https://doi.org/10.37815/rte.v33n1.818

Artículos originales

Reacción
al Fuego de Tres Maderas Angiospermas Impregnadas con Sales de Boro

Reaction to fire of three angiosperm woods impregnated with boron salts

Javier Ramón Sotomayor Castellanos1 https://orcid.org/0000-0002-1527-8801

Luz Elena Alfonsina Ávila Calderón1 https://orcid.org/0000-0003-2646-2142

1 Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, México

[email-masked]

[email-masked]

Enviado:          2021/04/27

Aceptado:        2021/05/20

Publicado:        2021/06/30

Resumen

La madera
es un material combustible, motivo por el cual es importante investigar
técnicas para aumentar su resistencia al fuego. La retención de sales de boro
en la madera mide la idoneidad del tratamiento de impregnación y la aptitud que
tiene una especie para su preservación y reacción al fuego. Los objetivos de la
investigación fueron, por una parte, determinar su densidad aparente y su
capacidad de retención de sales de boro y, por otra, medir el tiempo de ignición
y la pérdida de masa en pruebas de reacción al fuego. La investigación comprobó
la capacidad de retención de sales de boro de Spathodea campanulata
(Tulipán africano), Fraxinus americana (Fresno blanco) y Albizia plurijuga
(Tepehuaje). Para cada especie, se impregnaron cuarenta probetas de pequeñas
dimensiones con el método de baño caliente-frío con una solución de ácido
bórico y borato de sodio con concentraciones de uno, dos y tres por ciento. Se
determinaron la densidad y el contenido de humedad de la madera.  Se realizaron pruebas de reacción al fuego
con duración de dos minutos y se midieron el tiempo de ignición y la pérdida de
masa. El impregnado de la madera con sales de boro aumenta la resistencia
aparente de la madera a la exposición al fuego. A medida que la densidad de la
madera aumenta, los tiempos de ignición se incrementan y, a la vez, se
disminuye la pérdida de masa.

Palabras clave: impregnación
de la madera, retención, densidad aparente, tiempo de ignición, pérdida de masa.

Sumario: 1 Introducción,
2 Materiales y Métodos, 3 Resultados y Discusión, 4 Conclusiones.

Como citar: Sotomayor
Castellanos, J. R., & Ávila Calderón, L. E.  A. (2021). Reacción al Fuego de Tres
Maderas Angiospermas Impregnadas con Sales de Boro. Revista Tecnológica
- Espol, 33(1), 35-48. http://www.rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/818

Abstract

Wood is a
combustible material; therefore, it is important to investigate techniques to
increase its resistance to fire. The retention of boron salts in wood measures
the suitability of the impregnation treatment and the aptitude of one species
for its preservation and reaction to fire. The objectives of this research are,
on one hand, to determine the apparent density of this kind of wood and its
capacity to retain boron salts and on the other hand, to measure ignition time
and mass loss in reaction to fire tests. The investigation verified the
capacity of retention of boron salts of Spathodea
campanulata (Tulipán africano), Fraxinus americana (Fresno blanco) and Albizia plurijuga
(Tepehuaje). For each species, forty small specimens
were impregnated with the hot-cold bath method with a solution of boric acid
and sodium borate with concentrations of one, two, and three percent. The
density and moisture content of the wood were determined. Fire reaction tests
were conducted lasting two minutes and the ignition time and mass loss were
measured. Impregnated wood with boron salts increases the apparent resistance
of wood to fire exposure. The density of the wood increases with the increase
of ignition time whereas mass loss decreases.

Keywords: Wood impregnation, retention, apparent density,
ignition time, mass loss.

1.    Introducción

La madera es un
material combustible, motivo por el cual arquitectos, diseñadores de elementos
de construcción y fabricantes de muebles se han preocupado por indagar sobre
las técnicas que permiten aumentar la resistencia de esta al fuego (Atar et
al., 2011; Bartlett et al., 2019). Para tal propósito, se han desarrollado
diferentes enfoques de investigación. Por ejemplo, aquel que efectúa pruebas
con configuraciones que simulan condiciones reales de incendio para así poder
recomendar criterios de diseño y cálculo estructural (Östman,
2017; Ali et al., 2019).  Otro enfoque,
en cambio, prefiere realizar pruebas de laboratorio con pequeñas probetas, con
el objetivo de estudiar las variables que intervienen en la fenomenología de la
reacción de la madera al fuego (Harada, 2001; Osvaldová, 2018). Otra perspectiva alude a las sustancias
preservantes y los métodos de impregnación con el fin de, a partir de la
caracterización del fenómeno de ignición de la madera, disminuir su deterioro
cuando se expone al fuego (Tondi et al., 2012; Wang
et al., 2017 Gaff et al., 2019).

La medición de los
niveles de retención de sales de boro en la madera facilita establecer la
idoneidad de un determinado tratamiento de impregnación y la aptitud que tiene
una especie para preservarse del fuego (Koumbi-Mounanga
et al., 2015, Pereira et al., 2017). Existe evidencia empírica de que, si una
probeta de madera de pequeñas dimensiones es impregnada con sales de boro y
expuesta al fuego, el tiempo de ignición y la pérdida de masa disminuyen (Sogutlu et al., 2011; Uner et
al., 2016; Jin & Chung, 2018). En este proceso intervienen, entre otros
factores, la especie, su densidad aparente, la retención de la sustancia
preservante, así como las condiciones de laboratorio en las cuales se realizan
las pruebas de reacción al fuego (Babrauskas, 2002; Osvaldová et al., 2016). La información revisada sobre el
tema en la literatura es amplia y los resultados hallados en esta son
diferentes en cada caso.

