agua y sales minerales) desde las raíces hasta las hojas, dando un crecimiento diametral del tallo o cilindro vascular, forma la mayor parte del tronco y presentan diferencia fácilmente apreciable.

En un árbol adulto, observaremos 3 áreas o zonas muy bien definidas, cuando lo observamos transversalmente:

a) Albura; madera ligera de color claro, dependiendo de la especie, formado por

tejido vivo (vasos, fibras y parénquima), rica en savia y jugos alimenticios; esta madera recoge los vasos leñosos y el floema.

b) Duramen; madera adulta y compacta aprovechable como material de uso, ocupa la parte interna del tronco, formado por tejido fisiológicamente inactivo a la madurez y tiene por función brindar resistencia mecánica al tronco y mantener su posición vertical. .

Corazón; madera senil, de enorme dureza, aunque puede estar agrietada.

c) La médula; parte que ocupa el centro del fuste, se trata de madera blanda y esponjosa, de diferente color que el corazón; compuesto principalmente por tejido fundamental o parenquimático y se origina a partir del meristemo apical, encargada del crecimiento vertical del tronco, en algunas especies desaparece el parénquima dejando una “médula hueca” en el centro del tallo. La médula actúa como espina dorsal del árbol, desde aquí parten filamentos hacia diferentes partes del tronco; la médula a veces es gigante, como del saúco, y otras veces es casi imperceptible, como en el roble.

C. Anillos de crecimiento.- resultado de la actividad del cambio vascular o cambium, produciendo en algunas especies leño temprano para la madera de más rápido crecimiento en una estación de crecimiento y leño tardío para la madera de crecimiento más lento al final de la estación o una combinación de ambos.

¿Se puede conocer la edad de un árbol, si pudiéramos contar sus anillos de crecimiento?

Anillos de crecimiento anuales zonas boreales y templadasAnillos de crecimiento estacionales zonas tropicales



ESTRUCTURA MICROSCÓPICA

El conocimiento de la estructura anatómica es un excelente predictor de las propiedades físicas y mecánicas de la madera sólida y compuestos basados en madera.

La estructura anatómica de la madera debe ser observada con la ayuda de microscopios

ELEMENTOS LONGITUDINALES


http://icarito.latercera.cl/enc_virtual/e_tecologica/materiales/info_tronco.htm

http://mx.geocities.com/luisconnors21/corteza.htm


Prosenquimatosos Vasos: Elementos vascularesTraqueidas vascularesTraqueidas vasicéntricasFibrotraqueidasFibras libriformes

Parenquimatosos Parénquima de células fusiformesParénquima de células septadasCélulas epiteliales secretoras que rodean los canales

ELEMENTOS TRANSVERSALES

Prosenquimatosos No existen

Parenquimatosos Células de parénquima radial procumbentes: radios homogéneosProcumbentes y erectas: radios heterogéneos

ELEMENTOS LONGITUDINALES

PROSENQUIMATOSOS:

Vasos: elementos vasculares.- la presencia de vasos es un indicador que pertenece a las frondosas, son auténticos tubos de conducción de agua y savia que se extienden en el sentido longitudinal del árbol. En los extremos se desarrollan las perforaciones longitudinales que pueden ser de diferentes tipos.

Traqueidas vasculares.- elementos vasculares imperfectos o degenerados, tienen toda la apariencia de un vaso, se diferencia por no tener sus extremos perforados y por la presencia de punteaduras areoladas.

Traqueidas vasicéntricas.- son células no perforadas con punteaduras rebordeadas; su morfología es diferente de las traqueidas vasculares.

Fibrotraqueidas.- se presentan ya con las características comunes a fibras y traqueidas, son células muy alargadas, de paredes gruesas y pequeño diámetro.



Fibras libriformes.- conjuntamente con las fibrotraqueidas constituyen el tejido fibroso de la madera; constituyen por excelencia los elementos de sostén.

PARENQUIMATOSOS:

Parénquima.- se entiende por parénquima leñoso el conjunto de células parenquimatosas que se encuentran presentes en la madera. Forman tejidos de almacenamiento y conducción.

Parénquima de células fusiformes.- son muy escasas y siempre con tendencia esporádica

Parénquima de células septadas.- o parénquima en cadena o leñoso, formado por células fusiformes. En la sección transversal se distinguen los siguientes tipos:

ELEMENTOS TRANSVERSALES

PROSENQUIMATOSOS: No existen

PARENQUIMATOSOS:

Radios leñosos.- son tejidos que se extienden transversalmente al eje del árbol; se originan a partir de las células iniciales radiales del cambium. Son estructuras típicas del crecimiento secundario.

Por la dirección radial que siguen, se van separando cada vez más unos de otros; cuando la distancia entre dos de ellos es muy grande, aparece otro intermedio, conservándose la distancia interracial aproximadamente constante.Los radios leñosos según Krib se clasifican en: Homogéneos y Heterogéneos

Xilema.- Es un tejido compuesto, formado por varios tipos de células diferentes:

> Parénquima.- tejido compuesto por pequeñas células, de pared muy delgada y que tienen la función de transporte y almacenamiento de sustancias orgánicas (almidones, azúcares, gomas y resinas), se encuentran formando agrupaciones que pueden ser parte del sistema axial (parénquima axial) o del sistema radial (parénquima radial):

Parénquima axial: se dispone acompañando a los elementos verticales como las fibras y vasos, si se encuentran en contacto con los vasos se denomina parénquima paratraqueal, caso contrario es apotraqueal. Visto en la sección transversal es una característica más utilizada para identificación de maderas y de mayor valor taxonómico.

Parénquima radial.- formando los radios de la madera, pueden ser uniseriados o multiseriados, de varias hileras de espesor; se observan tanto en corte transversal como longitudinal; exclusivamente con puntuaciones simples, pueden presentar

cristales de carbonato de calcio en su interior.

> Fibras o Traqueidas.-



Las principales células verticales en árboles de maderas suaves son las traqueidas y fibras en árboles de maderas duras. Su principal función es de mover el agua de las raíces a las hojas para la fotosíntesis. Son células fusiformes de sostén muy similares a una pajilla, presentan paredes gruesas y lumen o cavidad celular, sus extremos son imperforados y presentan en sus caras radiales diminutas punteaduras las cuales si son aeroladas se les llama fibrotraqueidas y si son simples fibras libriformes; son las células más abundantes en el xilema y tienen por función brindar resistencia mecánica al tejido vascular. A mayor cantidad de estas células, mayor es la dureza de la madera.

Estructura de una fibra:

A. Pared celular.- formado por capas superpuestas de microfibrillas de celulosa embebidas en una matriz formada de hemicelulosa y lignina.

√ Pared primaria (PP), pared externa formada por una capa muy delgada, cuyas microfibrillas se encuentran distribuidas sin ningún orden específico, tiene más hemicelulosa, pero menos sustancias pépticas y lignina, se parece a la lámina media. Desde el momento en que aparece la celulosa., se convierte en una capa anisotrópica, no tiene grosor



uniforme sino que hay zonas (campos de punteaduras) donde no se produce tanta deposición de la pared primaria, es decir tiene menor grosor.

√ Pared secundaria (PS), formado por la deposición de 3 capas sucesivas las cuales se diferencian entre si por su espesor y la distribución de las microfibrillas de celulosa, la celulosa y la hemicelulosa aumentan en proporción respecto a la pared primaria, mientras que la lignina disminuye y ya no hay sustancias pépticas.

PS1, delgada como la PP, pero presentan una distribución especial, ya que las microfibrillas se encuentran en un ángulo casi perpendicular (70° - 90°) al eje longitudinal de la célula.

PS2, es la mas gruesa y se localiza por debajo de la PS1, y se considera que todas las propiedades que exhibe la madera se deben a esta capa; las microfibrillas se encuentran en una dirección casi paralela al eje longitudinal de la célula (ángulo con el eje de la célula 30°).

PS3, capa interna, que esta tapizando la superficie interna de la célula, similar a la PS1 tanto en espesor como en la dirección de las microfibrillas de celulosa, ángulo formado de 70° - 80°.

√ Pared terciaria.- sólo existe en algunos casos, y es como unos engrosamientos de la pared, de manera puntual, característica de la especie.

Formación de la pared celular:

1° Las vacuolas se rellenan de hemicelulosa y sustancias pépticas.2° Sobre las vacuolas (gel) comienza a depositarse celulosa.3° Depósito de lignina, cuando esta se deposita en la matriz desplazando a las

hemicelulosas y sustancias pépticas, después se deposita sobre los sucesivos depósitos de celulosa.

4° Por último es la duraminización (formación total de la célula leñosa) a lo largo de periodos de años. Algunas veces se forma un último depósito en el lumen que es la pared terciaria.

B. Lumen.- espacio vacío donde se encuentra el agua libre o capilar



> Vasos.- característico de las angiospermas, conocido como “segmento vascular”, formas mas o menos cilíndrica, su longitud varia según la especie, pero en general son relativamente cortos y anchos, con los extremos perforados parcial o totalmente “platinas de perforación” y paredes longitudinales perforadas por pequeñas punteaduras aeroladas o rebordeadas, se unen por sus extremos en número indeterminado. Tienen por función la conducción de agua y nutrientes cuando están activos en la albura. Se pueden observar a simple vista como pequeños huequecillos y se les conoce como “poro” (en la sección transversal).

Los elementos vasculares se verán diferenciados dependiendo del tipo de árbol como puede ser:

1. GIMNOSPERMAS

El tejido leñoso en la parte microscópica está constituido principalmente por traqueidas, elementos imperforados con puntuaciones areoladas. En un anillo de crecimiento se distingue el leño temprano formado por traqueidas, son de mayor diámetro y el leño tardío caracterizado por la presencia de fibrotraqueidas, de paredes gruesas, lumen reducido y puntuaciones areoladas con abertura interna alargada. Las traqueidas y fibrotraqueidas miden entre 0,1 a 11 mm de longitud.

Los radios medulares son típicamente uniseriados, es decir formados por una sola hilera de células. Pueden estar formados sólo por células parenquimáticas, como en los radios homocelulares, o también por traqueidas cortas, dispuestas en forma horizontal, como en los radios heterocelulares. El área de contacto entre un radio y las traqueidas del sistema vertical se denomina campo de cruzamiento; en tipo de puntuaciones, su número y distribución son caracteres importantes para la identificación de las maderas de Gimnospermas. Cuando presentan un canal resinífero los radios se denominan fusiformes.

Canales resiníferos: se encuentran tanto en el sistema horizontal como vertical. Se forman de modo esquizógeno, es decir por separación de células. En las especies de Pino son grandes y se encuentran tapizados por células epiteliales de paredes delgadas.

