FISICA DE LA MADERA
FISICA DE LA MADERA
RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD UNIVERSIDA D DEL BIOBIO. CHILE
FISICA DE LA MADERA
INTRODUCCIÓN El aprovecha aprovechamiento miento de una especie maderera como materia prima de cualquier proceso industrial, depende entre
otros
factores de
las
propied propiedades ades físicas físicas de la la madera. madera. Las propied propiedades ades físicas físicas incluye incluyen n la humed medad y su efect ecto
sobre el compo mporta rtamie miento nto
cambio mbios s dime imensiona ionale les s de la made maderra.
de la mad madera era
Además más de
una una de
y los los
las las más 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
compo comporta rtamie miento nto
aniso anisotr trpic pico o e hig higros roscp cpico ico,, sus
propiedades físicas son también variables. El propied propiedades ades físicas físicas
conocimiento de de
las
básicas básicas de la mader madera a tales tales como conteni contenido do de de
humedad, densidad y cambios dimensionales, permite procesarla bien y me!or utili"ar la madera como material.
La humedad de la madera La presencia de agua agua en la madera es un hecho conocido, ya que ésta es indispensable para la vida de las plantas. Cuando el árbol es volteado, su madera conserva una cierta cantidad de agua que se locali"a tanto en los l#me l#mene nes s ce celul lulares res com como en en la la pa pared celula lularr y en en otr otros esp espacios ios que pueden presentarse presentarse en la madera. La cantidad de agua e$istente e$istente en la madera puede variar mucho seg#n la especie %pino o eucalipto&, eucalipto&, el tipo de madera %albura o duramen& duramen& y la edad de la madera %madera !uvenil o madera adulta&. RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD UNIVERSIDA D DEL BIOBIO. CHILE
FISICA DE LA MADERA
En relacin con la especie el pino radiata puede contener más agua que el eucalipto. La albura de una especie contiene generalmente más agua que el duramen de esa especie. La madera !uvenil de pino radiata contiene normalmente más agua que la madera adulta de esa especie. El contenido de agua o contenido de humedad puede definirse como la masa de agua contenida en una pie"a de madera e$presada como porcenta!e de la masa de la pie"a en estado anhidro El contenido de humedad de la madera se calcula con la e$presin siguiente' CH
=
masa agua masa anhidra
%(&
)onde' masa de agua * masa inicial madera + masa madera anhidra es decir, CH
=
P G − P 0
×
00 0
!"#
0
P 0
C* contenido de humedad que tiene como unidad porcenta!e. - * masa inicial de la madera que tiene como unidad gramos. -/ * masa de la madera en estado estado anhidro que tiene como unidad gramos.
)e
acuerdo
a
la
relacin 0, es decir al contenido de humedad
e$presado en base seca, valores de contenido de humedad por sobre un (//, lo cual significa que la masa de agua que la madera contiene es superior a la masa de la pie"a en estado anhidro.
Métodos medición contenido de humedad -ara determinar el conten contenido ido de
agua agua en la made madera, ra, se se utili" utili"a a con con frecu frecuenc encia ia el el método método
gravimétrico. 1e corta una probeta de un largo de 2 a 3 cm en la direccin de las fibras %4igura (& y se pesa con una precisin de /,( g %- &. En seguida, la RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD UNIVERSIDA D DEL BIOBIO. CHILE
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probeta se seca en una estufa a una temperatura de (/25 06C por 03 horas y
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se pesa nuevamente %- /&. 4inalmente se calcula el porcenta!e del contenido de agua con la relacin 0. -ara
obtener
un
buen
resultado
se
deben
tomar
varias
precauciones' La probeta debe cortarse no menos de (7 cm de los e$tremos de la tabla. 8o se debe de!ar pasar más de algunos minutos entre el corte y la primera pesada de la probeta, si no envolver la probeta en una bolsa $
%&lm de polietileno y mantener en un congelador ba!o 9(/ 6C. -ara determinar
la
distribucin de
agua en
el espesor de la
madera %gradiente de humedad&, se divide una probeta en tres secciones %4igura 0& + dos superficiales y una central: cada seccin se pesa, se seca en estufa a (/2 6C hasta peso constante, igual como la probeta para la determinacin del contenido de humedad. Además del método gravimétrico, otros métodos más rápidos para determinar
la
humedad
de la
madera son los métodos eléctricos
%$ilohigrmetro&. El $ilohigrmetro eléctrico mide la propiedades eléctricas de la madera, tales como la resistencia eléctrica y la constante dieléctrica. El $ilohigrmetro de resistencia es un instrumento que mide la resistencia eléctrica de la madera mediante electrodos en forma de agu!as montadas en el e$tremo de un martillo y que se clavan con un golpe en la madera. -ara utili"arlo
bien, es conveniente
conocer el principio
de su
operacin y sus limitaciones. La madera tiene una resistencia contenido de humedad y en
eléctrica que varia fuertemente con el
menor grado con la temperatura %4igura 2&.
