Introducción

La densidad de la madera es uno de sus principales rasgos funcionales ⁽¹⁾ y se considera un buen predictor del módulo de elasticidad (²). Igualmente, la densidad es la característica de referencia para pronosticar el módulo dinámico (³) e interviene en la configuración del índice de calidad para sugerir su uso como material de ingeniería (⁴). La evidencia empírica sugiere que, a mayor densidad de la madera, se incrementa su módulo dinámico. Así, el paradigma contemporáneo en ciencias, tecnología e ingeniería de la madera propone que, si se aumenta de manera artificial su densidad, se obtendrá una ganancia tecnológica al aumentar su resistencia mecánica (⁵).

El densificado de la madera es el tratamiento por el cual su relación peso/volumen se incrementa al reducir los espacios vacíos en los lúmenes del tejido leñoso. Así, la madera densificada se define como aquella cuya densidad ha sido incrementada de manera artificial (⁶). El densificado es un importante mecanismo de deformación que se presenta en varios procesos de manufactura de productos de madera reconstituida y de componentes estructurales (⁷). Los tratamientos de densificado de la madera, de tipo termo mecánico, son de carácter eco-sustentable (⁸). Esta tecnología se orienta hacia la diversificación de usos potenciales de especies de baja densidad natural y las provenientes de plantaciones de rápido crecimiento (⁹).

El método de vibraciones transversales es empleado para determinar el módulo dinámico de la madera densificada (¹⁰), (¹¹), (¹²). Los resultados de los autores citados indican que el módulo dinámico de la madera densificada aumenta comparativamente al de la madera sin densificar. Los factores que intervienen en este fenómeno son la especie, la temperatura, la intensidad de las deformaciones y el tiempo del densificado (⁵). De aquí se sigue que es necesario comparar resultados de diferentes maderas densificadas con el mismo procedimiento. Aún más, para mejorar el uso de la madera como un material normalizado en ingeniería, es recomendable homogenizar los resultados experimentales.

Existe evidencia empírica de que el módulo dinámico de la madera aumenta a medida que su densidad se incrementa (²), (³), (⁴). Este fenómeno se observa principalmente entre especies. Sin embargo, no existe información del incremento del módulo dinámico, determinado con vibraciones trasversales, cuando una misma madera se densifica. A manera de hipótesis de trabajo, la investigación propone que si se densifica por compresión mecánica la madera de Cedrela odorata L., Cupressus lindleyi Klotzsch ex Endl., Swietenia macrophylla King, Albergue paloescrito Rzed. & Guridi-Gómez, Tabebuia donnell-smithii Rose, Fraxinus uhdei (Wenz.) Lingelsh., Fagus mexicana Martínez y Guazuma ulmifolia Lam, aumentan sus módulos dinámicos. Esta hipótesis puede verificarse si, antes y después de densificar su madera se evalúan las densidades y los módulos dinámicos son determinados con vibraciones transversales. El objetivo de la investigación es informar sobre el incremento en el módulo dinámico en ocho maderas mexicanas como efecto de su densificado.

Materiales y métodos

Las maderas fueron adquiridas en piezas aserradas en el estado de Michoacán, México. Para cada una de las especies, se recortaron veinte probetas con dimensiones de 0,02 m × 0,02 m × 0,4 m en las direcciones radial, tangencial y longitudinal respectivamente. Las probetas se almacenaron en una cámara de acondicionamiento con temperatura de 20 °C y humedad relativa del aire de 65 % hasta que alcanzaron el contenido de humedad en equilibrio promedio de 10 %.

El contenido de humedad se calculó, después de las pruebas, con un grupo adicional de 20 muestras recortadas de un extremo de las probetas con dimensiones de 0,02 m × 0,02 m × 0,05 m. El contenido de humedad se determinó por el método de diferencia de pesos de acuerdo a la norma ISO 13061-1:2014 (¹³), (¹⁴). La densidad aparente de la madera se determinó con la fórmula (1):

(1)

Donde:

ρ_CH = Densidad aparente de la madera para un contenido de humedad CH (kg m^-3)

P₁ = Peso de la probeta al momento del ensayo (kg)

V₁ = Volumen de la probeta al momento del ensayo (m³)

Para aligerar el texto, el término densidad sustituye al concepto densidad aparente. En el mismo orden de ideas, las siglas AD y DD se usan como indicadores de mediciones antes del densificado y después del densificado y el subíndice vt se refiere a mediciones y/o cálculos derivados de pruebas de vibraciones transversales.