2. ANGIOSPERMAS


http://fai.unne.edu.ar/biologia/planta/#epitelio

http://fai.unne.edu.ar/biologia/planta/#esquiz%C3%B3geno


El xilema secundario de las Angiospermas es más complejo que el de las Gimnospermas, razón por la cual se los describe como heteroxilo. En los árboles de origen tropical no se diferencian anillos de crecimiento, mientras que sí aparecen en los de zonas templadas. Los anillos de crecimiento son el resultado de la actividad cambial, demostrando las influencias del medio ambiente sobre la vida del árbol.

Anatómicamente las diferencias resultan de la ordenación de los elementos de vasos, fibras y parénquima axial en un corte transversal.

El elemento conductor de las Dicotiledóneas son los miembros de vasos; en corte transversal se denominan "poros"; en las paredes laterales, los miembros de vaso poseen puntuaciones areoladas, en algunas maderas, estas puntuaciones presentan la abertura interna adornada, denominándose puntuaciones ornadas.

La disposición de los poros en corte transversal se denomina porosidad. Si los vasos son de tamaño uniforme y se distribuyen más o menos homogéneamente a través del leño se dice que la porosidad es difusa, Ej.: Populus alba, Eucalyptus y Olea europaea. Si los vasos son de diferentes tamaños, y los formados en el leño temprano son notablemente mayores que los del final del anillo de crecimiento, la porosidad se conoce como circular o anular, Ej.: Quercus. Los casos intermedios se denominan porosidad semianular. El arreglo de los vasos puede verse en corte transversal, variando en bandas tangenciales, cuando los vasos están ordenados perpendiculares a los radios, las bandas pueden ser rectas u onduladas; en un diseño radial o diagonal, o en un diseño dendrítico cuando su organización presenta un diseño con ramificaciones. Otro carácter es la agrupación de los vasos: pueden estar exclusivamente solitarios, en agrupaciones: múltiples, o en filas radiales de 4 o más elementos.

Las paredes terminales de los miembros de vasos presentan placas de perforación, cuando es un solo orificio se denomina placas de perforación simple, es escaliforme cuando tiene varias aberturas alargadas, separadas por barras delgadas; otras formas son foraminada (con orificios circulares), reticulada (los restos de pared forman una red), etc.

ESTRUCTURA SUBMICROSCÓPICA O ULTRAMICROSCÓPICA

En una sección transversal de madera al microscopio, se distinguen unas células con pared gruesa sin lumen, y otras con pared delgada y con lumen (células de madera de otoño y células de madera de primavera). A más de 2000 aumentos, ya podemos distinguir la lámina media, la pared secundaria; dentro de la pared secundaria se pueden ver una serie de filamentos enrollados helicoidalmente, que están entrelazados con cierto orden; estos filamentos son las microfibrillas leñosas, que están formadas por microfibrillas, estas a su vez por fibrillas elementales y estas formadas por cadenas de celulosa.

Fibrilla Elemental (f.e).- la unión de las cadenas de celulosa da lugar a la fibrilla elemental, una f.e está integrada por 40 – 100 cadenas de celulosa; las uniones de estas cadenas son secundarias, es decir, son fuerzas de Van der Waals, que requieren mucha menor energía para romperlas que los puentes de H, distancia entre fibrillas menor a 3,2 * (no puede entrar el agua)


http://fai.unne.edu.ar/biologia/planta/#areoladas

http://fai.unne.edu.ar/biologia/planta/#heteroxilo


Microfibrillas.- unión de 20 fibrillas elementales, que son uniones secundaria (Van der Waals) y dentro de ellas si caben moléculas de agua en los espacios que quedan entre las fibrillas elementales.

Fibra Leñosa.- unión de 250 microfibrillas, estos filamentos se presentan en la pared secundaria enrollados helicoidalmente.

Para terminar de comprender la estructura de la madera, es necesario conocer la composición química de la madera, la cual es variable según la especie, pero en general aparecen:

Composición Química de la Madera:

COMPOSICION QUIMICA DE LA MADERA

SUSTANCIAS ORGANICAS

NO ESTRUCTURALESESTRUCTURALES

SUSTANCIAS INORGANICAS

HEMICELULOSA

CELULOSA

LIGNINA

SUSTANCIAS EXTRAIBLES

Hidrocarburos alifáticos y aromáticos, alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas, ceras, glicéridos, y compuestos nitrogenados.

IONES METÁLICOS

COMPUESTOS SUSTANCIAS CONFIERAS FRONDOSAS

Primarios:

90 - 97 %

Lignina 28 - 41 % 18 - 25 %

Holocelulosa Hemicelulosa 15 - 35 % 23 - 26 %

Celulosa 40 - 60 % 50 - 50 %

Secundarios:

3 - 10 %

Sustancias Orgánicas:

Extractivos, grasas, resinas, aceites, ceras, alcaloides, almidón, azúcares, taninos, pigmentos.Sustancias Minerales:

Cenizas, sílice, oxalato de calcio, etc.



Composición elemental:

C 50% H 6% O 44% N 0,1 - 0,2% Cenizas 0,2 - 0,7%

Celulosa.- es la base de la estructura de la pared celular, es un polímero (polisacárido) tridimensional, formado por un monómero que se repite, la celobiasa (C6H10O5), forman fibras resistentes a la tracción es un producto incoloro e insípido, a su presencia se debe el comportamiento higroscópico. Las cadenas de celulosa son muy largas, de 1 a 5 micrómetros que equivalen a 7000 – 13000 monómeros de celobiasa. La celulosa tiene una parte cristalina y otra amorfa.

- Cristalina: moléculas ordenadas en el espacio, unidas por puentes de H, con propiedades cristalinas, su longitud es de unos 600 ángstrom.

- Amorfa: son moléculas sin orden, mas cortas que las cristalinas (150 ángstrom), no se unen con puentes de H.

Hemicelulosa.- polímero ramificado de la glucosa que se degrada con facilidad por álcalis

Lignina.- polímero de origen fenólico insoluble en agua

Otras Sustancias.- producen coloración y características de imputrescibilidad (que no

se pudre fácilmente)

CARACTERÍSTICAS ORGANOLEPTICAS

Son aquellas que pueden percibirse con la vista, olfato, tacto y el gusto y tienen gran importancia en la diferenciación de cierto grupo de especies forestales.

1. COLOR: Se considera el color del tronco recién cortado y cuando la madera esta en condición seca. Con la ayuda de la tabla de Munsell de colores para suelos, se describe el color diferenciado correspondiente a la capa externa o albura de la capa interna o duramen (generalmente es de color mas oscuro que la albura, denominado también corazón de la madera).

2. OLOR: En la identificación de ciertas maderas es característica útil perceptible por el olfato. Es producido por efluvios de ciertas sustancias químicas, tales como resinas, aceites y gomas, que se encuentran infiltradas en la madera, las cuales al volatilizarse emanan olores característicos. Cuando la madera esta en condición seca se determina los olores humedeciéndola, porque generalmente los árboles recién talados presentan olores característicos muy similares, los cuales se van volatilizando con el tiempo, se califica como distintivo y no distintivo, olores a veces fragantes, otros desagradables.

3. SABOR: Es la característica que produce el sentido del gusto de algunas sustancias contenidas en las células de la madera. En ciertas especies ayuda el reconocimiento las sustancias químicas que posee, puede ser distintivo y no distintivo.

Debe emplearse con cuidado pues algunos árboles contienen sustancias toxicas que pueden ocasionar alergias a las personas.



4. LUSTRE O BRILLO: Se refiere al mayor o menor brillo de la superficie de la madera y esta relacionado con la presencia de ceras, gomas en los vasos y en el parénquima; la sección radial es la mas lustrosa de todas las superficies, ya que el parénquima de los radios, por tener una pared tan delgada, refleja en una forma muy directa la luz que incide sobre ellos. Se califica bajo, medio o moderado a elevado o intenso.

5. GRANO: Característica que se observa en la sección radial o tangencial, producida por la disposición que toman los elementos axiales de la madera (vasos, fibras, traqueidas, parénquima, etc.), con respecto al eje longitudinal del tronco, en conjunto forman el sistema axial del xilema, para diferenciarlo del sistema radial formado por el parénquima radial o radios que tienen una dirección de la médula hacia la corteza... Es importante para la trabajabilidad de la madera, así como en el comportamiento físico y mecánico de la madera. Puede ser recto, entrecruzado, oblicuo y ondulado, influyen en la textura.

6. TEXTURA: Característica relacionado con la distribución, proporción y tamaño relativo de los elementos leñosos (poros, parénquima y fibras), que permiten la conducción de líquidos de la raíz hacia las zonas fotosintéticas de la planta; tienen importancia en el acabado de la madera. Debe ser observada con la ayuda de una lupa de 10 aumentos en la sección transversal, generalmente puede sentirse al tacto en las secciones longitudinales, pudiendo ser de tres tipos: gruesa, media y fina.

7. VETEADO: Característica que se produce por la figura o el diseño de la beta que se origina en la superficie longitudinal pulida, debido a la disposición de los elementos constituyentes especialmente los vasos, radios leñosos, parénquima y los anillos de crecimiento, así como también por el tamaño y la abundancia de ellos.

8. DUREZA: relacionado con el Peso específico (PE) de la madera, el (PE) se refiere a la “cantidad” de pared celular presente en un determinado volumen de material. Se determina por su resistencia a la penetración de otros objetos, se puede encontrar maderas desde muy duras hasta muy blandas o suaves.

Duros y pesados (almendro)Suaves y livianas (palo balsa)


http://icarito.latercera.cl/enc_virtual/e_tecologica/materiales/info_madera.htm


El peso específico básico se expresa como el peso de la madera al 0% de humedad entre su volumen en condición saturada.

A mayor (PE), mayor cantidad de pared celular y el material es más dura y pesada.

UNIDAD II

PROPIEDADES DE LA MADERA

A medida que la tecnología avanza, más diversos y sofisticados es el uso integral que el hombre encuentra para la madera.

El conocimiento profundo de las características de cualquier material es indispensable para su correcta utilización; en este caso, la obtención de información básica resulta complicada porque la madera es producto del metabolismo de un organismo viviente y sus propiedades están sujetas a una amplia variación motivada por los factores externos que afectan el crecimiento del árbol.

Es importante comprender que la madera no es un material estándar, fabricado por el hombre, manufacturado bajo especificaciones exactas y en forma relativa, fácilmente reproducibles, sino una sustancia cuya naturaleza básica está muy lejos del control humano; la madera es una sustancia de gran complejidad debido a su intrincada composición química y anatómica, esta a su vez es responsable de la compleja naturaleza de sus propiedades físicas.

CARACTERÍSTICAS COMUNES A TODAS LAS MADERAS

Todas las maderas poseen ciertas características comunes, debido a las siguientes razones:

1. Todos los tallos de los árboles tienen una orientación predominante vertical y simetría radial.

2. La madera, independientemente de su procedencia, posee una estructura celular y la composición química de las paredes celulares es notablemente similar, ya que sus principales componentes son celulosa, carbohidratos no celulósicos (hemicelulosa, holocelulosa, etc.) y lignina.