Además depende de la especie. En el estado seco % a ;< de humedad y 0/ 6C& la madera es un muy buen
aislante eléctrico
con
una
resistencia
eléctrica apro$imada de (./// millones de ohm. En cambio, a 2/< de humedad la resistencia eléctrica es de 0// mil ohm, y a =/< de humedad la resistencia eléctrica de la
madera es de ((
mil ohns. La relacin entre
resistencia eléctrica cambia entre 0/< y (/< de
humedad por un factor
apro$imado de 3 mil, mientras que entre 7/< y 3/<, cambia solamente por un factor de 0. 1e desprende entonces, que la sensibilidad del instrumento es mucho más grande a madera. 8o obstante,
a contenidos
resistencia eléctrica es medicin es
ba!as humedades que a altas humedades de la de
agua por deba!o de
=<, la
tan alta %mas de (/./// millones de ohm& que la
casi imposible, como consecuencia
de corrientes
parásitas
pasando por el material aislante que separa los electrodos del instrumento. En la práctica el medidor de humedad de resistencia funciona bien entre las humedades
de contenidos de agua entre
=< y 07<, con una
precisin del orden de 5 0. Con todo e$isten en el mercado aparatos con escalas
de 7< o >< hasta (//< pero se debe tener
mucho cuidado al
interpretar los resultados fuera del rango de =< a 07<, ya que se pueden indicar valores muy imprecisos. Aparte del contenido de agua, influye también la temperatura. -or lo tanto, antes de tomar una medicin hay que esperar que la madera enfriado a la temperatura ambiente, o utili"ar
los factores
se haya
de correccin
indicados por el fabricante del aparato -or e!emplo si se mide el contenido de agua en una pie"a que tiene (0<, medidor
indicara efectivamente
(0< a 0/ 6C, pero (7< a 3/ 6C, (=< a >/6C y 0(< a =/ 6C. ?arios modelos traen incorporado un selector para corregir el efecto de la temperatura. La
indicacin
del medidor de
humedad puede también variar con diferentes
especies. 8ormalmente,
los medidores de fabricacin norteamericana son
calibrados para el pino oregn
%-seudotsuga men"iesii& y los de
origen
europeo para la especie haya %4agus sp.&, la epicea %-icea sp.& o un pino europeo. -ara otras especies y con mayor ra"n para especies chilenas, hay que recalibrarlos si se desea garanti"ar una buena precisin. La mayoría de los modelos traen incorporado un selector para corregir el efecto de las especies, pero generalmente hay que calibrarlos para las especies chilenas. La calibracin del instrumento para una especie determinada es bastante sencillo, básicamente basta con tomar mediciones con el medidor en una tabla y después cortar una probeta alrededor del punto de medicin y secarla en estufa. El problema puede ser encontrar un numero suficiente de probetas con contenido de agua homogéneos en los diferentes niveles de humedad de la madera. Además la presencia de una diferencia de humedad entre el centro y la superficie de la madera %gradiente de humedad& puede causar errores en la calibracin. @tras precauciones en el uso del medidor de contenido de agua del tipo de resistencia eléctrica que se deben considerar son' + 1i las probetas contiene una gran diferencia de contenido de agua entre el centro y la superficie %gradiente de humedad&, puede ser #til efectuar dos mediciones' na con los electrodos penetrando la superficie en algunos milímetros, y otra con clavos insertados en la probeta de tal modo que las puntas lleguen al centro de ellas. Los clavos deben tener la misma separacin que los electrodos y deben estar limpios sin o$ido. Los electrodos se ponen en
contacto bien a!ustados con las cabe"as de los clavos y la medicin se e!ecuta normalmente. Este método es complementario a la determinacin de distribucin de agua por corte de tres secciones en las probetas que se mencionan anteriormente. + Las tablas no deben estar impregnadas con ning#n producto ni tener revestimiento superficiales de ning#n tipo. Además, los sistemas de electrodos insertados permanentemente en pie"as de madera en todo el período de secado, tienen por ob!eto medir el contenido de agua continuamente e indicar para pie"a en forma digital o por pantalla en el terminal de una computadora. En varios sistemas se usan directamente para controlar y regular el secado. -or otra parte, el #nico otro método utili"ado en la industria es el medidor que funciona seg#n el principio de la capacidad eléctrica. En ve" de la resistencia eléctrica, mide una propiedad denominada la constante dieléctrica de la madera. Al contrario de la medicin seg#n el principio de la resistencia eléctrica, la medicin por capacidad depende de la densidad de la madera, por lo tanto, el aparato debe ser calibrado para cada especie. Este método es especialmente #til cuando se precisa conocer el contenido de agua en la superficie de la madera, lo que puede ser importante para el encolado o chapas. Los electrodos tienen forma de superficies planas y no daBan la madera porque no la penetran como los electrodos en forma de agu!as, empleados en el medidor de resistencia eléctrica. n $ilohigrmetro dieléctrico provisto de un sensor electromagnético permite medir la humedad en toda una superficie, pudiendo penetrar hasta unos mm al interior de la madera.
