Hontoria’s stone (Burgos, Spain): Characteristics and weathering

This paper deals with petrological and petrophysical features of the Hontaria's stone, Burgos (Spain), with which many important monuments were built in northern Spain, in orderr to establish a basis for individual monument restoration. The study contains an historical reference to sorne buildings in which this stone was employed, geological considerations of the origin area, laboratory analysis of the samples, and results of the most common characterization tests. As a conclusion, it can be stated that the Hontoria's stone is apure limestone, with good mechanical and hydrological behaviour, resistent to weathering, easy to quarry (underground mining) and with large resources

Digital image processing techniques as a tool for evaluating and mapping patinas on granite monuments

Monument conservation is related to the interaction between the original petrological parameters of the rock and external factors in the area where the building is sited, such as weather conditions, pollution, and so on. Depending on the environmental conditions and the characteristics of the materials used, different types of weathering predominate. In all, the appearance of surface crusts constitutes a first stage, whose origin can often be traced to the properties of the material itself. In the present study, different colours of “patinas” were distinguished by defining the threshold levels of greys associated with “pathology” in the histogram. These data were compared to background information and other parameters, such as mineralogical composition, porosity, and so on, as well as other visual signs of deterioration. The result is a map of the pathologies associated with “cover films” on monuments, which generate images by relating colour characteristics to desired properties or zones of interest.

Trace Elements Distribution in Red Soils under Semiarid Mediterranean Environment

This study states the potential trace elements (TE’s) content of red soils located at the centre region of Spain, characterized by low rainfall and slight acidity over prolonged weathering periods. For this purpose, three soil profiles from a catena were described, sampled and analyzed. The most notable characteristics are the low organic matter content and the predominantly acidic pH. Illite and kaolinite are the predominant clay minerals. The fertility of the soils is sufficient to provide most of the nutrients required, with very suitable potassium levels. The geochemical characters of this soil are: only few elements remain almost invariable across the profiles and over time, however the majority of them were directly linked with the clay content. These soils are characterized by relatively low levels of some trace elements such as Sr (64.35 mg?kg–1), Ba (303.67 mg?kg–1) and Sc (13.14 mg?kg–1); high levels of other trace elements such as V (103.92 mg?kg–1), Cr (79.9 mg?kg–1), Cu (15.18 mg?kg–1), Hf (10.26 mg?kg–1), Ni (38 mg?kg–1) and Zr (337 mg?kg–1); while the levels for rare earth elements (REE’s) such as La (48.36 mg?kg–1), Ce (95.07 mg?kg–1), Th (13.33 mg?kg–1) and Nd (42.65 mg?kg–1) are significantly high. The distribution of mayor and trace elements was directly re- lated to weathering processes, parent material and anthropogenic activities.

Proyecto para la estabilización de talud de estación de servicio en carretera nacional 525

El proyecto tiene por objeto describir los trabajos de estabilización del talud que se desean realizar en la estación de servicio sita en la Carretera Nacional 525, p.k. 534,600 en San Cibrao das Viñas, provincia de Orense. Y en base al proyecto solicitar la licencia de obras y todos los permisos necesarios para realizarlos, tales como ocupación de vía pública, retirada de escombros y residuos resultantes y existentes, etc. El motivo por el cual se desea realizar las obras de estabilización del talud es como consecuencia de los desprendimientos que se producen desde el macizo rocoso que está ubicado encima de la estación de servicio, debido al estado de meteorización en el que se encuentra la parte superficial de la roca que forma dicho macizo. Se pretende evitar posibles accidentes ya que se trata de una estación de servicio y se almacena combustible para suministro de vehículos, con las posibles consecuencias que se pueden derivar de los desprendimientos que puedan producirse sobre las descargas de combustible y el edificio auxiliar de la tienda y la integridad física de los trabajadores y clientes. Abstract The project describe the slope stabilization works to be done in the service station located on National Road 525, pk 534.600 in San Cibrao das Viñas, province of Orense . And based on the project, apply for the works permits and all permits necessary to perform them, such as occupation of public roads, removal of debris and waste arising and existing. The reason to make the slope stabilization work is as a result of landslides that occur from the rock mass which is located above the station, due to the state of weathering of the surface of the rock mass. This is to avoid accidents, because it is a service station with fuel stored for the supply of vehicles, with the consequences that may result from landslides that may occur on the discharge of fuel and the auxiliary building of the store, and the physical integrity of workers and customers.

