caracterización fisico-mecánica del pinus pinaster ait. procedencia

CARACTERIZACIÓN FISICO-MECÁNICA DEL PINUS PINASTER AIT. PROCEDENCIA
SIERRA DE OÑA (BURGOS), INFLUENCIA DEL FACTOR RECTITUD.
M. CASADO, M. GARCIA & L. ACUÑA.
Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal.
E.T.S. Ingenierías Agrarias. Avda. Madrid 57. 34004 Palencia.
INTRODUCCIÓN
La forma del fuste y en particular la rectitud es un factor importante en la calidad y
producción de madera en rollo y fibra ZOBEL & VAN BUIJTENEN (1989). En Pinus
pinaster Ait adquiere especial importancia de cara al aprovechamiento de la madera y a la
selección de progenies adecuadas, dada la tendencia de la especie a presentar fustes
sinuosos VIGNOTE (1996). Debido a la variabilidad natural de la especie y el elevado
número de procedencias que existen esta tendencia muestra extremos muy diferenciados;
la procedencia “Sierra de Oña” es una de las que presenta masas con fustes más torcidos e
inclinados GIL et al. (1990), SIERRA DE GRADO et al. (1999) y GONZALO & SANCHEZ
(1997), si bien también existen rodales con fustes perfectamente rectos.
Desde el punto de vista del aprovechamiento y la tecnología de la madera la
ausencia de rectitud en el pinaster, al igual que en otras especies, se considera
esencialmente como un defecto que deprecia la madera; primero por que dificulta el
aprovechamiento y disminuye el rendimiento de transformación de la materia prima en la
industria del aserrado y desenrollo, y segundo por que lleva asociadas propiedades
morfológicas negativas: madera de compresión, excentricidad y elipticidad.
OBJETIVOS
El conocimiento de las propiedades físicas y mecánicas de las maderas usadas
comercialmente permite comparar especies y procedencias desde un punto de vista
tecnológico y tiene una aplicación industrial inmediata, ya que al conocer cuales son las
características de cada madera es posible destinarlas al uso más apropiado, con el
consecuente ahorro de tiempo y esfuerzo en su transformación y una mayor calidad del
producto.
Se pretende determinar la influencia de la rectitud sobre las propiedades físicas y
mecánicas de la madera de pinaster procedencia “Sierra de Oña” dado que presenta una
tendencia genética hacia fenotipos torcidos y con mala conformación y que el factor
rectitud, como reflejo de otros factores es muy heredable TIMELL (1986). Para lograr estos
objetivos se actuará analizando los puntos siguientes:
1. Caracterización física y mecánica de la madera de Pinus pinaster Ait. de la procedencia
Sierra de Oña (Burgos) mediante el ensayos fisico-mecánicos sobre probetas de pequeño
tamaño y libres de defectos obtenidas a partir de trozas de 24 árboles. Las propiedades
determinadas se dividen en tres grupos:
I. Propiedades morfológicas: Madera de compresión, excentricidad, elipticidad
II. Propiedades físicas: Humedad, densidad, contracciones lineales y volumétricas e
higroscopicidad
III. Propiedades mecánicas: Dureza, resistencia a la flexión estática, resistencia a la
compresión axial y Módulo de elasticidad.
2. Análisis de la influencia de la clase de rectitud de los árboles de la muestra en las
propiedades físico-mecánicas analizadas.
MATERIAL Y METODOS
La muestra a estudiar está formada por 24 árboles, de los cuales 12 son rectos y 12
torcidos o inclinados en alguna parte de sus fustes. Los árboles se han seleccionado dentro
de las parcelas estudiadas por GONZÁLEZ (1999). Se eligieron árboles muy rectos (clase 2)
y muy torcidos (clase 5) según la clasificación de GALERA(1997) para reducir la posibilidad
de estimación incorrecta, evitando la clase 6 totalmente inservibles para obtener probetas
de ensayo, todos los árboles pertenecían a clases diamétricas superiores a 30 centímetros
con el fin de obtener un número suficientes por árbol de probetas de pequeñas
dimensiones y libres de defectos.