En adicin algunos medidores eléctricos permiten la posibilidad de almacenar datos, reali"ar cálculos estadísticos y descargar la informacin en un computador personal, lo que da mayor versatilidad al método. E$isten otros diversos métodos para medir humedad en la madera tales como radiacin infrarro!a, microondas o por destilacin, pero ninguno de ellos es de importancia practica para la industria maderera. 8o obstante, para medir el contenido de humedad o astillas de madera, se usan en la industria de los tableros, medidores a base de radiacin infrarro!a que favorece el secado rápido de las astillas y además integra el método gravimétrico con resultados mucho mas rápidos que los que se obtienen con madera slida en la estufa.
CONCEPTOS RELACIONADOS A LA HUMEDAD DE LA MADERA Como se menciona anteriormente la madera al ser cortada en el bosque se encuentra con sus l#menes celulares y paredes celulares saturados de agua. A esta condicin de humedad en la madera se le designa como contenido de humedad má$imo % C ma$.&. Como la madera es un material higroscpico absorbe o entrega agua de acuerdo a las condiciones ambientales, lo cual hace variar el contenido de humedad dependiendo del ambiente en que se encuentre. 1i se ha iniciado el proceso de pérdida de humedad, la madera entrega al ambiente el agua libre contenida en sus l#menes celulares hasta alcan"ar el punto de saturacin de las fibras %-14&, que corresponde al contenido de humedad en el cual se ha eliminado toda el agua libre del interior de los l#menes celulares y las paredes celulares se mantienen completamente cubiertas de agua. El contenido de humedad en el -14 depende de varios factores y es variable para las diversas
especies %cuadro (&. 1in embargo, para fines prácticos se acepta en general un 0=< como promedio.
Cuad%o &' Contenido de humedad má$imo Cma$ y punto de saturacin de las fibras -14 en la madera.
Especie
Chma !"#
PS$ !"#
pino radiata
((
0=,/
renoval canelo
(;>
0=,=
renoval rauli
((2
0,7
aromo australiano
(/(
0>, >
eucalipto !uvenil
(3;
2(,>
álamo
0(;
0,>
coigDe
(22
02,=
tepa (>> 07,0 %4uente: Escriba (;;(: Ananías (;=;a (;=;b: Chamorro y )ía" (;;0, 4lores y -eBa (;;0&
-or deba!o del punto de saturacin de las fibras y al continuar el proceso de pérdida de humedad, la madera comien"a a contenida en
sus paredes
celulares,
perder
agua
hasta alcan"ar un contenido
de
humedad en el cual el proceso se detiene. Este estado se designa como contenido de humedad de equilibrio %CE&.
El contenido de humedad de
equilibrio de la madera depende fundamentalmente de la especie %4igura 3&, la temperatura y la humedad relativa del ambiente en que se encuentre la madera %4igura 7&. La pérdida
de humedad por deba!o del contenido
de
humedad de equilibrio solo puede lograrse mediante secado artificial, el que permite
finalmente e$traer,
si se
desea,
madera, es decir llegar al estado anhidro.
