Constructive applications of totora (Schoenoplectus californicus) in binderless boards

Hidalgo Cordero, Juan Fernando (2019). Constructive applications of totora (Schoenoplectus californicus) in binderless boards. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Edificación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.56706.

Description

Title: Constructive applications of totora (Schoenoplectus californicus) in binderless boards
Author/s:
  • Hidalgo Cordero, Juan Fernando
Contributor/s:
  • García Navarro, Justo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Edificación (UPM)
Department: Ingeniería Agroforestal
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Si bien el ciclo productivo de la madera ha demostrado generar menos impactos que otros materiales como el cemento o el acero, la creciente presión sobre la tierra y los bosques, la distribución desigual de los recursos forestales, plagas, y la inestabilidad de los mercados de la madera han fomentado la investigación sobre fuentes alternativas como los recursos forestales no madereros para producir elementos constructivos, como tableros de partículas, que puedan aplicarse en edificación. Teniendo en cuenta que muchos de los tableros de partículas que se producen en la actualidad utilizan adhesivos que pueden generar impactos sobre la salud y el medioambiente relacionados con la emisión de sustancias volátiles, se han realizado varios estudios sobre la capacidad de los materiales lignocelulósicos para lograr la autoadhesión bajo ciertas condiciones de calor y presión para producir tableros sin adhesivos añadidos con beneficios ambientales. Sin embargo, el efecto de autoadhesión y las propiedades finales de los tableros dependen, entre otros parámetros, del tipo de materia prima utilizada, el tiempo y temperatura de prensado, pretratamientos aplicados a la materia prima, entre otros parámetros. Entre los productos forestales no madereros de interés se encuentra la totora (Schoenoplectus californicus (C.A. Mey.) Soják). La totora es una planta macrófita de la familia de las Cyperaceae que crece principalmente en el continente americano desde California hasta Tierra del Fuego y algunas de las islas del Pacífico, como la Isla del Este, Hawai y las Islas Cook. Esta planta ha sido utilizada tradicionalmente por muchas culturas en el pasado, como los Moche en Perú, los Incas en Los Andes o los Ohlone en California. En algunos lugares, el uso de esta planta ha persistido hasta nuestros días, como es el caso de las islas de los Uros en el lago Titicaca, donde esta planta se utiliza para la elaboración de artesanías, la construcción de cabañas, balsas e incluso islas flotantes artificiales. A pesar de la larga tradición del uso de esta planta, la adaptabilidad a diferentes zonas climáticas, la rápida tasa de crecimiento y los posibles beneficios sociales y ambientales que su uso puede generar, en el contexto contemporáneo su aplicación es aún limitado. Aunque actualmente la totora no es un cultivo de escala industrial, existen potencialidades como la rápida tasa de crecimiento de la planta, el conocimiento existente de las comunidades tradicionales acerca de cómo cosechar y manejar la totora, y las posibles sinergias que pueden conseguirse entre las capacidades de limpieza del agua, captura de carbono, y la provisión de materia prima, lo que sugiere el potencial de la totora para ser utilizada como materia prima para producir elementos constructivos en un ciclo productivo competitivo con beneficios ambientales de interés en el contexto actual. Con estas consideraciones la investigación aborda la posibilidad de utilizar la totora para producir tableros sin adhesivos añadidos aplicables al campo de la construcción contemporánea mediante el estudio del comportamiento de cada tejido frente a diferentes condiciones de prensado en caliente, así como la influencia de estos parámetros en las propiedades de los tableros producidos. Durante el estudio se demostró que los tableros producidos con tejido de médula hechos a 150°C con dos ciclos de prensado en caliente presentan propiedades mecánicas que los pueden clasificar como tableros del tipo P1 según la normativa EN 312. Aunque los tableros hechos a 180°C y 200°C mostraron fracturas internas debido a la excesiva presión de vapor generado por las altas temperaturas durante el prensado, se pudo demostrar mediante un caso de estudio de tableros de corteza utilizando mallas metálicas con el fin de permitir una descarga continua de vapor durante el prensado en caliente, que mediante la utilización de estas mallas se consigue reducir las presiones internas evitando la formación de fracturas a la vez que aumenta la cohesión interna de los tableros. Los análisis físicos y químicos de los diferentes tejidos de los tallos de totora mostraron que la médula y la corteza tienen diferentes características que influyeron significativamente en las propiedades mecánicas de los tableros realizados a 150°C. Principalmente la consistencia más suave y menor contenido de extractivos orgánicos de las partículas de la médula, favorecieron la cohesión de las partículas y la formación de un cuerpo compacto con mayores prestaciones mecánicas que los tableros realizados con las partículas de corteza a 150°C. Además, se estudiaron los cambios químicos inducidos en los tejidos de totora por el proceso de prensado en caliente, en donde se identificaron reacciones de hidrolización de los polímeros lignocelulósicos, y su correlación con las propiedades mecánicas y la resistencia frente a ciertos organismos xilófagos. Los datos obtenidos aportan al conocimiento actual de la totora y la comprensión de los mecanismos por los cuales sus tejidos pueden alcanzar la autoadhesión mediante el prensado en caliente. De la misma manera, estos datos aportan a la comprensión sobre la influencia del prensado en caliente en la estructura química del material lo cual afecta la durabilidad del material frente a ciertos organismos de pudrición. Esta información puede llevar a la optimización del proceso de producción y la mejora de las propiedades de este tipo de tableros. En conclusión, el uso de la totora en el campo de la construcción tiene potencial de generar beneficios desde el punto de vista de la sostenibilidad. La corteza y la médula de los tallos de totora tienen diferentes características físicas y químicas. Los tejidos de totora pueden lograr la autoadhesión en condiciones de prensado en caliente para producir tableros sin adhesivos añadidos. Las diferentes características de la corteza y la médula de los tallos de totora influyen en las propiedades físicas y mecánicas de los tableros. El proceso de producción de prensado en caliente induce cambios químicos en el material que al analizarlos pueden ayudar a dilucidar los mecanismos de autoadhesión de este tipo de biomasa. El prensado en caliente genera cambios químicos en el material que influyen en la resistencia de los tableros frente a organismos