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Características higroscópicas de las maderas
Spathodea campanulata, Fraxinus americana y
Albizia plurijuga impregnadas con boro
Hygroscopic characteristics of the woods Spathodea
campanulata, Fraxinus Americana and Albizia
plurijuga impregnated with boron
Resumen
El objetivo de la investigación fue evaluar si el impregnado de la madera con sales de boro reduce su higroscopicidad y mejora su
estabilidad dimensional. En probetas de pequeñas dimensiones de madera de Spathodea campanulata, Fraxinus americana y
Albizia plurijuga se aplicó un tratamiento caliente-frío de sales de boro con una concentración de 3%. Se realizaron pruebas de
higroscopía y tanto antes como después del impregnado con sales de boro, se analizó la densidad básica, contenido de humedad,
higroexpansiones radial, tangencial, longitudinal y volumétrica, puntos de saturación de la bra, coecientes de higroexpansión,
índice de antiexpansión y relación de anisotropía. Después del baño, las características higroscópicas se modicaron según las es-
pecies y las direcciones observadas. El tratamiento mejora la estabilidad dimensional de S. campanulata en 63%, de F. americana
en 21% y para A. plurijuga en 18%. Es recomendable investigar la inuencia de las características anatómicas sobre las propiedades
higroscópicas de estas especies.
Palabras claves: densidad básica, contenido de humedad, punto de saturación de la bra, coeciente de higroexpansión, índice
de antihigroexpansión, anisotropía.
Abstract
The aim of the research was to evaluate whether the impregnation of wood with boron salts reduces its hygroscopicity and improves
its dimensional stability. A hot-cold treatment of boron salts with a concentration of 3% was applied to small-sized specimens of
Spathodea campanulata, Fraxinus americana and Albizia plurijuga wood. Hygroscopic tests were carried out and both before and
after the boron salt impregnation, basic density, moisture content, radial, tangential, longitudinal and volumetric hygroexpansion,
bre saturation points, hygroexpansion coefcients, anti-expansion index and anisotropy ratio were analysed. After the bath, the
hygroscopic characteristics were modied according to the species and the directions observed. The treatment improved the
dimensional stability of S. campanulata by 63%, of F. americana by 21% and for A. plurijuga by 18%. It is advisable to investigate the
inuence of anatomical characteristics on the hygroscopic properties of these species.
Key words: basic specic gravity, moisture content, ber saturation point, coefcient of swelling, anti-swelling index, anisotropy.
Recibido: 15 de septiembre de 2020
Aceptado: 18 de diciembre 2020
Javier, Sotomayor-Castellanos
1*
; Luz, Ávila-Calderón
2
1
Profesor de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán, México; madera999@yahoo.com; https://orcid.
org/0000-0002-1527-8801
2
Profesora de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán, México; lea.avilacalderon@gmail.com; https://
orcid.org/0000-0003-2646-2142
*Autor para correspondencia: madera999@yahoo.com
Revista Ciencia UNEMI
Vol. 14, N° 35, Enero-Abril 2021, pp. 10 - 25
ISSN 1390-4272 Impreso
ISSN 2528-7737 Electrónico
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Sotomayor y Ávila. Características higroscópicas de las maderas Spathodea campanulata
I. INTRODUCCIÓN
El concepto de estabilidad dimensional de una pieza
de madera se reere a la magnitud de su expansión
geométrica en respuesta al aumento en su contenido
de humedad (Kocaefe et al., 2015; Sargent, 2019).
Este fenómeno de higroexpansión se da en el dominio
higroscópico y presenta una marcada anisotropía (Patera
et al., 2013; Engelund et al., 2013; Nopens et al., 2019).
La fenomenología entre la madera y su contenido de
humedad está reportada en macro-escala por Engelund
et al. (2013) y en multi-escala por Derome et al. (2018).
La caracterización de la estabilidad dimensional de la
madera es de interés práctico en el diseño de edicios
y estructuras sustentables que están expuestos a
condiciones ambientales inciertas (Neagu et al., 2005;
Gereke y Niemz, 2010; Sargent, 2019), así como en la
elaboración de muebles (Ajuziogu et al., 2020), pisos,
instrumentos musicales y una diversidad de artículos de
madera.
Las principales estrategias para mejorar la
estabilización dimensional de la madera son:
tratamientos hidrófobos para supercies y tratamientos
de impregnación con agentes de relleno (Kocaefe et
al., 2015), la modicación con procesos químicos
(Sandberg et al., 2017, Gérardin, 2016) y la modicación
con tratamientos termo-higro-mecánicos (Esteves y
Pereira, 2009; Laine et al., 2013). En este contexto, el
impregnado con sales de boro es un conjunto de técnicas
que pretende optimizar la protección de la madera de su
deterioro biológico (Tsunoda, 2001; Temiz et al., 2008;
Thévenon et al., 2010; González-Laredo et al., 2015;
Obounou-Akong, 2015) y de su variación dimensional
(Ayrilmis, 2013; Kotlyarova y Stepina, 2018). En esta
tecnología, la retención es el indicador de la cantidad de
sustancia que conserva una pieza de madera, por unidad
de volumen, después de un tratamiento de impregnación
(Berrocal et al., 2004; Koumbi-Mounanga et al., 2015).
