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En casi todos los productos de madera de ingeniería (EWP, Engineered Wood Products) se emplean adhesivos. Pero desde una perspectiva biofílica, algunos anhelan construir su casa sin emplear adhesivos a causa por la preocupación suscitada por los formaldehídos. Pero, ¿qué sabemos sobre los adhesivos que se emplean actualmente?, y, ¿qué nos espera el futuro inmediato en cuanto a los adhesivos de base biológica? Y una nota final sobre el proyecto Wood2new sobre la calidad del aire interior en las casas de madera.

 Primero debemos conocer cuáles y cómo son los adhesivos empleados en la construcción en madera. En este post, la madera de ingeniería que más se tratará es la madera contralaminada (CLT).

Los adhesivos para madera juegan un papel clave en la construcción en madera. Los adhesivos ayudan a ahorrar madera, y pueden ser usados para construir estructuras ligeras pero fuertes y para moderar la expansión y contracción debida a la retención de humedad inherente de la madera. Los modernos adhesivos para madera han sido diseñados para satisfacer las necesidades de la industria de la madera y están en constante evolución.

Los adhesivos se utilizan bajo condiciones controladas en la producción de los productos de madera de ingeniería (EWP) estructurales.  Estos productos incluyen madera aserrada unida por entalladuras (KVH), madera laminada encolada (MLE), tablones laminados (DUO, TRIO), madera contralaminada (CLT), madera contrachapada y madera microlaminada (LVL).

 

1. Tipos de adhesivos habituales:

Los tipos de adhesivos más comunes son el fenol-formaldehído (PF), el fenol-resorcinol-formaldehído (PRF), el adhesivo resorcinol-formaldehído (RF), el adhesivo a base de amino resinas (adhesivo melamínico-urea-formaldehído (MUF)), el adhesivo de poliuretano (PU o PUR) y el adhesivo de emulsión de polímero isocianato (EPI). En cada caso, las necesidades del producto final, la clase de servicio en obra (1, 2 ó 3) y el tipo de línea de producción influyen en la selección.

  • Los adhesivos a base de fenol, como el fenol formaldehído (PF), se utilizan principalmente en la producción de madera contrachapada estructural y madera microlaminada (LVL). El PF es la clase más antigua de adhesivos sintéticos. Es muy fuerte y duradero en condiciones secas y húmedas y presenta una gran adherencia a la madera. Son muy fáciles de manejar y el tiempo de vida de la mezcla puede ajustarse fácilmente mediante pequeños cambios de formulación. Los adhesivos de fenol tienen dos o tres componentes, se curan a altas temperaturas, sin endurecedor, y crean una junta adhesiva oscura duradera, frente a la humedad, pero visible. Han sido utilizados y probados para la producción de paneles composites de madera durante muchos años. El contenido de formaldehído libre emitido por el adhesivo PF en los productos de madera de ingeniería es menor que el emitido por los adhesivos MUF y UF (urea formaldehído). Son baratos.
  • Los adhesivos de urea-formaldehído (UF) son los más utilizados en la actualidad. Se emplean desde hace más de 60 años. Estos adhesivos de bajo costo son fáciles de usar en una amplia variedad de condiciones, se curan a bajas temperaturas, tienen excelentes propiedades térmicas y la resina curada no da ningún cambio de color a los paneles terminados.Los adhesivos UF liberan formaldehído en el ambiente interior a tasas más altas que otros adhesivos debido a su reducida resistencia a la humedad, especialmente cuando la temperatura ambiente aumenta. Estas condiciones resultan en la hidrólisis del enlace UF, que aumenta la tasa de emisiones de formaldehído. Como resultado, los adhesivos UF se encuentran con mayor frecuencia en productos utilizados en interiores de edificios, donde hay menos exposición a la humedad.
  • Los adhesivos de melamina urea formaldehído (MUF), o adhesivos de dos componentes melamínico-urea-formaldehído, se utilizan en la producción de muchos productos estructurales de madera, particularmente en la producción de tablones KVH (madera encolada por las testas mediante finger-joint y de madera laminada encolada (MLE). Llevan en el mercado más de 40 años. La MUF se cura a altas temperaturas y crea una junta adhesiva incolora. La melamina proporciona mayor resistencia y durabilidad al adhesivo, a la vez que reduce la tasa de hidrólisis, lo que ayuda a reducir las emisiones de formaldehído del adhesivo. En producción, las juntas de cola MUF aún no endurecidas contienen formaldehído libre, que puede emitirse durante el proceso de endurecimiento. Pero endurecidas las juntas de pegamento son completamente inofensivas. Es bastante caro.
  • Los adhesivos monocomponentes de poliuretano (PUR) se utilizan en la producción de finger joints, madera laminada encolada, troncos laminados y madera contralaminada (CLT) y madera laminada. El adhesivo de poliuretano también se utiliza para unir capas de láminas LVL (face bonding). Los adhesivos de poliuretano para madera se curan cuando se exponen a la humedad a temperatura ambiente (curado en frío) y crean una junta adhesiva incolora. Se preparan utilizando una reacción de poliol e isocianato, que crea enlaces de uretano. La ventaja del adhesivo PU es la reacción de los isocianatos con el hidrógeno activo en la superficie, el substrato o el aire, haciendo posible el encolado de superficies con diferentes contenidos de humedad. El tiempo de curado es relativamente corto, de 3 a 4 horas, lo que da como resultado una unión fuerte y duradera al agua. Durante el proceso de curado, se crea y emite una baja cantidad de CO2. Es fácil de manipular y apenas ensucia las máquinas de encolado y prensado. Las desventajas de los adhesivos de PU son las emisiones de isocianato y la mayor presión necesaria para la fijación.El PUR es un adhesivo libre de formaldehídos.Es bastante caro.
  • Los adhesivos de polímero de emulsión de isocianato (EPI) están hechos de adhesivos de dispersión y curados con isocianato. La línea de cola es de curado en frío, tiene alta flexibilidad, baja fluencia, no contiene formaldehído, no introduce un exceso de humedad en la madera y ofrece una excelente resistencia al agua, tanto en agua fría como en agua hirviendo. Los adhesivos EPI proporcionan una muy buena adherencia y por ello son muy adecuados para el encolado de maderas difíciles como la madera dura, que es un recurso con un gran potencial. Los adhesivos de EPI también se pueden utilizar para pegar madera a metal. Los adhesivos EPI se utilizan más comúnmente fuera de Europa en la producción de finger-joint de pequeñas dimensiones, madera laminada encolada y troncos laminados. Más caro que los basados en formaldehídos.

 

2. Los adhesivos y el fuego:

Los requisitos para la fabricación de la madera contralaminada (CLT) y la madera laminada encolada (MLE) son considerablemente diferentes entre países y, en consecuencia, influyen en su comportamiento frente al fuego. Se ha comprobado que la principal diferencia en los requisitos que influyen en la seguridad contra incendios son las diversas especificaciones de los adhesivos, mientras que otros factores no están suficientemente cuantificados o no varían mucho entre jurisdicciones. En los EE. UU. y Canadá, los adhesivos para la MLE deben pasar la prueba de calificación a una temperatura de 220 °C y una prueba de llama a pequeña escala. En el caso del CLT, esto se ha complementado en 2018 con el requisito de pasar una prueba de llama a pequeña escala y un exhaustivo método de prueba de compartimentos a gran escala para evitar que el carbón se desprenda (delaminación por calor) en caso de fuego. En Europa, Australia, Nueva Zelanda y Japón, los requisitos de adhesivo se elaboran teniendo en cuenta la delaminación inducida por el ciclo caliente-frío y húmedo-seco y, por lo tanto, no tienen en cuenta explícitamente los incendios, lo que aumenta el riesgo de un incendio prolongado dentro de un compartimento de madera (aunque en Australia y Nueva Zelanda es poco probable que esto suceda, ya que los requisitos estructurales sólo permiten adhesivos que no sean sensibles al calor).Se puede decir que, con respecto al comportamiento del adhesivo en el caso de incendio, Norteamérica es actualmente el país que presenta los requisitos más desarrollados y exigentes para la fabricación de CLT.

Algunos fabricantes tienen en cuenta el rendimiento del PUR de los CLT frente al fuego:

Las preocupaciones sobre la resistencia al fuego de los sistemas PUR son infundadas. Aquí, puede hacer fácilmente adaptaciones en los cálculos aumentando la tasa de carbonización. Sabemos que hay discusiones sobre estos aspectos, pero no los consideramos un gran problema“, dice Daniel Wilded, product manager de Martinsons.

Cuando el fuego llega a la junta adhesiva, las altas temperaturas pueden destruirla. Existe la posibilidad de que la capa de madera carbonizada aislante, que se forma en el proceso, se desprenda, aumentando así la carbonización. Este es un fenómeno relativamente raro que se puede tener en cuenta calculando una tasa de carbonización más alta“, explica Christian Lehringer, director de Engineered Wood Europe de Henkel, y añade: “Estudios científicos realizados por la ETH Zurich han demostrado que, en caso de incendio, las dimensiones de la madera contralaminada no son esenciales para las situaciones habituales, independientemente del sistema de adhesión certificado utilizado“.