Figura 1. Clasificación de la rectitud según GALERA (1997)
Los árboles apeados se tronzaron para obtener
ã rodajas de 5-8 cm. de espesor a alturas conocidas (0.5, 2.5, 3.5, 5.5, 7.5 y 9.5
m.), con las cuales poder determinar el porcentaje de madera de compresión
existente en cada árbol
ã una troza basal de un metro, entre los 2,5 y los 3,5 m. de altura del árbol, a
partir de la cual se obtuvieron las probetas para los ensayos FERNANDEZ-GOLFÍN
et al. (1995), GUTIÉRREZ & BAONZA (2000).
Las rodajas se usaron para evaluar parámetros de forma del fuste; elipticidad,
excentricidad y porcentaje de madera de compresión. Para la observación de la madera de
compresión, se secaron hasta una humedad del 10-11 %, se cepillaron con el fin de
obtener una superficie de trabajo adecuada y se aplicó sobre ellas una mezcla pulverizada
de tolueno y glicerina en proporción 2:1 en peso LÓPEZ DE ROMA et al (1991)(foto nº2).
Sobre cada rodaja se determinó mediante planimetría y medición directa la superficie
ocupada por la madera de compresión. Los índices de elipticidad y excentricidad se
midieron según las siguientes fórmulas;
Las trozas fueron transformadas en tablones de 3 cm en una sierra de banda, se dejaron
secar convenientemente apilados en el laboratorio, hasta que su humedad se estabilizó al
12 %. Una vez secos los tablones fueron regruesados y cepillados hasta alcanzar su
espesor definitivo de 2 cm entonces se transformaron en listones paralelos al eje del árbol
con una sección de 2x2 cm. A partir de los listones se obtuvieron las probetas de ensayo,
con las dimensiones adecuadas y libres de defectos como; fibra torcida, fendas, nudos,
bolsas de resina y dimensiones inadecuadas, tal como recomienda la norma UNE
56.528.78 “Preparación de probetas para ensayos”.
Las dimensiones adecuadas para cada probeta y ensayo están fijadas en las normas
correspondientes (Tabla nº1).
Tabla nº1. Normas UNE empleadas y tamaños que fijan para las probetas de cada ensayo.
Propiedad
Norma UNE
Dimensiones (mm)
Humedad
56-529-77
20x20x25
Densidad
56-531-77
20x20x25
Higroscopicidad
56-532-77
20x20x40
Contracciones
56-533-77
20x20x40
Dureza
56-534-77
20x20x60
Compresión axial
56-535-77
20x20x60
Flexión estática
56-537-79
20x20x300
Los ensayos mecánicos se realizaron en la máquina universal de ensayos que posee
el Laboratorio de Maderas de la E.T.S.II.AA, la cual permite aplicar una carga a velocidad
y tiempo controlados, tal y como se recoge en las normas. Además, incorpora un software
adecuado para la gestión de los datos (Foto nº 3).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
Los resultados de los ensayos de las probetas de los 24 árboles se analizaron con el
programa de estadística STATGRAPHICS (serial nº 3872856) obteniéndose los valores
medios para cada propiedad y submuestra (rectos-torcidos). También se realizó un análisis
de varianza (ANOVA) para cada propiedad y la clase de rectitud, con la finalidad de
detectar las posibles diferencias que pudieran existir entre las submuestras y su nivel de
significación. La comparación de muestras en el test ANOVA se efectuó con el test de
Tukey para el análisis de las propiedades fisicomecánicas, pero para las propiedades
morfológicas se optó por el test W de Mann Whiteney (Wilcoxon) al no haber normalidad
en los datos. Los resultados se presentan en la tabla nº2 y 4.
Propiedades morfológicas
La tabla 2 muestra los valores estadísticos de las propiedades morfológicas para los
árboles rectos y para los torcidos.
Tabla nº2. Valores estadísticos de las propiedades morfológicas de las submuestras.
Se presentan los valores medios para cada propiedad, el p-valor y el nivel de significación
para el cual existen diferencias significativas según el test W de Mann Whiteney
(Wilcoxon). (***) α = 0,01
RECTOS
TORCIDOS
p-valor (nivel
Coef.
Coef.