Como ya se
mencionó, uno de los factores que influye en el momento de evaluar el
comportamiento de la madera expuesta al fuego es la densidad aparente, porque
cuando esta aumenta el tiempo de ignición también se incrementa (Osvaldová, 2018). Por su parte, el tiempo de ignición, que
es un factor importante para evaluar el comportamiento de combustión de los
materiales, se define como el lapso requerido para percibir la flama sostenida
en la superficie de una muestra expuesta a un flujo de calor incidente, y,
cuanto más corto sea el tiempo de ignición, más inflamable será el material (Boonmee & Quintiere, 2002; Xu et al., 2015).

Entre tanto, la
pérdida de masa, como resultado de la exposición de la madera al fuego, puede
servir como indicador de la vocación de una especie para su empleo en
estructuras y productos. La literatura sobre el comportamiento de la madera
expuesta al fuego establece que la pérdida de masa es proporcional a la
densidad de la madera (Friquin, 2011; Rocha & Landesmann, 2016) y que la pérdida de masa depende,
principalmente, del tipo de especie maderable, de la temperatura y el tiempo de
exposición al calor ígneo (Ragan et al., 2016).

P. Beauv ha estudiado las características
tecnológicas de la especie Spathodea campanulata. Britton y Rose, además de otros autores, como
Silva et al. (2010), Sotomayor (2015) y Tamarit y López (2017), han estudiado
las especies Fraxinus americana y Albizia plurijuga (Standl.). Sin embargo, no se detectó información sobre su
reacción al fuego en un contexto en el que estas especies hayan sido
impregnadas previamente con sales de boro. Los objetivos de la investigación
fueron, por una parte, determinar su densidad aparente y su capacidad de
retención de sales de boro y, por otra, medir el tiempo de ignición y la
pérdida de masa en pruebas de reacción al fuego.

2.    Materiales
y Métodos

Las piezas de madera de S. campanulata,
F. americana y A. plurijuga se recolectaron en
aserraderos del Estado de Michoacán, México. Para cada especie se prepararon 40
probetas, con dimensiones de 0,02 m x 0, 02 m de sección y 0,4 m de largo,
orientadas, respectivamente, en las direcciones radial, tangencial y longitudinal
de la madera, tal como lo estipula la norma ISO 3129:2012 (International Organization for Standardization, 2012). Las probetas contenían solo madera
de duramen, libre de defectos de crecimiento. Se almacenaron en una cámara de
acondicionamiento durante 12 meses, con una temperatura de 20 °C (± 1 °C) y una
humedad relativa del aire de 65 % (± 2 %) hasta que su peso alcanzó un valor
constante. El material experimental de esta investigación corresponde al mismo
tipo que Sotomayor y Ávila utilizaron y reportaron (2019) en experimentos que
se realizaron de manera paralela a la presente investigación.

El contenido de humedad se calculó en un grupo adicional de
20 muestras, obtenidas del recorte que se efectuó, después de las pruebas, en
un extremo de las probetas, con dimensiones de 0,02 m × 0,02 m × 0,06 . El contenido de humedad se determinó por el método de
diferencia de pesos, que realiza su cálculo de acuerdo con la norma ISO
13061-1:2014 (International Organization for Standardization, 2014a). La
densidad aparente de la madera se determinó de acuerdo con la norma ISO
13061-2:2014 (International Organization for Standardization, 2014b). Cabe
señalar que, para aligerar el texto cuando conviene, se ha utilizado el término
“́densidad̀́” en lugar del concepto “densidad aparente”.

Proceso de impregnación

Las probetas se impregnaron con el método baño
caliente-frío, siguiendo el protocolo propuesto por Ávila et al. (2012). Se
prepararon 30 litros de solución de trihidróxido de
boro (ácido bórico, 39,4 %) y tetraborato de sodio
(borato de sodio, 60,6 %) con tres concentraciones: 1 %, 2 % y 3 %, tal como lo
establece la norma NMX-C-178-ONNCCE-2014 (Organismo Nacional de Normalización y
Certificación de la Construcción y Edificación, 2014). La madera se sumergió
durante 8 h en un baño de agua con temperatura de 60 ºC
y presión atmosférica. A continuación, las probetas se sumergieron durante 16 h
en un baño frío, con la solución de sales de boro a temperatura de 23 °C y
presión atmosférica.

La retención se determinó con la fórmula (1) (Simsek et al., 2013):

(1)

Donde:

R = Retención (kg m-3)

PDT = Peso después del tratamiento de
impregnación (kg)

PAT = Peso antes del tratamiento de
impregnación (kg)

C = Concentración de sales de boro (%)

VDT = Volumen después del tratamiento de
impregnación (m3)

Pruebas de
reacción al fuego

Las pruebas de reacción al fuego se llevaron a cabo
según el protocolo reportado por Sotomayor y Carrillo (2017). La metodología
implementada para dichas pruebas se dividió en las siguientes etapas:

1.
Se midieron el peso y las dimensiones de la
probeta antes del tratamiento.

2.
La probeta se posicionó en el dispositivo para
las pruebas de comportamiento al fuego (Figura
1). Su
orientación siguió la dirección radial, lo que coincidió con el flujo vertical
de la flama.

3.
La probeta se expuso durante 2 minutos al
fuego directo de la flama de un mechero de laboratorio tipo Meker-Fisher,
con regulación de aire y de gas, quemador de 0,03 m de diámetro y temperatura
máxima de 1300 °C.

4.
Con un cronómetro se midió el tiempo de
ignición (tign) definido de acuerdo con el tiempo que
transcurrió hasta que la ignición apareció en al menos tres de las caras de la
probeta expuestas a la flama.

