Fundamentos teóricos de la combustión de la madera
Por Richard L. Tuve
La mayoría de los principales problemas de la protección contra incendios, surgen de las propiedades químicas y físicas de los combustibles sólidos.
Cuando las construcciones y productos de la madera arden, se desprenden gases y humos nocivos, por lo que es necesario un enfriamiento superficial antes de que la combustión pueda detenerse. Si la madera está cubierta con pintura o barniz, se presenta un problema de tipo diferente. Los polímeros y productos plásticos arden de diversas formas, a veces desprendiendo gases altamente tóxicos.
La única afirmación general que puede realizarse acerca del mecanismo de combustión de la madera, es que casi todas ellas deben calentarse por medios externos hasta que sus superficies alcancen una temperatura en la que se desprendan vapores o gases combustibles, que posteriormente entran en ignición. Estos vapores aparecen debido a la descomposición química del sólido por el ataque de las llamas o debido a la vaporización de la sustancia.
El proceso de calentamiento, con la consecuente combustión de la madera, puede ocurrir incluso en ausencia de llamas o chispas. Si un sólido se calienta por contacto con una superficie, que tiene una temperatura elevada como para producir la descomposición o vaporización del combustible sólido, su cara expuesta podrá alcanzar la temperatura de ignición espontanea, (temperatura de auto ignición).
Un ejemplo de combustión de sólidos es la que se observa cuando el carbón vegetal, la antracita, el coque arden lentamente en el aire después de que sus superficies entran en ignición. En este tipo de combustión se producen llamas muy pequeñas o humos visibles. Sin embargo, la combustión de la madera puede continuar, tanto con brasas de color rojo en la superficie que se encuentra expuesta al aire, como con una combustión profunda en su interior hasta que todo el material combustible se consume.
Esta forma de combustión se produce casi siempre cuando un combustible sólido, de baja conductividad calorífica, se ha expuesto durante un corto tiempo a temperaturas suficientes para que sus superficies alcancen la temperatura de ignición a temperatura de ignición espontánea. Cuando se retira la fuente de calor externa, este tipo de combustión incandescente, o sin llama, puede continuar sobre la superficie del sólido.
En estos casos, la ausencia de llamas luminosas puede deberse a una, o ambas, de estas dos características.
- El combustible sólido, la madera (como carbón vegetal) es prácticamente carbono puro y no contiene compuestos orgánicos que se descompongan bajo la influencia del calor, para producir gases inflamables que ardan con llamas luminosas.
- La combustión lenta e incandescente en la superficie del combustible desprende sus gases inflamables de descomposición a velocidad muy lenta y con una convección de calor muy pequeña, de forma que arden lenta y suavemente.
Una consideración importante sobre las características de combustión de la madera es que la facilidad de ignición y la velocidad de combustión, depende de su forma física o de su configuración geométrica. Puede decirse, con mayor exactitud, que el estado de subdivisión de los sólidos es quien gobierna las características de su combustión. Cuando se acerca una cerilla a las virutas de madera, la ignición se produce casi inmediatamente; si la cerilla se aplica a un trozo de madera no habrá ignición, incluso aunque la cerilla arda hasta consumirse. De forma similar, si se hacen trizas al papel de un periódico, o se separa en hojas y se arruga, arderá rápidamente al aproximar la cerilla. Si este mismo papel, en forma de bloque sin separar sus hojas, se expone a la ignición de una llama, resistirá la propagación de esta y su ignición será muy lenta.
El análisis de esta situación revela dos factores que controlan la velocidad de ignición y la propagación de la llama en los sólidos:
- Su conductividad calorífica.
- La magnitud de la superficie de contacto entre el material y el oxígeno del aire.