Origin and patterns of distribution of trace elements in street dust. Unleaded petrol and urban lead

The elemental composition, patterns of distribution and possible sources of street dust are not common to all urban environments, but vary according to the peculiarities of each city. The common features and dissimilarities in the origin and nature of street dust were investigated through a series of studies in two widely different cities, Madrid (Spain) and Oslo (Norway), between 1990 and 1994. The most comprehensive sampling campaign was carried out in the Norwegian capital during the summer of 1994. An area of 14 km2, covering most of downtown Oslo and some residential districts to the north of the city, was divided into 1 km2 mapping units, and 16 sampling increments of approximately 150 g were collected from streets and roads in each of them. The fraction below 100 μm was acid-digested and analysed by ICP-MS. Statistical analyses of the results suggest that chemical elements in street dust can be classified into three groups: “urban” elements (Ba, Cd, Co, Cu, Mg, Pb, Sb, Ti, Zn), “natural” elements (Al, Ga, La, Mn, Na, Sr, Th, Y) and elements of a mixed origin or which have undergone geochemical changes from their original sources (Ca, Cs, Fe, Mo, Ni, Rb, Sr, U). Soil resuspension and/or mobilisation appears to be the most important source of “natural” elements, while “urban” elements originate primarily from traffic and from the weathering and corrosion of building materials. The data for Pb seem to prove that the gradual shift from leaded to unleaded petrol as fuel for automobiles has resulted in an almost proportional reduction in the concentration of Pb in dust particles under 100 μm. This fact and the spatial distribution of Pb in the city strongly suggest that lead sources other than traffic (i.e. lead accumulated in urban soil over the years) may contribute as much lead, if not more, to urban street dust.

Geological patterns in the collapse of certain rock sanctuaries of Spain

Descripción de ciertos rasgos geológicos que amenazan el patrimonio religioso rupestre español. Rock sanctuaries are a historical heritage not as well-known as other religious constructions, due to their usual recondite location and abandoned condition. Spain has a large number of examples, mostly excavated during the Early Middle Age or even before. Fortunately, some of them are used on present worship, but the majority of these ancient shrines have suffered of severe damage through time, mostly due to common geological patterns. Some others threaten to collapse soon unless urgent remedial improvement is applied. Some examples at different locations are shown, reviewing their problems, which involve weathering, major rock cracks, soft rock pillars and others related to the defective site where they were located.

Caracterización de los parámetros de resistencia al corte y erosionabilidad del suelo para su aplicación en los problemas de estabilidad de taludes en obras lineales