3. La madera es de naturaleza anisotrópica, es decir, presenta diferentes propiedades físicas cuando es ensayada en la dirección de sus tres ejes principales.

4. La madera es una substancia higroscópica, es decir, pierde y gana humedad como resultado de los cambios atmosféricos de temperatura y humedad; las variaciones de humedad producen cambios dimensionales que no son iguales en las direcciones de sus tres ejes.

5. Polaridad, la madera tiene carácter polar y por tanto tiene afinidad con los productos polares, como puede ser el agua, los pegamentos de carácter polar, los barnices, etc.

6. La madera es susceptible al ataque de hongos, ciertos microorganismos e insectos xilófagos.

7. La madera es combustible, especialmente cuando esta seca.

CARACTERÍSTICAS QUE DISTINGUEN UNAS MADERAS DE OTRAS

Se sabe que las maderas de diferentes especies pueden variar ampliamente en su estructura y también en sus propiedades físicas, mecánicas, químicas y otras.



Las más evidentes son las diferencias en aspecto, es decir, las variaciones en color, textura y figura; estas tienen su origen en los patrones celulares producidos por las diferentes combinaciones en tipos, tamaños, disposición y orientación de las células, y en los diversos tipos de substancias extrañas localizadas en el duramen.

También existen variaciones significativas con respecto al peso, dureza, resistencia, en los cambios dimensionales, durabilidad, penetrabilidad, propiedades aislantes, trabajabilidad, características de acabado y encolado, capacidad para retener las uniones, y reacción a los productos químicos. Estas diferencias pueden tener su origen en la estructura anatómica de la madera, en su densidad y muy frecuente en el tipo y cantidad de materiales extraños en la célula.

La existencia de casi infinitas variaciones y combinaciones de propiedades entre las diferentes especies ofrece una singular oportunidad para comparar las exigencias de un uso en particular con las propiedades de las maderas, a fin de seleccionar la especie adecuada mediante la mejor combinación de características.

GRADO DE VARIABILIDAD DENTRO DE UNA ESPECIE

Es muy importante conocer el grado de variabilidad que puede existir en la madera de una misma especie; frecuentemente se olvida que la variabilidad en las propiedades de la madera de una misma especie puede ser de mayor significación que las diferencias existentes en las características de la madera de diferentes especies.

La variabilidad en las características de la madera de una misma especie puede ocurrir de un árbol a otro, en la madera de diferentes partes dentro de un mismo árbol y aún dentro de una misma pieza de madera. Estas variaciones en las propiedades de la madera son en gran parte el resultado de los patrones de crecimiento de los árboles, así como también de las influencias ambientales que afectan ese crecimiento, tales como el clima, suelo, humedad y competencia; es indudable que los factores genéticos, mayoritariamente desconocidos, también juegan papel importante.

Entre los factores indicativos de la variabilidad en las características de la madera, la apariencia, velocidad de crecimiento, densidad y orientación del grano, son los más fácilmente reconocibles.

Por otra parte, las diferencias en las propiedades mecánicas, estabilidad dimensional o la durabilidad, pueden obedecer a razones menos evidentes, tales como tipos y organización de las células dentro de los anillos de crecimiento, composición y cantidades de extractivos, orientación de las microfibrillas en las paredes celulares o el espesor y la estructura de la pared secundaria.

La variabilidad puede crear problemas significativos en la utilización de cualquier madera. Sin embargo también debe tenerse presente que esta puede servir para ampliar la escala dentro de la cual se pueden utilizar las especies, siempre y cuando la amplitud y el efecto de las desviaciones de la norma sean tomados en consideración y se den los pasos necesarios para seleccionar el material adecuado.

La clasificación de la madera es uno de los medios de contrarrestar los efectos de la variabilidad en la madera de una misma especie, pero también puede lograrse una considerable compensación de las propiedades mediante tratamiento y diseño de los artículos manufacturados.



Para lograr los máximos resultados de una producción maderera selectivamente controlada, es imprescindible tener un conocimiento profundo de la naturaleza biológica de la madera y de los requisitos específicos de mayor demanda industrial.

El aprovechamiento de una especie maderera como materia prima de cualquier proceso industrial, depende entre otros factores de las propiedades físicas de la madera.

PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MADERA

El comportamiento físico de la madera está constituido por una serie de propiedades, las cuales en conjunto pueden definirse como propiedades físicas de la madera.

Las propiedades físicas de la madera son el conjunto de propiedades que caracterizan el comportamiento físico de la misma.

Todas las propiedades físicas de la madera dependen de los factores que determinan su organización estructura, estos son:

1. Cantidad de sustancia de la pared celular presente en una muestra cualquiera (se mide por medio del peso específico o densidad).

2. Cantidad de agua presente en la pared celular (afecta profundamente el comportamiento físico de la madera).

3. Proporción de los componentes primarios en la pared celular y la cantidad y naturaleza de las sustancias extrañas (responsable de las propiedades especiales de algunas maderas).

4. Arreglo y orientación de los materiales en los diferentes tejidos.

5. Tipo, tamaño, proporción y arreglo de las células que forman el tejido maderable.

Estos dos últimos factores son causas de las grandes diferencias encontradas en las respuestas físicas de la madera con respecto a la dirección del grano.

Las propiedades físicas incluyen la humedad y su efecto sobre el comportamiento de la madera y los cambios dimensionales de la madera.

Además de una de las más importantes propiedades físicas de la madera, tal como la densidad.

Como la madera es un material poroso y heterogéneo en su estructura y que presenta un comportamiento anisotrópico e higroscópico, sus propiedades físicas son también variables.

El conocimiento de las propiedades físicas básicas de la madera tales como contenido de humedad, densidad y cambios dimensionales, permite procesarla bien y mejor utilizar la madera como material.

Situación del Agua en la Madera

El agua en la madera, puede estar presente de dos formas diferentes:



A. Agua libre o capilar o de condensación capilar.- Se encuentra en forma líquida y gaseosa, en los lúmenes de las células (vasos, traqueidas etc.) y en los espacios vacíos de la pared celular; la cantidad de agua libre que la madera puede retener es limitado por el espacio fraccional de espacios o porosidad de la madera; es absorbida por capilaridad. No hay uniones hidrógeno y por lo tanto el agua libre solo es retenido por débiles fuerzas capilares y no pueden causar hinchamiento o contracción o cambios en la mayoría de otras propiedades porque la pared celular ya esta saturada por la mayor tensión del agua higroscópica unida.

Condensación capilar.- Agua retenida por fuerzas capilares provocado por los espacios entre microfibrillas.

El agua libre, una vez perdida por la madera, ya no puede ser recuperada a partir de la humedad atmosférica: para recuperarla, habrá de ser por inmersión directa en el agua; el agua libre no tiene más repercusión que la ocupación física de los huecos, y por consiguiente no influye en la hinchazón o merma de la madera ni en las propiedades mecánicas. Las dos últimas, agua de impregnación y agua libre son las que constituyen la humedad de la madera que es la cantidad de agua que contiene la madera expresada en % de su peso en estado anhidro o húmedo.

Como la madera es un material higroscópico, absorbe o desprende humedad, según el medio ambiente que lo rodea; cuando se expone la madera al medio ambiente, empieza a perder agua, iniciándose el proceso de secado, primero se pierde el agua libre y después el agua higroscópica, el agua de constitución no se pierde sino por combustión de la madera.

El agua libre desaparece totalmente al cabo de un cierto tiempo, quedando, además del agua de constitución, el agua de saturación correspondiente a la humedad de la atmósfera que rodee a la madera, hasta conseguir un equilibrio, diciéndose que la madera esta secada al aire.

B. Agua ligada o higroscópica o adsorbida o fijada o de saturación o de impregnación.- Es el agua que esta impregnada en la pared celular, se encuentran rellenando los espacios submicroscópicos y microscópicos, son componentes de la sustancia de la pared celular y se cree que esta unido a los grupos oxidrilos (hidroxilos) principalmente de la celulosa y hemicelulosa, y también en una menor extensión en los grupos hidroxilos de la lignina. El contenido de humedad del agua higroscópica esta limitado por el número de sitios de absorción disponibles y por el



número de moléculas de agua que puede ser retenido en un sitio de sorción. Cuando alguna agua higroscópica esta presente, existe un equilibrio entre el contenido de humedad de la madera y la humedad relativa del aire circundante y es causa de la contracción de la madera cuando pierde esta agua (desorción) o de su expansión o hinchamiento cuando la recupera (absorción).

Sorción.- Es el agua que más fuertemente queda retenido por la pared celular.

Absorción.- Agua que queda retenida en la pared celular, como consecuencia de la fuerza de adhesión superficial.Al disminuir el agua higroscópica se modifica sus propiedades físico – mecánicas, ya que los tejidos leñosos de la madera disminuyen de volumen y al mismo tiempo, su dureza y resistencias mecánicas aumentan.

C. Agua de constitución o agua combinada.- Es aquella que entra a formar parte de los compuestos químicos que constituyen la madera, forma parte integrante de la materia leñosa (de su propia estructura), y no se puede eliminar si no es destruyendo al propio material (por ejemplo, quemándola).

El primer tipo de agua que elimina la madera es el agua libre ; esta pérdida se hace prácticamente sin variación de las características físicas - mecánicas (varia su densidad aparente.); desaparecida el agua libre, queda el agua de impregnación de la pared celular (satura las fibras de la madera) y que al disminuir por medio de la evaporación o secado modifica las propiedades físico - mecánicas (su dureza y la mayoría de las resistencias mecánicas aumentan) y el volumen de la pieza de madera disminuye como consecuencia de la disminución de volumen de las paredes de cada una de sus células.

El agua y los líquidos polares (soluciones acuosas) se unen a las sustancias de la pared celular por medio de enlaces de hidrógeno; la formación de estos enlaces libera energía, la cual puede ser medida y se conoce con el nombre de calor de adsorción para madera seca. En forma inversa, cuando se tiene madera húmeda debe suministrarse energía para remover o eliminar el agua presente. Las fuerzas de atracción entre la madera seca y el agua son tan grandes que resulta imposible su unión y en consecuencia la madera es una sustancia higroscópica

En función de la cantidad de agua que contenga la madera pueden presentarse tres estados:

Madera verde.- cuando a perdido parte del agua libre. Madera seca.- cuando ha perdido la totalidad del agua libre y parte del agua

higroscópica. Madera anhidra.- cuando ha perdido toda el agua libre y toda el agua

higroscópica.



La madera contiene más agua en verano que en invierno.

Expuesta al aire pierde agua y acaba estabilizándose a una humedad que depende de las condiciones del ambiente: temperatura y humedad.

Si estas condiciones varían, también variará su contenido de humedad; la humedad de la madera tiende a estar en equilibrio con el estado del aire ambiente.

