FEBEX II Project. Final report on thermo-hydro-mechanical laboratory tests.

Abstract

The results of the thermo-hydro-mechanical (THM) study of the FEBEX bentonite performed during FEBEX II are presented. The laboratory test program continued in part with the works carried out during FEBEX I, particularly in activities related to tests aimed to the calibration of the models, the acquisition of parameters by back-analysis and the improvement of the knowledge on the behaviour of expansive clays. But the program has also included tests on new areas: investigations about the influence of the microstructure changes in bentonite, of temperature and of the solute concentration on the behaviour of clay. Besides, several tests were proposed in order to understand the unexpected behaviour observed in the “mock-up” test, towards the end of year 2. Temperature effects on water retention curves in confined and unconfined conditions were determined, and swelling pressure, hydraulic conductivity and swelling and consolidation strains as a function of temperature were successfully measured. Different experimental techniques and equipments were developed to study thermal induced changes under partially saturated states, covering a wide range of suctions. FEBEX bentonite remains suitable as a sealing material in HLW repositories (from the hydro-mechanical point of view) for temperatures of up to 80 °C, as it keeps its high water retention capacity, low permeability and self-healing ability. The extrapolation of results points out to the preservation of properties for at least up to 100 °C. Mercury intrusion porosimetry and environmental scanning electron microscopy provided promising results in order to characterise the bentonite microstructure and to give information about the mechanisms influencing pore size distribution changes on high active clays. The use of digital imaging techniques allowed verifying that at micro-scale level, where chemical phenomena prevail, strains are almost reversible as it is considered in the two-level elasto-plastic models. The swelling strains of clay upon saturation with different kinds of water (deionised, granitic and saline with different salts and concentrations) were measured as a function of initial dry density and overload. The effects of salinity on bentonite stiffness and permeability were also investigated. The swelling capacity of clay, saturated with highly saline water, reduces drastically, osmotic consolidation being even observed. The swelling strains measured when the samples were soaked with different saline concentrations are similar to the strains measured in suction controlled oedometer tests, in which it is applied a final suction equal to the osmotic suction of the saline solutions. The hydraulic conductivity of bentonite increases with saline concentration of the permeant, especially in the case of low densities. The infiltration tests have shown that the gas permeability of dry bentonite is very high. The water intake is higher for the sample tested under room temperature, since the hot zones of the sample tested under thermal gradient remain desiccated for a long time. It has been proven that the combination of infiltration tests and coupled THMC numerical analysis can help to a better understanding of the FEBEX bentonite behaviour under repository conditions. In summary, the behaviour of the clay may be mostly explained taking into account its double structure. The interactions between the two structural levels are responsible of the main features of the mechanical aspects of this behaviour. A deeper insight of the behaviour of compacted bentonite, and of the basic mechanisms controlling it, has been achieved using an elasto-plastic framework that incorporates the interplay between microstructural and macrostructural fabric levels in a simplified manner. On the other hand, temperature induced transfers between intraaggregate adsorbed water –of density higher than that of free water– and inter-aggregate free water could explain most of the features related with the temperature observed. However, more research effort must be dedicated to study certain aspects such as the water flow under low hydraulic gradients, the effect of osmotic and temperature gradients on this flow and the effects of deviatoric stresses on the mechanical behaviour, and, more generally, to relate the actual knowledge about the physico-chemical aspects of clay microstructure to the macroscopic behaviour of compacted bentonite.

