Material higroscópico

2.2.2.3 Sorción y permeabilidad del agua

La madera es un material higroscópico; puede adsorber y / o desorber el agua del entorno circundante, tendiendo a alcanzar una condición de equilibrio cuando la humedad relativa atmosférica (HR) es estable. Por lo tanto, el contenido de humedad (MC) de la madera es el contenido relativo de agua presente en el tejido de madera, que resulta de la condición natural (en el árbol vivo) o es el resultado de la acción de factores atmosféricos o de explotación que afectan al material durante un período más largo. La relación entre el contenido de humedad en equilibrio y la humedad relativa a temperatura constante se conoce como isoterma de sorción. La isoterma de sorción es una característica del material, pero está influenciada por la temperatura y el historial de sorción previo de la muestra examinada. En condiciones ambientales inestables de HR, la humedad de la madera está cambiando continuamente, y rara vez se alcanza el equilibrio (Popescu y Hill, 2013; Engelund et al., 2013).

En un árbol vivo, los valores de contenido de humedad varían entre especies de árboles, dentro del árbol, por ejemplo, entre albura y duramen; entre estaciones; y posiblemente también con la hora del día. Para las maderas blandas, el contenido de humedad del duramen es típicamente considerablemente menor que para la albura (Pallardy y Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013). Este no siempre es el caso de las maderas duras, para las que la relación entre el contenido de humedad en el duramen y la albura depende de la especie y también puede depender de la estación (Pallardy y Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013).

Se ha mencionado que el agua en la madera puede estar presente en tres estados diferentes (agua libre, agua congelada y agua no congelada; Nakamura et al., 1981; Berthold et al., 1996). Se considera que el agua libre es el agua capilar dentro de los lúmenes de las células, mientras que el agua enlazada interactúa con los polímeros de madera más o menos hidrófilos. La congelación de agua unidas ha asumido ser moderadamente atado a la pared celular, mientras que la no congelación está fuertemente ligado agua.

Teniendo en cuenta que los grupos hidroxilos de los polímeros de madera son los principales sitios de sorción, con bajo contenido de humedad, se sugiere que las moléculas de agua pueden unirse a dos grupos hidroxilos vecinos simultáneamente (Joly et al., 1996) formando la monocapa o agua fuertemente unida a grupos polares dentro de la pared celular. Esto se lleva a cabo con un contenido de humedad de hasta ~ 4%. Además, la adsorción polimolecular tiene lugar en el rango de un contenido de humedad que varía de ~ 4% a 12%, formando agua multicapa o débilmente unida al sustrato o en los grupos de agua más grandes. El fenómeno de la sorción capilar abarca el contenido de humedad de la madera de 12% a ~ 30% (punto de saturación de la pared celular). El punto de saturación de humedad es alcanzado por la madera cuando se mantiene el tiempo suficiente en un ambiente con un porcentaje máximo de humedad relativa y es una cantidad independiente de la especie de madera.

El contenido de humedad se expresa típicamente como un porcentaje de la masa de madera. Por lo tanto, con el mismo contenido de humedad, la masa de agua contenida en la madera es un valor diferente para cada especie de madera. La madera de mayor densidad contiene más agua que la madera de menor densidad con el mismo contenido de humedad.

La adsorción y desorción de agua se acompaña de cambios en las dimensiones lineales de la madera (hinchazón y contracción, respectivamente). Debido a la anatomía anisotrópica de la madera, sus deformaciones relacionadas con el contenido de humedad son diferentes para las direcciones longitudinal, radial y tangencial. El mayor cambio de tamaño tiene lugar en la dirección de los anillos de crecimiento anual (tangencialmente), menos transversal a los anillos y poco en la dirección del tallo. Además, diferentes tipos de madera se hinchan de manera diferente (Rowell, 2005; Hohne y Tauer, 2016).

La capacidad de absorción de la madera es la capacidad de la madera sumergida en agua (u otros líquidos) para absorberla. La absorción se define por tres parámetros, velocidad de absorción, capacidad máxima de agua y grado (coeficiente) de saturación. Sus valores numéricos dependen de la especie de madera (su densidad y porosidad), la zona del tronco (albura o duramen), el contenido inicial de humedad del tejido de madera, el tipo de líquido, el tamaño de la muestra y la dirección anatómica de la madera.

La permeabilidad de la madera es la susceptibilidad del material a la humectación y su capacidad para permitir que el líquido pase a través de él. Esta propiedad es importante, entre otros, para los procesos de impregnación (en la conservación de la madera) y la construcción. Los principales factores que determinan la susceptibilidad a la permeabilidad incluyen la anatomía de la madera, la zona de sección transversal del tronco (albura, duramen), la dirección anatómica y la presión del líquido.