En el caso de un bloque sólido de madera, la conducción o penetración de calor en el interior del bloque es muy lenta, debido a su baja velocidad de conducción (es decir, la madera es muy buena aislante del calor); y las partículas del bloque sólido que se calientan hasta su punto de ignición no están totalmente rodeadas y expuestas al oxígeno, por ello la ignición o combustión no tiene lugar. En el caso de las virutas de madera o la superficie del papel, la temperatura aumenta rápidamente debido a que la cerilla tiene que calentar una masa muy pequeña y, además, toda la superficie del papel o la madera está rodeada por aire, de forma que la combustión se desarrolla con rapidez.
La composición de la Madera
Los elementos de construcción de la madera, son todos combustibles sólidos de origen vegetal. Todos ellos contienen celulosa formada por carbono, hidrógeno y oxígeno, además de otros elementos. La madera y su derivado contienen cantidades pequeñas de compuestos orgánicos de nitrógeno y potasio. Además poseen carbono, hidrógeno y oxígeno, así corno otros compuestos orgánicos corno lignina y resina.
Las propiedades físicas de estos combustibles sólidos celulósicos son de gran importancia para la protección contra incendios. La madera, tal y como se utiliza en la construcción ordinaria, está compuesta por muchos miles de células por unidad de volumen. En su estado natural, estas células contienen savia y disoluciones acuosas; sin embargo, en forma seca presenta las células abiertas con superficies e intersticios para la absorción de vapor agua. Esto produce a una variada cantidad de humedad en las construcciones de madera, dependiendo de su entorno.
El contenido de humedad de la madera tiene una gran influencia en su tendencia a la ignición cuando se expone al calor. Los incendios de los edificios de madera en zonas húmedas y tropicales, se propagan más lentamente que los de construcción similar situados en regiones secas y frías. La figura muestra los resultados de los ensayos realizados sobre los efectos del contenido de humedad; así mismo, indica la influencia del contenido de humedad sobre el tiempo necesario para la ignición de la madera.
La baja conductividad calorífica de la madera es otra propiedad física importante en las situaciones de incendio. Si consideramos una madera expuesta a una llama moderada, se producirá inmediatamente una carbonización en su cara expuesta. Esta superficie carbonizada posee una conductividad de calor todavía menor que la propia madera y la velocidad de penetración de calor en el interior de la madera disminuye progresivamente. En el caso de una construcción de madera pesada, o cuando se emplean grandes entramados de madera, la integridad estructural del edificio puede preservarse durante más tiempo al ataque del fuego que en el caso de un edificio construido con estructuras de acero de similar resistencia. La superior conductividad calorífica del metal le hace más vulnerable a la perdida de resistencia, debido a una mayor penetración del calor.
Es difícil diferenciar y valorar las variables que participan en la ignición y combustión de la madera, la madera necesita para arder, calentarse hasta un punto en el que emita gases combustibles desde su superficie. Los gases de este tipo requieren fuentes de ignición o temperaturas comprendidas en el rango entre 427 ºC a 538 ºC antes de que se produzca la combustión. (La mayoría de las llamas abiertas están en la región en tomo a los l.093 °C). Como consecuencia, es relativamente sencillo establecer el punto de ignición de la madera situándolo entre los 178 ºC y los 200 ºC), si está presente una llama abierta para actuar como fuente de ignición de los gases emitidos en este rango de temperaturas. La densidad, estado de subdivisión, contenido de resina, estado de deshidratación y velocidad de calentamiento influyen en la temperatura de ignición de la madera de una forma proporcional.
Respecto a la temperatura de ignición espontánea de la madera, la influencia de las variables está menos determinada que cuando existe una llama para la ignición de los gases. Si consideramos que la madera cambia lentamente su composición química ante un ataque de calor de menor cantidad que el necesario para producir la ignición de los gases combustibles generados, el resultado final de una exposición durante largos períodos de tiempo, es la formación de una capa carbonizada extremadamente porosa. Esta capa de brasas es capaz de absorber los gases y vapores. Si estos gases son combustibles y capaces de descomponerse con el paso del calor por el interior de las brasas, podrá alcanzarse una temperatura capaz de producir la ignición espontánea de la capa carbonizada y de la madera en contacto con la misma.