5.
La probeta se retiró de la flama y se
interrumpió su combustión en una cama de arena.

6.
La masa de la zona carbonizada se retiró y,
luego, se procedió a medir el peso de la probeta después del tratamiento.

Figura 1

Dispositivo para las pruebas de comportamiento al fuego

La pérdida
de masa se determinó con la fórmula (2) (Gaff et al.,
2019):

(2)

Donde:

Δm = Pérdida de masa (%)

PAT = Peso antes de la exposición al
fuego (kg)

PDT = Peso después de la exposición al
fuego (kg)

Diseño experimental

Se examinaron tres unidades experimentales, que se
organizaron en torno a cada una de las siguientes especies: S. campanulata, F. americana y A. plurijuga. El factor de variación fue el tratamiento de
impregnación con cuatro niveles de concentración de sales de boro: 1 %, 2 %, y
3 %. El grupo de control fue el del nivel cero, y no se le dio tratamiento.
Para cada especie y cada concentración, se efectuaron muestras independientes
de diez probetas cada una, por lo que en total se analizaron 120 probetas (3 x
4 x 10). Las variables de respuesta fueron la densidad aparente (ρCH),
la retención de sales de boro (R), el tiempo de ignición (tign) y la pérdida de masa (Δm).
El contenido de humedad (CH) se consideró variable de referencia y no intervino
en los resultados.

Para cada variable se calculó su media (

), su desviación estándar (σ) y su
coeficiente de variación porcentual (CV = σ/

). Se determinó su normalidad en la
distribución con el criterio de demarcación para el sesgo estandarizado (SE) y
para el apuntamiento estandarizado (AE): [-2 < SE y/o AE < +2]; se
verificaron la igualdad de varianzas (Ver-var) con la
hipótesis nula:

, con un nivel de significancia de 5 %
(α = 0,05).  Luego, se practicaron
análisis de varianza (Anova) con la hipótesis nula:

, con
un nivel de significancia de 5 % (α = 0,05). El criterio de demarcación
fue aceptar una diferencia estadísticamente significativa para valores P(α = 0,05) < 0,05. Cuando no
se confirmó la normalidad en la distribución de las muestras, se realizaron
pruebas no paramétricas de Kruskal-Wallis de diferencia de medianas (

) para un nivel de confiabilidad del 95 %.
Para las pruebas no paramétricas, las hipótesis resultaron similares, pero se
emplearon las medianas.

3.    Resultados
y Discusión

Las maderas de S.
campanulata, F. americana y A. plurijuga alcanzaron un contenido de humedad
equilibrado, con un promedio de 10 %, un coeficiente de variación de 8 %. Estos
parámetros indican que la madera se acondicionó a un estado de humedad seco y
homogéneo, de tal forma que la variación en el contenido de humedad de la
madera no intervino de modo significativo en los resultados.

El impregnado de
la madera con sales de boro sí aumentó la resistencia aparente de la madera a
la exposición del fuego. A medida que la concentración de sales de boro se
incrementó, la pérdida de masa en la zona de combustión disminuyó (Figura 2).

Figura 2

Disminución de la sección transversal en función de la concentración
(C) en probetas de A. plurijuga

Densidad

Las magnitudes de las densidades de la madera sin
tratamiento (C = 0 %) de S. campanulata, F.
americana y A. plurijuga
(Tabla 1) son
similares a las reportadas en la bibliografía (Silva et al., 2010; Sotomayor, 2015; Tamarit & López, 2017). En el
siguiente cuadro (Tabla
1), las
densidades correspondientes a cada especie siguen el ordenamiento: S. campanulata
> F. americana > A. plurijuga. Además,
evidencia que los coeficientes de variación de la densidad de la madera sin
tratamiento aumentan o disminuyen dependiendo de la especie o de la
concentración. No se observa una tendencia definida hacia la disminución, pero
tampoco se advierte un aumento desproporcional ocasionado por el tratamiento.

Tabla 1

Resultados de las pruebas de exposición al fuego

C

ρCH

R

tign

Δm

(%)

(kg m-3)

(kg m-3)

(s)

(%)

S. campanulata

0

351

0

12,7

6,0

CV

(6,3)

-

(36,2)

(30,2)

1

351

2,3

11,3

6,4

CV

(6,4)

(4,6)

(30,1)

(26,5)

2

336

4,2

12,6

6,4

CV

(3,9)

(4,8)

(21,6)

(9,3)

3

340

6,4

11,1

6,4

CV

(8,5)

(6,4)

(10,8)

(4,6)

F. americana

0

654

0

11,6

6,2

CV

(5,6)

-

(13,6)

(6,7)

1

616

1,6

13,7

5,8

(CV

(3,6)

(9,5)

(1,6)

(9,1)

2

619

3,3

17,0

5,7

CV

(7,5)

(6,3)

(11,1)

(13,7)

3

610

5,3

21,5

5,5

CV

(4,8)

(10,2)

(7,7)

(10,0)

A. plurijuga

0

830

0

15,0

4,4

CV

(2,7)

-

(15,7)

(8,8)

1

831

1,3

19,3

3,9

CV

(2,2)

(9,8)

(14,7)

(6,7)

2

846

2,7

20,6

4,1

CV

(5,0)

(5,9)

(12,8)

(7,8)

3

816

3,7

25,3

3,9

CV

(2,8)

(7,3)

(5,9)

(2,5)

ρCH = Densidad; R = Retención; tign
= Tiempo de ignición; Δm = Pérdida de masa; C
= Concentración;

= Media; CV = Coeficiente de variación en
porciento y entre paréntesis.