 

 

3. Evaluación del ciclo de vida de los adhesivos utilizados en las construcciones de madera

Estudios recientes muestran que el adhesivo para madera es un punto caliente del ciclo de vida de los productos de madera de ingeniería. Se han encontrado contribuciones significativas a las siguientes categorías de impacto: calentamiento global, formación de oxidantes fotoquímicos, acidificación, eutrofización, toxicidad. Para todos los adhesivos, la producción de materia prima constituyó el mayor impacto en el resultado final de la producción debido a su alto consumo de materia prima fósil y al uso de energía.

Para la producción de CLT, el adhesivo de PUR de un componente tiene el menor impacto ambiental en comparación con otros adhesivos para las otras etapas del Análisis del Ciclo de Vida (aplicación, fase de uso y eliminación final), excepto para la eliminación final, en la que se observó un impacto similar al adhesivo MUF. El bajo impacto del PUR se debe, principalmente, a una baja cantidad de adhesivo y a que no se requiere ningún endurecedor adicional.

Para todos los adhesivos, la fase de uso tiene un mayor impacto en la toxicidad humana que la producción. En el caso de la MUF, la aplicación también tiene un mayor impacto que la producción (debido principalmente a la emisión de formaldehído).

El impacto de la eliminación final de los adhesivos fue menor en comparación con la producción de los mismos.

Desde que en los últimos años se inició la tendencia a la construcción de edificios modernos herméticos, ha aumentado el problema de las emisiones de formaldehído de los productos de madera en el ambiente interior.

En general, se considera que las emisiones de los productos de madera de ingeniería utilizados en la construcción, como el CLT, son muy inferiores a las de los productos compuestos de madera, como los tableros de partículas. Por lo tanto, para los productos de madera utilizados en la construcción, se espera que las emisiones sean mayores durante el proceso de fabricación que en la fase de uso.

A continuación, se describen el impacto en la salud y el valor umbral de los formaldehídos y los isocianatos emitidos por los adhesivos:

1. El formaldehído es un COV (Compuesto Orgánico Volátil), que se sospecha que causa irritación en los ojos, la nariz y la garganta. Se caracteriza por ser un carcinógeno humano causante de cáncer de nariz y garganta (según la IARC, Agencia Internacional de investigación sobre el Cáncer). La principal área de preocupación medioambiental con respecto a los adhesivos ha sido la emisión de formaldehído procedente de los productos encolados durante la producción y el uso, principalmente los que utilizan adhesivos UF (Urea Formaldehído). Los productos encolados con adhesivos a base de UF, como la madera contrachapada, el MDF y los tableros de partículas, se utilizan a menudo, por ejemplo, en carpintería de cocina y muebles, por lo que pueden provocar un aumento del nivel de formaldehído en el aire interior.

Los organismos reguladores y los consumidores han tomado mayor conciencia de los peligros del formaldehído y se han establecido niveles de emisión en todo el mundo con niveles que se considera que disminuyen de forma aceptable con el paso de los años. La más estricta hasta la fecha (2016) es la tasa de emisión japonesa (F****) de 0,04 ppm, que se está acercando al nivel de fondo del formaldehído. Según la OMS (Organización mundial de la Salud) y el Estándar Europeo E1, el nivel tiene que ser inferior a 0,10 ppm.

La concentración máxima en el lugar de trabajo (MAK) ha sido definida para tener un límite de umbral de 0,37mg/m3. La cantidad de emisiones de formaldehído emitidas por los adhesivos para madera (MUF, PF y PRF) depende del tipo de adhesivo. En el caso de MUF, se observaron emisiones más altas que en el caso de los adhesivos PRF y PF.

El debate sobre los formaldehídos se intensificó de nuevo a raíz de la última normativa europea CLP (clasificación, etiquetado y envasado), que entró en vigor en 2016 y que clasifica el formaldehído como un compuesto carcinógeno de categoría 1B.

No obstante, los fabricantes de tableros están utilizando adhesivos con muy baja emisión e incluso por el uso de otro tipo de adhesivos. La emisión de formaldehído se determina entre otros mediante el análisis de arrastre de gas en cámaras climáticas de acuerdo con la norma EN 717-2. La normativa de clasificación de tableros los clasifica como E1 (inferior a 3,5 mg/m2h) o E2 (superior a 3,5 mg/m2h e inferior a 8 mg/m2h) en función de los miligramos de formaldehído emitido por hora y por metro cuadrado de tablero. Actualmente el uso de tableros con baja emisión o E1 está generalizado, e incluso la tendencia es a minimizar aún más estos valores.

Las emisiones de formaldehído de los principales fabricantes de CLT según EN 717-1 o ISO 16000-3 están entre 0,01 y 0,04 ppm. Las emisiones de formaldehído son, por tanto, significativamente inferiores al límite de 0,1 ppm del Estándar Europeo E1.

La madera maciza emite, de forma natural, formaldehído. La madera de abeto, la habitual en el CLT, emite 0,0055 ppm, según EN 717-1, lo cual es inofensivo.

 

2. Los isocianatos son una familia de productos químicos altamente reactivos con bajo peso molecular. Los compuestos más utilizados son los diisocianatos, como el MDI (diisocianato de metileno difenil), el más empleado, y el HDI, que también se utilizan en los adhesivos PUR. El contacto directo con altas emisiones de isocianato puede causar irritación de las vías respiratorias y de los ojos. El contacto directo con la piel puede causar una inflamación marcada, y hay evidencia de que tanto la piel como la exposición respiratoria pueden llevar a la sensibilización de los trabajadores.

El peligro de exposición está directamente relacionado con la volatilidad y el peso molecular de los isocianatos. Los diisocianatos tienen un mayor peso molecular que otros isocianatos, y su volatilidad, presión de vapor y toxicidad es por lo tanto mucho menor que la de otros isocianatos. Se sospecha que el grupo NCO altamente reactivo de la molécula del isocianato tiene un impacto en la salud humana. Para determinar la calidad del aire se mide la concentración total del grupo NCO. La concentración máxima definida en el lugar de trabajo (MAK) del grupo NCO es de 0,02mg/m3.

Está bien documentado que los adhesivos a base de isocianato liberan monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y gases de cianuro de hidrógeno durante la exposición al fuego.

Isocianatos y CLT:

Los paneles CTL suelen ser muy gruesos y no es posible curar su adhesivo de forma económica en una prensa caliente. Por lo tanto, deben fabricarse con adhesivos para madera de fraguado en frío.

Muchos fabricantes de CLT usan los adhesivos PUR de un componente, representando menos del 1 % del peso de producto final, y usan los compuestos de isocianatos menos tóxicos, el MDI y el pMDI (polímero de MDI).

Porcentaje de adhesivos con respecto al peso de producto final de los CLT de los principales fabricantes, según sus declaraciones ambientales de producto (EPD):

  • El CLT EGO de Egoin: 0,63 % de cola PUR.
  • El CLT de Binder Holz: 0,985 % de cola PUR y un 0,03 % de MUF.
  • El CLT de Stora Enso: 1 % de cola PUR y EPI.
  • El CLT de KLH: 0,6 % de cola PUR, un 1,5 % de MUF y un 0,1 % de.

 

4. Los adhesivos de base biológica

El primer objetivo de la investigación fue encontrar un reemplazo seguro para los adhesivos a base de formaldehído. Actualmente, los isocianatos se están usando como reemplazo, pero presentan riesgos similares para la salud.

Los cambios en la legislación sobre el formaldehído y las certificaciones voluntarios y el interés de los consumidores por los productos sanos y sostenibles son actualmente los factores que impulsan la investigación sobre los adhesivos de base de biológica. Sin embargo, sufren de varios problemas diferentes que dificultan su uso industrialmente. Estos adhesivos son:

  • Taninos:

Proporciona una buena adherencia y mayor tolerancia a la humedad. Como el tanino es altamente reactivo con una vida útil corta, se están desarrollando nuevos reticulantes para ser menos reactivos que el formaldehído. Incluso si se desarrollan métodos de extracción, las tasas de extracción de taninos no son económicamente rentables para la mayoría de las especies de madera porque los taninos no están disponibles en todo el mundo para uso industrial. Además, los taninos tienen una alta viscosidad, un color oscuro y una composición variable que depende de la especie, las condiciones de crecimiento y el momento de la cosecha. Las modificaciones de los taninos se centran en disminuir la viscosidad para facilitar el manejo, aumentar la vida útil de la mezcla y crear un mejor entrecruzamiento (cross-linking). En regiones donde el tanino está fácilmente disponible, el tanino proporciona una alternativa industrialmente viable para los adhesivos sintéticos para composites de madera.