La tesis se organiza en un volumen de Memoria integrada por once capítulos que constituyen el cuerpo de la tesis y otro volumen de Apéndices titulado “Caracterización geotécnica de Base de los suelos de España” que reúne en forma de cuadros las características de textura, permeabilidad, humedad-succión, erosionabilidad y resistencia al corte de los cuarenta y dos perfiles de suelos representativos de los tipos del Mapa de suelos De España. Estos cuadros han sido elaborados originalmente por la doctorando durante sus estudios para la obtención del DEA de la Suficiencia Investigadora, excepto los de resistencia al corte que lo han sido también por la doctorando de forma original, pero ya en la etapa de redacción de la tesis. En el Capítulo 1 “Introducción” se describe la motivación, antecedentes, alcance y contenido de la tesis, ordenado según el índice que en él se incluye. Los Capítulos 2 “Meteorización, 3 “Balance Hídrico” y 4 “Humedades características” constituyen el “estado del arte” en el momento actual de los temas de geotecnia ambiental relacionados con la degradación de la superficie terrestre y la estabilidad de taludes. El Capítulo 2, tras matizar algunas generalidades, aporta elementos para la cuantificación de la alteración de rocas como el “índice climático de Weinert” y de la erosión de suelos como la “ecuación universal de pérdida de suelo (U.S.L.E.)” El Capítulo 3, partiendo de los fenómenos de precipitación y evapotranspiración, plantea el balance hídrico en vertientes con instrumentos para evaluar la infiltración y la escorrentía, conceptos imprescindibles para adentrarse en los de resistencia y erosionabilidad del conjunto suelo-agua. En los Apéndices A1 y A2, se recogen valores de coeficientes de infiltración en condiciones saturadas y no saturadas de los perfiles de suelos del Mapa de España. El Capítulo 4 se dedica al estudio de este conjunto suelo-agua con la definición de conceptos que lo caracterizan, basados en la relación entre los contenidos de ambos elementos o “humedad”, sus valores máximos y mínimos y la forma en la que es retenida el agua por el suelo. Este capítulo acaba con el concepto de “Curva característica Suelo-Agua/Soil Water Characteristic curve (SWCC)”, que liga el contenido de agua de un suelo con la tensión a la que está retenida (uauw) “succión” o con su expresión más usual “pF”. En el Apéndice A 3 se adjuntan las SWCC de los perfiles de suelos del Mapa de suelos de España. En el Capítulo 5 “Resistencia al corte de los suelos”, se detalla la influencia que tienen sobre la resistencia de los suelos factores como el paso del tiempo, el contenido de humedad y la presencia y tipo de vegetación en la superficie del suelo estudiado. El Capítulo 6 “Evaluación de la erosión”, analiza el factor de erosionabilidad del suelo “factor K” de la U.S.L.E., su evaluación en función de la textura, estructura y permeabilidad del suelo, con la estimación hecha para los cuarenta y dos perfiles de suelos del Mapa de España, contenida en el Apéndice 4. En el Capítulo 7 “Metodología de diseño” se hacen en su primera parte unas consideraciones geoambientales de diseño aplicables al estudio de los problemas de inestabilidades en taludes. La segunda parte constituye el núcleo de la tesis con la propuesta de “estimación de los parámetros de resistencia al corte del suelo”, consecuente con las teorías y metodología de análisis expuesta en los capítulos anteriores. En el Apéndice A 5 se presentan los valores de los parámetros coulombianos de resistencia al corte, ”c y Ф” estimados según la caracterización climática a partir del índice de Thornthwaite, en condicionesde diseño para humedades naturales máxima y mínima de los cuarenta y dos perfiles de suelos del Mapa de suelos de España. El Capítulo 8 “Aplicación a casos reales” se considera de gran interés al constituir una auténtica continuación de la segunda parte del capítulo anterior, desarrollando la metodología expuesta en él a cuatro problemáticas de infraestructuras de obras lineales, relacionadas con problemas de erosión y deslizamientos en taludes. El Capítulo 9 “Ensayos de referencia” se incluye como punto de apoyo (referencia) a las teorías expuestas, valorando la idoneidad de los tipos de ensayos y tipos de suelos seleccionados (Laboratorio de Geotecnia del CEDEX y Laboratorio Hong-Kong University of Science and Technology), utilizados para la obtención, por correlaciones deducidas, de las curvas SWCC de los perfiles de suelos del Mapa de España, incluídas en el Apéndice A 3, como se ha citado antes. En el Capítulo 10 “Conclusiones y Futuras Líneas de Investigación”se apuntan en primer lugar unas conclusiones que, a juicio de la doctorando, se pueden extraer con interés de esta tesis y a continuación se esbozan unas posibles líneas de investigación, fundamentalmente de tipo experimental, que complementarían los avances derivados de esta tesis o podrían esclarecer y abrir nuevas interpretaciones de los fenómenos naturales de erosión y estabilidad de taludes en los que ésta se ha centrado. Finalmente, en el Capítulo 11 “Bibliografía” se han reunido 328 referencias que reflejan una visión amplia y bastante completa del tema tratado, obtenida complementando las de tesis anteriores sobre esta singular materia (“Efecto estabilizador de la vegetación en taludes”, L Fort 1975 y “Determinación de las características de fricción en el contacto suelo-geotextil a diferentes succiones, mediante equipos