Fuente: Elaboración
propia

Las distribuciones de todas las muestras resultaron
normales (Tabla
2), con
excepción de las de S. campanulata sin tratamiento (C = 0 %: SE y AE > 2).
Las pruebas de verificación y análisis de varianza no muestran diferencias
estadísticamente significativas (P(α
= 0,05) > 0,05) para S. campanulata y A. plurijuga (Tabla
3). Un caso
diferente corresponde a las densidades de F.
americana, las cuales muestran una diferencia significativa (P(α = 0,05) < 0,05). Las
pruebas de grupos homogéneos indican que, para S. campanulata, las densidades, según las
concentraciones (grupos de muestras en la Tabla 3), son homogéneas entre ellas.
En cambio, para F. americana y A. plurijuga
se agrupan y combinan en diferentes concentraciones.

Tabla 2

Resultados de las pruebas de normalidad

C = 0 %

C = 1 %

C = 2 %

C = 3 %

SE

AE

SE

AE

SE

AE

SE

AE

S. campanulata

ρCH

2,6840

2,8500

-0,5667

-0,5415

-0,0072

0,3682

0,5001

0,0054

R

-

-

-0,1245

0,4658

-0,6149

-0,4818

0,0429

1,3880

tign

1,6960

1,2850

-0,0591

-1,1030

0,5755

-0,7850

-0,3009

-0,2379

Δm

1,7510

0,5705

-0,8481

0,3336

1,3910

1,4280

0,7590

0,4514

F. americana

ρCH

0,2382

-1,2460

0,4932

-0,2227

0,2952

-0,6957

-0,8263

-0,9480

R

-

-

-0,2723

0,1108

-0,2013

-0,6870

0,7573

-0,6038

tign

-0,2959

-0,5296

0,0393

-0,4225

-0,8023

1,1660

1,0780

0,9941

Δm

1,8630

0,3033

-0,0572

-0,5249

0,9110

-0,1152

0,2073

-0,7578

A. plurijuga

ρCH

-0,0899

-0,8442

-0,5070

-0,5870

0,0227

-0,1543

-0,8722

0,5468

R

-

-

-0,1431

-0,7043

0,5075

-0,6602

-1,6640

1,1280

tign

1,725

0,6590

1,0740

0,1032

1,3510

0,6334

-0,8252

-0,6403

Δm

-0,3254

-0,1120

-0,6241

-0,7839

-0,7292

1,2100

-0,7764

0,2558

C =
Concentración; SE = Sesgo estandarizado; AE = Apuntalamiento estandarizado; ρCH = Densidad; R = Retención; tign = Tiempo de ignición; Δm
= Pérdida de masa.

Fuente: Elaboración
propia

Retención

Los resultados de las retenciones de sales de boro
obtenidos en esta investigación (Tabla
1) son
similares a los reportados en la bibliografía sobre especies mexicanas en las
que se han aplicado protocolos experimentales parecidos a los de esta
investigación. Sotomayor y Correa (2016) reportan para S. campanulata (ρCH = 357 kg m-3) una retención de 14,31 kg m-3; para
A. religiosa (ρCH = 419 kg m-3), una retención de 7,23 %; y para G. ulmifolia (ρCH = 739 kg m-3), una retención de 9,7 %. Por su parte,
Sotomayor y Villaseñor (2016) reportan valores de retención
que varían en el intervalo de 4,07 % hasta 14,18 % para diez
especies mexicanas: Tilia mexicana, Cupressus
lindley, Alnus
acuminata, Cedrela
odorata, Fraxinus
uhdei, Lysiloma
bahamensis, Fagus
mexicana, Caesalpinia granadillo, Platymiscium dimorphandrum y Quercus spp.
Los coeficientes de variación de las retenciones aumentan a medida que las
concentraciones se incrementan para S. campanulata, F.
americana y A. plurijuga,
(Tabla 1). No se
observa en estos una disposición relacionada con la especie o con la densidad.

Tabla 3

Resultados de las pruebas estadísticas

Ver-var

Anova

K-W

C

Grupos homogéneos

P(α = 0,05)

P(α = 0.05)

P(α = 0.05)

(%)

S. campanulata

ρCH

0,4344

-

0.2996

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

R

0,1111

< 0.0001

-

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

tign

0,1080

0.5679

-

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

Δm

0,0703

0.8787

-

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

F. americana

ρCH

0,1451

0.0312

-

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

R

0,0003

-

< 0.0001

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

tign

0,9857

< 0.0001

-

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

Δm

0,2446

0.0718

-

0

X

-

-

-

1

X

X

-

-

-

2

X

X

-

-

-

3

X

A. plurijuga

ρCH

0,1162

0.1403

-

0

X

-

-

-

1

X

X

-

-

-

2

X

X

-

-

-

3

X

R

0,0244

-

< 0.0001

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

tign

0,4610

< 0.0001

-

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

-

-

-

3

X

Δm

0,0849

0.0017

-

0

X

-

-

-

1

X

-

-

-

2

X

X

-

-

-

3

X

Ver-var= Pruebas de verificación de varianza; Anova = Prueba de análisis de varianza; K-W = Pruebas de
Kruskal-Wallis; C = Concentración; ρCH
= Densidad; R = Retención; tign = Tiempo de
ignición; Δm = Pérdida de masa.

Fuente: Elaboración
propia

Las distribuciones de los resultados de las
retenciones del grupo de control y de las muestras de las tres concentraciones resultaron
normales, con excepción de la retención alcanzada con la concentración de 2 %
para A. plurijuga (Tabla
2). Sin
embargo, los valores medios de la retención presentan diferencias
estadísticamente significativas de acuerdo con el nivel de concentración de
sales de boro y entre especies (Tabla
3). En el
mismo contexto, las pruebas de rangos múltiples indican que, para las tres
especies en estudio, existen diferencias entre los cuatro grupos analizados.