toda
el agua contenida en la
LA DENSIDAD DE LA MADERA( La densidad de la madera e$presa la relacin 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 e$istentes. El contenido de humedad de la madera influye sobre la relacin madera + volumen, es
decir, es
afectado el
peso y
las dimensiones de la
madera. -or ello se conocen distintos tipos de densidad, entre ellas destacan la densidad básica y la densidad de referencia. La densidad básica considera masa anhidra y volumen de la madera saturada con agua, lo que se e$presa como'
S 0 g
=
P 0
V G
%2&
)onde' 2
1/ *densidad básica y tiene como unidad gcm . -/ * masa madera anhidra y tiene como unidad g. 2 ? * volumen madera saturada de agua y tiene como unidad cm . La
densidad de
referencia considera masa
y
volumen en las mismas
condiciones de humedad. La densidad de referencia a (0< de contenido de humedad, es de uso frecuente y se le conoce como densidad normal. La densidad normal se e$presa como' S ""
S"" ' de()&dad ($rmal !*+,m-# P"' ma)a al " de humedad !*ram$)#
=
P "
V "
%3&
V"' /$lume( al " de humedad !,m-# Además la densidad de la madera es un criterio usado para estimar las características de resistencia mecánica de la madera satisfactoriamente. 1e emplea también
como elemento
de !uicio para estimar la
material leBoso de una especie. 1e puede estimador de la facilidad
con que
cantidad de
usar
como
se de!a traba!ar la
madera
%cortar, cepillar, moldurar, etc.&. @ como indicador de la facilidad para tratar la madera %secar e impregnar&. 8ormalmente las de
mayor
densidad
presentan
maderas una
me!or
resistencia
mecánica y una mayor cantidad de material leBoso, pero se de!an traba!ar y tratar con mayor dificultad. )e
acuerdo
a
la
densidad
clasificarse técnicamente en maderas
normal
las
maderaspueden
livianas, semi+pesadas
y pesadas
%Cuadro 0 y Cuadro 2&. Como se ha visto, la densidad de la madera varia con la especie y depende además de la edad de los árboles %4igura >&. Con todo, la magnitud de la
densidad de
la
madera esta estrechamente relacionada con
la
estructura anatmica de la madera, particularmente depende del espesor de la pared celular de las fibras.
MEDICI)N DE LA DENSIDAD La determinacin de la densidad puede e!ecutarse midiendo la masa y el volumen de la madera mediante métodos muy sencillos. La medicin directa de la masa y el volumen de madera, se reali"a pesando la madera en una balan"a con una precisin de /,( g y luego
recogiendo las dimensiones en espesor, ancho y largo de la madera, para poder calcular con ellas su volumen. Cuando la madera no tiene una forma regular, se recomienda medir el volumen por inmersin en agua. na forma muy práctica de medir
el
volumen seg#n este método, esta basado en el principio de Arquímedes, esto es, se pesa un recipiente con agua y luego en el mismo recipiente con agua se introduce la madera sumergiéndola completamente y se vuelve pesar
el recipiente
con
la
madera
sumergida
en él
%4igura
&.
a La
diferencia de peso es igual al volumen de la muestra de madera, ya que 2
se asume que la densidad del agua es igual a ( gcm . 1i se desea determinar el volumen por inmersin en agua para estimar la
densidad de
referencia
a
impermeabili"ar previamente
(0 < de
humedad,
la norma sugiere
la muestra de madera con parafina slida
caliente, o usar un fluido de densidad conocida y que no tenga afinidad con la madera, tal como la inmersin mercurio. 1i se desea determinar la densidad básica de la madera, se debe saturar
con agua
la muestra
de madera,
luego medir
el volumen por
inmersin o por medicin directa y posteriormente secar en estufa a (/2 6C por 03 horas para obtener la masa anhidra de la muestra de madera.
LA CONTRACCI)N DE LA MADERA Como se menciona
anteriormente, la madera contiene una
cantidad de agua depositada en
los l#menes celulares y
cierta
en las paredes
celulares de las fibras. 8ormalmente cuando la madera intercambia humedad de la pared celular, se producen a consecuencia de este
intercambio,
variaciones en las dimensiones de
la madera, las
que son conocidas
como contraccin %4igura =& o hinchamiento. Como la madera tiene un comportamiento anisotrpico, los cambios dimensionales normales de la madera son de magnitud diferentes en direcciones
tangenciales,
radiales
y longitudinales.
las
La contraccin
tangencial es (,7 a 2 veces mayor que la contraccin radial %Cuadro 3& y la contraccin longitudinal
es normalmente despreciable en la madera. Las
diferencias entre contraccin tangencial y radial son debidas por una parte al potencial favorecimiento de la contraccin en el sentido tangencial que hacen las bandas de madera de verano, particularmente en coníferas, y por otra a la restriccin a los cambios dimensionales que e!ercen los radios leBosos en
la
direccin
radial
de
la madera. La limitada contraccin
longitudinal es debida a la orientacin longitudinal de los principales te!idos constituyentes de la madera %4igura ;&. Ciertos ocasionados
defectos que ocurren por las diferencias
particularmente el defecto
durante el
secado de
la madera son
de contraccin tangencial y
radial,
denominado acanaladura %4igura (/&. Fientras
mayor es la relacin CtgCrd las maderas son más nerviosas. Ggualmente la contraccin longitudinal e$cesiva puede ocasionar defectos denominados
encorvadura y arqueadura. Estos
los
defectos son
potenciados por lapresencia del grano espiral com#nmente presente en la madera !uvenil del pino radiata. -or otra parte,
también se pueden producir en
algunas especies,
tales como eucalipto, ciprés y muchas nativas, variaciones dimensionales anormales cuando sale agua de los l#menes celulares.
