CELLUWOOD desarrolla vigas ecológicas con prestaciones

CELLUWOOD desarrolla vigas ecológicas con prestaciones

En el marco del proyecto europeo CELLUWOOD, el
Instituto Tecnológico del Mueble, Madera,
Embalaje y Afines, AIDIMA, ha desarrollado vigas
de madera encolada mediante adhesivos no
petroquímicos. Estos productos tienen unas
prestaciones en cuanto a resistencia y estabilidad
dimensional muy superiores a las de la madera
laminada convencional.
■ Miguel Ángel Abián
Dpto. de Tecnología y Biotecnología de la Madera
En diciembre de 2014 ha finalizado la tercera y última
anualidad del proyecto europeo CELLUWOOD
(Laminated
Strong
Eco-Material
for
Building
Construction made of Cellulose-Strengthened Wood).
El IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad
Empresarial) ha cofinanciado esta anualidad, también
cofinanciada por fondos europeos FEDER. También
cofinanció las anualidades 2012 y 2013.
El proyecto está también cofinanciado por el programa
Eco-innovation First Application and Market Replication
Projects, promovido por la Comisión Europea para la
eliminación y reducción del impacto ambiental y el uso
óptimo de los recursos, mediante soluciones “ecoinnovadoras” en procesos, técnicas, servicios,
productos o tecnologías. Todo ello está encaminado a
reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
El proyecto europeo CELLUWOOD está formado por
un consorcio internacional al que pertenece AIDIMA, la
Universidad de Brunel (Reino Unido), Chimar Hellas
(Grecia), Contemporary Building Design (Eslovenia),
Tecnifusta (España), InnovaWood (Bélgica) y la
empresa
británica
InWood
Developments,
coordinadora de la iniciativa. Las últimas reuniones del
proyecto se celebraron en AIDIMA el 7 y el 8 de julio, y
en INCAFUST (Instituto Catalán de la Madera), en
Gerona los días 3 y 4 de septiembre.
Edición: Diciembre, 2014
CELLUWOOD
desarrolla vigas
ecológicas con
prestaciones
mecánicas y
dimensionales muy
superiores a las
actuales
Reunión del proyecto en AIDIMA (7 y 8 de julio).
Objetivos del proyecto
El principal objetivo alcanzado en el proyecto ha sido
el desarrollo de materiales resistentes (vigas y
columnas) hechos a partir de madera encolada y
reforzada con nanocelulosa y bioresinas, destinados a
la construcción de edificios. El proyecto encaja en las
líneas del Instituto Tecnológico de desarrollo de
nuevos materiales derivados de la madera y de
evaluación no destructiva de la madera para
construcción.
Los principales resultados
proyecto son los siguientes:
obtenidos
en
el
1) Se han desarrollado bioadhesivos reforzados con
nanocelulosa usando tecnologías innovadoras. El
bioadhesivo reforzado con nanocelulosa cumple los
requisitos esperados en procesos de baja presión.
2) Se ha desarrollado con éxito una bioresina basada
en lignina. Este novedoso bioadhesivo puede curar a
temperatura ambiente y muestra mejor capacidad de
unión que las colas comerciales.
3) Se caracterizaron estructural y climáticamente las
vigas de madera laminada fabricadas con la bioresina
de lignina.
4) Se desarrolló un material de relleno para el interior
de columnas mediante un complicado proceso de tres
pasos: mezcla de serrín, tratamiento superficial del
serrín (mediante tecnología de recubrimiento por
aerosol) y modificación del yeso (mediante tecnologías
de superplastificación y ultrasonidos).
5) Se realizaron análisis de las vigas laminadas y de
las columnas de madera mediante el método de los
elementos finitos y la teoría de Euler-Bernoulli,
respectivamente. Se obtuvieron unos resultados muy
aproximados a la realidad, aplicando los coeficientes
de seguridad habituales para madera en construcción,
según establece el Código Técnico de la Edificación
(CTE).
6) Se desarrolló una nueva columna ecológica híbrida
de yeso/madera usando resinas y materiales
desarrollados en el proyecto.
7) Se realizó un análisis del ciclo de vida de acuerdo
con los datos ambientales de las materias primas
usadas en el proyecto y con las bases de datos
Ecoinvent.
