FEBEX Project Final report. Post-mortem bentonite analysis

Abstract

The experimental work performed within the FEBEX under natural conditions and at full scale, a “mockup” test performed at almost full scale and a large number of laboratory tests. Most of the laboratory tests have been carried out prior to or in parallel with the two large-scale tests; in other words, on samples of the same barrier material as in the in situ and “mock-up” tests but not on the barriers themselves. However, part of the laboratory tests (those included in this document) have been performed on samples of bentonite obtained during the partial dismantling of the in situ test, performed in 2002 after five years of heating and hydration. Two types of tests have been performed: 1) characterization of the bentonite, with a view to gaining insight into the state of the barrier and for comparison with the results of THM and THG model predictions, and 2) tests to determine the changes in THM and THG properties occurring during operation as a result of the combined action of temperature, water, joints and solutes. Presented below is a summary of the conclusions drawn from the results of the laboratory tests included in this document. The distribution of the humidity and dry density of the bentonite in vertical sections shows axial symmetry. There are no major variations between the average humidity of sections located around the heater and those others that are outside its area of influence. Neither are there differences between sections located in areas of different hydraulic conductivity of the granite. This homogeneity, along with the radial distribution of humidity in vertical sections, is a result of the control exercised by the bentonite over hydration kinetics, due to the major difference between the permeabilities of the bentonite and the granite. The average degree of saturation of all the bentonite extracted is 85 percent. During operation the bentonite underwent a generalized increase in volume that has led to a reduction from the dry density of the compacted blocks (1.70 g/cm3) to the average dry density of the barrier calculated from the measurements performed on the samples extracted (1.58 g/cm3). This is due to the expansion of the bentonite to fill the construction voids and to the slight decompression experienced by the barrier during dismantling and sampling. The mineralogical and geochemical characterization performed would appear to indicate that there have not been major modifications in the bentonite during operation. The cation exchange capacity has increased with respect to the initial value, fundamentally due to the generalised increase in exchangeable potassium and calcium. An increase in exchangeable sodium has been observed towards the granite in both the sections subjected to a thermal gradient and in the isotherm sections. The hydration of the bentonite in the blocks in contact with the granite causes the dissolution of the most soluble minerals (sulphates, carbonates and chlorides), which are transported towards the inner part of the barrier. As of the date of dismantling, this has generated different saline fronts depending on the mobility of the dissolved ions: the behaviour of Na, Ca and Mg is similar to that of the chloride, while the mobility of the sulphate is considerably lower. The movement of solutes is quicker in areas affected by temperature. The chemical and mineralogical composition of the bentonite in contact with the concrete plug is similar to that of the untreated bentonite. Only an increase in aluminium content and the occasional appearance of larger quantities of calcite and gypsum are recorded. An increase has been observed also in exchangeable Ca, Na and K, along with an increase in the salinity of the interstitial water. Various thermal, hydraulic and mechanical properties of the bentonite extracted from the barrier have been determined, in order to check for possible changes in THM behaviour caused during the experiment. The water retention capacity of the samples obtained from the dismounted barrier is similar to that of the samples of bentonite not subjected to the experiment. The hydraulic conductivity of the samples from dismantling depends fundamentally on dry density (as occurred with the bentonite not used in the barrier), as a result of which it is related to their position in the barrier. The swelling capacity of the bentonite has not changed irreversibly after five years of operation under repository conditions. The pre-consolidation pressure of the samples from the dismounted barrier has decreased from the initial value of 40 MPa to values of less than 10 MPa (lower in the outer ring of the barrier), this being due to microstructural changes associated with the increase in volume experienced during hydration.The tests performed on remoulded samples of bentonite from dismantling, with joints parallel and perpendicular to flow, show that once saturated the medium becomes homogeneous and the joints seal completely, as a result of which the hydro-mechanical properties of the material depend only on its dry density.