de laboratorio singulares”, E Asanza 2009), con propias de la doctorando (9) y las consideradas de mayor interés de los últimos Congresos sobre Suelos no saturados,”Unsat 95”, “Unsat 2002” y “Unsat 2011” entre otros. ABSTRACT The thesis is organized in a volume of Memory composed of eleven chapters that make up the body of the thesis and other Appendices volume entitled "Geotechnical characterization of basis of the soils of Spain" that combines the characteristics of texture, permeability, moisture-suction, erosionability, and shear strength of forty-two profiles of soils representative of the types of the soil of Spain map in the form of pictures. These pictures have been produced originally by the student during their studies to obtain the DEA of the research, except those of the shear strength, also been done by the PhD student in an original way, but already at the stage of drafting of the thesis. Chapter 1 "Introducción" describes the motivation, background, scope and content of the thesis, ordered according to the index that is included. The Chapters: 2 "Weathering, 3 “Water Balance” and 4 “moisture characteristics" are the "State of the art" at the present time of geotechnical environmental issues related to the degradation of the Earth's surface and the slope stability. Chapter 2 after clarify some general information, provides elements for the quantification of the alteration of rocks as "Weinert climate index" and soil erosion as the "universal equation of loss of soil (U.S.L.E.)" Chapter 3, on the basis of the phenomena of precipitation and evapotranspiration, raises the water balance in sheds with instruments to evaluate infiltration and runoff, essential concepts into the resistance and erosionability water-soil joint. Values of soils coefficients of infiltration in saturated and unsaturated conditions from the Spain map of profiles are collected in the Appendices A1 and A2. Chapter 4 is dedicated to the study of this joint “soil-water”, with the definition of concepts that characterize it, based on the relationship between the contents of both elements or “moisture”, their maximum and minimum values and the way in which water is retained by the soil. This chapter ends with the concept of “Soil Water Characteristic curve (SWCC)", which linked the water content of a soil with the stress that it is retained (ua-uw) "suction" or its expression more usual "pF". The SWCC of the profiles of soils of the Spain soils Map are attached in the Appendix 3. In Chapter 5 “Soils shear strength”,is detailed the influence that they have on the resistance of soils factors such as the passage of time, the content of moisture and the presence and type of vegetation on the surface of the studied soil. Chapter 6 "Assessment of erosion", analyses the soil erodibility factor "Kfactor" of the U.S.L.E., its evaluation based on texture, structure and permeability of the soil, with the estimate for forty-two profiles of soils on the Spain Soils Map, contained in Appendix 4. Chapter 7 "Design methodology" some considerations are made in the first part geo-environmental design applicable to the study of the problems of instabilities in slopes. The second part constitutes the core of the thesis with the proposal of “estimation of parameters of shear strength”, of the soils consistent with theories and analytical methodology outlined in the previous chapters. Appendix A 5 presents the values of the coulombians parameters of shear strength, "c and Ф" according to the characterization of climate from the index of Thornthwaite, in design for natural moisture conditions maximum and minimum of forty-two profils of Spain Soils Map Chapter 8 "Application to real cases" is considered of great interest to constitute a true continuation of the second part of the previous chapter, developing the methodology exposed it to four problems of civil-works infrastructure, related to problems of erosion and landslides in slopes. Chapter 9 "Tests of reference" is included as point of support (reference) to the theories exposed, assessing the suitability of the types of tests and types of selected soils (Geotechnical laboratory of CEDEX and laboratory Hongkong University of Science and Technology), used to obtain, by deduced correlations, of curves SWCC of soils profiles on the Spain Soils Map, included in Appendix A. 3, as it was mentioned before. Chapter 10 "Conclusions and future research lines" are running first conclusions which, in the opinion of the candidate, can be extracted with interest of this thesis, and then, it outlines some possible lines of research, mainly experimental, which would complement the advances arising from this thesis or could clarify and open new interpretations of natural phenomena of erosion and slope stability in which it has focused. Finally, in Chapter 11 "Bibliography" 328 references have been included which reflect a broad and fairly comprehensive view of the subject matter, obtained complementing those of the previous theses on this singular issue ("Vegetation stabilizing effect on slopes", L Fort 1975, and "Determination of the characteristics of friction in the contact soil-geotextile to different-suctions, through special laboratory equipment", E Asanza 2009) with some of them from of the candidate (9) and the others from of the considered as the most interesting of recent conferences on unsaturated soils, "Unsat 95", "Unsat2002" and "Unsat 2011" among others.