El proceso de densificado consistió en cuatro etapas. Primeramente, las probetas se colocaron entre dos placas térmicas, con dimensiones de 1 m x 1 m, de una prensa Shon ai-Tekko, Modelo TS-100, con capacidad de 100 toneladas. La operación de prensado puede idealizarse como un sistema abierto y libre de restricción geométrica en la dirección transversal a la dirección de la carga. A continuación, las probetas de espesor inicial de 0,02 m se comprimieron en la dirección radial con una velocidad de prensado de 0,001 m min^-1 hasta alcanzar un espesor objetivo de 0,014 m, equivalente a 70 % de su dimensión original, que representa un coeficiente de densificado de 30 % (15). La presión aplicada varía de 30 a 50 MN m^-2, dependiendo de la densidad de la madera. Posteriormente, las probetas en la prensa fueron calentadas a 120 °C durante 6 horas. Por último, las probetas fueron retiradas de la prensa y enfriadas a temperatura de laboratorio (20 °C) durante 12 horas.

El ensayo de vibraciones transversales consistió en aplicar un impacto elástico en la dirección tangencial de la probeta, en el centro geométrico de su portada. La probeta estuvo apoyada en soportes simples, situados en los puntos nodales correspondientes al primer modo de vibración (figura 1). De esta forma, la probeta fue solicitada en flexión transversal. Para el registro de la vibración de la probeta, se utilizó un sensor de movimiento de tipo piezoeléctrico. El sensor fue colocado a la mitad de la altura de la probeta y sobre un punto nodal, conectado al aparato Grindosonic® MK5. Este sirvió para medir la frecuencia natural de la vibración.

Figura 1 Ensayo de vibraciones transversales. P = Impacto; L = Longitud de la probeta. 

Figure 1. Test of transverse vibrations. P = Impact; L = Length of the specimen.

El módulo de elasticidad dinámico se calculó con la fórmula (2) (16):

(2)

Donde:

E_vt = Módulo de elasticidad dinámico (N m^-2), L_vt = Distancia de la portada entre apoyos (m), L = Largo de la probeta (m), f_vt = Frecuencia natural de la probeta (Hz), ρ_CH = Densidad de la madera a un contenido de humedad CH (kg m^-3) m, K = Constantes (adimensionales) r = Radio de giro de la sección transversal de la probeta (m²)

Para medir el efecto del tratamiento en las magnitudes de las densidades y módulos dinámicos, se calcularon sus incrementos con la fórmula (3):

(3)

Donde:

Δ = Incremento (%) M_DD = Magnitud después del densificadoM_AD = Magnitud antes del densificado

Diseño experimental

Cada grupo de probetas de las ocho especies se consideró una muestra independiente. En lo subsecuente y cuando conviene, para aligerar la lectura, el término tratamiento hace referencia al tratamiento de densificado. El tratamiento se consideró el factor de variación. Las variables de respuesta fueron la densidad y el módulo dinámico. Para cada una de las variables de respuesta se efectuaron pruebas con 20 réplicas (probetas por especie), por lo que en total se realizaron 160 observaciones. El contenido de humedad fue un parámetro de referencia.

Se realizaron pruebas de normalidad de la distribución de las muestras y se calcularon los sesgos y apuntamientos estandarizados, así como las medias, las desviaciones estándar y los coeficientes de variación (CV = x/σ). También, se efectuaron pruebas de verificación y análisis de varianza para un nivel de confianza de 95 %. Cuando las distribuciones no fueron normales se llevaron a cabo pruebas de Kruskal-Wallis. Asimismo, para medir la intensidad de la asociación entre las variables antes y después del densificado, se evaluaron correlaciones lineales entre ellas.

Resultados y discusión

Las magnitudes de las densidades y módulos dinámicos, así como sus respectivos coeficientes de variación (cuadro 1), fueron similares a los valores para maderas mexicanas de densidad comparable, presentados por (¹⁷), (¹⁸), (¹⁹). Las pruebas de normalidad indicaron que las distribuciones de los módulos dinámicos de C. odorata (AD) y S. macrophylla (DD) no satisfacen los criterios de demarcación para aceptar sus distribuciones normales (cuadro 2). Las pruebas de verificación y análisis de varianza, tanto de las densidades como de los módulos dinámicos de las ocho maderas, sugieren diferencias estadísticamente significativas entre las mediciones antes y después del tratamiento (cuadro 2).

Cuadro 1 Densidades y módulos dinámicos antes y después del densificado. 

Cuadro 2 Resultados pruebas de normalidad y de hipótesis. 