Las retenciones de sales de boro en S. campanulata,
F. americana y A. plurijuga disminuyen con relación a la
densidad de la madera (Figura
3a),
además, se observa una tendencia al agrupamiento en las magnitudes de las
retenciones a medida que la densidad aumenta, como es el caso para A. plurijuga.
Al respecto, es importante mencionar que las retenciones correspondientes a un
valor R = 0 (Figura
5a) se
refieren a las probetas sin tratamiento, es decir, una concentración de boro
igual a cero (C = 0 %). Por el contrario, en las tres especies del estudio, las
retenciones aumentan en función de la concentración utilizada y, cabe señalar,
que lo hacen con fuertes coeficientes de determinación (R2 = 0,99)
(Figura 4a). Estos resultados corroboran los reportados por Toker
et al. (2009) para maderas de Pinus brutia (ρCH = 532 kg m-3) y Fagus orientalis (ρCH = 520
kg m-3), sobre las cuales también se impregnaron concentraciones
similares de sales de boro. Igualmente, las magnitudes de las retenciones, considerando
las concentraciones utilizadas en esta investigación, son del mismo orden que
las encontradas por Temiz et al. (2008) para madera de Alnus glutinosa (ρCH = 503 kg
m-3) y Pinus sylvestris (ρCH = 520 kg m-3).

Figura 3

Dispersiones de a), la retención
(R); b), del tiempo de ignición (tign); y
c), de la pérdida de masa (Δm), en función de la densidad aparente (ρCH)
para las concentraciones de 1 %, 2 % y 3 % de sales de boro

Fuente: Elaboración
propia

Figura 4

Correlaciones y coeficientes de
determinación (R2): de a) la retención (R); b) del tiempo de
ignición (tign); y c) de la pérdida de
masa (Δm), en
función de las concentraciones de 1%, 2% y 3 % de sales de boro

Fuente: Elaboración
propia

Figura 5

Dispersiones de los tiempos de
ignición (tign) en función de las
densidades aparentes (ρCH) y sus
correlaciones, detalladas en la Tabla 4

Fuente: Elaboración propia

Tiempo de
ignición

Los tiempos promedio de ignición medidos, para S. campanulata,
F. americana y A. plurijuga (Tabla
1), son
similares a los reportados en la bibliografía (Tabla 5) para maderas mexicanas
cuyos protocolos experimentales fueron similares a los utilizados en esta
investigación (Sotomayor & Carrillo, 2017; Sotomayor et al., 2018; Sotomayor & Gallegos, 2018; Sotomayor &
Giraldo, 2017; Sotomayor & Osvaldová, 2017). Sin
embargo, a diferencia de lo reportado en la bibliografía, en la madera no
impregnada, no se observa una tendencia al aumento del tiempo de ignición a
medida que la densidad de la madera aumenta (Harada,
2001; Shi & Chew, 2019; Rocha & Landesmann, 2016). Estas tendencias se muestran en la
Figura 3b con modelos lineales empíricos (Tabla
4),
calculados a partir de los resultados obtenidos en esta investigación y de la
bibliografía (ambos enlistados en la Tabla
5). El
coeficiente de determinación de la correlación tign
= f(ρCH) se calculó
con los resultados de esta investigación (Tabla
4); su
resultado estableció que este es 64 % menor, en promedio, en comparación con
los coeficientes R2 de la bibliografía.

Tabla 4

Correlaciones de las Figuras 5 y 6

Autor

Correlación tign = f(ρCH)

R²

Esta investigación (2019)

tign = 0,0034 ρCH + 11,28

0,28

Sotomayor et al. (2017-2018)

tign = 0,041 ρCH - 6,54

0,71

Shi y Chew
(2012)

tign = 0,037 ρCH - 7,18

0,75

Rocha y Landesmann (2016)

tign = 0,065 ρCH - 3,53

0,76

Harada (2001)

tign = 0,059 ρCH - 5,66

0,92

Autor

Correlación Δm = f(ρCH)

R²

Esta investigación (2019)

Δm = -0,0029 ρCH + 7,31

0,51

Sotomayor et al. (2017-2018)

Δm = -0,019 ρCH + 27,12

0,89

Sotomayor y Carrillo
(2017)

Δm = -0,0085 ρCH + 10,15

0,94

Sotomayor y Gallegos
(2018)

Δm = -0,0244 ρCH + 322,46

0,85

tign = Tiempo de ignición; Δm
= Pérdida de masa; ρCH = Densidad;
R2 = Coeficiente de determinación.

Fuente: Elaboración propia

Tabla 5

Densidades aparentes, tiempos de ignición y pérdidas de masa para
maderas no impregnadas en la bibliografía

Especies mexicanas

ρCH

tign

Δm

Especies
internacionales

ρCH

tign

(kg m-3)

(s)

(%)

(kg m-3)

(s)

Sotomayor y
Carrillo (2017)

Harada (2001)

Tabebuia rosea

613

8

5,3

Cryptomeria japonica

299

13

Andira inermis

737

12

3,6

Thujopsis dolabrata

422

18

Juglans pyriformis

773

23

3,5

Pinus densiflora

433

19

Quercus spp,

866

30

2,6

Larix leptolepsis

524

22

Cordia elaeagnoides

996

34

2,0

Paulownia tomentosa

266

14

Sotomayor et al, (2018)

Juglans soeboldiana

547

23

Tabebuia donnell-smithii

448

17

20,8

Fagus crenata

581

32

Enterolobium cyclocarpum

504

17

18,7

Zelkova serrata

703

36

Tabebuia rosea

604

24

15,9

Quercus mongolica

772

44

Swietenia humilis

655

28

14,9

Shi y Chew (2012)