Unidad
de
PROPIEDADES
Media
(%)
5,55
Elipticidad
(índice)
Excentricidad
(índice)
Madera compresión
Variación
(%)
Media
136,33
17,52
5,27
59,89
3,98
85,87
Variación
(%)
significancia)
66,52
2,95 108 (***)
9,84
81,44
0,0006 (***)
10,06
66,81
6,74 108 (***)
Como se puede apreciar el resultado de los análisis de varianza muestran que las
propiedades: elipticidad, excentricidad y madera de compresión se ven significativamente
afectadas por el factor rectitud del fuste. También se observa que la presencia de madera
de compresión en el fuste está íntimamente relacionada con la rectitud. La forma en que
esta afecta se debe sin duda a sus particulares características estructurales, ya que se
trata de madera con fibras más cortas, con mayor espesor de la pared celular,
mayor contenido en lignina y más huecos intercelulares TIMELL (1986), ZOBEL & VAN
BUIJTENEN (1989).
En lo que a las características morfológicas se refiere, los árboles torcidos presentan
diferencias significativas en relación a la excentricidad y elipticidad respecto a los rectos,
siendo el valor de estas variables el doble que en los árboles rectos. Estas propiedades
están frecuentemente vinculadas a la existencia de madera de compresión VIGNOTE
(1996).
El análisis de como afecta el porcentaje de superficie de madera de compresión en
las propiedades morfológicas del árbol indica que:
1. El nivel de excentricidad es un buen parámetro para estimar el % de madera de
compresión en los árboles estudiados.
2. La relación entre la excentricidad y el porcentaje de madera de compresión es
distinta según el tipo de árbol (recto o torcido) con mejores resultados para los
árboles rectos mediante un ajuste cuadrático tipo y = a + bx + cx2 (r2 = 81,98 %),
mientras en los árboles torcidos la tendencia lineal tipo y = a + bx refleja un
valor de r2 = 48,8 %.
3. La elipticidad no es un buen estimador del contenido de madera de compresión
en el árbol, el coeficiente de correlación es 0,43 y 0,58 para rectos y torcidos
respectivamente. Aunque los torcidos tienen un índice de elipticidad superior al
de los árboles rectos y a mayor valor de esta variable mayor % de madera de
compresión, no se ha encontrado una relación que permita predecir el contenido
en madera de compresión del árbol en función de su elipticidad, propiedad por
otra parte fácil de medir en el árbol en pie.
4. La forma curva del fuste está significativamente relacionada con el % de madera
de compresión como ya había constatado TIMELL (1986), WILSON & WHITE
(1986), ZOBEL & VAN BUIJETENEN (1989), en otras especies forestales. Los
árboles torcidos analizados presentan un 3,4% más de superficie de madera de
compresión que los árboles rectos.
Tabla 3. Análisis de la varianza según una regresión polinomial de la madera de
compresión en función de la excentricidad.
Variable dependiente: supfcom, variable independiente: excentricidad
Propiedades físicas y mecánicas.
En la tabla 4 se detallan las propiedades físicas y mecánicas cada una de las
submuestras rectos y torcidos.
Tabla nº4. Valores estadísticos de las propiedades físicas y mecánicas cada una de
las submuestras. Se presentan los valores medios para cada propiedad y el nivel de
significación para el cual existen diferencias significativas según el test de varianza de
Tukey. (n.s. = no significativo)
RECTOS
TORCIDOS
NIVEL
Coef.
Coef.
Unidad
PROPIEDADES
SIGNIFICAC
Media
Media
489,30
Variación
(%)
13,85
0,03
Densidad 12 %
(kg/m3)
478,76
Variación
(%)
9,24
Densidad anhidra
(kg/m3)
450,21
9,15
458,16
13,96
0,09
Higroscopicidad
(kg/m3)
3,05
19,13
3,01
20,44
n.s.
Contrac. Volumétrica
(%)
11,46
12,72
10,74
18,18
0,0000
Coef. contrac. Volum.
(%)
0,27
33,39
0,25
26,12
0,003
Contracción radial
(%)
3,93
22,64
3,68
25,88
0,0002
Contracción tangencial
(%)
6,81
16,53
6,38
21,65
0,0000
Contracción axial
(%)
0,28
95,84
0,40
76,00
0,0000
(índice)
1,91
28,92
2,12
34,87
0,003
Flexión estática
(MPa)
87,16
30,03
86,91
39,1
n.s.