Este equilibrio no es el mismo si la madera está secándose, que si está absorbiendo agua.RELACIONES AGUA - MADERA

Es la propiedad más importante, pues influye sobre todas las demás, propiedades físicas, mecánicas, mayor o menor aptitud para su elaboración, estabilidad dimensional y resistencia al ataque de seres vivos.

El agua es el vehículo de transporte que utilizan las plantas para su alimento, esto, unido a la higroscopicidad de la madera, hace que esta tenga normalmente en su interior cierta cantidad de agua, que es necesario conocer antes de su uso, debido a las modificaciones que produce en las características físicas y mecánicas.

HUMEDAD EN LA MADERA

Cantidad de agua que posee una madera expresada en función de su peso totalmente seco, referida en un por ciento.

La humedad de la madera varía entre límites muy amplios; en la madera recién cortada oscila entre el 50 y 60 por ciento, y por imbibición puede llegar hasta el 250 y 300 por ciento.

La madera secada al aire contiene del 10 al 15 por ciento de su peso de agua, y como las distintas mediciones físicas están afectadas por el tanto por ciento de humedad, se ha convenido en referir los diversos ensayos a una humedad media internacional de 15 por ciento.

Cuando el árbol es volteado, su madera conserva una cierta cantidad de agua que se localiza tanto en los lúmenes celulares como en la pared celular y en otros espacios que pueden presentarse en la madera.

La cantidad de agua existente en la madera puede variar mucho según la especie (pino o eucalipto), el tipo de madera (albura o duramen) y la edad de la madera (madera juvenil o madera adulta).

Contenido de Humedad

La madera es una sustancia higroscópica, es decir, tiene afinidad por el agua en forma líquida y gaseosa, esta propiedad es dependiente de la temperatura y la humedad de la atmósfera circundante.

En consecuencia el contenido de humedad de la madera variará con los cambios de las condiciones atmosféricas que la rodean.



Estas variaciones de humedad hacen que la madera se hinche o contraiga, variando su volumen, y por consiguiente su peso específico y densidad.

El contenido de agua o contenido de humedad puede definirse como la masa de agua contenida en una pieza de madera expresada como porcentaje de la masa de la pieza en estado anhidro

El contenido de humedad de la madera, es la cantidad de agua o humedad presente en la madera, se expresa como porcentaje en función de la masa seca al horno o anhidra de la madera.

También se define como el porcentaje en peso, que tiene el agua libre más el agua higroscópica con respecto al peso de la madera anhidra.Se toma como base el peso seco al horno o peso anhidro porque el mismo es un índice de la cantidad de sustancia sólida presente.

El contenido de humedad se determina dividiendo el peso del agua presente en la madera o el peso de la masa verde entre el peso seco al horno o masa anhidra de la misma muestra y multiplicando por 100, se calcula con la expresión siguiente:

masa aguaM = ---------------------- x 100

masa anhidra

Donde:

masa de agua = masa inicial madera - masa madera anhidramasa anhidra = secar la muestra en un horno a 103° 2° C. El peso constante obtenido bajo esta condición es el peso seco al horno o peso anhidro.

Es decir:

m – m0

M = -------------- x 100 (Formula 1) m0

Donde:

M = contenido de humedad (%)m = masa inicial o verde de la madera (g)m0 = masa en estado anhidro de la madera (g)

A partir de esta formula se pueden calcular dos valores, el peso de la madera húmeda y el peso de la madera seca al horno, ya que la ecuación está formada sólo por tres elementos.

Cuando la madera contiene cantidades apreciables de extractivos, tales como resinas o creosota, las cuales son volatilizadas por el calentamiento, el método del secado al horno produce resultados falsos; en este caso se debe utilizar la extracción con solventes, en aparatos especiales conocidos simplemente como extractores.



La humedad no es constante en todo el espesor de la pieza, siendo menor en el interior y teniendo más humedad la albura que el duramen.

Existen dos valores del contenido de humedad que son particularmente importantes:

- Al primero de se denomina “Punto de Saturación fe las Fibras” (PSF) y es el contenido de humedad que tiene la madera cuando a perdido la totalidad del agua libre y comienza a perder el agua higroscópica.

- Al segundo se le llama “Contenido de humedad de Equilibrio” (ME), cuando la madera expuesta al medio ambiente, pierde parte del agua higroscópica hasta alcanzar un contenido de humedad en equilibrio con la humedad relativa del aire.

Métodos de Medición del Contenido de Humedad

A. Método gravimétrico.

Se corta una probeta de un largo de 3 a 4 cm. en la dirección de las fibras (Figura 1) y se pesa con una precisión de 0,001 gr.; en seguida, la probeta se seca en una estufa a una temperatura de 103± 2°C por 24 horas y se pesa nuevamente hasta hallar peso constante (m0). Finalmente se calcula el porcentaje del contenido de agua con la ecuación 1.

Para determinar la distribución de agua en el espesor de la madera (gradiente de humedad), se divide una probeta en tres secciones (Figura 2), dos superficiales y una central; a cada sección se aplica el procedimiento del método gravimétrico hasta determinar el peso constante.



Otros métodos más rápidos para determinar la humedad de la madera son los métodos eléctricos, empleando equipos diversos:

El xilohigrómetro eléctrico.- mide las propiedades eléctricas de la madera, tales como la resistencia eléctrica y la constante dieléctrica.

MMéétodos Eltodos Elééctricosctricos

La madera tiene una resistencia eléctrica que varia fuertemente con el contenido de humedad y en menor grado con la temperatura (Figura 3). Además depende de la especie.



En la práctica el medidor de humedad de resistencia funciona bien entre las humedades de contenidos de agua entre 8% y 25%, con una precisión del orden de ± 2. Existen en el mercado aparatos con escalas de 5% o 6% hasta 100% pero se debe tener mucho cuidado al interpretar los resultados fuera del rango de 8% a 25%, ya que se pueden indicar valores muy imprecisos.Influye también la temperatura; por lo tanto, antes de tomar una medición hay que esperar que la madera se haya enfriado a la temperatura ambiente, o utilizar los factores de corrección indicados por el fabricante del aparato.

También existen una gama de higrómetros que permite determinar la humedad de la madera por lecturas directas. Existen otros diversos métodos para medir humedad en la madera tales como radiación infrarroja, microondas o por destilación, pero ninguno de ellos es de importancia practica para la industria maderera.

Punto de Saturación de las Fibras (PSF)

Las moléculas de los líquidos polares se difunden dentro de los espacios de la pared celular, dislocaciones de las microfibrillas, regiones amorfas entre microfibrillas y espacios interlaminares; a medida que las moléculas de líquidos entran en la pared celular la estructura microfibrilar se expande lateralmente en proporción al tamaño y cantidad de las moléculas introducidas. A medida que continúa la expansión, la estructura de la pared celular resulta distorsionada, motivo por el cual se crea una fuerza de resistencia a la penetración de líquido. Finalmente, las fuerzas que atraen las moléculas de líquido se equilibran con la resistencia creada por la distorsión de la estructura de la pared celular; este punto de equilibrio se conoce como Punto de Saturación de las Fibras (PSF), que es el contenido de humedad en el cual las paredes celulares están completamente saturadas y los lúmenes completamente vacíos.



Esta condición está asociada con el volumen máximo de las paredes celulares y con los cambios producidos en el comportamiento físico de la madera.

De allí la primordial importancia que tiene el PSF; este punto no es igual para todas las maderas, debido a las variaciones en la composición química de ellas, pero generalmente varía entre 25% y 30% de contenido de humedad; para las maderas de bosques templados el promedio es de 28%.El punto de saturación de fibras (PSF) ha sido definido por (Tiemann – 1906) como el contenido en la cual las paredes celulares están saturadas con agua higroscópica sin agua libre en los lúmenes. (Stamm – 1964) ha interpretado como el contenido de humedad correspondiente con cambios abruptos en las propiedades físicas de la madera, tales como contracción, resistencia mecánica, conductividad eléctrica y calor del humedecimiento con los cambios en contenido de humedad.

Los valores obtenidos por Stamm para Picea sitchensis están entre 24% a 31%, la mayoría de ellos entre 27% y 31%; hay variación considerable entre especies, con valores extendidos desde el 21% para Thuja plicata al 24% para Sequoia sempervirens y 32% para Tilia americana. Feist y Tarkw 1967, reportaron después que el PSF tiende a incrementar cuando el peso específico de la madera decrece, posiblemente debido a la restricción mecánica en las paredes celulares delgadas.

Otros métodos de medición han resultado en valores significativamente más altos del PSF.

El PSF parece tener gran importancia, como esta relacionada a los cambios en sus propiedades; por lo que esta propuesta es redefinida como el contenido de humedad, la cual corresponde con cambios abruptos en las propiedades físicas de la madera. En este contexto, un promedio de 30% para el PSF para la mayoría de maderas que crecen en las zonas templadas.



La humedad de la madera depende, ahora, de las condiciones higrotérmicas del ambiente. A cada par de valores de temperatura y humedad relativa del aire corresponde, en la madera, una humedad comprendida entre el 0% y el 30% (PSF aproximadamente), que recibe el nombre de " Humedad de equilibrio higroscópico”.

Este (PSF) o más exactamente Punto de saturación de la pared celular, nos indica la máxima humedad que puede contener una madera sin que exista agua libre.

Una vez que haya descendido de este punto, la madera no volverá a tomar agua libre si no es por inmersión. Este PSF es de gran importancia, ya que supone una frontera a las variaciones dimensionales, variación de resistencias, etc.; su valor varía entre 25 a 35 % (30%), pudiendo sufrir pequeñas variaciones de unas especies a otras.

Cuando el contenido de humedad es menor que el PSF, la madera sufre cambios dimensionales, por consiguiente cambian sus propiedades mecánicas.

Las maderas con PSF bajo, tienen estabilizadas sus características mecánicas cuando son empleadas en atmósferas húmedas. Por el contrario si dichas maderas se emplean en atmósferas de humedad baja, se deformarán cuando varíe dicha humedad.

Las maderas de PSF altos son, en general, utilizadas en un medio con un % de humedad muy inferior a la que corresponde al PSF, excepto en el caso en que se encuentren sumergidas. Se moverán siempre bajo la influencia de las variaciones de humedad.

CLASE Punto Saturación

Bajo Inferior a 25%

Normal de 25 a 35%

Elevado Superior a 35%

Cuadro de Estado de la Madera Según el % de Humedad.

Condición % de Humedad Característica

Madera empapada Hasta 150 % Sumergida en aguaMadera verde Hasta 70 % Madera en pie o cortada

en monteMadera saturada 30 % Sin agua libre, coincide

con el PSF.Madera semi – seca Del 23 % al 30 % Madera aserradaMadera comercialmente seca

Del 18 % al 23 % Durante su estancia en el aire

Madera seca al aire Del 13 % al 18 % Al abrigo de la lluviaMadera desecada (muy seca)

Menos del 13 % Secado natural o en clima seco

Madera anhidra 0 % En estufa a 103° CEstado inestable

Humedad normal para ensayos.-



Las humedades de la madera para la realización de ensayos han sido el 12 y el 15% según países y normas. Actualmente tiende a usarse la humedad de equilibrio que se obtiene a una temperatura de 20° C. y con una humedad relativa del 65%, lo que nos da una humedad en la madera de aproximadamente del 12%.