La penetración del agua, cuando la madera se expone a la humedad, y la tasa de liberación, cuando se deja secar la madera, tienen una influencia significativa en la determinación del rendimiento y la vida útil esperada. Debido a que la permeabilidad al agua es uno de los factores clave que afectan el rendimiento de un componente de madera, ya que controla la posibilidad de descomposición de los hongos, se espera que las especies de madera que son menos permeables al agua tengan un mejor rendimiento que las especies permeables en clases de uso donde la madera está expuesta a la humectación intermitente. El tiempo de humedad también es un factor clave para el desarrollo de hongos, y se ve afectado por parámetros ambientales, incluidos el diseño, la física de los edificios y la exposición y el mantenimiento, que tienen un efecto notable en el rendimiento y varían mucho en toda Europa (Kutnik et al., 2014).

Las propiedades térmicas de la madera caracterizan el comportamiento de la madera bajo carga térmica, cuando la temperatura aumenta o disminuye. La temperatura es un parámetro importante, que influye en diferentes procesos tecnológicos y propiedades específicas de la madera. Entre las muchas propiedades térmicas de los materiales estructurales, las siguientes son las más importantes dentro del sector de la tecnología de la madera, calor específico, conductividad térmica y expansión térmica (Czajkowski et al., 2016).

El calor específico (capacidad calorífica específica) de un material se define como la cantidad de calor por unidad de masa del material necesaria para elevar su temperatura en 1°C y caracteriza al material en términos de su capacidad para acumular calor. Se considera que el calor específico de la madera es alto; por lo tanto, con la misma cantidad de calor proporcionada, su temperatura aumenta más lentamente que las temperaturas del metal o el vidrio. El calor específico de la madera afecta sus propiedades aislantes y su capacidad calorífica (Czajkowski et al., 2016; Glass y Zelinka, 2010).

La conductividad térmica específica de un material dado es su capacidad de conducir calor de lugares de temperatura más alta a lugares de temperatura más baja al pasar el flujo de energía radiante a moléculas adyacentes. Esta propiedad del material se describe por el valor numérico del coeficiente de conductividad térmica y cuanto mayor sea su valor, más calor conduce el material. La conductividad térmica de la madera aumenta al aumentar el contenido de humedad y la densidad. También depende de la temperatura de la madera y la dirección del flujo de corriente de calor en relación con la dirección del grano. Medido a lo largo del grano, el coeficiente de conductividad térmica de la madera es dos veces más alto que el medido en la dirección transversal al grano, es decir, 0,35 y 0,15 W/mK, respectivamente (Czajkowski et al., 2016; Glass y Zelinka, 2010).

La difusividad térmica es una medida de la rapidez con que un material puede absorber el calor de su entorno. Se define como la relación entre la conductividad térmica y el producto de la densidad y la capacidad calorífica. Debido a la baja conductividad térmica y a la densidad y capacidad calorífica moderadas de la madera, la difusividad térmica de la madera es mucho menor que la de otros materiales estructurales, como el metal, el ladrillo y la piedra (Glass y Zelinka, 2010).

La expansión térmica de la madera es una propiedad que aparece debido al aumento de la temperatura (calentamiento). Se caracteriza por el coeficiente de expansión lineal y volumétrica. La primera es la relación del alargamiento de una unidad de longitud de material dada por aumento de temperatura del material con su longitud inicial, mientras que la segunda se calcula de forma analógica. Al mismo tiempo, la expansión lineal calculada en dirección longitudinal es mucho menor que la radial o tangencial. Un bajo coeficiente de expansión longitudinal es una ventaja de la madera utilizada en estructuras de edificios (Glass y Zelinka, 2010).

Las propiedades acústicas de la madera son un grupo de características relacionadas con el curso de los fenómenos que acompañan el viaje de las ondas ultrasónicas y su influencia en otros parámetros físicos de la madera. La anatomía de la madera permite que el sonido viaje en direcciones paralelas y transversales al grano. Por lo tanto, la determinación de cada propiedad de la madera se lleva a cabo en tres planos anatómicos (direcciones) (Bucur, 2006). La velocidad de onda ultrasónica en la madera también se ve afectada por diferentes factores. Los cambios en el anillo de crecimiento, los defectos naturales, la humedad y la temperatura provocarán la atenuación de los parámetros ultrasónicos acústicos. Por ejemplo, la velocidad disminuye cuando el contenido de humedad es mayor en la dirección radial que en la tangencial. Las propiedades acústicas también están influenciadas por la densidad del material (Chen et al., 2012; Yang et al., 2015).