El tanino ha sido utilizado como adhesivo en la producción de tableros de partículas y MDF, así como en la producción de laminados y de unión de finger-joints.

Pruebas de resistencia con adhesivos de taninos

  • Lignina:

El principal problema es su extremadamente baja reactividad, lo que conlleva largos tiempos de prensado (y mayores presiones) y, por tanto, mayores costes de producción en la fabricación de EWP. Su éxito industrial ha sido por lo tanto pequeño, aunque la lignina ha sido probablemente la materia prima más investigada para aplicaciones de adhesivos para madera. La mayor parte de la investigación se ha realizado sobre la lignina industrial procedente de los procesos de fabricación de pasta en procesos de despulpado. Los mejores resultados se han logrado reemplazando, hasta un 30 %, el fenol en las resinas PF. Se ha intentado aumentar el porcentaje de lignina industrial en la resina final a través de diferentes modificaciones. Se tiene noticia del uso de una combinación de tanino/lignina para reemplazar el fenol y de diferentes reticulantes para reemplazar el formaldehído. La lignina de los procesos de biorrefinería ha sido menos investigada. Estos tipos de lignina son típicamente más cercanos a su forma natural que los de los procesos de despulpado. Hay muchas modificaciones inexploradas y formas de usarlas como adhesivos. Sin embargo, los métodos actuales no son lo suficientemente fuertes para aumentar la reactividad de la lignina al nivel que necesita para funcionar como un adhesivo para madera.

  • Almidón:

Los adhesivos a base de almidón proporcionan muchas ventajas para las industrias de madera maciza y madera contrachapada, ya que son fáciles de manejar, son de bajo costo y tienen bajas emisiones de formaldehído. Sin embargo, la falta de reactividad, la resistencia de adhesión, la estabilidad de almacenamiento y la tolerancia al agua de los adhesivos a base de almidón los convierten en un reto cuando se consideran las aplicaciones de los paneles industriales.

  • Soja:

Los adhesivos de proteína de soja, por otro lado, tienen un futuro prometedor. El desarrollo de nuevos reticulantes y agentes de curado ha permitido que las proteínas de soja estén disponibles comercialmente en el mercado norteamericano. Unos ejemplos son:  SoyStrong y PureBond. Aunque hasta ahora sólo se utilizan paneles “verdes” premium de mayor coste, existe un mayor potencial debido al precio relativamente bajo y a la amplia disponibilidad de la proteína de soja como subproducto. Son respetuosos con el medio ambiente, relativamente fáciles de manejar, y tienen bajas temperaturas de prensado que permiten reducir los costos de producción. Sin embargo, el uso de adhesivos de soja ha estado limitado durante mucho tiempo por su baja resistencia al agua, su sensibilidad a la degradación biológica y una relativamente baja resistencia mecánica de los composites de madera que se fabrican empleando dichos adhesivos.

No obstante, Yahya Mousavi ha desarrollado un adhesivo para madera de fraguado en frío sin formaldehído e isocianato utilizando proteína de soja. Los paneles unidos con este novedoso adhesivo pasaron la prueba de ebullición de dos ciclos, que es el requisito industrial para la producción de paneles de madera para exteriores.

Conclusiones:

Los bio-adhesivos también son más respetuosos con el medio ambiente que los que contienen formaldehído. Un análisis de la cuna a la tumba realizado por un equipo de Scion, que consideró los insumos directos e indirectos y la eliminación final, encontró que incluso con sólo un 10% de contenido de adhesivo, el MDF fabricado en Nueva Zelanda con el  bio-adhesivo Ligate tuvo un impacto ambiental un 22% menor a lo largo de su ciclo de vida, en comparación con el MDF fabricado con adhesivo petroquímico. La diferencia se debió en gran medida a que el bio-adhesivo utiliza menos petróleo crudo y tiene menos emisiones de transporte asociadas con su producción, y está asociado con menos impactos en la salud humana.

Los adhesivos de base biológica que están disponibles y son asequibles para la industria de la madera sufren tres problemas principales: baja resistencia a la humedad, baja reactividad (a excepción del tanino con su alta reactividad) y bajas propiedades adhesivas, y en muchos casos son caros.

Para los adhesivos como la lignina, el almidón y la soja, parece existir un problema común hallado en toda la investigación realizada hasta ahora: la falta de reticulantes de base biológica y económicamente viables para estos adhesivos que aumenten la reactividad, las propiedades mecánicas y la estabilidad a la humedad. Entre los reticulantes sintéticos potenciales, los isocianatos parecen ser los más populares para aplicaciones basadas en la biotecnología cercanas a la comercialización, pero deben descartarse. Por lo tanto, parece que, para encontrar soluciones industrialmente viables basadas en la biotecnología, la investigación sobre adhesivos debe centrarse más en el desarrollo de nuevos reticulantes reactivos.

La resistencia al agua es un área que es particularmente desafiante; el carácter hidrófilo general inherente a la mayoría de los biopolímeros tiene que ser alterado de tal manera que la unión adhesiva final sea capaz de resistir tanto la humedad como el agua de manera suficiente.

Ya existen sistemas adhesivos híbridos (por ejemplo, colas de proteína-PF de la empresa Dynea), compuestos en parte de polímeros de base biológica, que sugieren que la transición a sistemas adhesivos más ecológicos se producirá gradualmente. La transición de la industria a adhesivos para madera totalmente ecológicos, probablemente se prolongará durante bastante tiempo. Tal vez durante 10 años.

Sin embargo, la investigación sobre adhesivos sostenibles se está expandiendo definitivamente y, a medida que surjan nuevas mejoras, su uso industrial aumentará.

 

5. Pero la madera, de manera natural, emite formaldehídos …

La madera natural contiene formaldehído detectable. Los niveles de emisión de formaldehído dependen de factores como la especie de madera, el contenido de humedad, la temperatura exterior y el tiempo de almacenamiento. Las investigaciones muestran que el formaldehído de la madera seca variaba hasta 4 veces entre las especies de coníferas y maderas duras comerciales, pero se mantenía en bajas concentraciones por debajo de 1 mg/100 g. Generalmente, las maderas blandas tienen un contenido más alto de formaldehído que las maderas duras. Mientras que las diferentes calidades de madera no parecen tener ningún efecto sobre el contenido de formaldehído, las diferencias entre la madera juvenil y la adulta se manifestaron de forma mucho más clara. El contenido más bajo de formaldehído se encontró en la madera juvenil de haya (menos de 0,15 mg/100 g) y el más alto en la madera madura de pino (alrededor de 0,70 mg/100 g). La emisión de formaldehído de la madera aumenta durante su transformación como madera aserrada y como paneles de madera (por ejemplo, tableros de partículas y tableros de fibra). Este aumento de emisiones puede atribuirse al procedimiento de procesamiento de la madera, que incluye el secado, el prensado y la termo hidrólisis (ruptura de la lignina y la celulosa con tratamiento de calor y presión). El formaldehído se emite a partir de la madera en condiciones de calor muy intenso y no se espera que sea una fuente significativa de las emisiones de los productos de madera compuesta durante el servicio normal. Los datos presentados son importantes porque los consumidores necesitan entender que las emisiones de formaldehído se producen a través de procesos de degradación natural. Por lo tanto, los productos de madera de “emisión cero” simplemente no son alcanzables con las técnicas de procesamiento actuales.

Se ha demostrado que la emisión de formaldehído de la madera maciza es transitoria, y disminuye rápidamente a niveles inferiores a los establecidos por las normas EN 717-1 (Tableros derivados de la madera. Determinación de la emisión de formaldehído. Parte 1: Emisión de formaldehído por el método de la cámara) y EN 717-2 (Tableros derivados de la madera. Determinación de la emisión de formaldehído. Parte 2: emisión de formaldehído por el método de análisis de gas).

 

6. Wood2new – Calidad del aire interior

En el marco de del proyecto Wood2new, “Competitive wood-based interior materials and systems for modern wood construction”, ya finalizado, Holzforschung Austria recopiló datos sobre el aire interior y parámetros específicos relacionados con la salud en 13 casas prefabricadas de madera recién construidas (6 construcciones de madera maciza, 6 de entramado ligero de madera y una de hormigón, representando ésta una referencia no maderera) y ocupadas a largo plazo.  Se consideraron varios tipos de construcción y ventilación (9 con ventilación mecánica).  Los parámetros observados del aire interior incluían la emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV) y formaldehído, microorganismos transportados por el aire como levaduras y moho, partículas y datos climáticos.  Los datos médicos incluían la presión arterial y el pulso, la función pulmonar y la frecuencia de parpadeo de los ojos.  Las mediciones experimentales se completaron con una encuesta médica centrada en parámetros como la calidad del sueño, las reacciones dermatológicas, la percepción del dolor, la presión mental, la calidad de vida y el bienestar general.

La toma de muestras se realizaba siempre en los dormitorios de las casas. La primera toma de muestras tuvo lugar en la construcción de los edificios y sirvió como medida de referencia para las emisiones de los productos de la construcción.   Los muestreos subsiguientes se llevaron a cabo alrededor del momento de la mudanza y a partir de entonces a intervalos regulares (mensuales).