Para las obras:

La guía de humedad que debe de tener la madera según la naturaleza de la obra:

Obras hidráulicas: 30% de humedad (contacto en agua) Túneles y galerías: de un 25% a un 30% de humedad (medios muy húmedos) Andamios, encofrados y cimbras: 18% al 25% de humedad (expuestos a la

humedad) En obras cubiertas abiertas: 16% a 20% de humedad. En obras cubiertas cerradas: 13% a 17% de humedad. En locales cerrados y calentados: 12% al 14% de humedad En locales con calefacción continua: 10% al 12% de humedad.

Contenido de Humedad en Equilibrio (ME)

La madera expuesta a condiciones atmosféricas constantes (Humedad y Temperatura) alcanzará con el tiempo una condición estable de humedad.

Cuando el intercambio de humedad que produce el medio ambiente cesa, se dice que la madera ha alcanzado un punto denominado humedad de equilibrio (ME).

Se denomina, entonces, humedad de equilibrio al porcentaje de agua que alcanza una madera sometida durante un lapso determinado a condiciones de temperatura y humedad en su medio ambiente

Este punto depende del clima en el que se encuentra la madera y así podemos decir, que a cada condición de Temperatura y Humedad Relativa ambiente, corresponde un estado de equilibrio higroscópico para la madera, independiente de la especie que se trate.En consecuencia el contenido de humedad de equilibrio varía con los cambios atmosféricos.

Los cambios climáticos del aire que se suceden continuamente, día y noche según las estaciones, hacen que la humedad de la madera también cambie, aunque en valores pequeños. Kollmann (1959) comprobó que la humedad de equilibrio es casi constante para todas las maderas, y elaboró un ábaco para determinar este valor. O sea, cuando la madera es sometida a un ambiente saturado de humedad (100% de humedad relativa del aire), la humedad de equilibrio es casi constante para todas las maderas,alcanzando un valor máximo de 30%.



En general un incremento en las fuerzas de compresión decrece el ME; en esta relación la estructura celular de la madera sólida ofrece restricciones tal como que el ME de la madera sólida esperado es más bajo que en la sección micrótomo (transversal delgado).

Maderas que son aparentemente iguales, generalmente no alcanzan el mismo contenido de humedad de equilibrio bajo idénticas condiciones atmosféricas, debido a las variaciones en los contenidos de extractivos o a condiciones previas de secado, las cuales pueden originar uniones permanentes de los grupos hidroxilos y en consecuencia de la capacidad de la madera para adsorber humedad.

El contenido de humedad de equilibrio de la madera expuesta al aire libre bajo cubierta oscila entre 12 % y 15 %.

A este contenido de humedad de más o menos 12% se conoce como el contenido de humedad seco al aire. Los cambios en el contenido de la madera, en respuesta a los cambios de temperatura y humedad del aire, son funciones del tiempo, con rápidas variaciones al principio y cambios muy lentos a medida que el contenido de humedad de la madera se acerca al punto de equilibrio; estas fluctuaciones pueden ser bastante significativas en la superficie de la madera, donde las perdidas y ganancias de humedad son rápidas. En el interior de las piezas los cambios en el contenido de humedad ocurren a una velocidad menor, debido al mayor tiempo necesario para que se produzca la difusión del agua a través de ellas.

Equilibrio Higroscópico.- Cuando la madera no pierde ni gana humedad; la madera expuesta a condiciones atmosférica constantes alcanzará con el tiempo una condición estable de humedad conocida como ME; este contenido de humedad depende de la temperatura del aire circundante, de la humedad relativa y de las condiciones de secado a las cuales haya sido sometida previamente la madera.; otros factores son:



tensiones mecánicas, las especies y peso específico de la madera, el contenido de extractivos, etc.

EQUILIBRIO HIGROSCOPICO

LugarT° media

Anual( °C)

H° RelativaMedia

anual (%)

EquilibrioHigroscópico

(% H°)Iquitos 26.7 80 16.8Pucallpa 27.6 75 15.5Tingo María 25.0 76 15.2Lima 19.0 75 15.0Trujillo 20.5 81 17.0Arequipa 16.4 55 10.6Cuzco 11.8 64 11.8Selva Central 21.6 75 14.6

EQUILIBRIO HIGROSCOPICO DE LA MADERA SEGUNCONDICIONES AMBIENTALES DEL LUGAR

H°R %

T E M P E R A T U R A D E L A I R E (°C)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90E Q U I L I B R I O H I G R O S C O P I CO D E

L A M A D E R A (%)5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

10 3 3 3 2 2 2 2 2 1 115 4 4 4 3 3 3 3 2 2 220 5 5 5 4 4 4 3 3 3 225 6 5 5 5 5 5 4 4 3 330 6 6 6 6 6 5 5 4 4 335 7 7 7 7 6 6 5 5 4 440 8 8 8 7 7 7 6 6 5 445 9 9 9 8 8 7 7 6 6 550 10 10 9 9 9 8 7 7 6 655 11 10 10 10 9 9 8 7 7 660 12 11 11 11 10 10 9 8 7 765 13 12 12 12 11 10 10 9 8 870 14 14 13 13 12 11 11 10 9 875 15 15 15 14 13 13 12 11 10 980 17 17 16 16 15 14 14 13 12 1185 19 19 18 18 17 16 15 14 13 1290 22 22 21 20 19 18 17 16 15 1495 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18

100 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24Histéresis de la Madera

Cuando la madera se seca en una atmósfera controlada en la cual se mantiene la temperatura constante y se hace disminuir la humedad relativa del aire, la madera alcanzará diferentes contenidos de humedad de equilibrio de acuerdo con la humedad relativa fijada y estos puntos podrán unirse formando una curva sigmoidea conocida como isoterma de desorción. Por el contrario, si después de secar la misma muestra de



madera elevamos la presión de vapor (humedad relativa) para tratar de obtener los mismos contenidos de humedad de equilibrio del proceso anterior, estos no se producirán y solo obtendremos otra serie de puntos que representan valores inferiores, los cuales también podrán unirse formando otra curva en forma de letra sigma, conocida como isoterma de sorción.

Este fenómeno desaparece para presiones de vapor muy bajas; para presiones de vapor muy altas las curvas se aproximan hasta llegar a coincidir en la saturación.

El espacio comprendido entre las isotermas de sorción se conoce con el nombre de hoja de histéresis o de sorción.

La relación entre el ME y la humedad relativa a una T° dada es llamada Isoterma de sorción, y con datos numéricos entre los puntos de congelación y ebullición.

El ME de madera nunca secada es más alto que el de la madera que ha sufrido un proceso de secado; por añadidura, el ME es más alto durante la desorción que durante la adsorción, con una razón aproximada de 0.8 entre los valores de adsorción y desorción a una humedad relativa dada.

Estos efectos pueden ser explicados (a) una hidratación incompleta de los sitios de sorción durante una secuencia ciclo de adsorción (b) el efecto de las fuerzas de compresión durante el hinchamiento. Incrementos en contenidos de extractivos usualmente decrece el ME a causa de su presencia en volumen de la pared celular en compañía de materiales relativamente de baja higroscopicidad. Una disminución del peso específico usualmente resulta en un incremento en el ME

PESO ESPECÍFICO Y DENSIDAD DE LA MADERA

Peso Específico o Gravedad Específica (G) (Aparente).-

Es la relación del peso de una sustancia entre el peso de un volumen igual de agua.



En el caso de la madera se toma como base el peso seco al horno o peso anhidro, porque este valor puede ser producido experimentalmente, y la relación se establece con el peso del volumen de agua desplazada a una determinada condición de humedad.

En consecuencia en la madera, es la relación que existe entre la masa seca al horno de una muestra de madera y el peso o masa del volumen de agua desplazada por el espécimen a un contenido de humedad dado.

La madera como un cuerpo poroso tendrá:

☺ Volumen real.- descontando los espacios interiores (espacios vacíos hasta los ultramicroscópicos)

☺ Volumen aparente.- no se descuentan los espacios vacíos interiores

El aumento de volumen con la humedad tiene un límite, no sucede así con la masa (peso) cuyo valor aumenta hasta alcanzar el M máx.

Desde que es una relación de masas dimensionales no tiene unidades.

mo

G = ----------- (Formula 2)V W

Donde: G = peso específico o gravedad específicamo = masa seca o masa anhidra (g)V = volumen húmedo (cm3) W = densidad normal del agua (1g/ cm3)

En esta ecuación siempre se utiliza la masa anhidra como numerador; el denominador, el cual depende del volumen de madera, varía con el contenido de humedad de la muestra ensayada, debido a los cambios dimensionales que ocurren por debajo del PSF; por eso es necesario especificar el M al cual fue determinado el volumen, cuando se da un valor de G.

De la ecuación (2), a medida que el volumen se hace menor, por la disminución del M, el denominador de la relación se hace menor y por consiguiente el valor de la G se hará correspondientemente mayor; en caso contrario cuando hay un incremento en el contenido de humedad del agua higroscópica, la madera se hinchara causando una disminución en el peso específico; en el PSF el peso específico (G) tiene un valor mínimo GPSF, el cual se mantiene constante a un alto contenido de humedad (M).

El peso específico de la madera basada en el peso del volumen verde se conoce como peso específico básico o gravedad especifica básica y es uno de los valores más útiles y más comunes utilizados para la comparación de propiedades de las maderas de diferentes especies.

El Peso o Gravedad Específico Básico.- considera la masa anhidra y volumen de la madera saturada con agua, lo que se expresa como:

mo

G = ----------- V W

Donde:



G = peso o gravedad específico básico m0 = masa madera anhidra (g)V = volumen madera saturada de agua (cm3) W = densidad normal del agua (1g/ cm3)

La G de la madera, debido a su forma de cálculo, mantiene una relación directa con el M; de tal manera que el valor máximo se obtendrá en la condición seca al horno y el mínimo cuando la madera esta completamente saturada de agua higroscópica, a partir de este punto, se hace constante.

mo

Peso o Gravedad Específico Anhidro G o = --------- Vo W

mo

Peso o Gravedad Específico en Equilibrio G 12% = ------------- V12% W

mo

Peso o Gravedad Específico en PSF G PSF = ------------ VPSF W

mo

Peso o Gravedad Específico PSF G PSF = --------------- V PSF W

En términos generales, la Gravedad o Peso Específico de la madera depende de tres factores:

a.- Del tamaño de las célulasb.- Del espesor de las paredes celularesc.- De la interrelación entre el número de células de diferentes tipos en términos de a y b.