Las regresiones entre las densidades y módulos dinámicos después del densificado, en función de estos mismos parámetros medidos antes del tratamiento, resultaron con coeficientes de determinación significativos (figuras 2 y 3). Sus magnitudes (0,86 < R² < 0,95) fueron representativas de los reportados para maderas mexicanas (¹⁷), (¹⁸), (¹⁹). En efecto, los coeficientes de determinación del modelo lineal explicaron, con una calidad de ajuste satisfactorio, entre el 86 y 95 % de la variación ocasionada por el tratamiento de densificado. Esta ganancia tecnológica indicada por los incrementos en las densidades y módulos dinámicos es particular a cada especie.

Figura 2 Correlación entre densidades (ρ_CH) (AD) y (DD). 

Figure 2. Correlation between densities (ρ_CH) (AD) and (DD).

Figura 3 Correlación entre módulos dinámicos (E_vt) (AD) y (DD). 

Figure 3. Correlation between dynamic modulus (Evt) (AD) and (DD).

Las densidades de la madera densificada, respecto a las magnitudes antes del densificado, se incrementaron en promedio 37 %. Igualmente, los módulos dinámicos aumentaron 134 %. De manera más detallada, se observó que los incrementos en los valores de las densidades de siete especies se agrupan en el intervalo de un mínimo de 30 % para T. donnell-smithii y un máximo de 38 % para S. macrophylla. Solamente C. odorata se distingue con un incremento de 57 %. Por su parte, los incrementos en los módulos dinámicos se agrupan de manera uniforme entre un mínimo de 118 % para T. donnell-smithii y un máximo de 144 % para G. ulmifolia. Estos resultados se detallan en la figura 4.

Figura 4 Incrementos (Δ) en la densidad (ρ_CH) y en los módulos dinámicos (E_vt). 

Figure 4. Increases (Δ) in density (ρ_CH) and in dynamic modulus (E_vt).

Kutnar, Kamke y Sernek (²⁰), Skyba, Schwarze y Niemz (²¹) y Ulker y Hiziroglu (²²) reportan que los resultados empíricos son diferentes para cada caso de estudio y según las condiciones del tratamiento. Entre los parámetros que explican las propiedades finales de la madera densificada (²³⁾, (²⁴), (²⁵) están la densidad y morfología de cada especie, la temperatura, el tiempo y la presión en el tratamiento de densificado. Si bien en la presente investigación la estrategia experimental fue observar únicamente la variación entre especies, la diversidad entre resultados coincide con la reportada en la bibliografía. Por ejemplo, empleando procesos de densificación higro-termo-mecánicos, (²³) densifican madera de Pinus sylvestris y reportan incrementos en la densidad de 93 % y en su módulo de elasticidad de 114 %. Por su parte, (²⁴) reportan que después del densificado de Populus tremuloides su densidad aumenta 97 % y su módulo de elasticidad se incrementa 60 %. En el mismo contexto, para madera densificada de Populus tomentosa, (²⁵) reportan un incremento en la densidad de 100 % y un incremento en el módulo de elasticidad de 73 %.

El aumento artificial de la densidad de la madera incrementa la resistencia mecánica, mejora sus propiedades higroscópicas y aumenta su resistencia al ataque de agentes biológicos. No obstante, si la madera densificada se expone a la humedad, tiende a recuperar su forma original (²⁶). Este fenómeno de recuperación geométrica de la madera densificada no es equivalente al fenómeno de higroexpansión de la madera. En el caso de la madera densificada, es el resultado de la acción de la humedad, combinado con el efecto de la liberación de esfuerzos incorporados durante los procesos de deshumidificado, calentado y deformado propios del densificado (²⁷).

Los resultados de la investigación son particulares a la madera de las especies densificadas con el tratamiento utilizado en esta investigación. Para mejorar el tratamiento de densificado se recomienda realizar estudios sobre los cambios en la anatomía de la madera e identificar en qué medida se modifican su estructura y sus propiedades físicas.

Conclusiones

Se densificó madera de C. odorata, C. lindleyi, S. macrophylla, D. paloescrito, T. donnell-smithii, F. uhdei, F. mexicana y G. ulmifolia y se determinaron antes y después del tratamiento de densificado, sus densidades y módulos dinámicos con vibraciones transversales.

Las densidades y los módulos dinámicos aumentan como efecto del densificado. Esta ganancia tecnológica es particular a cada especie. El coeficiente de densificado fue en promedio de 30 % y similar entre especies, resultado que sugiere una mejora en estas características físico-mecánicas importantes para el diseño y cálculo de productos y estructuras de madera.