En este caso los
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cambios dimensionales anormales dan origen a un aplastamiento de las fibras de la madera, a lo cual se le denomina colapso. La contraccin se calcula comparando los cambios dimensionales con la dimensin inicial de las pie"as, seg#n la relacin siguiente' C
C
=
=
cambio d&m ensional
d&m ensión inicial
d i − d f d i
00
%7&
!1#
donde, C* contraccin en porcenta!e. di * dimensin inicial en mm.
d% ' d&me()&2( %&(al e( mm
LAS TENSIONES DE SECADO La contraccin que e$perimenta la madera al ser secada permite el desarrollo de esfuer"os mecánicos a través de su estructura. Estos esfuer"os son afectados por los cambios de humedad, las restricciones mecánicas, la anisotropía y el comportamiento viscoelástico de la madera, entre otros factores. En teoría, desde un punto de vista mecánico, el comportamiento viscoelástico de la madera implica por una parte que presenta propiedades elásticas, es decir los esfuer"os mecánicos que pueda desarrollar son proporcionales a la deformacin e independientes de la velocidad de la deformacin, y por otra presenta propiedades de un fluido viscoso, o sea, los esfuer"os son
proporcionales a
la velocidad de la deformacin,
pero
independientes de la deformacin. Así el comportamiento viscoelástico de la madera implica que los esfuer"os que desarrolla son funcin tanto de la deformacin como de la velocidad de la deformacin. -or lo anterior, cuando la madera se somete a fuer"as e$ternas prolongados en el tiempo o por corto tiempo pero superando el limite elástico, al liberar la fuer"a la deformacin asociada no se recupera completamente, quedando con una deformacin permanente como consecuencia del RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD DEL BIOBIO. CHILE
comportamiento viscoelástico de la madera %4igura ((&. Esta variacin de la deformacin en funcin del tiempo es denominada flu!o plástico o deformacin plástica. En adicin los cambios de humedad favorecen el desarrollo de esfuer"os higromecánicos, tanto o más importantes que la deformacin plástica. @tra característica importante dependiente del tiempo que presentan los materiales viscoelásticos es la rela!acin, lo que implica que la fuer"a necesaria para mantener el mismo nivel de deformacin disminuye con el tiempo, como consecuencia de una adecuacin por flu!o interno en la madera. Ambos el flu!o plástico y la rela!acin son fenmenos que se presentan durante la contraccin por secado de la madera. En teoría pero ahora desde el punto de comportamiento viscoelástico de la
vista anatmico,
madera es debido a
el
la particular
conformacin de la pared celular de las fibras, esto es, en base a cordones de microfibrillas de celulosa, que constituyen un esqueleto de gran resistencia, el cual queda envuelto por otras sustancias que funcionan como matri" básicamente lignina y hemicelulosa+ %4igura (0&. Esta matri" tiene las características de un material cuyo estado es entre slido y liquido, con un alto contenido de humedad y con gran capacidad de deformacin plástica. Así, si una fuer"a e$terna act#a sobre la madera, las microfibrillas de celulosa se deforman en forma elástica, produciendo una deformacin instantánea en las fibras y te!idos de la madera, debido a la rigide" propia de las microfibrillas. 1i la fuer"a permanece en el tiempo, se afectan los componentes de la matri" de hemicelulosa y lignina for"ándolos a fluir en forma continua, hasta alcan"ar un estado en que la deformacin de las microfibrillas de celulosa sobrepasan la resistencia de la matri" de hemicelulosa y lignina a la fluencia, produciendo el efecto de un flu!o plástico. Luego ai retirar la fuer"a e$terna, toda la energía elástica almacenada en las microfibrillas de celulosa es liberada, esta reaccin seme!ante a la de un resorte, tiende a devolver las microfibrillas de celulosa a su posicin original. -ero el proceso es retardado por las características viscosas de la matri" de hemicelulosa y lignina. H además e$iste una fraccin del total de energía viscoelástica que no es recuperable, debido a que el movimiento de los componentes viscosos de la matri" de hemicelulosa y lignina esta asociado a una pequeBa pérdida de RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD DEL BIOBIO. CHILE
energía en forma de calor. Esto implica, la ruptura de enlaces químicos por la nueva disposicin de las microfibrillas de celulosa y pérdidas por friccin entre las microfibrillas de celulosa y la matri" de hemicelulosa y lignina durante el flu!o de la matri". Como consecuencia de ello, la configuracin inicial de las microfibrillas de celulosa y de la matri" de hemicelulosa y lignina, no es totalmente