Clases:

Madera liviana G 0,36Madera moderadamente liviana o moderadamente pesada G 0,36 - 0,50Madera pesada G 0,50

Densidad ( ).-

La densidad de un material homogéneo se define como su masa por unidad de volumen

La densidad de la madera, es la relación de la masa por unidad de volumen a un determinado contenido de humedad; desde cualquier incremento de contenido de humedad (M), se incrementara la masa de la madera en mayor proporción que su incremento en volumen. Este incremento ocurre en gran proporción arriba del PSF porque la hinchazón ha cesado. Entonces se deriva la formula general:

m



= -------- g/cm3 (Formula 3) V

Donde:m = masa a un contenido de humedad = mo (1+ 0,01 M)V = volumen a un contenido de humedad

Entonces: mo (1 + 0,01 M)

= -------------------------- g/cm3 (Formula 4) V

Si incrementamos el valor de M, se incrementa (m) rápidamente, también (V), consecuentemente la (), si se continua incrementando (M) por encima del PSF, el (V) se hace constante, sin embargo (m) sigue aumentando, consecuentemente la ().

La densidad de la madera expresa la relación entre la masa de los distintos tipos de elementos que forman la madera y el volumen que ellos ocupan.

Como la madera es un material poroso, debe considerarse al referirse a la densidad de la madera el volumen interno de espacios vacíos existentes.

El contenido de humedad de la madera influye sobre la relación madera - volumen, es decir, es afectado el peso y las dimensiones de la madera.

Por ello se conocen distintos tipos de densidad, entre ellas destacan la densidad básica y la densidad de referencia.

La densidad básica considera masa anhidra y volumen de la madera saturada con agua, lo que se expresa como:

m 0 (g)D = -------------- (Formula 5)

V (cm3)Donde:

D = densidad básica (g/cm3)m0 = masa madera anhidra (g)V = volumen madera saturada de agua (cm3)

La densidad de referencia a 12% de contenido de humedad, es de uso frecuente y se le conoce como densidad normal y se expresa como:

m 12% (g)D12% = --------------- (Formula 6)

V12% (cm3)

Donde:

D = densidad normal 12% (g/cm3)m12 % = masa al 12% de humedad (g)V12 % = volumen al 12% de humedad (cm3)

La densidad de la madera es un criterio usado para estimar las características de resistencia mecánica de la madera satisfactoriamente.



Se emplea también como elemento de juicio para estimar la cantidad de material leñoso de una especie.

Se puede usar como estimador de la facilidad con que se deja trabajar la madera (cortar, cepillar, moldurar, etc.) o como indicador de la facilidad para tratar la madera (secar e impregnar).

Normalmente las maderas de mayor densidad presentan una mejor resistencia mecánica y una mayor cantidad de material leñoso, pero se dejan trabajar y tratar con mayor dificultad.

De acuerdo a la densidad normal las maderas pueden clasificarse técnicamente en:

■ Maderas livianas■ Maderas semi - pesadas y■ Maderas pesadas.

Como se ha visto, la densidad de la madera varia con la especie y depende además de la edad de los árboles.

La magnitud de la densidad de la madera esta estrechamente relacionada con la estructura anatómica de la madera, particularmente depende del espesor de la pared celular de las fibras.

La de la madera, debido a su forma de cálculo, mantiene una relación directa con el M; de tal manera que el valor mínimo se obtendrá en la condición seca al horno y el máximo cuando la madera esta completamente saturada de agua libre.

mo

Densidad ( ) anhidra o = --------- g/cm3

Vo

m12%

Densidad ( ) normal 12% = ---------- g/cm3

V12%

mPSF

Densidad ( ) PSF PSF = ------------ g/cm3

VPSF

m PSF

Densidad ( ) PSF PSF = ------------ g/cm3

V PSF

m verde

Densidad ( ) verde verde = ------------ g/cm3

V verde

Clasificación:

Densidad Básica Grupo Clase



0,30 g/cm3 I Muy baja (MB)0,30 – 0,40 g/cm3 II Baja (BA)0,41 – 0,60 g/cm3 III Media (ME)0,61 – 0,75 g/cm3 IV Alta (AL) 0,75 g/cm3 V Muy alta (MA)

Relación entre Densidad ( ) y Peso Específico (G) de la Madera

Se deriva de la ecuación (3) y (2)

m ------ V V W m W m ------- = ------------------ = ---------------- = -------------

mo V mo mo

G -------- V W

= G (1 + 0,01 M) W (Formula 7)

Esta ecuación nos demuestra que la ( ) y (G) son numéricamente iguales bajo condiciones de seco al horno o anhidra en unidades métricas sexagesimal.

A un incremento de M la ( ) se vuelve numéricamente mayor que la (G)

PESO ESPECIFICO Y DENSIDAD DE LA PARED CELULAR (G’o) (Real)

El peso específico de la pared celular seca al horno (G’0) ha sido medido usando diversos métodos por muchos investigadores

Es importante diferenciar la madera de la sustancia madera.

En efecto, por sentido común, (GI) de la pared celular será mayor que (G) de la madera.



La gravedad específica de la pared celular fue objeto de estudio por muchos científicos forestales.

Resumen de las mediciones de la Gravedad Específica de la pared celular (GI), y el Volumen Específico de la pared celular (VI).

Fluido Referencia GI0 VI

0

(cm3/g)

Agua Stamm y Hansen (1937) 1.53 0.653

Agua Kellog y Wangaarrd (1969) 1.50 – 1.53 0.653 – 0.667

Helio Stamm y Hansen (1937) 1.46 0.685

Benceno Stamm y Hansen (1937) 1.44 0.692

GI0 = m0/ VI

0 = 1/0.653 = 1.53

Los valores obtenidos son influenciados por las propiedades del fluido desplazado siendo aproximadamente igual a 1,53 g/cm3 (volumen específico de 0,653 cm3/g) para agua desplazada y de 1,46 g/cm3 (volumen específico de 0,685 cm3/g) para Helio y 1.44 (volumen específico de 0,693 cm3/g) para Benceno.

Las diferencias son atribuidas a dos factores:

a. Compresión del agua higroscópica debido a fuerzas de enlace, en lugares de sorción en el caso del desplazamiento del agua.

b. La falta de moléculas solventes no polares como el benceno para penetrar en los microespacios de la pared celular.

Por ello es asumido que el valor obtenido con He es el más correcto para la sustancia de la madera.

El peso específico de la pared celular seca al horno o sustancia de madera (Go) es necesario para calcular la porosidad o la fracción de volumen de espacio y la hinchazón de la madera.

Cuando comparamos los volúmenes específicos expuestos en el cuadro resumen (de agua y helio), hay un decrecimiento de: 0.685 – 0.653 = 0.032 cm3 del helio con respecto al agua.

Asumiendo un psf de 30 %, la densidad del agua higroscópica puede estimarse:

= m/v, = 0.30/(0.30-0.032) = 0.30/0.268 = 1.119 g/cm3.

Stam y Seborg (1934), estimaron los valores de la Gravedad Específica del Agua Higroscópica, en un rango que oscila de 1.119 en el Punto de Saturación de la Fibras, hasta 1.30, para las condiciones anhidras.



La densidad de la sustancia de la pared celular en condición seca al horno es aproximadamente igual a 1,5 g/cm3.

Se cree que la densidad real de la pared celular es similar a la de la sustancia sólida de la pared celular, cuando ambas son medidas en condición seca al horno. Cuando existe humedad por debajo de PSF, el sistema de micro cavidades de la pared celular aumenta en volumen a medida que aumenta el M de la madera; esto produce una reducción en la densidad de la pared celular hasta alcanzar un valor inferior al de la sustancia sólida de la misma pared. La relación entre la densidad de la pared celular y la densidad de la sustancia sólida de la misma pared se conoce con el nombre packing fraction, o sea la fracción de acomodación de las moléculas de agua

POROSIDAD DE LA MADERA o FRACCIÓN DEL VOLUMEN VACIO

El peso específico de la pared celular seca al horno o sustancia de madera (G0) es necesario para calcular la porosidad. La porosidad se puede calcular con la siguiente formula:

Va = 1 – G (0,685 + 0,01 M/GS) (Formula 8) Cuando M psf

Donde:

Va = porosidad o volumen fraccional de espacios de la maderaG = peso específico de la madera0,685 = 1/Go = 1/1.46GS = gravedad específica del agua higroscópica (1,115)

El término 0,685 en la ecuación es equivalente a G/Go el cual es igual al volumen de la fracción de pared celular sobre base seca ( Vw ) y el término de 0,01 M G/Gs es igual a la fracción de volumen de agua higroscópica. El numeral 1 representa el volumen total de la madera.


Gravedad específica del agua higroscópica a diferentes contenidos de humedad, de acuerdo a Stamm y Seborg.


El cálculo de la porosidad se simplifica si los volúmenes específicos basados en el desplazamiento de agua son usados por el peso específico del agua higroscópica, entonces se hace igual a la densidad normal del agua 1 g/cm3 y el cálculo de la porosidad puede ser hecho por el M de una madera totalmente saturada.

Referente al cuadro 1, la mayoría de los valores de Go están entre 1.50 y 1.53 para el agua desplazada. Se propone que el valor de 1.5 sea seleccionado para Go, correspondiendo a un volumen específico de 0,667 g/cm3 , la porosidad puede ser entonces calculada:

Va = 1 – G (0,667 + 0,01 M) para todos los M (Formula 9)

Bajo condiciones seca al horno la fracción entera de microespacios estará presente, y la porosidad de la madera para un gas o líquido no polar será menor que para el agua. Por lo tanto, bajo condiciones secas al horno, es preferible usar un volumen específico de 0.685 g/cm3 para líquidos no polares.

Va = 1 – 0.685 G0 (porosidad seca al horno para sorción de líquidos no polares)

Va = 1 – 0.667G0 (porosidad seca al horno para sorción de líquidos polares)

CONTENIDO DE HUMEDAD MAXIMO

La fase líquida del agua al estar en contacto con la madera, ya sea en el árbol vivo o bajo condiciones de servicio, producirá la acumulación de agua libre en los lúmenes de las células. El contenido de humedad máximo se alcanza cuando todos los espacios en la pared celular y los lúmenes están llenos. La cantidad de agua acumulada en este punto está limitada por el volumen vacío de la madera, es decir, por el espacio no ocupado por la sustancia de la pared celular y los materiales extraños. El Mmáx. puede ser calculado si el peso del agua que ocupa el volumen vacío se expresa como porcentaje del peso seco al horno de la madera.

Normalmente la madera en el árbol vivo no contiene más de la mitad a los dos tercios del contenido de humedad máximo teóricamente posible.

El Mmáx. está relacionado con el peso específico seco al horno de la madera y puede ser calculado sobre esta base. Las maderas que tienen bajos pesos específicos alcanzan altos contenidos de humedad máximos.

