Impact of salt and frost weathering on the physical and durability properties of travertines and carbonate tufas used as building material

This study aims to understand the effect of salt and frost crystallisation on the petrophysical and durability properties of representative types of travertine and carbonate tufas. Results demonstrate that the studied travertines and tufas exhibit a very high durability against salt and ice crystallisation cycles, compared to carbonates rocks with similar porosity values. The variation of the loss of mass, effective porosity, capillary absorption coefficient, ultrasonic wave velocity and attenuation, and compressive strength was scarce during weathering tests. The evolution of petrophysical properties was slightly more intense after 30 cycles of salt crystallisation than 100 cycles of freeze–thaw. Petrophysical and durability properties of the travertines and carbonate tufas depend on porosity fraction and on the manner in which the vuggy porosity is connected. In the travertine facies, vuggy macropores show little connection and can be considered as separate-vug porosity. Their addition to interparticle porosity increases effective porosity and reduces their mechanical strength but does not significantly increase capillary transport and the effectiveness of salt and ice action over the stone. On the contrary, in the carbonate tufas, vugs act as touching-vug pores, as capillary imbibition coefficients reveal. However, scanning electron microscopy displays that they underwent microcracking processes related mainly to both thermal stresses and/or ice and salt pressures. These microcracks present little connection, and they do not enhance noticeably the water flow or decrease the mechanical properties. These results are finally discussed in terms of a nonlinear decay pattern, which with long periods of apparent stability might be followed by rapid and catastrophic decay.This study was financed by the Spanish Ministry of Education and Science (MEC) through the Research Project CGL2006-05027/BTE and Community of Madrid (S2023/MIT 2914). A pre-doctoral research fellowship was awarded to N. Cueto by the MEC

Experimental relationship between water permeability and capillarity imbibition in porous rocks

The movement of fluid through porous systems in rocks has been widely studied in several fields of research such as ground water, petroleum engineering, engineering geology, soil physics and building materials.This research was financed by the Spanish Ministry of Science and Innovation (CGL2011-25162). A pre-doctoral research fellowship was awarded to C. Pla for this project

Response to ENGEO7253 Discussion of: “Predicting water permeability in sedimentary rocks from capillary imbibition and pore structure” by D. Benavente et al., Engineering Geology (2015) [doi: 10.1016/j.enggeo.2015.06.003]

The authors would like to express their thanks to C. Hall and A. Hamilton for their interest, clarifications and suggestions about our paper, mainly in the analysis of wettability effects on capillary imbibition. They theoretically supported the permeability, porosity and capillary imbibition relations and elegantly demonstrated some of the empirical equations obtained in our paper. They also proposed using low surface-tension liquids to avoid wettability effects on permeability estimations. This discussion is an excellent opportunity to present additional comments and results and to clarify certain aspects of our paper that may not have been clear enough. Thus, we here highlight that our scaling relations assume that rocks present a homogenous porous medium and the saturation state of the wetted zone in capillary imbibition test is the same as the saturation state in the saturated permeability test. As Hall and Hamilton's Discussion points out, this is not generally true since the mean liquid content of the wetted zone in imbibition is below saturation as a result of air-trapping

Predicting water permeability in sedimentary rocks from capillary imbibition and pore structure

In this paper, absolute water permeability is estimated from capillary imbibition and pore structure for 15 sedimentary rock types. They present a wide range of petrographic characteristics that provide degrees of connectivity, porosities, pore size distributions, water absorption coefficients by capillarity and water permeabilities. A statistical analysis shows strong correlations among the petrophysical parameters of the studied rocks. Several fundamental properties are fitted into different linear and multiple expressions where water permeability is expressed as a generalized function of the properties. Some practical aspects of these correlations are highlighted in order to use capillary imbibition tests to estimate permeability. The permeability–porosity relation is discussed in the context of the influence of pore connectivity and wettability. As a consequence, we propose a generalized model for permeability that includes information about water fluid rate (water absorption coefficient by capillarity), water properties (density and viscosity), wetting (interfacial tension and contact angle) and pore structure (pore radius and porosity). Its application is examined in terms of the type of pores that contribute to water transport and wettability. The results indicate that the threshold pore radius, in which water percolates through rock, achieves the best description of the pore system. The proposed equation is compared against Carman–Kozeny's and Katz–Thompson's equations. The proposed equation achieves very accurate predictions of the water permeability in the range of 0.01 to 1000 mD.This study was financed by the Spanish Ministry of Science and Innovation CGL2011-25162. A pre-doctoral research fellowship was awarded to C. Pla for this project