Bioadhesivos
Una parte significativa de los esfuerzos del proyecto se
han centrado en
desarrollar adhesivos
no
petroquímico, hechos con materias primas renovables,
que puedan utilizarse para encolar madera.
Las bioresinas son polímeros (plásticos) hechos de
materiales orgánicos de origen biológico (maíz, azúcar,
recursos forestales, residuos agrícolas, etc.) y que por
tanto tienen una producción sostenible. No proceden
del petróleo y son neutrales en cuanto al carbono (es
decir, extraen tanto CO2 de la atmósfera como el que
añaden). Muchísimos objetos, desde embalajes a
teléfonos, pueden fabricarse con bioresinas. La
sustitución de los productos derivados del petróleo por
bioresinas es ya un hecho en multinacionales como
Jonh Deere, que fabrica cuerpos de tractores con
bioresinas, al igual que hacen Boeing y Airbus con
estructuras de aeronaves. Empresas como Basf y Dow
Chemical realizan grandes inversiones en el desarrollo
de bioresinas y bioplásticos.
Inicialmente, el material de relleno tuvo una resistencia
mecánica baja. Para solucionar esto se realizaron
varios trabajos que incluyeron la mezcla de distintos
serrines, el tratamiento superficial del serrín (mediante
tecnología de recubrimiento por aerosol) y la
modificación del yeso (mediante tecnologías de
superplastificación y ultrasonidos).
En comparación con tres clases de fibras naturales, se
determinó que el serrín era la mejor selección. Se
usaron 5 agentes químicos para modificar el serrín
mediante tecnologías de recubrimiento de aerosol. En
relación con el tradicional método de inmersión, el
recubrimiento por aerosol mejora significativamente la
modificación del serrín. Entre estos agentes, Na2SiO3,
la caseína y el epoxi basado en agua (water based
epoxy o WEP) dieron lugar a una buena mejora de la
resistencia mecánica del compuesto yeso-serrín.
Uno de los biadhesivos desarrollados ha sido una
bioresina basada en lignina y resina fenolformaldehído (PF). Esta resina es efectiva, tiene un
gran biocontenido y emite menos formaldehído que las
colas melanina urea-formol (MUF) existentes. Además,
es más económica porque la lignina es un biopolímero
que se extrae de la madera y de ciertas plantas, del
que se utiliza entre el 1 y el 2% para productos
derivados, y el resto de los 30 millones de toneladas
anuales estimadas que genera la industria papelera se
quema para obtener energía.
Esta bioresina presenta una capacidad de unión mejor
que la de las colas comerciales MUF, es adecuada
para encolar láminas de madera y ha resultado muy
eficaz para obtener vigas de madera laminada
encolada (glulam) más resistentes y flexibles que las
actuales.
Núcleo de las columnas CELLUWOOD, mezcla de serrín y
yeso.
Se han desarrollado también dos clases de adhesivos
para madera, basados en nanocelulosa: epoxi (o
poliepóxido) reforzado con nanocelulosa y caseína
reforzada con nanocelulosa. Ambos adhesivos
pueden usarse a temperatura ambiente con presión
baja, y mostrar una alta resistencia.
Usando el epoxi reforzado con nanocelulosa, la
resistencia a cizalladura puede aumentar más de un
40% con una adición de nanocelulosa del 5%. La
adición de nanocelulosa mejora significativamente la
resistencia de la unión.
Eco-columnas de madera
Se desarrollaron columnas de madera con láminas
externas de madera y rellenas interiormente con un
material que es resultado de la mezcla de serrín y
yeso. Este novedoso compuesto muestra varias
ventajas: 1) es respetuoso con el medio ambiente,
pues la adición de serrín fue hasta el 20%; 2) ligereza,
pues la densidad del material yeso-serrín es de 1,08
3
g/cm ; y 3) una mayor energía de rotura, que puede
2
alcanzar 37,13 kJ/m , lo que es 2,3 veces más que en
el caso del yeso.
Columnas finales CELLUWOOD.
Los ensayos de resistencia a compresión con las
columnas finales CELLUWOOD dieron lugar a valores
de 136,2 kN, en comparación con los 149,5 kN de las
columnas de madera maciza.