Esta ecuación puede ser usada para calcular Mmax. el contenido de humedad de la madera cuando todas las paredes celulares y lúmenes son saturados haciendo la porosidad igual a cero.

100Mmax. = -------------- - 66.7 (Formula 10) Gpsf

Donde:

Mmáx. = Contenido de humedad máxima



Gpsf = Gravedad específica en el PSFTambién se puede emplear la formula:

1.5 - GpsfMmax. = -------------------- x 100 (Formula 11)

1.5 Gpsf

LA CONTRACCIÓN Y DILATACIÓN DE LA MADERA

La madera contiene una cierta cantidad de agua depositada en los lúmenes celulares y en las paredes celulares de las fibras.

Normalmente cuando la madera varía de humedad en la pared celular, por debajo del PSF, se producen variaciones en sus dimensiones y en su volumen, las que son conocidas como contracción o hinchamiento.

En forma inversa, la remoción de humedad de la pared celular, por debajo del PSF, produce contracción de la madera.

Como la madera tiene un comportamiento anisotrópico, los cambios dimensionales normales de la madera son de magnitud diferentes en las direcciones tangenciales, radiales y longitudinales.

CONTRACCIÓN DE LA MADERA

Es la reducción dimensional que experimenta la madera cuando pierde humedad por debajo del PSF; este cambio dimensional se expresa como porcentaje de la máxima dimensión de la madera o sea la dimensión verde, ya que en esta condición todavía no ha ocurrido ninguna reducción dimensional.

La contracción se expresa por medio de la siguiente relación:

Reducción de la dimensión verdeContracción % = --------------------------------------------------- x 100

Dimensión verde

Para calcular la contracción de la madera se utiliza la formula siguiente:

Dv – DshContracción % = ------------------- x 100 (Formula 12)

Dv

Donde:

Dv = dimensión verde (mm.)Dsh = dimensión seca al horno o anhidra (mm.)

En la figura siguiente se presentan las curvas típicas para la contracción de la madera



Se puede observar que la contracción tangencial para la madera seca al aire es aproximadamente el doble de la contracción radial para el mismo contenido de humedad.

La contracción volumétrica es más o menos la suma de las dos, ya que la contracción longitudinal para la madera normal desde verde a seca al horno es prácticamente despreciable y esta en el orden de 0.1 a 0.2 %.

Las porciones de las curvas entre 6 y 18% de M son aproximadamente líneas rectas y por esta razón se asume que los dos cambios dimensionales de la madera para cualquier condición de humedad dentro d estos puntos mantienen una relación lineal.

La contracción tangencial es 1,5 a 3 veces mayor que la contracción radial y la contracción longitudinal es normalmente despreciable en la madera.

Las diferencias entre contracción tangencial y radial son debidas por una parte al potencial favorecimiento de la contracción en el sentido tangencial que hacen las bandas de madera de verano, y por otra a la restricción a los cambios dimensionales que ejercen los radios leñosos en la dirección radial de la madera.

La limitada contracción longitudinal es debida a la orientación longitudinal de los principales tejidos constituyentes de la madera.

Igualmente la contracción longitudinal excesiva puede ocasionar los defectos denominados encorvadura y arquea dura.

Estos defectos son potenciados por la presencia del grano espiral comúnmente presente en la madera juvenil del pino radiata.



También se pueden producir en algunas especies, tales como eucalipto, ciprés y muchas nativas, variaciones dimensionales anormales cuando sale agua de los lúmenes celulares. En este caso los cambios dimensionales anormales dan origen a un aplastamiento de las fibras de la madera, a lo cual se le denomina colapso.

El colapso, un defecto que se puede desarrollar en el secado de algunas maderas, constituye una excepción a la regla de que la madera no se contrae por encima del PSF. Se caracteriza por una contracción irregular y anormal que ocurre por encima del PSF; el cual se debe al comba miento y aplastamiento de las paredes celulares, por este motivo la magnitud de la contracción resultante del colapso no puede producirse en base a los cambios dimensionales normales de la madera.

Coeficiente de Contracción Volumétrica

El coeficiente de contracción volumétrica mide la variación de volumen de la madera, cuando su humedad varía en 1%.; es constante en el intervalo existente entre el estado seco al horno o anhidro y el de saturación.

Se determina con la formula siguiente:

Vh – VshCv = ---------------- X 100 (Formula 13)

Vsh M

Donde:Cv = Coeficiente de contracción volumétricaVh = Volumen a un determinado contenido de humedadVsh = Volumen seco al horno o anhidra M = Contenido de humedad

El coeficiente de contracción volumétrica es funcional dentro del estado seco al horno o anhidro y el PSF.

DILATACIÓN DE LA MADERA

La adición de agua u otros líquidos polares a la sustancia de la pared celular produce la expansión de la estructura microfibrilar en proporción a la cantidad de líquido añadido; esta dilatación continúa hasta que la madera alcanza el PSF; de este punto en adelante la adición de agua a la madera no produce cambios en el volumen de la sustancia de la pared celular, porque el agua adicional por encima de este nivel se concentra en los lúmenes de las células.

Es el incremento dimensional de la madera cuando gana humedad hasta alcanzar el PSF, la dilatación no puede ser tomada como un valor recíproco de la contracción, ya que para el cálculo se utilizan bases diferentes; para calcular se emplea la siguiente formula:

Incremento de la dimensión seca al hornoDilatación % = --------------------------------------------------------- x 100

Dimensión seca al horno

Dv – Dsh



Dilatación % = ----------------- x 100 (Formula 14) Dsh

Donde:

Dv = dimensión verde (mm.)Dsh = dimensión seca al horno o anhidra (mm.)

Los cambios dimensionales que ocurren en la madera son función no solo de la cantidad de humedad presente, sino también de la cantidad de sustancia de la pared celular; mientras mayor es la cantidad de material presente, mayores serán los cambios dimensionales posibles por variaciones en el M.

La contracción y expansión de la madera se pueden explicar en función de dos simples suposiciones:

1° Asumiendo que los lúmenes de las células tienen tamaño constante.

2° Asumiendo que el punto de saturación de las fibras es constante para todas las maderas.

Asumiendo la sección transversal de una célula anhidra:

V1 = V0 + V (Formula 15)

Donde:

V0 = Volumen anhidro de la madera

V1 = Volumen de la madera a un contenido de humedad M1, debajo del PSF.

V = Incremento en volumen.

Si asumimos que el incremento en volumen es debido al agua higroscópica absorbida por la pared celular:

V = V0 G0 (0.01M1) (Formula 16)



Donde:

M1 = M por debajo del psf.

Sustituyendo en la ecuación 12: V1 = V0 + V

V1 = V0 + V0 G0 (0.01M1)

V1 = V0 (1+0.01M1 G0) (Formula 17)

La máxima expansión en volumen de la madera puede ser calculada con la siguiente ecuación:

VPSF = V0 (1+0.01MPSF G0 )

Asumiendo que MPSF = 30 % (máxima expansión)

VPSF = V0 (1+0.30 G0) (Formula 18)

De esta última ecuación, se puede deducir que la máxima expansión volumétrica de la madera es directamente proporcional a la gravedad específica anhidra de la madera, asumiendo como constantes el punto de saturación de las fibras y el tamaño del lumen.

En forma similar se puede deducir que la contracción volumétrica fraccional de la madera es directamente proporcional a la gravedad específica en el punto de saturación de las fibras. Entonces el volumen anhidro puede ser calculado desde el volumen expandido:

V0 = VPSF (1-0.30 GPSF ).

En efecto, de la ecuación: VPSF = V0 (1+0.30 G0 ), se puede deducir:

SPSF = 30 G0 (Formula 19)

Donde:

SPSF = Porcentaje de expansión volumétrica de la madera desde el estado anhidro hasta MPSF.

Y de la ecuación: V0 = VPSF (1-0.30 GPSF )

sPSF = 30 GPSF (Formula 20)

Donde:

sPSF = Porcentaje de contracción volumétrica, desde MPSF, hasta M0.



Para la utilización adecuada de las ecuaciones anteriores es fundamental utilizar ecuaciones auxiliares:

G0 = GPSF/(1-0.30 GPSF) (Formula 21)

GPSF = G0/(1+0.30 G0) (Formula 22)

Similarmente, para convertir la gravedad específica del M1 a M2

G2 = G1/(1+0.01G1(M2 –M1)) (Formula 23)

Con la condición que M1 y M2, sean menores o iguales a MPSF

La anisotropía de la madera se manifiesta marcadamente en la contracción y expansión volumétrica de la madera. En tal sentido la contracción longitudinal es casi nulo, solamente se manifiesta de 0.1 a 0.3 %.

La contracción tangencial es generalmente el doble de la contracción radial; en consecuencia las ecuaciones: SPSF = 30 G0 y sPSF = 30 GPSF, pueden ser modificadas:





RELACION TANGENCIAL RADIAL (Tg/Rd)

Cuanto más se acerque a la unidad, mejor será la estabilidad dimensional de la madera; mientras mayor es la relación, las maderas son más nerviosas.

EXPANSION Y CONTRACCION VOLUMETRICA DE LA PARED CELULAR

Si asumimos que MPSF = 30 % y GI0 de la sustancia madera es 1.5, y que el incremento en

volumen equivalente a la expansión es igual al agua higroscópica. Entonces el incremento en volumen, cuando M es incrementado de cero a MPSF (30%) es: 0.3 * 1.5 = 0.45 cm3 por cm3 de pared celular. Por consiguiente la máxima expansión de la pared celular es 45 %. En general se puede afirmar que:

SI = M * GI0 (Formula 28)



Donde:

SI = Porcentaje de expansión de la pared celular desde el estado anhidro hasta M.

El máximo porcentaje de expansión para MF entonces es:

SIF = MF * GI

0 (Formula 29)La gravedad específica de la pared celular en todos los contenidos de humedad dentro del rango higroscópico se puede calcular en función de valor anhidro:

GI = (GI

0)/(1+0.01M * GI0) (Formula 30)

La gravedad específica de la pared celular para MF entonces es:

GIF = (GI

0)/(1+0.01MF * GI0) (Formula 31)

El valor de GIF , puede ser = 1.5/(1+0.3(1.5)) = 1.034, asumiendo que MF = 30 %. La

densidad para MF (IF) es igual a 1.034 * 1.3 = 1.346 g/cm3 , de la ecuación (4). Entonces,

la densidad de la pared celular decrece con un incremento del contenido de humedad, debido a la baja densidad del agua.

La contracción de la pared celular desde MF puede ser calculado:

sI = (MF – M) * GI

F (Formula 32)

Donde:

sI = Porcentaje de contracción de la pared celular, desde MF a M.

El máximo porcentaje de contracción desde MF hasta el estado anhidro es:

sIF = MF * GI

F (Formula 33)

Si asumimos que MF = 30 %, sIF = 30 (1.034) = 31 %. Este valor es menor que 45 % de

la máxima expansión, porque es basado por un volumen inicial extenso.