La habitación subterránea en la Península Ibérica : investigación geológica

La habitación rupestre en la Península Ibérica conforma un amplio conjunto de manifestaciones cuyos orígenes son difíciles de dilucidar. Existen conjuntos primitivos, posiblemente horadados durante la Antigüedad Clásica y Tardía, y otros que probablemente se originaron y excavaron en la Alta Edad Media, en los que se mezclan grupos de origen religioso y otros de probable uso defensivo. El conjunto peninsular es sin duda el más variado de Europa Occidental, pues recibió influencias árabes y usos de la cristiandad antigua, importados de Oriente Próximo, que por tanto relacionan estas manifestaciones con otras del arco mediterráneo. La supervivencia del uso de las cuevas a lo largo de la Baja Edad Media -una vez afianzada la Reconquista- es una incógnita, pero los usos rupestres volvieron a generalizarse en ciertos sectores de la Península durante la Edad Moderna, toda vez que el hábitat cuevero manifestó una eclosión relacionada con la peripecia de los moriscos, primero desterrados de sus habitaciones en el Sur y Este peninsular y luego expulsados en los albores del siglo XVII. Los que quedaron, nominalmente conversos, debieron habitar de nuevo cuevas en sus lugares de origen. Esos núcleos son los más abundantes, particularmente en la provincia de Granada y aledañas. Este substrato fue seguramente el punto de apoyo para la proliferación de las cuevas de habitación a partir del siglo XIX, en el cual un creciente proletariado agrícola y urbano necesitó de alojamientos baratos y no hizo sino imitar usos preexistentes, que se pueden rastrear en muchos de los núcleos rupestres que sobrevivieron mayoritariamente hasta bien entrado el siglo XX, y que se abandonaron gradualmente a partir de los años 60 de esa centuria. Para entonces, existían barrios de cuevas extensos en muchas provincias, destacando, aparte de las andaluzas, ciertas zonas de la Cuenca del Ebro (aragonesa, navarra y riojana), del arco periurbano de Valencia, del Sur de Madrid, de la Mancha toledana, o de las provincias de Albacete, Guadalajara, Murcia e incluso de Palencia. Los núcleos antiguos se excavaron -en razón de su origen dedicado a defensa y refugio- en lugares poco accesibles, que mayoritariamente se dan en relieves anfractuosos, en las orlas marginales detríticas y carbonatadas de las cuencas terciarias y en terrenos más antiguos de la geológicamente denominada Cuenca Vasco Cantábrica, en las cuales florecieron centros de eremitismo del primitivo condado de Castilla. También son lugares inaccesibles los riscos asomados a cantiles fluviales, cuya regularización morfológica natural ha sido causa de la ruina de múltiples hipogeos que se labraron con las mismas intenciones de refugio, defensa o retiro espiritual. Los núcleos modernos se han excavado ya en terrenos más propicios (los que componen las cuencas terciarias o "España arcillosa", mayoritariamente), y por ello observamos cómo abundan las litologías sedimentarias, que son aquellas en las que se horadaron casi todas las "colmenas" de habitación moderna en la Península. En unos casos y otros, existen rasgos comunes en lo relativo a la litología y comportamiento de los materiales excavados, y también en lo relativo a su evolución, meteorización y conservación. Se han estudiado por ello estas pautas comunes -como un posible avance para el establecimiento futuro de estudios de geoconservación del patrimonio rupestre habitado-, que se traducen en la determinación de los procesos de meteorización más característicos en los antros de la Península Ibérica -sean modernos o antiguos- y en la determinación de las relaciones más habituales entre geomorfología y tipología de las cuevas de habitación. También se exponen algunas conclusiones relativas a la resistencia de los tipos pétreos en relación a la antigüedad de los emplazamientos. Esta relación se explica bien si tenemos en cuenta que las cuevas antiguas trataban de ser lugares apartados en los que dominan rocas más resistentes -como se ha explicado- y que en las modernas se ha buscado la habitación permanente, en los materiales más blandos ocupan las depresiones terciarias del Centro, Este y Sur de la Península, colonizados no ya como refugios sino de modo seguro, y ya en arrabales "extramuros" de las ciudades. Geomorfológicamente, esta razón histórica tiene consecuencias sobre la posición de las cuevas, sobre su organización, y sobre su conservación. La extensión del dominio estudiado obliga prácticamente a bosquejar algunas de estas conclusiones geológicas, pero permite a su vez proporcionar una visión global acerca del patrimonio troglodítico desde una perspectiva geológica, y en ello radica la principal novedad de la investigación. Cave dwelling in the Iberian Peninsula comprises a great deal of examples whose origins are sometimes difficult to elucidate. There are primitive groups of caves, probably belonging to Classical and Late Antiquity, and other settlements that appear to have been created and excavated in the Early Middle Ages. Some of them are due to religious reasons and some others may probably have served for defensive uses. The Peninsular group is very likely the most diverse in Western Europe, for it was not only influenced by Arabs, but it also assimilated uses from the Antique Christendom, imported from the Middle East. In this sense, Iberian cave dwellings connect with those of the Mediterranean area. There is not total certainty about the survival of caves serving for dwelling throughout the Late Middle Ages, once the Reconquista was a fact. However, underground excavations for human habitation were once again dispread in certain zones of the Peninsula during the Early Modern period. This growth of underground habitats appears in connexion with Morisco’s vicissitudes; first of all, their removal from their settlements in South and Eastern Peninsula, and finally their expulsion from Spanish territory at the very beginning of XVII th century. Those of them who rested in Spain –and that were nominally “converts”- seem to have returned to cave dwelling in their places of origin, particularly in the province of Granada and its neighbouring zones. This substrate may have been the toehold for a new spreading of cave dwellings since XIX th century, when the increasing rural and urban proletariat returned to the pre-existent uses of caves in order to solve the necessity of affordable housing. This fact can still be detected in many of the rock settlements that have survived during a great part of the XX th century and which were gradually abandoned from the 60´s onwards. There were important cave dwelling districts in many Spanish territories by that time, and not only in Andalusia. We also find them in certain areas of the Ebro basin (those of Aragon, Navarra and La Rioja), in the peri-urban arc of Valencia, in the South of Madrid province and also in the provinces of Toledo (the so called “Mancha toledana”), Albacete, Guadalajara, Murcia or even Palencia as well. Due to their defensive and refuge uses, primitive underground habitats were dug in hardly accessible places. The majority of them are located in mountainous and rough areas, when not in the marginal borders of Tertiary basins, where coarse detritic and carbonate formations outcrop. Cave dwellings can also be found in more ancient rock masses, such as those of the Basque Cantabrian Mesozoic Basin, which is the area where hermit centres of the primitive County of Castile first flourished. Cliffs surrounding fluvial valleys are as well inaccessible places, but here we find that geological evolution has caused the destruction of many rock sanctuaries and cliff dwellings that were originally dug with the same purposes of defence, refuge and spiritual retreat. Later modern cave settlements were dug in quite more favourable terrains, mainly in the soils that compose the Tertiary basins, generally known as “España arcillosa” or “Clayey Spain”. Therefore, we find abundant sedimentary fine and medium grained lithologies, which are the ones that have hosted the majority of Modern Era warren cave dwellings in the Iberian Peninsula. Actually, both types of cave dwelling share some standards regarding the lithology of the excavated materials, and they share as well certain patterns that affect to their evolution, weathering and preservation. These common patterns have been studied here in order to determine the most characteristic weathering processes that affect the majority of the Iberian caves, both Antique and Modern. And also with a view to establish the most habitual relationships between geomorphology and typology of cave dwellings. The study may as well provide a first basis for future studies on geo-preservation of cave dwellings heritage. We also reach some conclusions about the strength of different rocks concerning the antiquity of the sites. As we have already pointed out, this relation comes from the fact that ancient caves were placed in remote or isolated locations, where harder rocks outcrop, while more modern ones result from people´s search of permanent dwelling. In this sense, the softer rocks of the Tertiary Basins of Middle, East and South Peninsula provided a secure colonization to this second and modern group. And moreover, considering geomorphological features, this historical reason has had an effect not only on the position and location of the caves, but also on their organisation/structure/distribution and preservation. The huge extension of our domain of interest almost forces to sketch out some of these geological conclusions. But at the same time it gives a global panorama of Spanish troglodyte heritage, seen from a geological perspective. And here is the main novelty of this research.