Lysiloma acapulcensis

685

31

10,4

Pinus contorta

447

11

Cordia elaeagnoides

1130

37

7,8

Fagus grandifolia

632

13

Tabebuia chrysantha

1234

49

4,2

Prunus serotina

558

11

Sotomayor y
Gallegos (2018)

Quercus rubra

897

24

Enterolobium cyclocarpum

458

10

11,8

Acer nigrum

748

26

Tabebuia rosea

624

16

5,7

Fraxinus, americana

680

19

Juniperus pyriformis

711

12

6,1

Rocha y Landesmann (2016)

Sotomayor y Osvaldová (2017)

Joannesia princeps

352

23

Abies religiosa

431

10

5,4

Cedrela, lilloi

422

25

Sotomayor y
Giraldo (2017)

Schizolobium parahyba

347

16

Gyrocaupus americanus

375

10

9,0

Ocotea porosa

584

43

-

-

-

-

Capsicodendron dinisii

471

20

-

-

-

-

Peltophorum dubium

627

33

-

-

-

-

Zanthoxylum chiloperone

739

44

-

-

-

-

Pinus caribaea

484

31

ρCH = Densidad; R = Retención; tign = Tiempo de ignición; Δm
= Pérdida de masa.

Fuente: Elaboración
propia

Los tiempos de ignición, para S. campanulata, F. americana y A. plurijuga, aumentan a medida que la densidad de la
madera se incrementa, tanto para el grupo de referencia (C = 0 %) como para las
tres concentraciones de sales de boro (Figura
3b). Se
observa igualmente una tendencia a la dispersión de los valores del tiempo de
ignición a medida que la concentración aumenta. Además, los tiempos de ignición,
para F. americana y A. plurijuga, aumentan
conforme la concentración de sales de boro se incrementa, con fuertes
coeficientes de determinación (Figura 4b). Estos resultados coinciden con los
reportados por Toker et al. (2009) para maderas de Pinus brutia (ρCH = 532
kg m-3) y Fagus orientalis (ρCH = 520 kg m-3), las cuales se impregnaron con concentraciones
de sales de boro similares a las que se utilizaron en esta investigación.  S. campanulata es un caso diferente, ya que muestra una
ligera tendencia a disminuir del tiempo de ignición y un coeficiente de
determinación muy débil.

Pérdida de
masa

Las magnitudes de la pérdida de masa observadas en S. campanulata,
F. americana y A. plurijuga (Tabla
1) son
similares a las que se reportan en la bibliografía para maderas mexicanas (Tabla
5). Las
pruebas de normalidad en las distribuciones de las muestras de las tres
especies, así como de las tres concentraciones de sales de boro y del grupo de
control (C = 0 %) fueron normales. Igualmente, para cada especie, en las
pruebas de verificación y análisis de varianza hay diferencias estadísticamente
significativas entre el grupo de control y las tres concentraciones estudiadas
(Tabla 3). Sin
embargo, con excepción de S. campanulata, tanto las densidades como los tiempos de
ignición y la pérdida de masa resultaron no homogéneos entre las cuatro
concentraciones.

La Figura
3c
evidencia que la pérdida de masa disminuye a medida que la densidad de la
madera aumenta (Figura
3c). Debido
a que el protocolo experimental utilizado en esta investigación es diferente al
reportado en la bibliografía, su contrastación es compleja. Sin embargo, esta
tendencia coincide con las que se muestran en la Figura
6. En la Tabla
4 se
detallan las correlaciones y coeficientes de determinación, así como las
correlaciones lineales construidas con datos recolectados en la literatura (Tabla
5).

Estos corolarios coinciden con los de Toker et al.
(2009) para maderas de Pinus brutia (ρCH = 532 kg m-3) y Fagus orientalis (ρCH = 520 kg m-3), impregnadas
con concentraciones de sales de boro similares a las que se utilizaron en esta
investigación. A partir de esta coincidencia se deduce que la pérdida de masa
disminuye cuando la densidad de la madera aumenta. El coeficiente de
determinación correspondiente a la correlación calculada, tomando como base los
resultados de esta investigación (Tabla
4), es en
promedio 57 % menor que los coeficientes reportados por los autores mencionados
en esta tabla. Respecto a la pérdida de masa en función de la concentración de
sales de boro, para F. americana y A. plurijuga,
se observan ligeras tendencias a la disminución. Un caso diferente muestra S. campanulata,
cuya regresión es positiva (Figura
4c).

Figura 6

Dispersiones de la pérdida de
masa (Δm) en función de las densidades aparentes
(ρCH) y sus correlaciones, detalladas
en la Tabla 4

Fuente: Elaboración
propia

4.    Conclusiones

El método baño caliente-frío permite impregnar con sales de
boro las maderas de S. campanulata, F. americana y A.
plurijuga. El tratamiento con concentraciones de 1 %,
2 % y 3 % no altera de manera significativa las densidades de estas tres
especies. El impregnado aumenta la resistencia aparente de la madera a la
exposición al fuego. Además, retarda los tiempos de ignición y disminuye la
pérdida de masa cuando la madera es expuesta al fuego en condiciones de
laboratorio.

La madera de S. campanulata
impregnada con las sales de boro al 3 % presenta las retenciones (6,4 kg m-3) y
la pérdida de masa (6,4 %) más altas y el tiempo de ignición menor (11,1 s).