Reducing the environmental impact of surgery on a global scale: systematic review and co-prioritization with healthcare workers in 132 countries

Abstract Background Healthcare cannot achieve net-zero carbon without addressing operating theatres. The aim of this study was to prioritize feasible interventions to reduce the environmental impact of operating theatres. Methods This study adopted a four-phase Delphi consensus co-prioritization methodology. In phase 1, a systematic review of published interventions and global consultation of perioperative healthcare professionals were used to longlist interventions. In phase 2, iterative thematic analysis consolidated comparable interventions into a shortlist. In phase 3, the shortlist was co-prioritized based on patient and clinician views on acceptability, feasibility, and safety. In phase 4, ranked lists of interventions were presented by their relevance to high-income countries and low–middle-income countries. Results In phase 1, 43 interventions were identified, which had low uptake in practice according to 3042 professionals globally. In phase 2, a shortlist of 15 intervention domains was generated. In phase 3, interventions were deemed acceptable for more than 90 per cent of patients except for reducing general anaesthesia (84 per cent) and re-sterilization of ‘single-use’ consumables (86 per cent). In phase 4, the top three shortlisted interventions for high-income countries were: introducing recycling; reducing use of anaesthetic gases; and appropriate clinical waste processing. In phase 4, the top three shortlisted interventions for low–middle-income countries were: introducing reusable surgical devices; reducing use of consumables; and reducing the use of general anaesthesia. Conclusion This is a step toward environmentally sustainable operating environments with actionable interventions applicable to both high– and low–middle–income countries

Principales factores de control de las propiedades de transporte de fluidos en rocas carbonáticas marinas y continentales: Estudio experimental y teórico integrado sobre la relación entre la permeabilidad y la capilaridad