Modulo de Elasticidad
(MPa)
10.137
13,39
9.213
20,91
0,0000
Compresión axial
(MPa)
45,45
14,03
48,09
22,33
0,0000
tangencial
Dureza
Propiedades físicas
Se observaque los árboles torcidos son significativamente más densos (0,490
3
gr/cm ) que los rectos densos (0,480 gr/cm3) coincidiendo con TELEWSKI (1989) y ZOBEL
(1989).
No se han encontrado diferencias significativas entre la madera de los árboles rectos
y la de los torcidos respecto a los fenómenos de absorción y desorción de agua, en
cambio si existen diferencias sobre los cambios dimensionales de la madera; los árboles
torcidos manifiestan una contracción axial 1,4 veces superior a la madera de los árboles
rectos, esta propiedad fue recogida por LÓPEZ DE ROMA (1991) para el Pinus Radiata y
citada por varios autores como característica habitual de la madera de compresión
JIMÉNEZ (1999), TIMELL (1986). Sin embargo las contracciones tangencial y radial son
significativamente superiores en los árboles rectos frente a los torcidos.
Propiedades mecánicas
Los resultados muestran que existen diferencias significativas según el factor
rectitud en relación a las propiedades mecánicas estudiadas.
Cabe destacar que los árboles torcidos tienen mayor resistencia a compresión axial
que los rectos, mayor dureza y menor módulo de elasticidad. La mayor resistencia a
compresión es un resultado lógico y previsible conociendo la función estructural que tiene
la madera de compresión y el mayor porcentaje de esta madera en los árboles torcidos
TELEWSKI (1989). La dureza de los árboles torcidos es 2,12 veces superior a los resultados
de los árboles rectos, consecuencia de la mayor densidad que manifiestan los árboles
torcidos, efecto debido nuevamente a que presentan mayor porcentaje de madera de
compresión TIMELL (1986).
La mayor densidad y dureza provocan que la madera sea más quebradiza y por lo
tanto menos flexible, como lo muestra el resultado significativamente menor del módulo de
elasticidad en la madera de los árboles torcidos frente los rectos.
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos permiten concluir que la ausencia de rectitud en fustes
con aprovechamiento comercial aumenta el riesgo de existencia de madera de compresión,
así como de los fenómenos morfológicos de excentricidad y elipticidad. Estas
particularidades de la madera en rollo disminuyen el rendimiento en materia prima
durante su transformación en las industrias de aserrado y desenrollo y dificultan su
aprovechamiento tecnológico.
Además, los resultados encuentran una relación significativa entre la ausencia de
rectitud y el contenido en madera de compresión en el tronco, esta variable influye
significativamente en las propiedades físicas y mecánicas de la madera. La madera de
árboles torcidos es más densa y presenta una mayor contracción axial lo que puede
ocasionar mayores deformaciones de las tablas durante su mecanizado y secado. Desde el
punto de vista mecánico es madera más dura y con mayor resistencia a la compresión
axial pero menor módulo de elasticidad.
En definitiva la falta de rectitud en las masas de Pinus pinaster contribuye a
devaluar la madera, a perdidas en materia prima y una peor calidad del producto.
AGRADECIMIENTOS.
El presente trabajo se engloba dentro del proyecto CICYT Nº AGF97-0809 titulado:
“Rectitud del fuste en Pinus pinaster Ait.; mejora genética y aplicación selvícola”.
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UNE 56-533-77. Determinación de las contracciones lineal y volumétrica. AENOR.
UNE 56-531-77. Determinación del peso específico. AENOR.
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UNE 56-537-79. Determinación de la Resistencia a la flexión estática. AENOR.
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ZOBEL, B. J., VAN BUIJTENEN, J. P.; (1989). Wood variation. Its causes and Control.
Springer-Verlag. Berlin.
Fotografía nº 1. Aspecto de los pies de Pinus pinaster en Oña (Burgos)
Fotografía nº 2. Rodaja de un pino de clase 5 de rectitud donde se observa; la
excentricidad, la elipticidad y en color más oscuro la madera de compresión.
Fotografía nº 3. Maquina universal donde se realizaron los ensayos mecánicos.