Eco-vigas de madera: ensayos preliminares
De forma preliminar, se produjeron en las instalaciones
de los socios del proyecto TECNIFUSTA e INWOOD y
de AIDIMA aproximadamente 120 vigas con tres
adhesivos distintos: PUR (poliuretano), epoxi y la
bioresina de lignina, a fin de comparar los resultados
de la nueva bioresina con los de los otros adhesivos,
de uso común en la industria. La especie de madera
utilizada para todas las vigas fue el abeto rojo (Picea
abies) clasificada estructuralmente como C24.
una fuente de emisión termoiónica y se trabajó con un voltaje
de aceleración de 5kV.
La resistencia de las vigas a flexión fue comprobada
preliminarmente por AIDIMA con una prensa hidráulica
y con un banco de ensayos dinámicos. Los resultados
obtenidos para las vigas hechas con bioresina fueron
2
anormalmente bajas (16-25 N/mm ) en comparación
2
con las vigas hechas con PUR (32-39 N/mm ) y epoxi
2
(41-45 N/mm ). A presiones moderadas, aparecía una
separación de las láminas (delaminación) por las
líneas de cola de lignina.
Eco-vigas de madera: ensayos finales y
caracterización del producto
AIDIMA, en colaboración con TECNIFUSTA, fabricó 20
vigas de madera laminadas, de dimensiones
nominales 120 x 120 x 2200 mm. Cada viga estaba
compuesta por tres láminas, encoladas mediante la
versión final de la bioresina de lignina. Todas las vigas
se hicieron con madera de abeto rojo (Picea abies), a
partir de madera clasificada como C24. Los resultados
de las vigas de bioresina de lignina se compararon con
los de vigas comerciales de la misma madera y
clasificadas como GL24h, encoladas con una resina
MUF.
El problema aparecido fue analizado por AIDIMA
mediante la realización de ensayos no destructivos
mediante ultrasonidos en las líneas de cola de las
vigas, así como estudiando éstas mediante
estereomicrospía y mediante microscopía electrónico
de barrido (Scanning Electronic Microscopy o SME).
Los resultados de los ensayos de ultrasonidos
mostraron velocidades de propagación muy bajas
(2100-2700 m/s en una muestra de 30 vigas) en
comparación con las velocidades de la madera maciza
de las vigas (5400-5900 m/s en una muestra de 30
vigas). Esto apunta a la presencia de discontinuidades
(huecos o grietas) en las líneas de cola por un mal
curado de ésta.
Los resultados de los ensayos anteriores llevaron a
cambios en la formulación y en las condiciones de
aplicación de la bioresina de lignina, hasta que se
obtuvo una versión final que volvió a ensayarse a
flexión, de forma preliminar, con resultados
2
satisfactorios (41-53 N/mm en una muestra de 15
vigas).
Los investigadores de AIDIMA evaluaron de manera
no destructiva, mediante técnicas de ultrasonidos, y
también de forma destructiva, siguiendo el
procedimiento marcado por la última versión de la
norma europea EN 408 (Estructuras de madera.
Madera aserrada y madera laminada encolada para
uso estructural. Determinación de algunas propiedades
físicas y mecánicas).
Los resultados de estereomicroscopía y de SME
mostraron que en todos los puntos de las líneas
analizadas aparecían cuarteamientos generalizados,
que pueden deberse a una reticulación excesiva, o
bien a un secado/reacción excesivamente rápido, y
una gran presencia de cargas inorgánicas. Ambos
hechos explican la baja resistencia estructural de las
vigas iniciales.
Evaluación de vigas de forma no destructiva mediante
ultrasonidos.
Vista con el microscopio electrónico de barrido Phenom
proG1 de una línea de cola de las vigas iniciales. Se empleó
Rotura de una viga CELLUWOOD, encolada con la bioresina
de lignina.
Máquina para el ensayo destructivo de resistencia a flexión.
Después de analizar los resultados, se concluyó que el
módulo de elasticidad (MOE) medio para las vigas de
lignina es un 45% superior al MOE medio de las vigas
comerciales MUF, clasificadas como GL24h.
Asimismo, el módulo de rotura (MOR) o resistencia a
flexión medio para las vigas de lignina es un 23%
superior al MOR medio de las vigas comerciales MUF,
clasificadas como GL24h. Por lo tanto, las vigas
desarrolladas ofrecen ventajas significativas en
cuanto a elasticidad y resistencia mecánica frente
a las vigas convencionales.
Rotura de una viga comercial GL24h.