La predicción de las propiedades de transporte de fluidos es una labor de importancia primordial en áreas científicas de gran interés económico. Las dificultades encontradas en describir y predecir cualquier problema ingenieril relacionado con el flujo de fluidos en medios rocosos carbonáticos es un desafío compartido entre los investigadores dedicados a este tema, atribuido principalmente al gran número de variables a ser consideradas. Las texturas de origen primario y secundario, la composición mineralógica, la porosidad y la distribución de tamaño de poro, la proporción clasto/matriz/cemento/tipo de poro, el arreglo espacial de los elementos texturales y estructurales, entre otros, actúan simultáneamente a escala de poro hasta escalas superiores, impactando sobre un único parámetro de conjunto investigado. Como resultado, los modelos de predicción clásicos no describen correctamente las propiedades de transporte de fluidos, debido a la pobre relación encontrada entre los resultados experimentales y las estimaciones teóricas. Esto podría deberse, en parte, a la exclusión de parámetros claves en las teorías existentes, a la simplificación excesiva de las ecuaciones generalizadas y a la aplicación inadecuada de modelos determinísticos para evaluar medios porosos caóticos. Esta investigación tiene como objetivo desarrollar modelos de flujo monofásico en rocas carbonáticas de agua dulce y marinas, con el propósito de describir procesos de flujo reales, tanto en medios no saturados (capilaridad) como saturados (permeabilidad), a partir de un enfoque teórico y experimental. Para ello, primero se cuantifican en profundidad los factores intrínsecos de las rocas y posteriormente se determina su control sinérgico sobre el comportamiento del flujo de fluidos. Con base en la conceptualización adecuada del espacio poroso interconectado, como también en la selección y parametrización de las variables petrológicas y petrofísicas más significativas, se introducen nuevas ecuaciones empíricas de regresión lineal múltiple y soluciones semi-analíticas para estimar la permeabilidad. La atención se centra en modelos de predicción de la permeabilidad a partir de la imbibición capilar, la estructura del poro y la mojabilidad, asumiendo que el frente capilar en el ensayo de imbibición espontánea alcanza un estado de saturación completa como el presentado en la permeabilidad absoluta. En esta investigación se escogieron tres tipos de dolomías fracturadas y dos travertinos de la Cordillera Bética (SE de España), y una caliza lacustre de la Cuenca de Madrid (Centro de España), comercializadas como mármoles y ampliamente utilizadas como material de construcción. A fin de verificar los modelos de permeabilidad e identificar los principales factores de control, también se estudiaron y se compararon algunas rocas sedimentarias adicionales provenientes de España (biocalcarenita, biocalcirrudita, oosparita y arenisca) y dos rocas volcánicas (tobas de lapilli) de la Isla de Madeira, Portugal. En conjunto, estas rocas además de presentar una petrogénesis y composición mineralógica diferenciada, también exhiben una amplia gama de características petrográficas que proporcionan distintos grados de conectividad, porosidades, distribuciones de tamaño de poro, coeficientes de absorción de agua por capilaridad y de permeabilidades al agua. El análisis de componentes principales y los modelos de regresión propuestos para las dolomías fracturadas demostraron claramente, por un lado, que el sistema poroso en medios no saturados debe ser modelado a partir de la combinación de tubos capilares con geometría diferente representando la matriz (cilíndricos) y las fisuras (prismas rectangulares) y, por otro lado, que la cuantificación detallada del tamaño de la fisura permitió una predicción más precisa de la permeabilidad en medios saturados. Los resultados experimentales confirman que las propiedades de transporte y su comportamiento anisotrópico dependen en gran medida de la tipología de las fisuras, de las características texturales, de la mineralogía y de la distribución espacial de todos los elementos constituyentes de la fábrica de la roca. Las fisuras con gran apertura generan una succión capilar débil, por lo que no se hallan activas en el transporte de agua por capilaridad, pero son vitales para controlar la permeabilidad. Las brechas tipo «crackle» con clastos pequeños, alto contenido de cemento dolomítico y alta densidad de fisura de tipo interclasto, muestran una fuerte succión capilar. Sin embargo, el alto contenido de cemento calcítico produce tasas anormalmente bajas del ascenso capilar, causadas por una posible contaminación de la superficie de los poros, indicando un estado de mojabilidad parcial con un ángulo de contacto mayor que cero. La buena correlación entre la permeabilidad y los factores geométricos de la fisura ofreció una base adecuada para identificar direcciones permeables preferentes. Adicionalmente, se encontró un valor de densidad de fisura crítica (umbral de percolación) que definió la permeabilidad isotrópica de la matriz. Finalmente, se presenta un nuevo modelo lineal práctico y simple, aplicable a dolomías brechoides, que relaciona la permeabilidad con la capilaridad, la densidad de fisura y la porosidad efectiva. El análisis de estos resultados reveló que el uso del análisis multivariante en dolomías con porosidad de tipo dual es considerablemente más preciso en comparación con los enfoques convencionales. El espacio poroso de las calizas, travertinos, tobas, rocas bioclásticas y areniscas estudiadas se describe como un medio poroso homogéneo constituido por un grupo de tubos capilares paralelos. El análisis estadístico también mostró fuertes correlaciones entre los parámetros petrofísicos de las variedades petrológicas evaluadas. Diversas propiedades fundamentales se ajustan a diferentes expresiones lineales y múltiples, en las cuales la permeabilidad al agua se expresa como una función generalizada de las propiedades. La relación entre la permeabilidad y la porosidad se discute en el contexto de la influencia de la conectividad de los poros y la mojabilidad. Como consecuencia, se propone un modelo generalizado para estimar la permeabilidad en medios porosos homogéneos que incluye información sobre la tasa de fluidos del agua (coeficiente de absorción capilar), propiedades del agua (densidad y viscosidad), mojabilidad (tensión interfacial y ángulo de contacto) y estructura del poro (radio medio del poro y porosidad). Los resultados indican que el radio de poro umbral, en el que el agua percola a través de la roca, logra la mejor descripción del sistema poroso. La ecuación propuesta se compara con las ecuaciones de Carman-Kozeny y Katz- Thompson y alcanza predicciones muy precisas de la permeabilidad al agua en el rango de 0.01 a 1000 mD. Otro aspecto significativo de esta ecuación consiste en el hecho de que reveló que valores altos de ángulos de contacto permiten obtener resultados confiables en la predicción de la permeabilidad, especialmente en rocas con alto contenido de calcita. Por tanto, se propone una ecuación para estimar la permeabilidad a partir de la sortividad intrínseca en lugar de la capilaridad, eliminando la existencia de cualquier estado de mojabilidad parcial y logrando así una excelente correlación entre los resultados predichos y los experimentales. Una regresión lineal simple que relaciona el coeficiente de absorción capilar con la raíz cuadrada de la permeabilidad, proporcionando por primera vez un alto coeficiente de correlación (R = 0.991) en rocas altamente heterogéneas y anisotrópicas, específicamente en tobas de lapilli, sugiere que en ausencia de calcita no se espera una absorción anormal de agua por capilaridad y, por consiguiente, este tipo de modelo podría aplicarse de manera muy efectiva en estos casos. En resumen, este estudio ha demostrado que a través de la implementación de un enfoque sistemático que incluye la configuración real del sistema poroso de la roca, la identificación correcta de las variables petrológicas y petrofísicas relacionadas directamente entre sí, la determinación de su efecto sinérgico y, finalmente, la elección adecuada del modelo de permeabilidad a ser aplicado, es factible obtener estimaciones precisas de la permeabilidad