Todos los datos se evaluaron con respecto a la calidad del aire en interiores. La evaluación cuantitativa de las concentraciones de COV detectadas se basó en la directriz austriaca para la evaluación de la calidad del aire interior (BMLFUW 2005).

Conclusiones:

Las emisiones de COV en casas de madera recién construidas y ocupadas fueron inicialmente elevadas, independientemente del tipo de construcción y ventilación. Sin embargo, después de un período de 6 a 8 meses, las emisiones disminuyeron en su mayoría hasta un nivel medio o ligeramente elevado.  Comparando el desarrollo de TVOC de los tipos de construcción investigados, no se pudieron encontrar diferencias significativas entre la madera maciza y el entramado de madera, a pesar de que las construcciones de madera maciza resultaron en una liberación claramente mayor de terpenos.  Las emisiones de formaldehído de las construcciones de madera estuvieron consistentemente en el rango de las de la construcción de hormigón.

El uso de sistemas de ventilación controlada resultó en menores concentraciones de COV y, por lo tanto, en una mayor calidad del aire interior en comparación con la ventilación por ventanas únicamente.

La evaluación cualitativa de las emisiones de COV observadas mostró que el impacto de los productos de construcción, los suelos y los muebles es significativo al principio del período de observación. En una fase posterior, las emisiones detectadas podrían estar relacionadas principalmente con el comportamiento de los ocupantes.

Desde un punto de vista toxicológico, la mayor parte de las casas investigadas eran discretas y la calidad del aire interior se consideraba alta o satisfactoria.

Como resultado de la evaluación médica, se puede enfatizar la muy positiva autoevaluación de los participantes del estudio relacionada con la salud y el bienestar. Las personas que participaron en la prueba estaban muy satisfechas con su salud y calidad de vida a lo largo de todo el proceso. Esta percepción fue confirmada por los exámenes médicos complementarios de carácter orientador, que no dan ninguna indicación de deficiencias físicas en el campo del sistema respiratorio y cardiovascular.

 

 

Bibliografía:

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Enlaces a artículos:

Ensayo de emisión de formaldehído en tableros derivados de la madera

Formaldehyde-Emitting Wood Bonding Adhesives: Separating Fact from Fiction.

How to not come unglued: A wood adhesive story.

New glue: A New Zealand solution to a sticky problem.

Paradigm shift in the use of adhesives. A Scandinavian CLT producer chooses a central European adhesive.

 

Escrito por el Dr. Robert Hairstans, director del Centre for Offsite Construction and Innovative Structures de la Universidad de Edimburgo Napier y reconocido experto en el campo de la ingeniería de la madera, el libro explora los diferentes productos encolados y no encolados disponibles (CLT, DLT, LVL, MLE, NLT, etc.), a través de un examen detallado de los diferentes procesos de fabricación, junto con sus propiedades y características de rendimiento individuales.

En respuesta a la interminable pregunta de por qué estos productos no se fabrican a partir de madera cultivada en el Reino Unido, el libro ofrece una selección altamente informativa de estudios de caso sobre el trabajo de investigación y desarrollo llevado a cabo por el Dr. Hairstans y otros colegas de la Universidad de Edimburgo Napier sobre el potencial de las diversas especies de árboles disponibles en el sector forestal del Reino Unido para ser fabricadas en sistemas y productos de madera laminada sólida comercialmente viables.

Es interesante que, de entre los casos de estudio, destacan los proyectos que hacen un uso ejemplar de CLT, MLE y LVL fabricados a partir de maderas de frondosas y el potencial de estos productos y sistemas relativamente nuevos para introducir una nueva dimensión en el diseño y la construcción de madera. Un ejemplo es el Warner Stand en el Lord’s Cricket Ground de Londres, con vigas MLE de roble blanco americano, la primera vez que la especie ha sido utilizada en esta escala. No se trataba simplemente de utilizar una madera dura en lugar de una blanda, sino que los retos técnicos son bastante diferentes y, en este caso, los ingenieros y el fabricante, Hess Timber, tuvieron que llevar a cabo una amplia investigación, desarrollo y pruebas.

Los adhesivos que funcionan perfectamente con la madera blanda, por ejemplo, no podían ser absorbidos por el roble blanco debido a su densidad, un problema significativo para las uniones finger-joint, pero que finalmente se resolvió con éxito mediante el uso de un adhesivo moderno de melamina, una solución que no habría sido posible hace una década.

 

Warner Stand

Referencia bibliográfica del libro:

Hairstans, Robert, Mass – an introduction to solid laminate timber systems, Arcamedia Ltd., Edinburg, Reino Unido, 2018, 64 pp., ISBN: 978-1-904320-11-1.

 

Como libro de tapa blanda:

https://www.arcamedia.co.uk/product-page/mass-timber-an-introduction-to-solid-timber-laminate-systems

Como e-book:

https://www.arcamedia.co.uk/product-page/mass-timber-an-introduction-to-solid-timber-laminate-systems-e-book

Mass timber – an introduction to solid laminate timber systems

 

Estamos tan familiarizados con la madera y tenemos una relación tan íntima con ella que, sin embargo, está rodeada de prejuicios.

Clare Farrow.

 

En esta cuarta parte, como continuación del anterior post, se hará una recopilación de las ideas-fuerza más interesantes que apuntalan el debate sobre la construcción con CLT, englobadas en las perspectivas siguientes: la durabilidad y la sostenibilidad.

 

  • Durabilidad

A pesar de la percepción generalizada de que la vida útil de las estructuras de madera es inferior a la de los edificios de otros materiales, no existe una relación significativa entre el tipo de material estructural y la vida útil media. Los índices actuales de la vida útil de los diversos productos asignan a la madera una vida útil inferior a la de otros materiales sin ninguna base para ninguno de los valores elegidos.

Apoyando esta conclusión, un estudio de edificios demolidos en Minnesota encontró que la mayoría fueron demolidos debido a cambios en el valor de la tierra, cambios en los gustos y necesidades, y falta de mantenimiento de los componentes no estructurales. De hecho, los edificios de madera en el estudio eran típicamente los más antiguos; la mayoría tenían más de 75 años. En contraste, más de la mitad de los edificios de hormigón cayeron en la categoría de 26 a 50 años, y el 80 por ciento de los edificios de acero demolidos tenían menos de 50 años de antigüedad. En general, el hecho de que los edificios de madera tuvieran la vida útil más larga demuestra que los sistemas estructurales de madera son totalmente capaces de satisfacer las expectativas de longevidad de un edificio.

La madera es más sensible a la humedad que el hormigón o el acero, especialmente durante la construcción si no está adecuadamente protegida. Aquí es donde entra en juego la integración de los elementos de cerramiento y fachada. El diseño integrado y la erección de los componentes de cerramiento y fachada del edificio para proteger las estructuras de madera masiva durante la construcción es crítico para el éxito económico, durabilidad y general de estos edificios.

En los altos edificios de madera donde el andamiaje y el entoldado no son prácticos o económicos, deben emplearse las siguientes estrategias para evitar la humectación de la madera:

  • construir y revestir muy rápidamente durante la estación seca del verano,
  • pre-proteger los elementos de madera con membranas apropiadas,
  • prefabricar los cerramientos para una rápida instalación,
  • aplicar de fábrica acabados para reducir la absorción de agua,
  • y emplear un plan de gestión del agua en la obra efectivo.

El CLT puede manejar la humectación mucho mejor que el NLT ya que no se hincha a lo largo o ancho. Si el CLT toma mucha humedad durante la construcción, la madera tardará mucho tiempo en secarse, provocando costosos retrasos en la construcción.

Después de la construcción del edificio Brock Commons se han obtenido unas conclusiones sobre la necesidad de una prefabricación de la fachada.

Se resumen a continuación las dos diferencias clave que deben tenerse en cuenta al principio en el diseño de los edificios de madera altos que son diferentes de otros tipos de construcción:

1) Necesidad de velocidad:

El cerramiento del edificio para edificios de madera más grandes y altos debe ser construido y sellado lo más rápido posible después del montaje de la estructura de madera. Esto requiere el uso de una prefabricación externa y un trabajo mínimo en obra para preparar la instalación de paneles de pared y techo. Además, los materiales utilizados en los paneles de la envolvente, ya sea que estén fabricados estructuralmente de madera, acero u hormigón, deben adaptarse a las inclemencias del tiempo y ser tolerantes a la humedad durante la construcción. Por lo tanto, la preinstalación de ventanas y el cuidado diseño de juntas de paneles e interfaces para facilitar el sellado son cruciales.

2) Garantizar la durabilidad:

Los materiales utilizados dentro de la envolvente del edificio deben ser robustos y esencialmente “de alto rendimiento”.