restablecida
y
se
produce como resultado una deformacin
permanente en la madera %flu!o plástico irrecuperable&. En adicin, tanto el contenido de humedad como la temperatura, tienden componentes
de
la
matri"
a
plastificar
los
de hemicelulosa y lignina y a reducir su
viscosidad, lo que hace disminuir las fuer"as de friccin entre las microfibrillas de celulosa y la matri" de hemicelulosa y lignina, favoreciendo la velocidad de la deformacin. ?olviendo a la práctica del secado, cuando una pie"a de madera esta en proceso de secado, el agua almacenada en la superficie y un poco por deba!o de la superficie de ella es eliminada al ambiente de circundante. Esta pérdida de agua superficial esta siendo reempla"ada por agua que se mueve desde el interior hasta la superficie de la madera, pero la superficie va quedando con menos humedad que el interior de la madera, formándose una distribucin de humedad desde el interior más h#medo hacia la superficie más seca, lo que se conoce como gradiente de humedad. A poco de iniciar el secado la superficie llega a un contenido de humedad por deba!o del punto de saturacin de la fibra equivalente al contenido de humedad de equilibrio del ambiente y el interior se encuentra todavía por sobre el punto de saturacin de la fibra y por lo tanto libre de contraccin. En cambio la superficie seca puede presentar una fuerte tendencia a contraerse. Así, como la madera es un material que act#a como un solo cuerpo bien cohesionado, si una parte de la madera presienta evidencias de contraccin y la otra no, la parte que tiende a contraerse genera esfuer"os internos de compresin sobre la parte de menor contraccin o que no se ha contraído. Esto es, el interior de la madera es comprimido por la superficie de la madera que tiende a contraerse pero su contraccin es impedida por la resistencia que opone el interior h#medo y sin contraerse de la madera. La madera queda su!eta a esfuer"os de compresin en el interior y compensada con esfuer"os de tensin en la superficie %4igura (2&. RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD DEL BIOBIO. CHILE
A esta situacin de esfuer"os se le denomina primera etapa del secado. En este caso si los esfuer"os de tensin en la superficie de la madera son de mayor magnitud que la resistencia en tensin perpendicular a la
fibra se
pueden producir las grietas superficiales. H si los esfuer"os de compresin en el interior de la madera superan la resistencia permisible por la madera perpendicular a las fibras puede contribuir al colapso de la madera. Cuando el interior de la pie"a esta en compresin, se produce un flu!o interno y sus dimensiones disminuyen, o sean son más cortas que la dimensin inicial. Este cambio en las dimensiones en el interior es debido al comportamiento viscoelástico y plástico de la madera. -or su parte la superficie de la madera tiende a un flu!o en tensin y sus dimensiones aumentan. Al continuar el proceso de secado, la situacin anterior ocasiona una inversin de los esfuer"os, en lo que se denomina segunda etapa del secado. El interior de la pie"a de madera ha perdido agua por deba!o del punto de saturacin de las fibras y comien"a a contraerse. Como tiene las dimensiones más pequeBas y la superficie esta alargada, como resultado de ello, el interior tiende a tensionar la cubierta de la superficie, la cual por su parte opone cierta resistencia a la traccin. Iueda entonces, el interior en tensin y la superficie en compresin %4igura (2&. En esta situacin, si las tensiones en el interior de la madera superan la resistencia perpendicular a la fibra permisible por la madera se pueden producir, las grietas internas.
MEDICI)N DE LAS TENSIONES DE SECADO( La medicin de las tensiones de secado se reali"an sobre probetas de madera e$traídas de una pie"a de madera, del mismo tamaBo como las de humedad o distribucin de humedad %4igura (&.
Luego son cortadas en forma de tenedor con una
pequeBa sierra cinta carpintera y se observa la reaccin de los dientes al momento del corte o después de 03 horas %4igura (3&. 1e considera que la madera esta libre de tensiones de secado si los dientes se mantienen rectos. 1i la reaccin de los dientes de las probetas tipo tenedor es hacia dentro, la madera tiene tensiones de secado y deben acondicionarse en ambiente saturado por más tiempo. 1i la reaccin es hacia afuera, se presentan tensiones invertidas y debe continuar un tiempo más el secado de la madera. RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD DEL BIOBIO. CHILE
Además de las probetas tipo tenedor, las tensiones pueden ser medidas por comparacin de la flecha de pie"as partidas en el espesor.