El trabajo experimental del Proyecto FEBEX ha consistido en un ensayo in situ, realizado en condiciones naturales y a escala real, un ensayo en “maqueta”, a escala casi real, y una gran serie de ensayos de laboratorio. La mayor parte de los ensayos de laboratorio se han hecho previamente o en paralelo a los dos ensayos a gran escala. Es decir, sobre muestras del mismo material de las barreras del ensayo in situ y de la “maqueta”, pero no de las propias barreras. Sin embargo, una parte de los ensayos de laboratorio (los incluidos en este documento) se ha hecho sobre muestras de bentonita obtenidas en el desmantelamiento parcial del ensayo in situ, realizado el año 2002, después de cinco años de calentamiento e hidratación. Se han realizado dos tipos de ensayos: 1) de caracterización de la bentonita, con el objeto de conocer el estado de la barrera y para comparación con los resultados de predicción de los modelos THM y THG; y 2) ensayos para determinar los cambios en propiedades THM y THG ocurridos durante la operación como consecuencia de la acción combinada de la temperatura, el agua, las juntas y los solutos. A continuación se presenta un resumen de las conclusiones obtenidas de los resultados de los ensayos de laboratorio incluidos en este documento. La distribución de humedad y densidad seca de la bentonita en secciones verticales presenta simetría axial. No hay grandes variaciones entre la humedad media de secciones situadas alrededor del calentador y aquéllas alejadas de su influencia. Tampoco hay diferencias entre secciones situadas en zonas de diferente conductividad hidráulica del granito. Esta homogeneidad, así como la distribución radial de humedad en secciones verticales, es consecuencia del control de la bentonita sobre la cinética de hidratación, debido a la gran diferencia entre las permeabilidades de ésta y el granito. El grado de saturación medio de toda la bentonita extraída es del 85 por ciento. La bentonita experimentó durante la operación un aumento generalizado de volumen que se ha traducido en una disminución desde la densidad seca de los bloques compactados (1,70 g/cm3) a la densidad seca media de la barrera calculada a partir de las medidas realizadas en las muestras extraídas (1,58 g/cm3). Esto es debido a la expansión de la bentonita para rellenar los huecos de construcción y a la ligera descompresión que ha sufrido la barrera durante el desmantelamiento y muestreo. La caracterización mineralógica y geoquímica realizada parece indicar que no se han producido grandes modificaciones en la bentonita durante la operación. La capacidad de cambio catiónico ha aumentado respecto a la inicial, debido fundamentalmente al aumento generalizado de potasio y calcio intercambiables. Se ha observado un aumento de sodio intercambiable hacia el granito, tanto en las secciones sometidas a gradiente térmico como en las isotermas. La hidratación de la bentonita en los bloques en contacto con el granito produce la disolución de los minerales más solubles (sulfatos, carbonatos y cloruros), que son transportados hacia la parte interna de la barrera. Con ello se han generado, a la fecha del desmantelamiento, diferentes frentes salinos según la movilidad de los iones disueltos: el comportamiento del Na, Ca y Mg es similar al del cloruro, mientras que la movilidad del sulfato es considerablemente menor. El movimiento de solutos es más rápido en las zonas afectadas por la temperatura. La composición química y mineralógica de la bentonita en contacto con el tapón de hormigón es similar a la de la bentonita no tratada. Sólo se registra un aumento del contenido de aluminio y la aparición puntual de cantidades mayores de calcita y yeso. También se ha observado un aumento de Ca, Na y K intercambiables y un aumento de la salinidad del agua intersticial. Se han determinado varias propiedades térmicas, hidráulicas y mecánicas de la bentonita extraída de la barrera para comprobar el posible cambio de comportamiento THM ocasionado durante el experimento. La capacidad de retención de agua de las muestras obtenidas de la barrera desmontada es similar a la de muestras de bentonita no sometida al experimento. La conductividad hidráulica de las muestras del desmantelamiento depende fundamentalmente de su densidad seca (como ocurre con la bentonita no usada en la barrera), por lo que está relacionada con su posición en la barrera. La capacidad de hinchamiento de la bentonita no ha cambiado irreversiblemente tras cinco años de operación en las condiciones del almacenamiento. La presión de preconsolidación de las muestras de la barrera desmontada se ha reducido desde un valor inicial de 40 MPa a valores inferiores a 10 MPa (más bajos en el anillo externo de la barrera), lo que es debido a los cambios microestructurales asociados al aumento de volumen experimentado durante la hidratación. Los ensayos realizados en muestras remoldeadas de bentonita del desmantelamiento, con juntas paralelas y perpendiculares al flujo, muestran que, una vez saturado, el medio se hace homogéneo y las juntas se sellan completamente, con lo que las propiedades hidro-mecánicas del material dependen sólo de su densidad seca.