Decoupling of soil nutrient cycles as a function of aridity in global drylands

The biogeochemical cycles of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) are interlinked by primary production, respiration and decomposition in terrestrial ecosystems. It has been suggested that the C, N and P cycles could become uncoupled under rapid climate change because of the different degrees of control exerted on the supply of these elements by biological and geochemical processes. Climatic controls on biogeochemical cycles are particularly relevant in arid, semi-arid and dry sub-humid ecosystems (drylands) because their biological activity is mainly driven by water availability. The increase in aridity predicted for the twenty-first century in many drylands worldwide may therefore threaten the balance between these cycles, differentially affecting the availability of essential nutrients. Here we evaluate how aridity affects the balance between C, N and P in soils collected from 224 dryland sites from all continents except Antarctica. We find a negative effect of aridity on the concentration of soil organic C and total N, but a positive effect on the concentration of inorganic P. Aridity is negatively related to plant cover, which may favour the dominance of physical processes such as rock weathering, a major source of P to ecosystems, over biological processes that provide more C and N, such as litter decomposition. Our findings suggest that any predicted increase in aridity with climate change will probably reduce the concentrations of N and C in global drylands, but increase that of P. These changes would uncouple the C, N and P cycles in drylands and could negatively affect the provision of key services provided by these ecosystems.

Estudio teórico-experimental sobre el deterioro en tableros de puentes de hormigón producido por la acción del hielo-deshielo con sales de fundentes