MECANISMOS DE MO*IMIENTO INTERNO DE HUMEDAD Los comple!os mecanismos de movimiento interno de agua durante el secado pueden describirse de manera simplificada como' (& Fovimiento capilar del agua libre en las cavidades celulares 0& )ifusin del agua ligada en la pared celular 2& )ifusin del vapor en las cavidades celulares.
MO*IMIENTO CAPILAR DE A+UA LI,RE El movimiento del agua libre en las cavidades celulares, es similar al transporte de agua a través de una caBería en que el agua que brota por un e$tremo es continuamente reempla"ado por el agua proveniente del interior. El movimiento capilar es debido a diferencias de presin y depende del tamaBo de los capilares o sea del tamaBo del lumen y de las punteaduras de las células. -articipa también la tensin superficial del agua, de manera simplificada la relacin es como sigue' P =
"γ
R
%&
)onde -* tensin capilar tiene como unidad at.
γ tensin superficial que tiene como unidad at+ um. *
J* radio capilar en um.
La tensin capilar es una diferencial de presin negativa, que genera un efecto de succin que act#a sobre el agua capilar y las paredes de las fibras RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD DEL BIOBIO. CHILE
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 tensin capilar asociada, facilita el movimiento de agua libre, pero puede ocasionar colapso, producir racimos de humedad y aspiara las punteaduras durante el secado de la madera. En la 4igura (7 se ilustra hipotéticamente, el movimiento del agua libre contenida en los l#menes celulares durante el secado de la madera. (' Los l#menes de las células están inicialmente completamente llenos de agua libre. E$cepto en dos, que muestran burbu!as de aire de distinto tamaBo. El secado ocurre desde la superficie de evaporacin, la cual esta e$puesta al aire. En este caso el radio capilar es relativamente grande y la tensin capilar pequeBa. 0' El agua de los l#menes más cerca de la superficie se ha evaporado, ba!ando la superficie de evaporacin
al nivel de las punteaduras de las
células. )isminuye en consecuencia el radio capilar. 2' El radio capilar es
reducido a un tamaBo del mismo orden de
grande"a que la burbu!a más grande, entonces la tensin capilar act#a sobre la interface aire +liquido que rodea la burbu!a, permitiendo la e$pansin de la burbu!a de aire. La e$pansin de la burbu!a, empu!a el agua desde el interior hasta la superficie de evaporacin. 3' El agua contenida en el lumen con la e$pansin de la burbu!a ha sido removida completamente. 1e observa que la célula más interna, ha secado primero y por tanto esta con menor cantidad de agua que células más cerca de la superficie. Estas #ltimas pueden en ocasiones quedar con humedad, debido
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a la e$pansin de las burbu!as de los l#menes interiores, en este caso si presentan los JACGF@1)E FE)A). 7' El radio capilar puede seguir reduciéndose, al internarse la superficie de evaporacin a través de la puntedura. Cuando alcance el tamaBo de la burbu!a menor, la tensin capilar actuara sobre ella permitiendo igual como antes, la e$pansin de la burbu!a y en consecuencia se empu!ará el agua de esta célula hasta la superficie de evaporacin. >' La e$pansin de la
burbu!a, ha permitido evacuar toda el agua
contenida en el lumen de la célula. ' La superficie de evaporacin contin#a internándose y llega ahora nuevamente al lumen de una célula interior con un mayor radio capilar. =' La evaporacin continua y la superficie de evaporacin llega otra ve" a las punteaduras, donde el radio capilar disminuye. -or la ausencia de burbu!as de aire, que absorban parte de la tensin capilar en su e$pansin, la tensin capilar tiende
a ser de mayor magnitud. Esta tensin act#a
principalmente sobre las paredes celulares, con un efecto de succin perpendicular a las fibras. Fuchas especies son capaces de soportar esta tensin capilar má$ima. ;'
La tensin capilar puede ocasionar el C@LA-1@ de la madera,
cuando el
radio capilar es demasiado pequeBo, que genera tensiones
capilares sobre la pared celular de las fibras que superan la resistencia en tensin perpendicular a las fibras.
Fuchas especies pueden desarrollar
además JGEKA1 G8KEJ8A1 locali"adas en la madera inicial. El pino radiata puede presentar este tipo particular de grieta interna en la madera inicial de madera !uvenil. RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD DEL BIOBIO. CHILE
(/' El
movimiento de
agua libre
continua
hasta
evaporarse
completamente.