Influence of petrographic features on the petrophysical properties and durability of the Classic Travertine: analysis of its anisotropy

The influence of facies on the petrophysical properties and durability of the Classic Travertine is studied. This travertine is a light travertine quarried in Turkey, which is widely used in Spain as building stone and is extremely similar to the Travertino Romano Classico. Its physical properties (pore structure and hygric, thermal, acoustic and mechanical properties) and its resistance to durability tests (freeze-thaw and salt crystallization action) corroborate the good performance of this travertine as a dimensional stone. Its structure and fenestral porosity are the main causes of rock anisotropy. The results show that rock anisotropy has a particularly important influence on the hygric and mechanical behavior of the Classic Travertine, while it has a minor effect on wave velocities and stone durability.Este trabajo ha contado con la ayuda del MEC: Proyecto CGL2006-05027/BTE

Changes on the surface properties of foliated marbles at different cutting orientations

A single calcite crystal shows a pronounced anisotropy that can be transferred to the bulk stone, especially in the case of marbles. The aim of this paper is to analyse the effect of the preferential crystallographic orientation of the anisotropic calcite crystals on the surface properties of foliated marbles. Variations of microhardness, roughness, solubility and contact angle in rock surfaces are studied taking into account their relative position with respect the metamorphic foliation. Results show that more than 50% of the crystals have their c-axis oriented close to the normal of the axial foliation plane. This fact has a direct response on its surface properties: i) the microhardness in surface parallel to metamorphic foliation is a 14% higher than it is in the perpendicular surface; ii) contact angle of the water on the parallel faces is slightly lower than it is on the perpendicular one (42.75° and 53.25°, respectively); and iii) a lower chemical reactivity is estimated on parallel faces, which results in a lesser roughness of weathered surfaces. Results from this paper determine the optimal direction in which an ornamental piece should be cut in order to guarantee its maximum durability.This study was financed by the Spanish Government (Consolider-Ingenio Programme CSD2007-0058) and MCI CGL2008-05929/BTE. Predoctoral fellowships were awarded to N. Cueto by the MEC (Project MAT 2003-01823)