Con todo, las magnitudes de las retenciones, los tiempos de
ignición y la pérdida de masa son diferentes para cada especie y concentración.
Las retenciones fueron proporcionales a la
concentración e inversamente proporcional a la densidad. Los tiempos de
ignición se incrementan a medida que la densidad de la madera aumenta y la
concentración de sales de boro aumenta. La pérdida de masa disminuye en función
de la densidad aparente de la madera. No se observa tendencias claras respecto
a la pérdida de masa en función de la concentración de sales de boro. Estos
resultados encuentren aplicación práctica en la selección e impregnado de la
madera para su uso en la industria de la construcción.

Referencias

Ali, S., Hussain,
S. A., and Tohir, M. Z. M. (2019). Fire test and effects of fire retardant on
the natural ability of timber: a review. Pertanika Journal of Science & Technology, (27), 867-895. http://psasir.upm.edu.my/id/eprint/68698/

Atar, M., Keskin, H., Korkut, S., and Korkut, D. S. (2011). Impact of impregnation with boron
compounds on combustion properties of oriental beech (Fagus orientalis Lipsky) and varnishes. African Journal of Biotechnology, (10), 2867-2874.  https://doi.org/10.5897/AJB10.1567

Ávila, L. E. A.,
Herrera, M. A., y Raya, D. (2012). Preservación de la madera en México. México: Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

Babrauskas, V.
(2002). Ignition of wood: A review of the state of the art.
Journal of Fire Protection Engineering, (12), 163-189. DOI:
10.1177/10423910260620482

Bartlett, A. I., Hadden, R. M., & Bisby,
L. A. (2019). A review of factors affecting the burning behaviour
of wood for application to tall timber construction. Fire Technology,
(55), 1-59. DOI: /10.1007/s10694-018-0787-y

Boonmee, N., & Quintiere, J. G. (2002). Glowing and flaming autoignition
of wood. Proceedings of the Combustion
Institute, (29), 289-296. DOI: 10.1016/S1540-7489(02)80039-6

Friquin, K. (2011).
Material properties and external factors influencing the charring rate of solid
wood and glue-laminated timber. Fire and Materials, (35), 303-327. DOI:
10.1002/fam.1055

Gaff, M., Kačík, F., Gašparík, M., Todaro,
L., Jones, D., Corleto, R., Osvaldová,
L. M., & Čekovská, H. (2019). The effect of
synthetic and natural fire-retardants on burning and chemical characteristics
of thermally modified teak (Tectona grandis L. f.) wood. Construction and Building Materials.
(200), 551-558. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.12.106

Harada, T. (2001).
Time to ignition, heat release rate and fire endurance time of wood in cone
calorimeter test. Fire and Materials,
(25), 161-167. DOI: 10.1002/fam.766

International
Organization for Standardization, Geneva (2012). ISO 3129:2012. Wood. Sampling
methods and general requirements for physical and mechanical testing of small
clear wood specimens. https://www.iso.org/standard/52489.html

International
Organization for Standardization, Geneva (2014a). ISO 13061-1:2014. Physical
and mechanical properties of wood. Test methods for small clear wood specimens.
Part 1:  Wood. Determination of moisture content for physical and mechanical
tests. https://www.iso.org/standard/60063.html

International
Organization for Standardization, Geneva (2014b). ISO 13061-2:2014. Wood. Physical and
mechanical properties of wood. Test methods for small clear wood specimens.
Part 2: Determination of density for physical and mechanical tests.
https://www.iso.org/standard/60064.html

Jin, E., & Chung,
Y.J. (2018). Fire risk of wood treated with boron compounds by combustion test.
Fire Science and Engineering, 32(3),
19-26. DOI: 10.7731/KIFSE.2018.32.3.019

Koumbi-Mounanga, T., Morris, P.
I., Lee, M. J., Saadat, N. M., Leblon, B. & Cooper, P. A. (2015).
Prediction and evaluation of borate distribution in Eastern black spruce (Picea mariana var. mariana) wood
products. Wood Science
and Technology, (49), 457-473. DOI:
10.1007/s00226-015-0714-z

Organismo Nacional
de Normalización y Certificación de la Construcción y Edificación. (2014). Norma Mexicana NMX-C-178- ONNCCE-2014
Industria de la Construcción. Preservadores para Madera – Clasificación y
Requisitos. https://www.onncce.org.mx/es/?option=com_merchant&view=category&cid=24

Osvaldová, L. M.,
Gaspercova, S., Mitrenga, P., & Osvald, A. (2016). The influence of density of
test specimens on the quality assessment of retarding effects of fire
retardants. Wood Research, (61),
35-42. http://www.centrumdp.sk/wr/201601/04.pdf

Osvaldová, L. M. (2018).
Density of test bodies and its effect on burning rate of fire-retardant treated
samples. MATEC Web of Conferences,
(213), 1-4. DOI: 10.1051/matecconf/201821303002

Östman, B. A. L. (2017).
Fire performance of wood products and timber structures. International Wood Products Journal, (8), 74-79. DOI:
10.1080/20426445.2017.1320851

Pereira, E. E., Mota, A.,
Cabral, J., Campos, T., Chaves, M. D., & Benigno, J. (2017). Influence of boron
compounds on the physical properties of Eucalyptus
sp. wood. Scientia Forestalis,
(45), 197-204. https://www.ipef.br/publicacoes/scientia/nr113/cap20.pdf

Ragan, B., Kačíková, D., & Paulďuro, M. (2016). Influence of physical and
chemical characteristics of selected tree species on mass loss and rate of
burning after exposure to radiant heating. Acta
Facultatis Xylologiae Zvolen, (58), 121-131. DOI: 10.17423/afx.2016.58.2.13

Rocha, M. A., &
Landesmann, A. (2016). Combustion properties of
Brazilian natural wood species. Fire and
Materials, (40), 219-228. DOI: 10.1002/fam.2281

Shi, L., & Chew, M. Y. L. (2019). Experimental study of woods
under external heat flux by autoignition: Ignition time and mass loss rate. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,
(111), 1399-1407. DOI: 10.1007/s10973-012-2489-x

Silva, J. A., Fuentes, F. J., Rodríguez, R., Torre,s P. A., Lomelí, M. A.,
Ramos, J., Waitkus, C., y Richter, H. G. (2010). Fichas de propiedades tecnológicas y usos de maderas
nativas de México e importadas. México: Comisión Nacional Forestal.