Dada la potencial expansión/contracción vertical a corto y largo plazo y la deriva lateral de la estructura de madera, también necesitan ser más tolerantes al movimiento. La eficiencia térmica es necesaria para el cumplimiento del código de construcción, así como el uso de materiales incombustibles. Los componentes estructurales de madera pueden ser tan duraderos como el acero o el concreto cuando se protegen adecuadamente y tienen la ventaja adicional de ser más eficientes térmicamente al pasar por alto el aislamiento instalado.

 

Según un informe[1]:

“… hay fuertes e interesantes correlaciones entre los ciclos climáticos, las tasas de absorción/desorción, los cambios de masa y dimensiones y la fisuración en los paneles CLT.

… los parámetros ambientales pueden afectar de manera diferente al rendimiento higrotérmico de los paneles CLT, dependiendo de las superficies expuestas (por ejemplo: las testas, la cara larga); las características geométricas iniciales del panel (espesor – número de capas; extensión plana; presencia de huecos entre la madera aserrada dimensional y en las líneas de cola, etc.).

También es evidente que, puesto que los cantos de los paneles CLT son los más sensibles al flujo climático y al potencial de humectación interior (y las consecuencias resultantes), y al mismo tiempo, están presentes en los lugares más críticos (por ejemplo, la envolvente del edificio, las conexiones y las aberturas), requieren mayor atención, tanto en la investigación como en el diseño.

… las conexiones son una fuente importante de continuidad y ductilidad en las estructuras de madera, y un punto natural de sensibilidad al deterioro debido a la carga cíclica (por ejemplo, sísmica y de viento) y a la retención de humedad. […] Dondequiera que un panel CLT se una a otro elemento, y dondequiera que CLT se abra con una abertura (por ejemplo, una ventana o puerta), sus cantos quedarán expuestos, y (y lo que es más importante, su interior) será más vulnerable a las fluctuaciones climáticas, fugas, atrapamiento de humedad y los riesgos resultantes asociados (pudrición, cambios dimensionales, pérdida de resistencia, etc.). Esto se verá exacerbado por las brechas existentes de los paneles no encolados, las imperfecciones en la disposición de las capas y la tendencia de las testas a fisurar bajo fluctuación climática. El tratamiento de los cantos es una posible solución para reducir estos efectos y el potencial de humectación del interior.”

Empieza a ser usual el uso de membranas autoadhesivas para asegurar la estanqueidad. Cuando los paneles están hechos de tres capas hay movimientos de aire a través de los elementos del panel, en cinco capas esta tasa baja. El método para asegurar la estanqueidad es instalar un producto en la cara exterior del CLT, y el mejor producto para ello es una capa de estanqueidad a la intemperie no porosa (es decir, hermética al aire), ya que puede dejarse expuesta a la intemperie. La estanqueidad se logra conectando membranas autoadhesivas entre sí en una piel continua alrededor de todo el exterior de la envolvente del edificio.

El uso de una membrana autoadhesiva ayuda a superar este reto de diferentes maneras;

  • Se puede adherir en la fábrica y luego se pueden sellar las juntas en obra para garantizar una estanqueidad continua.
  • No tiene fijaciones inmediatas (excepto el adhesivo), por lo que la estanqueidad es total.
  • El tejado y las paredes pueden ser tratados al mismo tiempo con el mismo producto creando una estanqueidad continua.

 

Una vez terminada la construcción, el CLT no requiere un régimen de mantenimiento inusual (similar al de los edificios de estructura de madera). En caso de que se produzcan daños en un panel, siempre que no sea estructural, se puede empalmar utilizando las técnicas normales de carpintería. Los daños estructurales requerirán soluciones más técnicas, aunque CLT proporciona una buena fijación para los refuerzos o elementos adicionales.

 

  • Sostenibilidad

La densificación urbana es tanto una realidad como una necesidad. Se prevé que para 2050 la población mundial alcanzará los 9.800 millones de personas, de las cuales alrededor del 70% vivirá en ciudades, y cada vez más personas vivirán en la pobreza y la desigualdad. A medida que las zonas urbanas se vuelven más densamente ocupadas y los precios del suelo se disparan, parece que la única opción es construir hacia arriba. El problema es que las ciudades ya representan el 75% de la contaminación mundial y del consumo de recursos no renovables.

Pero los bloques de pisos a menudo se asocian con la pobreza, los problemas sociales, los peligros y el aislamiento, recordemos tragedia de la Torre Grenfell en Londres. La gente teme la pérdida de privacidad, individualidad y el contacto con la naturaleza, e igualmente, la perspectiva de verse obligada a abandonar las ciudades a medida que comprar o alquilar una vivienda se vuelve cada vez más inaccesible.

En este contexto, puede parecer extraordinario proponer un material, la madera, que fue, a su vez, rechazado en la era moderna, precisamente por el miedo y los prejuicios.

Las primeras experiencias con madera de ingeniería (EWP), como la madera laminada en cruz (CLT) y la madera laminada encolada (MLE), fueron impulsados inicialmente por informes sobre el cambio climático y el entendimiento de que la madera puede absorber y almacenar dióxido de carbono sin parangón en otros materiales.

Ya sabemos que la construcción y operación de edificios de todo tipo son responsables de hasta el 40 por ciento de todas las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por el hombre.

Un estudio realizado en 2009 por la Universidad de Canterbury, en Nueva Zelanda, reveló que, durante un ciclo de vida de 60 años, “el aumento de la cantidad de madera en los edificios disminuyó la energía incorporada inicial y el potencial de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés) de los materiales y también disminuyó el consumo total de energía y el GWP“. En general, los edificios de madera pueden tener una huella de carbono total un tercio menor que los edificios de acero y hormigón de tamaño similar.

Es, pues, la madera, el material mágico para construir un mundo sostenible.

 

Se ha creído y actuado sobre la base de que la distribución del impacto climático de una casa se distribuye en un 15 por ciento durante el proceso de construcción y el 85 por ciento restante en el uso de la casa en función del consumo de energía en la casa. Esta es la razón por la cual se ha dedicado tanto tiempo a mejorar el rendimiento energético de los edificios.

Sin embargo, un estudio de los centros suecos IVL (Instituto de Investigaciones Medioambientales) y KTH (Real Instituto de Tecnología) sobre el ciclo de vida del Strandparken, un edificio alto en madera en Sundbyberg, demuestra que el mayor impacto está en el proceso de construcción, no en el uso. Hasta el 75-80 por ciento de las emisiones ocurren durante el proceso de construcción y solo el 20-25 por ciento durante el período de uso del edificio. El estudio muestra que la elección de madera como material en lugar de hormigón reduciría el impacto climático del edificio durante 50 años en un 40 por ciento.

Los bosques suecos tardan sólo un minuto en producir la madera (120 metros cúbicos) necesaria para la construcción de Strandparken.

De hecho, se ha estimado que, si se utilizara la madera en lugar del hormigón y acero en todos los edificios del mundo, se podría reducir las emisiones de CO2 en un 31 por ciento, lo que obviamente tendría un gran impacto en el cambio climático.

Una conclusión es que todos debemos cambiar el enfoque a la parte de cómo construimos las casas, pero, sobre todo, qué material de construcción elegimos.

El edificio Strandparken

 

Sin embargo, es importante señalar que estos resultados suponen que el 100% de la madera se desvía del vertedero al final de su vida útil. Si la madera se vierte en vertederos al final de su vida útil, el análisis ha sugerido que las emisiones netas de un edificio con estructura de CLT podrían exceder las emisiones del ciclo de vida de un edificio con estructura de hormigón típico.

Cuando se vierte la madera en los vertederos, se pudre y libera hasta un 60% del carbono secuestrado a la atmósfera como metano, lo que es 25 veces peor que el dióxido de carbono en términos de impacto del calentamiento global.

 

Y al final del ciclo de vida del CLT, ¿al vertedero?

Según ha escrito Lloyd Alter, ¿qué haremos con la madera después de derribar la estructura? No se puede tirar en un vertedero y dejar que se pudra, ya que eso libera lentamente el carbono atrapado de vuelta a la atmósfera. Quemar la madera para obtener energía hace lo mismo, pero más rápido. Reciclar de forma responsable la madera para su uso en otros proyectos de construcción u otros productos es la única forma de asegurar que el carbono secuestrado permanezca así.

Actualmente, las ciudades son muy dinámicas y cambian constantemente, por lo que la vida media de un edificio no es tan larga como antes. Los edificios de acero y hormigón producen constantemente residuo, en su demolición, lo que significa que sus propiedades de durabilidad son una desventaja frente a la demolición “temprana” de una parte considerable de los edificios construidos. Por otra parte, la madera es un material que puede reutilizarse o reciclarse fácilmente.

 

En respuesta al Acuerdo de París (COP21, 21st Conference of Parties), los científicos propusieron una serie de “tecnologías de emisiones negativas” (ETN) para limitar el cambio climático a “muy por debajo de 2°C“, tres de las cuales se relacionan con la madera y su capacidad de absorber y almacenar el carbono de la atmósfera: forestación y reforestación, construcción con biomasa y biomasa con captura y almacenamiento de carbono.