El deterioro del hormigón por ciclos de hielo-deshielo en presencia de sales fundentes es causa frecuente de problemas en los puentes e infraestructuras existentes en los países europeos. Los daños producidos por los ciclos de hielo-deshielo en el hormigón pueden ser internos, fundamentalmente la fisuración y/o externos como el descascarillamiento (desgaste superficial). La España peninsular presenta unas características geográficas y climáticas particulares. El 18% de la superficie tiene una altura superior a 1000mts y, además, la altura media geográfica con respecto al nivel del mar es de 660mts (siendo el segundo país más montañoso de toda Europa).Esto hace que la Red de Carreteras del Estado se vea afectada, durante determinados periodos, por fenómenos meteorológicos adversos, en particular por nevadas y heladas, que pueden comprometer las condiciones de vialidad para la circulación de vehículos. Por este motivo la Dirección General de Carreteras realiza trabajos anualmente (campañas de vialidad invernal, de 6 meses de duración) para el mantenimiento de la vialidad de las carreteras cuando éstas se ven afectadas por estos fenómenos. Existen protocolos y planes operativos que permiten sistematizar estos trabajos de mantenimiento que, además, se han intensificado en los últimos 10 años, y que se fundamentan en el empleo de sales fundentes, principalmente NaCl, con la misión de que no haya placas de hielo, ni nieve, en las carreteras. En zonas de fuerte oscilación térmica, que con frecuencia en España se localizan en la zona central del Pirineo, parte de la cornisa Cantábrica y Sistema Central, se producen importantes deterioros en las estructuras y paramentos de hormigón producidos por los ciclos de hielo- deshielo. Pero además el uso de fundentes de vialidad invernal acelera en gran medida la evolución de estos daños. Los tableros de hormigón de puentes de carretera de unos 40-50 años de antigüedad carecen, en general, de un sistema de impermeabilización, y están formados frecuentemente por un firme de mezcla asfáltica, una emulsión adherente y el hormigón de la losa. En la presente tesis se realiza una investigación que pretende reproducir en laboratorio los procesos que tienen lugar en el hormigón de tableros de puentes existentes de carreteras, de unos 40-50 años de antigüedad, que están expuestos durante largos periodos a sales fundentes, con objeto de facilitar la vialidad invernal, y a cambios drásticos de temperatura (hielo y deshielo). Por ello se realizaron cuatro campañas de investigación, teniendo en cuenta que, si bien nos basamos en la norma europea UNE-CEN/TS 12390-9 “Ensayos de hormigón endurecido. Resistencia al hielo-deshielo. Pérdida de masa”, se fabricaron probetas no estandarizadas para este ensayo, pensado en realidad para determinar la afección de los ciclos únicamente a la pérdida de masa. Las dimensiones de las probetas en nuestro caso fueron 150x300 mm, 75 x 150mm (cilíndricas normalizadas para roturas a compresión según la norma UNE-EN 12390-3) y 286x76x76 (prismáticas normalizadas para estudiar cambio de volumen según la norma ASTM C157), lo cual nos permitió realizar sobre las mismas probetas más ensayos, según se presentan en la tesis y, sobre todo, poder comparar los resultados con probetas extraídas de dimensiones similares en puentes existentes. En la primera campaña, por aplicación de la citada norma, se realizaron ciclos de H/D, con y sin contacto con sales de deshielo (NaCl en disolución del 3% según establece dicha norma). El hormigón fabricado en laboratorio, tratando de simular el de losas de tableros de puentes antiguos, presentó una fc de 22,6 MPa y relación agua/cemento de 0,65. Las probetas de hormigón fabricadas se sometieron a ciclos agresivos de hielo/deshielo (H/D), empleando una temperatura máxima de +20ºC y una temperatura mínima de -20ºC al objeto de poder determinar la sensibilidad de este ensayo tanto al tipo de hormigón elaborado como al tipo de probeta fabricado (cilíndrica y prismática). Esta campaña tuvo una segunda fase para profundizar más en el comportamiento de las probetas sometidas a ciclos H/D en presencia de sales. En la segunda campaña, realizada sobre probetas de hormigón fabricadas en laboratorio iguales a las anteriores, la temperaturas mínima del ensayo se subió a -14ºC, lo que nos permitió analizar el proceso de deterioro con más detalle. (Realizando una serie de ensayos de caracterización no destructivos y otros destructivos, y validando su aplicación a la detección de los deterioros causados tras los ensayos acelerados de hielodeshielo. También mediante aplicación de técnicas de microscopía electrónica.) La tercera campaña, se realizó sobre probetas de hormigón de laboratorio similares a las anteriores, fc de 29,3Mpa y relación a/c de 0,65, en las que se aplicó en una cara un revestimiento asfáltico de 2-4cms, según fueran prismáticas y cilíndricas respectivamente, compuesto por una mezcla asfáltica real (AC16), sobre una imprimación bituminosa. (Para simular el nivel de impermeabilización que produce un firme sobre el tablero de un puente) La cuarta campaña, se desarrolló tras una cuidadosa selección de dos puentes de hormigón de 40-50 años de antigüedad, expuestos y sensibles a deterioros de hielodeshielo, y en carreteras con aportación de fundentes. Una vez esto se extrajeron testigos de hormigón de zonas sanas (nervios del tablero), para realizar en laboratorio los mismos ensayos acelerados de hielo-deshielo y de caracterización, de la segunda campaña, basados en la misma norma. De los resultados obtenidos se concluye que cuando se emplean sales fundentes se acelera de forma significativa el deterioro, aumentando tanto el contenido de agua en los poros como el gradiente generado (mecanismo de deterioro físico). Las sales de deshielo aceleran claramente la aparición del daño, que se incrementa incluso en un factor de 5 según se constata en esta investigación para los hormigones ensayados. Pero además se produce un gradiente de cloruros que se ha detectado tanto en los hormigones diseñados en laboratorio como en los extraídos de puentes existentes. En casi todos los casos han aparecido cambios en la microestructura de la pasta de cemento (mecanismo de deterioro químico), confirmándose la formación de un compuesto en el gel CSH de la pasta de cemento, del tipo Ca2SiO3Cl2, que posiblemente está contribuyendo a la alteración de la pasta y a la aceleración de los daños en presencia de sales fundentes. Existe un periodo entre la aparición de fisuración y la pérdida de masa. Las fisuras progresan rápidamente desde la interfase de los áridos más pequeños y angulosos, facilitando así el deterioro del hormigón. Se puede deducir así que el tipo de árido afecta al deterioro. En el caso de los testigos con recubrimiento asfáltico, parece haberse demostrado que la precipitación de sales genera tensiones en las zonas de hormigón cercanas al recubrimiento, que terminan por fisurar el material. Y se constata que el mecanimo de deterioro químico, probablemente tenga más repercusión que el físico, por cuanto el recubrimiento asfáltico es capaz de retener suficiente agua, como para que el gradiente de contenido de agua en el hormigón sea mucho menor que sin el recubrimiento. Se constató, sin embargo, la importancia del gradiente de cloruros en el hormigon. Por lo que se deduce que si bien el recubrimiento asfáltico es ciertamente protector frente a los ciclos H/D, su protección disminuye en presencia de sales; es decir, los cloruros acabarán afectando al hormigón del tablero del puente. Finalmente, entre los hormigones recientes y los antiguos extraídos de puentes reales, se observa que existen diferencias significativas en cuanto a la resistencia a los ciclos H/D entre ellos. Los hormigones más recientes resultan, a igualdad de propiedades, más resistentes tanto a ciclos de H/D en agua como en sales. Posiblemente el hecho de que los hormigones de los puentes hayan estado expuestos a condiciones de temperaturas extremas durante largos periodos de tiempo les ha sensibilizado. La tesis realizada, junto con nuevos contrastes que se realicen en el futuro, nos permitirá implementar una metodología basada en la extracción de testigos de tableros de puente reales para someterlos a ensayos de hielo-deshielo, basados en la norma europea UNECEN/ TS 12390-9 aunque con probetas no normalizadas para el mismo, y, a su vez, realizar sobre estas probetas otros ensayos de caracterización destructivos, que posibilitarán evaluar los daños ocasionados por este fenómeno y su evolución temporal, para actuar consecuentemente priorizando intervenciones de impermeabilización y reparación en el parque de puentes de la RCE. Incluso será posible la elaboración de mapas de riesgo, en función de las zonas de climatología más desfavorable y de los tratamientos de vialidad invernal que se lleven a cabo. Concrete damage by freeze-thaw cycles in the presence of melting salts frequently causes problems on bridges and infrastructures in European countries. Damage caused by freeze-thaw cycles in the concrete can be internal, essentially cracking and / or external as flaking (surface weathering due to environmental action). The peninsular Spain presents specific climatic and geographical characteristics. 