Se presentan los resultados del estudio termo-hidromecánico de la bentonita FEBEX realizado durante FEBEX II. El programa de laboratorio ha incluido la continuación de algunos ensayos comenzados durante FEBEX I, en concreto ensayos destinados a la calibración de modelos, la adquisición de parámetros mediante retroanálisis y la mejora del conocimiento del comportamiento de arcillas expansivas. El programa de ensayos ha explorado también nuevas áreas, como la influencia sobre el comportamiento de la arcilla de los cambios de microestructura de la bentonita, de la temperatura y de la concentración de solutos. Además, hacia el final del segundo año de proyecto, se propusieron varios ensayos con el objeto de comprender la inesperada tendencia en la hidratación del ensayo en maqueta. Se ha determinado el efecto de la temperatura en las curvas de retención obtenidas en condiciones de confinamiento y de volumen libre; así mismo se han medido la presión de hinchamiento, la conductividad hidráulica y las deformaciones de hinchamiento y consolidación en función de la temperatura. Se han desarrollado varias técnicas experimentales y equipos para el estudio de los cambios originados epor la temperatura en la bentonita no saturada, cubriéndose un amplio rango de succiones. En el rango de temperaturas estudiado, la bentonita FEBEX mantiene su alta capacidad de retención de agua y de sellado y su baja permeabilidad, lo que prueba su idoneidad hasta 80 °C como material de sellado en almacenamientos de residuos radiactivos de alta actividad desde el punto de vista hidro-mecánico. La extrapolación de los resultados a temperaturas mayores parece indicar que estas propiedades se mantienen dentro de límites aceptables al menos hasta 100 °C. La porosimetría por intrusión de mercurio y la microscopía electrónica de barrido ambiental han aportado resultados prometedores para la caracterización de la microestructura de la bentonita y para el estudio de los mecanismos que condicionan los cambios en la distribución de tamaño de poros en arcillas expansivas. El uso de técnicas de imagen digital ha permitido verificar que, en el nivel microestructural en el que prevalecen los procesos químicos, las deformaciones son casi reversibles, como consideran los modelos elasto-plásticos de doble estructura. Se han medido las deformaciones por hinchamiento tras saturación con diferentes tipos de agua (desionizada, granítica y salina) en función de la densidad seca y la sobrecarga. Se ha investigado también el efecto de la salinidad en la rigidez y permeabilidad de la bentonita. La capacidad de hinchamiento de la arcilla se reduce drásticamente cuando se satura con agua de elevada concentración salina, llegándose a producir consolidación osmótica. Las deformaciones por hinchamiento medidas al saturar la arcilla con soluciones de diferente concentración son similares a las medidas en ensayos con succión controlada en los que la succión aplicada es igual a la succión osmótica de las soluciones salinas. La conductividad hidráulica de la bentonita aumenta con la concentración salina del peramente, sobre todo para densidad bajas. Los ensayos de infiltración han mostrado que la permeabilidad al gas de la bentonita seca es muy alta. En estos ensayos, la toma de agua es mayor cuando la infiltración se realiza a temperatura de laboratorio, puesto que las zonas calientes de las muestras ensayadas bajo gradiente térmico permanecen desecadas durante largos periodos de tiempo. La combinación de la información aportada por ensayos de infiltración y por su análisis numérico THMQ acoplado ha demostrado gran utilidad para la comprensión del comportamiento de la bentonita FEBEX en las condiciones del almacenamiento. Resumiendo, el comportamiento de la arcilla puede explicarse en su mayoría si se tiene en cuenta su doble estructura, puesto que las interacciones entre los dos niveles estructurales son responsables de los principales rasgos de su comportamiento mecánico. La utilización de un marco elasto-plástico que incorpora de forma simplificada la interacción entre los niveles micro y macroestructurales ha permitido una comprensión más profunda del comportamiento de la bentonita compactada y de los mecanismos básicos que lo controlan. Por otra parte, las transferencias entre el agua adsorbida en el interior de los agregados –de densidad mayor que el agua libre– y el agua libre inter-agregado, podría explicar la mayoría de los efectos observados como consecuencia de la temperatura. Es necesario seguir estudiando aspectos como el flujo de agua bajo pequeños gradientes hidráulicos, el efecto de los gradientes térmicos y osmóticos en dicho flujo, y la influencia de las tensiones de corte en el comportamiento mecánico. Por último, es fundamental relacionar el conocimiento sobre aspectos físico-químicos de la microestructura de la arcilla con el comportamiento macroscópico de la bentonita compactada.