Climate Challenge Numbers for COP21

En consecuencia, diversos países hacen planes como el plan medioambiental de 25 años del Reino Unido, recientemente publicado, que reconoce la importancia de utilizar recursos sostenibles, y recomienda específicamente aumentar el suministro de madera.

 

Gestión forestal

Ya sea en Canadá, EE. UU. o, incluso, España, están aumentado las superficies forestales.  De hecho, de acuerdo con “Sustainable Forestry in North America“, durante los últimos 50 años menos del 2% del inventario de árboles en pie en los Estados Unidos fue cosechado cada año, mientras que el crecimiento neto de árboles fue del 3%. Y en la UE sólo se está cosechando actualmente dos tercios de su crecimiento anual de madera.

Los seres humanos actualmente cosechan sólo el 20% del crecimiento forestal global cada año, y más madera podría ser extraída sin reducir la cantidad total de carbono encerrado en los bosques.

 

Los expertos admiten que los beneficios ambientales del CLT son complejos y difíciles de medir.

Por un lado, una gestión forestal cuidadosa es una parte crucial para asegurar el factor de sostenibilidad. El replantar árboles después de la cosecha es una parte crítica de este manejo. Pero también hay otras consideraciones.

Los objetivos de sostenibilidad incorporados en la marca CLT dependen de prácticas certificadas por el Forest Stewardship Council (FSC).

La silvicultura industrial almacena menos carbono y produce menos madera que el manejo forestal bajo los criterios del FSC. El transporte es otra fuente de emisiones que debe ser tenida en cuenta en las declaraciones de sostenibilidad de CLT.

 

Sin embargo, a menos que utilicemos madera procedente de bosques gestionados de forma responsable, simplemente estamos sustituyendo un problema por otro. La madera es tan buena como el bosque del que proviene.

La investigación de la empresa de ingeniería Arup descubrió que la construcción con madera talada de grandes bosques industriales libera casi tanto carbono a la atmósfera como los edificios de hormigón bajo el supuesto de que no se replantaran árboles. Otra investigación del estadounidense Center for Sustainable Economies encontró que la silvicultura industrial, lejos de ser un sumidero de carbono, en realidad podría ser la fuente más grande de emisiones de carbono. Sin embargo, la investigación aclara que tal replantación varía a través de la industria.

Pero hay mucho más en juego en un bosque que sólo el carbono. Si construimos con madera sin considerar cuidadosamente el bosque donde creció, corremos el riesgo de dañar el agua limpia, el hábitat para la vida silvestre, los senderos para excursionistas y cazadores, y más. Lograr beneficios ambientales de la construcción en madera requiere un compromiso con la silvicultura ecológica. Requiere que los desarrolladores exijan madera de bosques que mantengan la biodiversidad, protejan ríos y arroyos, limiten el uso de productos químicos y talas, y preserven la capacidad de volver a crecer indefinidamente.

La certificación del Forest Stewardship Council (FSC) fue creada para ayudar a los arquitectos y promotores a elegir madera de bosques manejados de acuerdo a altos estándares ambientales, mucho más allá de las reglas de práctica forestal locales. De acuerdo con las regulaciones establecidas por el FSC, se planta cinco árboles más para reemplazar cada uno de los talados.

Una investigación reciente de Ecotrust en Washington y Oregon encontró que los bosques manejados de acuerdo a esos estándares almacenan más carbono que aquellos que simplemente cumplen con la letra de la ley. Debido a que los árboles en los bosques certificados tienden a envejecer y crecer, producen volúmenes de madera comparables a los de los bosques industriales de rotación corta. Los árboles grandes almacenan más carbono, incluso cuando añaden más madera a su circunferencia cada año, en relación con los árboles jóvenes.

 

Esto contrasta con las afirmaciones, en unos cuantos artículos aparecidos, de que es sostenible el aprovechamiento de los árboles jóvenes. Dicen:

Hoy en día, una operación moderna e integrada puede convertir más del 80 por ciento de un árbol en productos útiles, mientras que la mayoría del resto se convierte en combustible. Para aumentar la productividad, es necesario depender de árboles más pequeños y jóvenes. La tala de árboles cuando son jóvenes significa esencialmente producir trozos más pequeños en mayor cantidad que los más grandes. Teniendo en cuenta la avanzada tecnología maderera de hoy en día, esto no debería ser un problema, ya que se pueden fabricar productos muy estables y fuertes a partir de piezas pequeñas y de baja calidad. El uso de árboles jóvenes como material para productos derivados de la madera también es más sostenible, ya que los árboles absorben CO2 más rápido en sus primeros años, por lo que se incrustará más carbono en la madera si cortamos árboles jóvenes y replantamos más árboles.

 

La madera con imperfecciones visuales que actualmente se desperdicia se puede utilizar en las capas medias de un panel CLT sin sacrificar su resistencia ni su aspecto. Los partidarios dicen que podría volver a poner en funcionamiento los aserraderos y, al mismo tiempo, mejorar la salud de los bosques a través del raleo de bosques densos y el uso de madera de bajo valor y especies arbóreas locales. Árboles tan pequeños con 127 mm (5 pulgadas) de diámetro en la parte superior y aquellos dañados por plagas e incendios forestales son los mejores candidatos. Al abrir nuevos frentes de suministro, el CLT ayuda a la silvicultura sostenible. Y debido a que los fabricantes de CLT pueden cosechar árboles pequeños y ya muertos, la tala de árboles se convierte en un esfuerzo rentable.

 

Pero, últimamente, en Portland, han aparecido opiniones contrarias a la sostenibilidad de este tipo de bosques, como en Oregón, EE. UU. Opiniones que sostienen un grupo importante de ambientalistas. Afirman que la construcción del edificio Framework en madera de 12 pisos, en Portand, se basa en productos manufacturados de madera que no están sujetos a los estándares de cosecha sostenible establecidos por el FSC. “Sin tal requisito, la Ciudad de Portland podría estar alentando la tala desenfrenada de los bosques de Oregon“, afirman quienes son los líderes ambientales de Portland en una carta enviada el 29 de enero al alcalde de Portland. Debido a que “pueden utilizar un material más pequeño que la construcción tradicional de madera, puede proporcionar un incentivo perverso para acortar las rotaciones de las talas y hacer un corte más agresivo. Las rotaciones más cortas significan cortes de aclareos más frecuentes, más lodo y limo que fluyen hacia los ríos, y más aplicaciones de herbicidas“.

Los aclareos no pueden ser el único riesgo ambiental potencial de CLT: “Como cualquier otra actividad industrial que libere sustancias químicas potencialmente dañinas, las instalaciones de producción de CLT deben esforzarse por eliminar o minimizar la liberación de compuestos orgánicos volátiles (COV) y otros contaminantes en el aire“.

A menudo se dice que lo que la minería de carbón es para Virginia Occidental, la tala de árboles de aclareos para Oregon, y creo que eso está en pleno despliegue con este problema. A menos que se haga más para asegurar que la madera proviene realmente de fuentes sostenibles, y que los aserraderos que la producen minimicen las emisiones tóxicas, el CLT en realidad empeorarán los problemas ambientales, no mejorarán“, dice Steve Pedery de Oregon Wild.

Algunos investigadores temen que la tala de más madera pueda dañar los ecosistemas forestales, particularmente en los países en desarrollo que ya están plagados por prácticas madereras pobres y, a menudo, ilegales. Si vamos a cortar madera, tenemos que hacerlo de manera que no sólo sustente el bosque, sino también la biodiversidad y todo lo demás.

 

Dice Lloyd Alter que los árboles pueden ser renovables, pero los bosques no lo son. Es una falacia considerar la madera sólo como un producto agrícola: mientras que la madera puede ser plantada, cultivada y cosechada como cualquier otro cultivo agrícola, esta actividad no debe ser confundida con un bosque, porque es un monocultivo. Un valle plantado en una sola especie de árbol no es un bosque.

Dadas las presiones sobre nuestros recursos, ¿no tenemos la obligación de elegir el sistema que menos material utilice, aunque sea renovable? Si usamos más madera, entonces estamos cultivando más árboles y absorbiendo más CO2, pero también estamos consumiendo más bosque, y puede que ni siquiera sea verdad que estamos absorbiendo más CO2; un estudio publicado en Nature encontró que los árboles viejos realmente absorben más CO2 que los jóvenes. La absorción de CO2 es una función del área foliar, y los árboles grandes tienen muchas más hojas.

La densidad de la ciudad, por ejemplo, está directamente relacionada con las emisiones de carbono. Es un hecho que las ciudades densas son significativamente más sostenibles que las ciudades extensas; por lo tanto, un camino hacia formas de vida más sostenibles podría ser la planificación y regulación de ciudades de madera compactas.