DI$USION DE A+UA Alrededor del punto de saturacin de las fibras, el movimiento capilar pierde
importancia muy rápidamente, a consecuencia del predominio del
movimiento de las moléculas de agua ligada por difusin. El movimiento de agua ligada
por deba!o del punto de saturacin
de las fibras, se
produce como resultado de gradientes de contenido de humedad, entre los
pequeBos espacios submicroscpicos
de la pared celular. Este
movimiento es análogo a la difusin del té en el agua hirviente. Como en la pared celular las moléculas de agua están unidas en los sitios de sorcin por el enlace de hidrgeno, se requiere una cierta cantidad de energía para liberar la molécula de su lugar. Esta energía se incrementa a
medida que disminuye
la humedad de
la madera
%4igura (>&.
Al
romperse el enlace, la molécula se despla"a a un nuevo sitio de sorcin, hasta llegar a la superficie de evaporacin. )urante el secado de
la
madera, e$isten muchas moléculas de agua moviéndose de un sitio a otro, de la forma seBalada. La difusin de humedad a través de la madera, puede ser descrita en forma simplificada, para condiciones de flu!o constante por la primera ley de 4ic, como sigue' F
=
d S oa ⋅
∆CH
L
%=&
)onde
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0
4 *flu!o de humedad en gcm +s. MC *gradiente de humedad en 6(. 2
1oa *densidad nominal en gcm . L *largo en la direccin del flu!o en cm. 0
d *coeficiente de difusin en cm s.
En todo caso el transporte de agua ba!o el punto de saturacin de las fibras es un movimiento combinado de agua ligada y de vapor de agua %4igura (&. 8o obstante, es la difusin de agua ligada la que más contribuye al movimiento transversal de agua durante el secado difusin
de
vapor, ocasionada
por
gradientes
de
de
la madera.
presin
La
de vapor,
contribuye me!or al flu!o longitudinal y su efecto en la direccin transversal es más notable, cuando la madera esta más seca. Además de la humedad,
la temperatura y la direccin del grano, la
densidad de la madera condicionan la difusin de agua a través de la madera %4igura (=&. Como referencia, el orden de grande"a de la difusin de agua en algunas maderas chilenas se presenta en el Cuadro 7.
Cuad%o -' Coeficiente de difusin transversal a flu!o constante+ y 3/ 6C. d . &/0 !cm1 2s# Especie
tan3encia4
%adia4
37
>7.2
maBio
30.2
7.
canelo
7.3
=/.=
coigDe
>.;
=.7
pino radiata
%4uente' Ananías y utierre" (;=&
PERMEA,ILIDAD DE LA MADERA
@tra propiedad de la madera de la que depende el movimiento interno de agua es la permeabilidad. La permeabilidad de la madera es representada por la ley de )arcy. F
=
k ∆ P ⋅
η L
%;&
)onde 2
4* flu!o volumétrico de líquido que tiene como unidad c cm.at.s. k *
permeabilidad especifica de la madera que tiene como unidad darcy.
η*
viscocidad del fluido cp.
∆-*
gradiente de presin que tiene como unidad at.
L* largo de la madera en la direccin del flu!o en cm.
La permeabilidad, !uega un rol importante para el movimiento de agua capilar,
en cambio no lo es tanto para el movimiento difusional. En
particular el mecanismo de permeabilidad es relevante cuando se somete la madera a alta temperatura o ba!o vacío. La maderas más permeables corno el pino radiata se de!an secar más rápidamente que las maderas de menor permeabilidad como el eucalipto y muchas otras especies nativas. Además, la
permeabilidad de
la
madera es
un parámetro
que
depende fundamentalmente de la estructura anatmica de la madera, es decir del
tamaBo de
Cualquier
variacin
las de
punteaduras
y otras cavidades
estas características
anatmicas
celulares. afecta
la
magnitud de la permeabilidad de la madera, por lo que con frecuencia se RUBEN ANANIAS PROFESOR ASOCIADO DEPARTAMENTO INGENIERIA EN MADERAS. UNIVERSIDAD DEL BIOBIO. CHILE
presentan grandes variaciones de la permeabilidad en una misma pie"a de madera.
Cuad%o 5' -ermeabilidad transversal para agua en maderas nativas. 6.&/5 !da%c7# Especie
tan3encia4
%adia4
tepa %duramen&
>.7
=.7
renoval raulí %duramini"acin incipiente&
=.>
(/.(
renoval roble %albura&
3.=
(0.2
%4uente' Nauman et al. (;;3: 1ala"ar y ?argas (;;3
En adicin, la madera es mucho más permeable en la direccin longitudinal %figura (;& que en la direccin transversal %figura 0/&. Además, la presencia de duramen implica generalmente una reduccin en la permeabilidad de la madera, como consecuencia de tilosis y aspiracin de punteaduras. El grado de terminacin de la superficie limita además la permeabilidad de la madera, lo que puede favorecer la inactivacin de superficies para la aplicacin de adhesivos y pinturas
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