El nivel de estabilidad dimensional de una especie
de madera se evalúa con las higroexpansiones lineales y
volumétrica (Tiryaki et al., 2016; Fu et al., 2019). Estos
parámetros son útiles para caracterizar las propiedades
físicas de una especie. Sin embargo, para homogeneizar
resultados con respecto a la variación del contenido de
humedad, es conveniente determinar los coecientes
de higroexpansión, los cuales ponderan la variación
geométrica por el incremento en el contenido de humedad
(Torelli y Gorišek, 1995; Lesar et al., 2011). Para nes de
valoración del efecto de un proceso de estabilización
dimensional, se utiliza el índice de antihigroexpansión,
que contrasta los estados de la madera antes y después
del tratamiento de humectación (Dubey et al., 2011;
Islam et al., 2012; Soltani et al., 2013; Qian et al. 2013;
Jiang et al., 2015; Giridhar et al., 2017, Qian et al.,
2018). En el mismo contexto, la relación de anisotropía
es el parámetro que calica la estabilidad dimensional
respecto a sus ejes tangencial y radial (Hernández, 2007;
Shukla y Kandem, 2010).
Por otro lado, existe evidencia empírica de que el
impregnado de la madera con sales de boro reduce
su higroscopicidad (Kartal et al., 2007; Lesar et al.,
2009; Caldeira 2010; Kotlyarova y Stepina, 2018). Sin
embargo, debido a la diversidad en las características
anatómicas entre especies y a las particularidades en
los procedimientos experimentales, este argumento
no se puede generalizar cuantitativamente para todas
las maderas (Sargent, 2019). Así, parece razonable la
caracterización de su comportamiento higroscópico
desde un enfoque de observación especie por especie y de
comparación entre una misma madera sin tratamiento y
una con tratamiento.
La hipótesis de trabajo de esta investigación plantea
que el impregnado de la madera con sales de boro reduce
su higroscopicidad y con ello mejora su estabilidad
dimensional. Para probar experimentalmente esta
propuesta, en probetas de pequeñas dimensiones
de Spathodea campanulata, Fraxinus americana y
Albizia plurijuga, antes y después del tratamiento de
impregnado con sales de boro, se evaluó la densidad
básica, contenido de humedad e higroexpansión, así
como los parámetros derivados: punto de saturación
de la bra, coeciente de higroexpansión, índice de
antiexpansión y relación de anisotropía. La hipótesis está
restringida a la metodología aquí desarrollada y para las
especies en estudio.
La presente investigación forma parte de la línea de
investigación sobre el efecto de sustancias protectoras en
las características físicas y mecánicas de la madera, línea
desarrollada en la Facultad de Ingeniería en Tecnología
de la Madera de la Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo, en Morelia, México. El material
experimental y el tratamiento de impregnación son
los mismos utilizados y reportados anteriormente por
Sotomayor y Ávila (2019). Con todo, los resultados de las
pruebas de higroscopía son originales e inéditos.
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Volumen 14, Número 35, Enero-Abril 2021, pp. 10 - 25
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
Se colectaron piezas de madera aserrada de
S. campanulata, F. americana y A. plurijuga en
Michoacán, México. Para cada especie se prepararon
20 probetas con dimensiones de 2 cm por 2 cm de
sección y 6 cm de largo, orientadas respectivamente
en las direcciones radial, tangencial y longitudinal de
la madera. Las probetas estaban formadas por madera
de duramen y libres de defectos de crecimiento. La
estrategia experimental consistió en dos etapas. La
primera consistió en el tratamiento de impregnación
por el método de baño caliente-frío y la segunda en
aplicar etapas de humidicación y secado. Antes
y después del tratamiento de impregnación, las
probetas se almacenaron 12 meses en una cámara de
acondicionamiento a una temperatura de 20°C (± 1 °C) y
una humedad relativa del aire de 65% (± 5%).
Tratamiento de impregnación
Las probetas se humedecieron durante ocho horas
en un baño de agua caliente con temperatura de 60ºC.
Posteriormente, se sumergieron en un baño frío con
una temperatura de 23°C durante 16 horas en una
solución acuosa con concentración al 3% de mezcla de
ácido bórico (trihidróxido de boro, 39,4%) y borato de
sodio (tetraborato de sodio, 60,6%). Antes y después del
baño caliente-frío, las probetas se pesaron y se midieron
sus dimensiones. Una vez terminado el tratamiento y
realizadas las mediciones pertinentes, las probetas se
almacenaron por 12 meses en las mismas condiciones
en que se estabilizó la madera antes del tratamiento.
Posteriormente, se realizaron las pruebas de higroscopía.
Pruebas de higroscopía
Inicialmente se pesaron y midieron las dimensiones
de las probetas con un contenido de humedad inicial
de equilibrio con las condiciones de la cámara de
climatización (CH
ini
). Posteriormente, se sumergieron en
agua a temperatura de 23°C durante 72 horas para lograr
un contenido de humedad (CH
sat
) mayor que el punto de
saturación de la bra (PSF). En este estado de humedad
se pesaron y se midieron nuevamente las dimensiones
de las probetas. En seguida, se secaron en un horno a una
temperatura de 103°C durante 72 horas. Finalmente, se
pesaron y se midieron sus dimensiones con un contenido
de humedad anhidro (CH
anhidro
). El dominio que va del
contenido de humedad inicial hasta el contenido de
humedad saturado se considera la etapa de hidratado, en
la cual tiene lugar el proceso de higroexpansión (Figura
1). El dominio correspondiente a la etapa de secado y su
consecuente fenómeno de higrocontracción no se analizó
puesto que, durante el hidratado, las sales de boro se
disuelven y su retención se modica (Ramos et al.,
2006, Lesar et al. 2009). Sin embargo, las mediciones
en estado anhidro se utilizaron para calcular el punto
de saturación de la bra (Fórmula 5), los contenidos de
humedad inicial (Fórmula 3) y el contenido de humedad
saturado (Fórmula 4).
Figura 1. Pruebas de higroscopía.