Simsek, H., Baysal, E., Yilmaz, M., & Culha,
F. (2013). Some mechanical properties of wood impregnated with environmentally-friendly boron and copper based chemicals. Wood
Research. (58), 495-504. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2010.04.028

Sogutlu, C., Demirci, Z., Dongel, N., Ozgur Imirzi, H., Doruk, S., & Yalınkılıc,
A. C. (2011). The determination of the resistance to burning of some wood types
impregnated with sodium borate solution. Wood Research, (56), 233-244. Disponible en:
http://www.woodresearch.sk/wr/201102/09.pdf

Sotomayor, J. R.
(2015). Banco FITECMA de características
físico-mecánicas de maderas mexicanas. México: Universidad Michoacana de
San Nicolás de Hidalgo. https://www.researchgate.net/

Sotomayor, J. R., y
Ávila, L. E. A. (2019). Retención y penetración de sales de boro en tres
maderas angiospermas: Spathodea campanulata,
Fraxinus americana y Albizia plurijuga. Revista Ciencia y Tecnología UTEQ, 12(2), 23-31. DOI: 10.18779/cyt.v12i2.323.

Sotomayor, J. R., y
Carrillo, M. I. (2017). Comportamiento al fuego de cinco especies mexicanas.
Estudio comparativo. Investigación e
Ingeniería de la Madera, (13), 4-38. https://www.researchgate.net/

Sotomayor, J. R., y
Correa, S. (2016). Retención de sales de boro en la madera y su
efecto en el módulo de elasticidad dinámico. Revista Científica, (24), 1-19. DOI:
10.14483/10.14483/udistrital.jour.RC.2016.24.a9

Sotomayor, J. R., y
Gallegos, G. (2018). Reacción al fuego de madera sólida y laminada
de Enterolobium cyclocarpum, Tabebuia rosea y Juniperus pyriformis. Estudio comparativo. Investigación
e Ingeniería de la Madera,
(14), 39-78. https://www.researchgate.net/

Sotomayor, J. R.,
& Giraldo, M. P. (2017). Resistencia al fuego de madera densificada. Investigación e Ingeniería de la Madera,
(13), 45-62. https://www.researchgate.net/

Sotomayor, J. R., Giraldo, M. P, Haurie, L.,
Lacasta, A. M., Montón, J., Palumbo, M., &
Navarro, A. (2018). Characterization of the fire behaviour of tropical wood species for use in the
construction industry. Investigación e Ingeniería de la Madera,
(14), 4-24. https://www.researchgate.net/

Sotomayor, J. R., y
Osvaldová, L. M. (2017). Resistencia al fuego de
madera laminada. Investigación e Ingeniería
de la Madera, (13), 4-21. https://www.researchgate.net/

Sotomayor, J. R.,
& Villaseñor, J. M. (2016). Retención
y absorción de solución de sales de boro de diez maderas mexicanas. Acta Universitaria, (26), 12-19. DOI:
10.15174/au.2016.835

Tamarit, J. C., y López,
J. L. (2007). Xilotecnología de los principales árboles tropicales de México. México: Instituto
Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias.

Temiz, A., Geze,r E. G.,
Yildiz, U. C., & Yildiz, S. (2008). Combustion properties of alder
(Alnus glutinosa L.) Gaertn.
subsp. barbata (C.A. Mey) Yalt.) and southern pine (Pinus sylvestris L.) wood
treated with boron compounds. Construction
and Building Materials, (22), 2165-2169. DOI:
10.1016/j.conbuildmat.2007.08.011

Toker, H., Baysal, E., Ozcifci, A., Simsek, H., Altun, S., Yapici, F., & Goktas, O.
(2009). Some combustion parameters of wood impregnated with borates. Forest Products Journal, 59(6),
85-89. https://search.proquest.com/openview/e54ab24b7db695f5c6da7a7dff261562/1?pq-origsite=gscholar&cbl=25222

Tondi,
G., Wieland, S., Wimmer. T., Thevenon,
M. F., Pizzi, A., & Petutschnigg,
A. (2012). Tannin-boron preservatives for
wood buildings: mechanical and
fire properties. European Journal of Wood
Products, (70), 689-696. DOI 10.1007/s00107-012-0603-1

Uner, I. H., Deveci, I., Baysal, E., Turkoglu,
T., Toker, H., & Peker,
H. (2016). Thermal analysis of oriental beech wood treated with some borates as
fire retardants. Maderas. Ciencia y tecnología, (18), 293-304. DOI:
10.4067/S0718-221X2016005000027

Wang, F., Liu, J., & Lv, W. (2017). Thermal degradation and fire performance of
wood treated with PMUF resin and boron compounds. Fire and Materials, (41), 1051-1057. DOI: 10.1002/fam.2445

Xu, Q. F., Chen, L. Z.,
Harries, K. A., Zhang, F. W., Liu, Q., & Feng, J. H. (2015). Combustion and
charring properties of five common constructional wood species from cone
calorimeter tests. Construction and
Building Materials, (96), 416-427. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.08.062