 

Pero el CLT puede ser una salida a masas forestales desaprovechadas, en gran parte, de coníferas interesantes como el pino taeda, del grupo del pino amarillo del Sur (comparte muchas características con otras especies de este grupo tales como ser duro, denso y poseer una excelente relación resistencia-peso). Así, en Arkansas, EE. UU., el estado cultiva 8 millones de toneladas más de pino de las que cosecha anualmente. Con esta madera se han fabricado los paneles de CLT para el almacén de la biblioteca de la Universidad de Arkansas.

Uno de los problemas es que aprendimos a cultivar el pino taeda más rápidamente, pero a medida que lo cultivamos más rápidamente, la resistencia y la calidad de la madera ya no son tan buenas como hace 70 años“, dijo Mathew Pelkki, presidente de la Escuela de Silvicultura y Recursos Naturales de la Universidad de Arkansas. “Cuando lo diseñas y lo pones en madera laminada, puedes eliminar los defectos. Es mucho más fuerte“.

Universidad de Arkansas – imagen de Beth Hall

 

En la siguiente parte se tratarán las siguientes perspectivas: política, competencia y futuro.

 

[1] How monitoring CLT buildings can remove market barriers and support designers in North America: an introduction to preliminary environmental studies, de Evan L. Schmidt, Maria Paola Riggio, Paul F. Laleicke, Andre R. Barbosa y Kevin Van Den Wymelenberg.

Un libro de Michael Green, el más conocido líder en la difusión de la construcción en madera en altura.

“La construcción de madera no es un nuevo concepto o tecnología. Las innovaciones constructivas del siglo XXI combinadas con los cambios en los códigos de construcción en todo el mundo están contribuyendo a una revolución de la madera. “La madera es un producto secuestrador de carbono renovable que se cultiva naturalmente“, dice el arquitecto y autor Michael Green. “Proporciona un ambiente interior saludable para trabajar y vivir que otros materiales de construcción no pueden. La madera ofrece un medio evolutivo que, es a la vez complejo, y una nueva frontera para el diseño. En muchos aspectos estamos adquiriendo conocimientos que desaparecieron hace un siglo y revitalizando el próximo siglo construyendo más sosteniblemente “.

Junto con su colega arquitecto y autor, Jim Taggart, Green ha sido coautor del libro titulado “Tall Wood Buildings“, publicado por Birkhåuser, en inglés y alemán. La publicación explica los tipos típicos de la construcción tales como sistemas de paneles, entramados y sistemas híbridos. El libro incluye 13 estudios de casos que celebran la belleza y la especificación/detalle de los edificios de madera en todo el mundo.”

Aquí se pueden visualizar unas páginas del libro.

Referencia bibliográfica:

Green, Michael, Jim Taggart, Tall wood buildings: design, construction and performance, Birkhäuser, Suiza, 2017, ISBN-13: 978-3035604757, 176 pp.

 

Hace poco, el arquitecto Lloyd Alter ha escrito unas impresiones sobre unas últimas conferencias de Michael Green en su último post. Dice Alter:

“[…] el mayor desafío no es la ingeniería o los materiales, somos nosotros: “El problema no es la ciencia, sino el desafío de cambiar las opiniones de los pueblos sobre lo que es posible. El reto que tenemos es pasar de la emoción a la ciencia. Podemos construir de esta manera, solo tenemos que recalibrar nuestra imaginación.”

[…]Él prevé un futuro donde en lugar de cortar los árboles en tablas que luego se encolan o clavan en la madera masiva, nosotros imprimiremos en 3D con fibras de madera, en los tipos y formas que son más eficientes estructuralmente.”

 

Este post es casi un ejercicio teórico, pero el fin es mostrar que se puede construir una casa de madera con aislamientos y materiales sostenibles de producción local en España y baja huella de carbono.

Toda nueva edificación, a partir del 31 de diciembre de 2020, deberá cumplir los parámetros de un Edificio de Consumo de Energía Casi Nulo (EECN, o Net Zero Energy Building). En España, el CTE (Código Técnico de Edificación) introdujo en 2013 modificaciones en su apartado de ahorro energético. Lo cierto es que todavía no hay un marco definido a nivel estatal de lo que significa una vivienda de consumo casi nulo, es decir, cada país comunitario debe regularlo. Al amparo de esta normativa han surgido diferentes certificados de calidad, la mayoría de organismos europeos. En estos momentos, el estándar más extendido en Europa es el Passivhaus alemán, de iniciativa privada.

Como se considera que, por muy restrictivo que fuera finalmente el estándar fijado en España para un ECCN, los edificios Passivhaus lo cumplirían con creces.

Por tanto, en este post analizaremos la eficiencia de un sándwich para muros con aislantes como corcho y lana de oveja y con madera contralaminada (CLT, Cross laminated Timber) como elemento estructural cumpliendo con los valores del estándar Passivhaus. Se parte de la premisa que se aislará sólo por el exterior del muro, es decir, con un sistema SATE (Sistema de Aislamiento por el Exterior), y que se dejará vista la madera contralaminada por el interior.

La superficie del lado interior de la madera contralaminada se deja sin revestir, es decir, sin barnizar, pintar o lasurar.

 

El Sándwich para muros de corcho + lana de oveja + CLT, se compone de dos partes principales:

  • un aislamiento térmico-acústico en dos capas: una semirrígida de corcho negro expandido de alta densidad de 160 kg/m³, y otra de paneles de lana de oveja de 30 kg/m³, entre vigas I-joist que, como montantes, son la subestructura de un revestimiento en madera,
  • y panales de madera contralaminada como elemento estructural.

Para la lana de oveja, se ha considerado el producto de Wool4build del grupo español Lerderval, en su composición Premium.

El coeficiente de conductividad térmica del corcho negro expandido es de 0,040-0,42 W/m°K. Entonces la resistencia térmica K es de 1,5 W/m²k para un espesor de 60 mm. Se presenta en forma de panel semirrígido y los cantos son a media madera.

Las propiedades físicas del corcho expandido son:

 

Densidad (kg/m³) 100-120
Calor específico c (J/kg.K a 20°C) 1670
Conductividad térmica λ (W/m°K) 0,40-0,042
Resistencia a la difusión del vapor de agua, μ 7 a 14
Comportamiento al fuego según Euroclase E-s1,d0
Energía gris para la fabricación, en MJ/Kg, para un espesor de 100 mm >45,50
Emisiones KgCO2e/Kg 1,727

Corcho negro expandido

El coeficiente de conductividad térmica de la lana de oveja es de 0,033 W/m°K. Entonces la resistencia térmica K es de 4,8485 W/m²k para un espesor de 160 mm. Se presenta en forma de panel flexible.

Las propiedades físicas de la lana de oveja son:

 

Densidad (kg/m³) 30
Calor específico c (J/kg.K a 20°C) 1600
Conductividad térmica λ (W/m°K) 0.033
Resistencia a la difusión del vapor de agua, μ 1-2
Comportamiento al fuego según Euroclase E
Energía gris para la fabricación, en MJ/Kg 43
Emisiones KgCO2e/Kg 0,624

Lana de oveja – Imagen de Wool4build

En comparación con la lana de roca y el poliuretano proyectado desde el punto de vista de la sostenibilidad:

 

  Lana de roca

de 120 kg/m³

Poliestireno extruido
Energía gris para la fabricación, en MJ/Kg, para un espesor de 100 mm 282,18 368,55
Emisiones KgCO2/Kg 18 54,40

El esquema de este sándwich es el siguiente, del exterior al interior:

1º.- Revestimiento en madera de 22 mm de espesor.

2º.- Cámara de aire de 30 mm creada por los rastreles verticales.

3º.- Una primera capa de aislamiento con paneles de corcho expandido de 60 mm de espesor. Los paneles tienen los cantos a media madera.

4º.- Membrana impermeable, traspirable y cortavientos, con un Sd variable (higrlovariable).

5º.- Una segunda capa de aislamiento con paneles flexibles lana de oveja de 160 mm de espesor entre los montantes.

6º.- Vigas I-joist como montantes verticales de 160 mm de canto con las alas de madera microlaminada (LVL) y alma de panel de fibras duras, sin puente térmico.

7ª.- Lámina reguladora de vapor con un Sd variable.

8ª.- Panel estructural de madera contralaminada (CLT) de 120 mm de grosor. Puede ser también de 100 mm. Sin revestir.

La primera capa de aislamiento se coloca como una piel continua, sin puentes térmicos. Y sobre ella se atornillan los rastreles verticales llegando hasta los montantes I-joist. Estos rastreles crean la cámara de ventilación. No obstante, el rastrel puede tener más altura si se desea una cámara más gruesa según los requisitos. En climas cálidos es de hasta 6 cm.

Los montantes I-joist se sujetan a la mampostería con los anclajes adecuados y accesorios para romper el puente térmico.

La transmitancia térmica U total de este sándwich es de 0,142 W/m²k, un valor inferior al límite de 0,15 para muros de fachadas del estándar Passivhaus.