La resistencia de las líneas de cola en elementos de
madera laminada encolada puede determinarse
mediante ensayos de esfuerzo cortante según la
norma EN 392 (Madera laminada encolada. Ensayo de
esfuerzo cortante en líneas de adhesivo). Para
ensayar según esta norma, se cortaron 10 pequeñas
muestras de 10 vigas CELLUWOOD. Las dimensiones
de las muestras siguieron los requisitos de la norma.
Antes del ensayo, las muestras se acondicionaron en
laboratorio hasta que alcanzaron una humedad de
equilibrio de aproximadamente el 12%.
Todos las muestras de ensayo cumplieron los
requisitos de la norma EN 386 para resistencia a
cortante y porcentaje de fallo por madera (PFM). Estos
resultados demuestran claramente que el encolado
de láminas de Picea abies con la lignina final de
resina es muy efectiva.
La norma 391 (Madera laminada encolada. Ensayo de
delaminación de líneas de adhesivo) es una norma de
producción de madera laminada encolada, que
determina si el producto es apto para salir al mercado.
Especifica un método de ensayo que mide la
delaminación de las líneas de cola después de un
tratamiento que consiste en sumergir las muestras en
agua dentro de un autoclave y luego en secarlas
rápidamente a alta temperatura; es, por tanto, un
método de ensayo de envejecimiento acelerado. Para
ensayar según esta norma, se cortaron 10 pequeñas
muestras de 10 vigas CELLUWOOD. Las dimensiones
de las muestras siguieron los requisitos de la norma.
Antes del ensayo, las muestras se acondicionaron en
laboratorio hasta que alcanzaron una humedad de
equilibrio aproximada del 12%.
Después de cada uno de los 3 ciclos especificados en
el Método A de la norma EN 391, el porcentaje total de
delaminación y el porcentaje máximo de delaminación
fue del 0% para todas las muestras procedentes de las
vigas CELLUWOOD. Por lo tanto, las muestras
cumplieron los requisitos de EN 386 para la integridad
del adhesivo en estructuras de clase de servicio 3, que
es la más exigente.
Muestra de ensayo después del proceso final de secado
especificado en el Método A (EN 391). No aparece
delaminación en las líneas de cola.
Considerando todo lo anterior, se concluyó que todas
las muestras cumplen los requisitos de la norma
EN 386 respecto a la integridad de las líneas de
cola y a la resistencia para estructuras de clase de
servicio 3.
Con respecto a la estabilidad dimensional, la diferencia
de humedad entre láminas fue inferior al 2%, lo cual
disminuye en gran medida el riesgo de que aparezcan
grietas o grandes tensiones en caso de cambios de las
condiciones ambientales. La contracción volumétrica
total (10,5%) y el coeficiente de contracción
volumétricas resultaron significativamente más bajos
que los correspondientes a la madera de abeto rojo
(Picea abies) usada para las vigas (12,6 y 0,45%,
respectivamente). Con respecto a la contracción, las
vigas CELLUWOOD son apropiadas para uso exterior.
El proyecto cuenta con la páginas electrónicas
www.celluwood.com
y
www.aidima.eu/laminatedstrong-eco-material-for-building-construction-made-ofcellulose-strengthened-wood.
Información adicional a través del correo electrónico
[email protected]
Además, la hinchazón volumétrica total (10,17%) fue
significativamente más baja que la correspondiente a
la madera de abeto rojo usada para las vigas
(13,20%). Con respecto a la hinchazón, las vigas
CELLUWOOD son apropiadas para uso en exterior.
• Proyecto financiado por el programa CIP Eco-innovation
First Application and Market Replication Projects de la
Comisión Europea
Estructura de vigas CELLUWOOD
Para ilustrar las posibilidades de las vigas
desarrolladas se realizó una pequeña estructura
formada por elementos prefabricados como los que
muestra la siguiente fotografía.
• Proyecto financiado por los Fondos Estructurales, a
través del Programa Operativo FEDER de la Comunidad
Valenciana 2007-2013
Elemento prefabricado CELLUWOOD para estructuras
(escala 1:5).
• Proyecto financiado por el Instituto Valenciano de
Competitividad Empresarial (IVACE)
Organismos colaboradores: Instituto Valenciano de
Competitividad Empresarial | Instituto Tecnológico del
Mueble, Madera, Embalaje y Afines AIDIMA | Red de
Institutos Tecnológicos REDIT