18% of the surface has a height greater than 1,000 m and the geographical average height from the sea level is 660 m (being the second most mountainous country in Europe). This makes the National Road Network affected during certain periods due to adverse weather, particularly snow and ice, which can compromise road conditions for vehicular traffic. For this reason the National Road Authority performs works annually (Winter Road Campaign, along 6 months) to maintain the viability of the roads when they are affected by these phenomena. There are protocols and operational plans that allow systematize these maintenance jobs, that also have intensified in the last 10 years, and which are based on the use of deicing salts, mainly NaCl, with the mission that no ice sheets, or snow appear on the roads. In areas of strong thermal cycling, which in Spain are located in the central area of the Pyrenees, part of the Cantabrian coast and Central System, significant deterioration take place in the structures and wall surfaces of concrete due to freeze-thaw. But also the use of deicing salts for winter maintenance greatly accelerated the development of such damages. The concrete decks for road bridges about 40-50 years old, lack generally a waterproofing system, and are often formed by a pavement of asphalt, an adhesive emulsion and concrete slab. In this thesis the research going on aims to reproduce in the laboratory the processes taking place in the concrete of an existing deck at road bridges, about 40-50 years old, they are exposed for long periods to icing salt, to be performed in order to facilitate winter maintenance, and drastic temperature changes (freezing and thawing). Therefore four campaigns of research were conducted, considering that while we rely on the European standard UNE-CEN/TS 12390-9 "Testing hardened concrete. Freezethaw resistance. Mass loss", nonstandard specimens were fabricated for this test, actually conceived to determine the affection of the cycles only to the mass loss. Dimensions of the samples were in our case 150x300 mm, 75 x 150mm (standard cylindrical specimens for compression fractures UNE-EN 12390-3) and 286x76x76 (standard prismatic specimens to study volume change ASTM C157), which allowed us to carry on same samples more trials, as presented in the thesis, and especially to compare the results with similar sized samples taken from real bridges. In the first campaign, by application of that European standard, freeze-thaw cycles, with and without contact with deicing salt (NaCl 3% solution in compliance with such standard) were performed. Concrete made in the laboratory, trying to simulate the old bridges, provided a compressive strength of 22.6 MPa and water/cement ratio of 0.65. In this activity, the concrete specimens produced were subjected to aggressive freeze/thaw using a maximum temperature of +20ºC and a minimum temperature of - 20°C in order to be able to determine the sensitivity of this test to the concrete and specimens fabricated. This campaign had a second phase to go deeper into the behavior of the specimens subjected to cycled freeze/thaw in the presence of salts. In the second campaign, conducted on similar concrete specimens manufactured in laboratory, temperatures of +20ºC and -14ºC were used in the tests, which allowed us to analyze the deterioration process in more detail (performing a series of non-destructive testing and other destructive characterization, validating its application to the detection of the damage caused after the accelerated freeze-thaw tests, and also by applying electron microscopy techniques). The third campaign was conducted on concrete specimens similar to the above manufactured in laboratory, both cylindrical and prismatic, which was applied on one side a 4 cm asphalt coating, consisting of a real asphalt mixture, on a bituminous primer (for simulate the level of waterproofing that produces a pavement on the bridge deck). The fourth campaign was developed after careful selection of two concrete bridges 40- 50 years old, exposed and sensitive to freeze-thaw damage, in roads with input of melting salts. Concrete cores were extracted from healthy areas, for the same accelerated laboratory freeze-thaw testing and characterization made for the second campaign, based on the same standard. From the results obtained it is concluded that when melting salts are employed deterioration accelerates significantly, thus increasing the water content in the pores, as the gradient. Besides, chloride gradient was detected both in the concrete designed in the laboratory and in the extracted in existing bridges. In all cases there have been changes in the microstructure of the cement paste, confirming the formation of a compound gel CSH of the cement paste, Ca2SiO3Cl2 type, which is possibly contributing to impair the cement paste and accelerating the damage in the presence of melting salts. The detailed study has demonstrated that the formation of new compounds can cause porosity at certain times of the cycles may decrease, paradoxically, as the new compound fills the pores, although this phenomenon does not stop the deterioration mechanism and impairments increase with the number of cycles. There is a period between the occurrence of cracking and mass loss. Cracks progress rapidly from the interface of the smallest and angular aggregate, thus facilitating the deterioration of concrete. It can be deduced so the aggregate type affects the deterioration. The presence of melting salts in the system clearly accelerates the onset of damage, which increases even by a factor of 5 as can be seen in this investigation for concrete tested. In the case of specimens with asphalt coating, it seems to have demonstrated that the precipitation of salts generate tensions in the areas close to the concrete coating that end up cracking the material. It follows that while the asphalt coating is certainly a protection against the freeze/thaw cycles, this protection decreases in the presence of salts; so the chlorides will finally affect the concrete bridge deck. Finally, among the recent concrete specimens and the old ones extracted from real bridges, it is observed that the mechanical strengths are very similar to each other, as well as the porosity values and the accumulation capacity after pore water saturation. However, there are significant differences in resistance to freeze/thaw cycles between them. More recent concrete are at equal properties more resistant both cycles freeze/thaw in water with or without salts. Possibly the fact that concrete bridges have been exposed to extreme temperatures for long periods of time has sensitized them. The study, along with new contrasts that occur in the future, allow us to implement a methodology based on the extraction of cores from the deck of real bridges for submission to freeze-thaw tests based on the European standard UNE-CEN/TS 12390-9 even with non-standard specimens for it, and in turn, performed on these samples other destructive characterization tests, which will enable to assess the damage caused by this phenomenon and its evolution, to act rightly prioritizing interventions improving the waterproofing and other repairs in the bridge stock of the National Road Network. It will even be possible to develop risk maps, depending on the worst weather areas and winter road treatments to be carried out.