xilófagos. Los tableros hechos con tejido de médula a 150°C mostraron propiedades mecánicas que los pueden clasificar como tableros de partículas destinados a usos generales en ambientes secos de tipo P1, con la ventaja de no tener emisiones de sustancias volátiles. Se ha identificado que el proceso de prensado utilizando pantallas de mallas metálicas para lograr una descarga de vapor continua durante el prensado dio buenos resultados en tableros realizados con la corteza de la planta, por lo que puede ser empleado para producir tableros con temperaturas más altas y propiedades mecánicas superiores utilizando el resto de los tejidos de la planta. Los tableros producidos con todos los tejidos pueden tener potenciales aplicaciones en el campo de los materiales de aislamiento térmico y acústico, lo cual sumado a la ausencia de adhesivos nocivos y la facilidad de gestión al final de su vida útil de acuerdo a requerimientos ambientalmente consecuentes, hacen de los tableros de totora sin adhesivos añadidos una opción competitiva en el mercado de la construcción sostenible. ----------ABSTRACT---------- Although the productive cycle of wood has demonstrated to generate less impacts than other materials such as cement or steel, the increasing pressure on land and forests, uneven distribution of forest resources, pests, and unstable wood markets has encouraged the research on alternative sources such as non-wood forest products for producing biomass-based materials such as particleboards that can be applicable in the construction field. Considering that many of the particleboards produced nowadays use adhesives that may pose some health and environmental concerns, several studies have been conducted about the ability of lignocellulosic materials to achieve self-bonding under certain heat and pressure conditions to produce binderless boards with potential environmental benefits. However, the self-bonding effect and final properties of the boards depend on the biomass type, time, temperature, pretreatments, among other parameters. One non-wood forest product of interest is totora (Schoenoplectus californicus (C.A. Mey.) Soják). Totora is a sedge from the Cyperaceae family that grows mainly in the Americas from California to Tierra del Fuego and some of the Pacific Islands such as the Eastern Island, Hawaii, and Cook Islands. This plant has been traditionally used by many cultures in the past such as the Moche in Peru, the Incas in Los Andes, or the Ohlone in California. In some places the use of this plant has persisted to the present such as in the Uros Islands in Lake Titicaca where totora is used for making handicrafts, huts, boats, and even the artificial floating islands where their inhabitants live. Despite the long traditional use of this plant, the adaptability to different climate zones, fast-growth rate, and potential social and environmental benefits, the use of totora in the contemporary context is limited. Although currently totora is not an industrial scale crop, the fast-growth rate of the plant, existing knowledge of traditional communities about how to harvest and manage it, and the potential synergies that can be achieved with natural and constructed wetlands for water treatments and carbon capturing facilities that at the same time could serve as convenient raw material sources, suggest the possibility of using this biomass for sustaining a competitive productive cycle with potential environmental benefits. In this scenario, the investigation tackles the feasibility of using totora for producing binderless boards applicable in the contemporary construction field by studying how each tissue of the plant behaves under different hot-pressing conditions, and how these production parameters influence the boards’ properties. It was demonstrated that boards produced with pith tissue made at 150°C after two hot-pressing cycles showed good mechanical properties and could be classified as boards of type P1 in accordance with the European standard EN 312. Although boards made at 180°C and 200°C showed internal fractures due to internal vapor pressures, in a case study of boards made with rind tissue using metallic mesh screens to allow a continuous vapor discharge during the hot-pressing process, no blisters and increase of internal bonding strength values were observed. The physical and chemical analyses of the raw plant tissues showed that the pith and rind have different characteristics. The main chemical differences of interest to the studied application are the softer consistency of pith particles and their lower solvent extractives content, which influenced the mechanical properties of binderless boards. Additionally, the chemical changes induced on the plant tissues by the hot-pressing process, which consisted mainly on the hydrolyzation reactions of lignocellulosic polymers, and their correlation with the boards’ mechanical properties and resistance against wood decaying organisms were studied. These data may help understand the mechanisms trough which this biomass achieve self-bonding, which could lead to the optimization of binderless boards production process and enhancement of desirable properties. In conclusion, the use of totora in the construction field may have potential benefits from a sustainable point of view. The rind and pith of totora stems have different physical and chemical characteristics. Totora tissues can achieve self-bonding under hot-pressing conditions to produce binderless boards. The different characteristics of the rind and pith of totora stems influence the physical and mechanical properties of binderless boards produced with each tissue. The hot-pressing production process induce chemical changes in the material that may help elucidate the self-bonding mechanisms of this kind of biomass. The hot-pressing production process influence the resistance of totora binderless boards against wood decaying organisms. Totora binderless boards made with the pith tissue at 150°C showed good mechanical properties that can classify them as particleboards intended for general uses in dry conditions with reduced emissions but lower moisture resistance. The potential of using metallic mesh screens to produce boards with higher temperatures and better mechanical properties has been identified. Boards produced with all tissues may have potential applications in the thermal and acoustic insulation fields, which along with the absence of harmful adhesives, and more sustainable of end-of-life scenarios management can make totora binderless boards a competitive option in these construction materials’ markets.

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Item ID: 56706
DC Identifier: http://oa.upm.es/56706/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56706
DOI: 10.20868/UPM.thesis.56706
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 09 Oct 2019 07:00
Last Modified: 09 Oct 2019 07:00
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