ANISOTROPIA EN LOS CAMBIOS DIMENSIOMALES

Los cambios dimensionales de la madera no son iguales a lo largo de sus 3 direcciones estructurales; es decir, la madera presenta anisotropía en sus cambios dimensionales: Estos cambios se refieren tanto en la contracción como a la dilatación de la madera. Para madera normal en los Estados Unidos, la contracción en la dirección longitudinal varía entre 0,1 y 0,3%, desde verde a seca al horno; en la dirección tangencial de verde a seca al aire, aproximadamente el doble de la contracción radial.



La relación entre contracción tangencial y contracción radial (Tg/Rd) varía entre 1,40 y 2,00 y esta relación, junto con los porcentajes de contracción, es un medio de evaluar la estabilidad dimensional de cualquier madera.

La madera mas adecuada para cualquier uso donde sea crítica la estabilidad dimensional es aquella que posee baja relación (Tg/Rd) con bajos valores absolutos en los cambios dimensionales transversales; en otras palabras, en usos donde se exige alta estabilidad dimensional de la madera, la relación (Tg/Rd) debe ser baja y también bajos los valores de las contracciones (Tg y Rd). Esta relación es un índice de la mayor o menor tendencia que puede tener la madera para desarrollar defectos de secado.

Las grandes diferencias entre contracciones y dilataciones paralelas y perpendiculares al grano, pueden ser explicadas tomando en consideración las siguientes ideas:

1) Las paredes celulares de la madera están constituidas por una estructura microfibrilar de alta resistencia a la tensión a lo largo de sus ejes, incrustadas en una matriz (sustancia intercelular) esencialmente amorfa, constituida de lignina y hemicelulosa. Con la adición o remoción de agua las microfibrillas cambian muy poco en longitud y relativamente bastante en sentido lateral; al mismo tiempo la matriz tiende a cambiar sus dimensiones, más o menos en forma igual en todas sus direcciones, pero en proporción muy superior a las microfibrillas.

A medida que aumenta el ángulo de las microfibrillas aumentan los cambios longitudinales y disminuyen los transversales; la magnitud de estos cambios se incrementa a medida que aumenta el M hasta el psf.

2) La mayoría de las células de la madera están orientadas con sus ejes longitudinales en la dirección longitudinal del tronco, es decir paralelos al grano y debido al efecto de las microfibrillas, estas cambian muy poco en dirección longitudinal y considerablemente en las direcciones transversales con las variaciones en el M.

MECANISMOS DE MOVIMIENTO INTERNO DE HUMEDAD

Los complejos mecanismos de movimiento interno de agua durante el secado pueden describirse de manera simplificada como:

1) Movimiento capilar del agua libre en las cavidades celulares2) Difusión del agua ligada en la pared celular3) Difusión del vapor en las cavidades celulares.



MOVIMIENTO CAPILAR DE AGUA LIBRE

El movimiento del agua libre en las cavidades celulares, es similar al transporte de agua a través de una cañería en que el agua que brota por un extremo es continuamente reemplazado por el agua proveniente del interior. El movimiento capilar es debido a diferencias de presión y depende del tamaño de los capilares o sea del tamaño del lumen y de las punteaduras de las células.

La tensión capilar es una diferencial de presión negativa, que genera un efecto de succión que actúa sobre el agua capilar y las paredes de las fibras que contienen el agua.

El efecto es más pronunciado en la medida que el radio capilar es de menor magnitud.

El movimiento capilar, en particular la tensión capilar asociada, facilita el movimiento de agua libre, pero puede ocasionar colapso, producir racimos de humedad y aspira las punteaduras durante el secado de la madera.

En la figura se ilustra hipotéticamente, el movimiento del agua libre contenida en los lúmenes celulares durante el secado de la madera.

1. Los lúmenes de las células están inicialmente completamente llenos de agua libre. Excepto en dos, que muestran burbujas de aire de distinto tamaño. El secado ocurre desde la superficie de evaporación, la cual esta expuesta al aire. En este caso el radio capilar es relativamente grande y la tensión capilar pequeña.



2. El agua de los lúmenes más cerca de la superficie se ha evaporado, bajando la superficie de evaporación al nivel de las punteaduras de las células. Disminuye en consecuencia el radio capilar.

3. El radio capilar es reducido a un tamaño del mismo orden de grandeza que la burbuja más grande, entonces la tensión capilar actúa sobre la interface aire -líquido que rodea la burbuja, permitiendo la expansión de la burbuja de aire. La expansión de la burbuja, empuja el agua desde el interior hasta la superficie de evaporación.

4. El agua contenida en el lumen con la expansión de la burbuja ha sido removida completamente. Se observa que la célula más interna, ha secado primero y por tanto esta con menor cantidad de agua que células más cerca de la superficie. Estas últimas pueden en ocasiones quedar con humedad, debido a la expansión de las burbujas de los lúmenes interiores, en este caso si presentan los RACIMOSDE HUMEDAD.

5. El radio capilar puede seguir reduciéndose, al internarse la superficie de evaporación a través de la puntedura. Cuando alcance el tamaño de la burbuja menor, la tensión capilar actuara sobre ella permitiendo igual como antes, la expansión de la burbuja y en consecuencia se empujará el agua de esta célula hasta la superficie de evaporación.

6. La expansión de la burbuja, ha permitido evacuar toda el agua contenida en el lumen de la célula.

7. La superficie de evaporación continúa internándose y llega ahora nuevamente al lumen de una célula interior con un mayor radio capilar.

8. La evaporación continúa y la superficie de evaporación llega otra vez a las punteaduras, donde el radio capilar disminuye. Por la ausencia de burbujas de aire, que absorban parte de la tensión capilar en su expansión, la tensión capilar tiende a ser de mayor magnitud. Esta tensión actúa principalmente sobre las paredes celulares, con un efecto de succión perpendicular a las fibras. Muchas especies son capaces de soportar esta tensión capilar máxima.

9. La tensión capilar puede ocasionar el COLAPSO de la madera, cuando el radio capilar es demasiado pequeño, que genera tensiones capilares sobre la pared celular de las fibras que superan la resistencia en tensión perpendicular a las fibras. Muchas especies pueden desarrollar además GRIETAS INTERNAS localizadas en la madera inicial. El pino radiata puede presentar este tipo particular de grieta interna en la madera inicial de madera juvenil.

10. El movimiento de agua libre continua hasta evaporarse completamente.

Participa también la tensión superficial del agua, de manera simplificada la relación es como sigue:

2 γ P = -------- (Formula 34)

RDonde

P = tensión capilar (at.)γ = tensión superficial (at-um.)



R = radio capilar (um.)

DIFUSION DE AGUA

Alrededor del punto de saturación de las fibras, el movimiento capilar pierde importancia muy rápidamente, a consecuencia del predominio del movimiento de las moléculas de agua ligada por difusión.

El movimiento de agua ligada por debajo del punto de saturación de las fibras, se produce como resultado de gradientes de contenido de humedad, entre los pequeños espacios submicroscópicos de la pared celular. Este movimiento es análogo a la difusión del té en el agua hirviente.

Como en la pared celular las moléculas de agua están unidas en los sitios de sorción por el enlace de hidrógeno, se requiere una cierta cantidad de energía para liberar la molécula de su lugar.

Esta energía se incrementa a medida que disminuye la humedad de la madera.

Al romperse el enlace, la molécula se desplaza a un nuevo sitio de sorción, hasta llegar a la superficie de evaporación.

Durante el secado de la madera, existen muchas moléculas de agua moviéndose de un sitio a otro, de la forma señalada.

La difusión de humedad a través de la madera, puede ser descrita en forma simplificada, para condiciones de flujo constante por la primera ley de Fick, como sigue:

∆ MF = d Soa ---------- (Formula 35)

LDonde:

F = flujo de humedad en g/cm2 -s.ΔM = gradiente de humedad en °/1.Soa = densidad nominal en g/cm3. L = largo en la dirección del flujo en cm. d = coeficiente de difusión en cm2/s.

En todo caso el transporte de agua bajo el punto de saturación de las fibras es un movimiento combinado de agua ligada y de vapor de agua.

No obstante, es la difusión de agua ligada la que más contribuye al movimiento transversal de agua durante el secado de la madera.

La difusión de vapor, ocasionada por gradientes de presión de vapor, contribuye mejor al flujo longitudinal y su efecto en la dirección transversal es más notable, cuando la madera esta más seca.

Además de la humedad, la temperatura y la dirección del grano, la densidad de la madera condiciona la difusión de agua a través de la madera.



Como referencia, el orden de grandeza de la difusión de agua en algunas maderas chilenas se presenta en el siguiente cuadro:

Coeficiente de difusión transversal a flujo constante y 40 °C.

ESPECIE d * 108 (cm2/s)Tangencial Radial

Pino radiata 45 65.3

Mañio 42.3 57.7

Canelo 57.4 80.8

Coigue 6.9 8.5

(Fuente: Ananías y Gutierrez 1987)

PERMEABILIDAD DE LA MADERA

Propiedad de la madera de la que depende el movimiento interno de agua (velocidad del flujo de gases y líquidos). La permeabilidad de la madera es representada por la ley de Darcy.

k Δ P F = ------ x --------- (Formula 36) n L

Donde: F = flujo volumétrico de líquido (c3/cm.at.s.) K = permeabilidad especifica de la madera (darcy.) n = viscocidad del fluido cp. ΔP = gradiente de presión (at.) L = largo de la madera en la dirección del flujo (cm.)



La permeabilidad, juega un rol importante para el movimiento de agua capilar, En particular el mecanismo de permeabilidad es relevante cuando se somete la madera a alta temperatura o bajo vacío. Las maderas más permeables (pino radiata) se dejan secar más rápidamente que las maderas de menor permeabilidad (eucalipto) y muchas otras especies nativas.

Además, la permeabilidad de la madera es un parámetro que depende fundamentalmente de la estructura anatómica de la madera, es decir del tamaño de las punteaduras y otras cavidades celulares.

Cualquier variación de estas características anatómicas afecta la magnitud de la permeabilidad de la madera, por lo que con frecuencia se presentan grandes variaciones de la permeabilidad en una misma pieza de madera.

Permeabilidad transversal para agua en maderas nativas.

Especie k*106 (darcy)tangencial radial

tepa (duramen) 6.5 8.5

renoval raulí (duraminización incipiente) 8.6 10.1

renoval roble (albura) 4.8 12.3

Fuente: Kauman et al. 1994; Salazar y Vargas 1994

En adición, la madera es mucho más permeable en la dirección longitudinal (figura 19) que en la dirección transversal (figura 20).

Además, la presencia de duramen implica generalmente una reducción en la permeabilidad de la madera, como consecuencia de tilosis y aspiración de punteaduras.

El grado de terminación de la superficie limita además la permeabilidad de la madera, lo que puede favorecer la inactivación de superficies para la aplicación de adhesivos y pinturas.

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