Haciendo la comprobación de condensaciones intersticiales con el programa WUFI (Wärme und Feuchte Instationär), en las condiciones de climas extremos cálidos, es decir, mucho calor (> 36 °) y mucha humedad (> 76 %), hay pequeñas condensaciones donde la lámina de vapor.

Con este sándwich se consigue un desfase térmico de unas 14 horas en cuanto a la protección contra el calor estival.

Desde el punto de vista del aislamiento, se muestran los pros y contras de cada uno de los aislamientos:

Del aglomerado de corcho negro expandido.

Pros:

  • Muy poco higroscópico, poco hidrófilo y poco capilar.
  • Buena estabilidad dimensional y resistencia a la compresión.
  • Muy buen compromiso entre aislamiento térmico (caliente/frío) y acústico (tanto a los ruidos aéreos, atenuación de los ruidos aéreos de 30 dB con 30 mm de espesor, como de impacto). Es un aislante antivibratorio.
  • Tiene un grado de impermeabilidad relativamente alto a la penetración del aire y agua.
  • Es difícilmente combustible, actúa como un ralentizador del fuego y no desprende gases tóxicos.
  • No le atacan los insectos y los roedores.
  • Gran durabilidad.
  • El corcho negro es el corcho más ecológico. En su fabricación no se añaden aditivos químicos. Resumiendo, su proceso de fabricación: triturado, secado, aglomerado en autoclave con vapor de agua recalentado (el aglutinante es la suberina, una resina natural del corcho), enfriamiento con agua, secado, escuadrado y corte en paneles.
  • Gran resistencia a los agentes químicos.
  • Es renovable y totalmente reciclable.
  • Débil costo energético.

Contras:

  • Es caro.
  • Como el turno de descorche del alcornoque varía entre 9 y 14 años, durante 150 años, es un material de producción lenta.

De la lana de oveja.

Pros:

  • Excelente capacidad higroscópica: dotada de una gran permeabilidad al vapor de agua, la lana pura puede fijar el 35 % de su peso en agua, contra un 65 % de humedad relativa, sin parecer mojada y restituirla en el secado, sin perder sus propiedades aislantes. Con un contenido del 30 % de agua, la conductividad térmica λ se aumenta hasta el 0,0050 W/m*K, aproximadamente.
  • El constituyente principal es una proteína, la queratina. Ella posee la facultad de aprisionar una enorme cantidad de aire: un 80 % en la estructura hueca de sus fibras. Las escamas que recubren sus fibras están dispuestas a la manera de las tejas de un tejado y se adaptan permanentemente a las variaciones climáticas.
  • Muy buen aislamiento térmico.
  • Muy buen aislamiento acústico.
  • Es reciclable y renovable.
  • Débil costo energético.
  • No le atacan los insectos.
  • Ligereza y facilidad de instalación.
  • Desprovista de su grasa (eliminada en la fabricación durante el lavado y desengrasado), no se inflama más que a partir de 560° y es autoextinguible sin producir emanaciones tóxicas.
  • Es inerte, no produce polvo ni irritaciones. Y es alérgeno, no causa alergia cutánea ni respiratoria.
  • Se afirma que la lana puede mantener su resistencia térmica (valor R) durante 50 años.
  • Es relativamente barato.

Contras:

  • Debido a su débil densidad y su calor específico menos elevado que otros aislantes de base biológica, tiene un desfase térmico menor.
  • Se han añadido fibras de poliéster, menos del 15 %, para dar consistencia.
  • Se aplican diferentes tratamientos para garantizar la resistencia a insectos (a base de permetrinas, en dosis muy bajas) y mejorar el comportamiento ante el fuego (sales de boro, no tóxicas).

 

Finalmente, se exponen las ventajas e inconvenientes de este sándwich:

Ventajas:

  • Es uno de los sándwiches con aislantes de origen biológico con menor grosor en casas pasivas, entre 377-402 mm[1], gracias a la conductividad térmica de la lana de oveja Premium de Wool4build: λ = 0,033 W/m°K, la menor del mercado.
  • De manera natural, los aminoácidos de la lana se unen con y atrapan los elementos nocivos de formaldehído, óxido de nitrógeno y dióxido de azufre para un aire más limpio en los hogares. Entonces, la lana de oveja ayuda a absorber las emisiones de COV (formaldehídos, sobre todo) de la madera contralaminada que suceden en un periodo de 6 a 8 meses después de iniciada la construcción de la casa[2].
  • La condensación y la humedad es un problema importante en la forma en que se está construyendo actualmente, en relación a las envolventes de edificios cada vez más cerrados y herméticos en las casas de alto rendimiento, que pueden atrapar condensación y vapor de humedad en sistemas de pared sin ventilación adecuada. Hay un argumento para poner espumas sintéticas u otros aislantes en esos espacios, pero si se pone un aislamiento que no es permeable en un espacio donde la humedad no es evitable, ésta tiene vía libre hacia la estructura de madera. La lana de oveja es un material que puede “manejar” la humedad en sitios donde sea elevada, como en las zonas costeras. Además, parte de la estructura de la lana de oveja es una queratina que no favorece el crecimiento de mohos.
  • Gracias a la masividad de la construcción en madera contralaminada, “la madera es un buen aislante térmico y, al ser higroscópica, también puede amortiguar la humedad relativa interna de una habitación (esto podría usarse para reducir los requerimientos de calefacción). Además, durante la transición de la fase de vapor en el aire a la de agua unida en la pared celular de la madera, se produce una reacción exotérmica. Este intercambio de calor latente ha demostrado llevar a un cambio en la temperatura de la madera y este mecanismo podría contribuir positivamente al balance energético global de un edificio[3]. Las investigaciones del proyecto europeo Wood2new muestran que el cambio de temperatura superficial que se produce por adsorción y desorción es significativamente superior cuando la superficie de la madera no está revestida, es decir, pintada, barnizada o con acabados. Los resultados muestran que la temperatura superficial del abeto aumentó en 2,1 ° C como resultado de la adsorción de humedad. Se ha demostrado el potencial de ahorro de energía por el calor latente de adsorción de la madera. Es, pues, un medio para aumentar la eficiencia energética.
  • En España tenemos a varios fabricantes de madera contralaminada (Egoin, Sebastiá, etc.). Es decir, contamos con madera con menor huella de carbono.
  • Si no se desea el revestimiento exterior de madera, la capa de corcho sirve de soporte para un enlucido exterior adecuado (y permeable).
  • Con el CLT, no es necesario una barrera/freno de vapor en el lado interior en climas fríos.

Inconvenientes:

  • Antes se mencionó que este post es un ejercicio teórico. La causa es que los paneles de lana de oveja de Wool4build son de 50 mm de espesor y se necesitan 160 mm. Hay que estudiar si se pueden fabricar paneles de 160 mm…
  • El desfase térmico, de unas 14 horas, es bueno, superando el mínimo recomendable (unas 10-12 horas). Pero podría ser mejor. Con una regular capacidad de calor: 97 kJ/m2
  • En la fabricación de madera contralaminada se usan colas. Puede sustituirse por paneles de brettstapel o NLT (Nail Laminated Timber) fabricados en carpinterías locales. Hay paneles de CLT sin colas como los de Nur-Holz.
  • Los paneles CLT, por sí mismos, son impermeables al aire (en tests de laboratorios). Pero los huecos entre cada tabla de madera en el panel CLT crean rutas de flujo potenciales, las juntas aumentan a medida que la madera se seca y se rompe la madera, incluso si está pegada. Esto conlleva el uso recomendado de membranas de barrera de aire autoadhesivas en el exterior de los paneles (también valen las membranas líquidas flexibles). Usando las tradicionales membranas textiles es más difícil asegurar la hermeticidad y, por tanto, requiere una cuidadosa atención a los detalles mediante cintas de sellado, masillas selladoras, etc.

Resumiendo, es uno de los sándwiches para muros más ecológicos, con materiales locales y de probada eficacia. La lana de oveja es un aislante interesante, como dijo un fabricante francés de lana de oveja, Naturline: “Nuestros productos se han testado en animales”.

 

Puede ver la simulación 3d clicando en este enlace:

https://skfb.ly/6oNrN

Para manejar el dibujo 3D, he aquí unas sencillas instrucciones para manejarlo con el ratón:

  1. Pulsando continuamente el botón izquierdo y arrastrando, gira el dibujo en todas las direcciones,
  2. Pulsando continuamente el botón derecho y arrastrando, desplaza el dibujo en todas las direcciones,
  3. Moviendo la rueda del ratón hacia arriba o abajo, se hace zoom más o menos.

 

[1] Depende de si se consideran 95 o 120 mm de grosor de madera contralaminada. Incluso, menos, si se prescinde del revestimiento de madera y se opta por un enlucido sobre el corcho, entonces, quedaría en unos 330 o 355 mm.

[2] Véase un post anterior: Wood2new – Madera y bienestar.

[3] Véase ídem.