FEBEX. Bentonita: origen, propiedades y fabricación de bloques.
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Abstract
The aim of the FEBEX (Full-scale Engineered Barriers
Experiment) Project is to study the behaviour
of the near field components of a high-level radioactive
waste (HLW) repository in crystalline rock, in
accordance with a concept in which the canisters
are surrounded by a clay barrier constructed of
highly-compacted bentonite blocks. The FEBEX
consists of a full scale "in situ" test (Grimsel, Switzerland)
performed under natural conditions; a
/I mock-up" test (CIEMAT, Madrid), at almost full
scale; and a series of laboratory tests designed to
complement the information from the two 'argescale
tests.
During the pre-operational stage of the Project,
the planning, design and installation of the two
large-scale tests was accomplished, as well as the
predictive modelling of their behaviour and the basic
characterisation of the bentonite. This report is
one of those concerning the pre-operational stage
of the Project, and refers to the selection and cha r
of the FEBEX bentonite, and to the fab--acterisation
rication of the blocks used in the "in situ" and ilmock-up" tests.
The clay utilised comes from the Cortijo de Archidona
deposit (Almería), from where the S-2 clay
used in previous ENRESA R&D Pro¡ects was also
extracted. The results obtained in these Pro¡ects are
summarised in Chapter 2, as some of the parameters
considered in the predictive modelling were
taken from the S-2 bentonite database, due to
their not having yet been determined for the FEBEX
clay.
For the FEBEX Project, about 300 tons of bentonite
have been selected, homogenised and treated.
At the factory, the clay was disaggregated and
gently dried to a water content of around 14 %, all
the material of particle size greater than 5 mm being
rejected. The processed material was used for
fabrication of the blocks for the two large-scale
tests and for the laboratory tests. Samples of each
processing lot were taken, and were mixed to obtain
a single sample, whose reference is 70-IMA-
3-4-0, which is the one used by all the participant
laboratories. Mineralogical and chemical characterisation
was performed at CIEMAT and CSICZaidín,
and the mechanical, hydraulic and thermal
characterisation was carried out by CIEMAT and
UPC-DIT; the results obtained at each laboratory
were consistent with the rest of the laboratories.
The FEBEX bentonite has a montmorillonite content
greater than 90 %, with quartz, plagioclase,
potassic feldspar, calcite and trydimite as accessory
minerals. There may be illite/smectite interstratifications
up to 15 %. The cation exchange capacity
is higher than 100 meq/100g, and in the
exchange complex 42 % Ca, 33 % Mg, 23 % Na
and 2 % K are present.
The identification properties are not exactly those
expected for a material with this mineralogy. Both
the liquid limit (100 %) and the external specific
surface (32 m 2/g) are rather low, and the less than
2 pm fraction obtained after intense dispersion
amounts to only 65 %. This might mean that the
particles are agglutinated in a certain way (possibly
by a siliceous cement), although the consequences
of this on the behaviour of the clay have not been
evaluated.
Swelling pressure and saturated hydraulic conductivity
were obtained for specimens compacted
to dry densities of 1.60 y 1.70 g/cm3 , along with
the thermal conductivity for these densities and different
ciegrees of saturation. The suction/water
content relationship and a preliminary state surface
for decreasing suctions and small stress changes
were determined.
The results obtained show slight variations with
respect to the values obtained for the S-2 clay, with
a tendency of the FEBEX clay to be more impervious
and to develop a higher swelling pressure.
However, for the performance assessment of a repository
(PA), these differences are considered to
be in the expected range of variation of the bentonite
properties.
Two sets of blocks have been manufactured: one
for the "mock-up" test, under the management
and supervision of CIEMAT, and another for the
"in situ" tests, under the management and supervision
of AITEMIN. In both cases a crown design has
been adopted, in order to minimise the void volume
of the barrier. The blocks have been uniaxially
compacted to pressures of 40 to 50 MPa, the resulting
dry density being 1.77 g/cm 3 for the blocks
for the "mock-up" test and 1.70 g/cm 3 for the
blocks for the "in situ" test. Consequently, the average
dry density of the installed barrier is 1.65 and
1.60 g/cm 3 , respectively.
El Proyecto FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment) tiene como propósito el estudio del comportamiento de componentes del campo próximo de un almacenamiento de residuos radioactivos de alta actividad en roca cristalina, según un concepto en el que la barrera de ingeniería entre el contenedor de residuos y la roca almacén está constituida por bloques de bentonita compactada. El FEBEX consta de un ensayo "in situ", en condiciones naturales y escala real (Grimsel, Suiza); un ensayo en "maqueta" (CIEMAT, Madrid), a escala casi real; y una serie de ensayos de laboratorio para complementar la información de los dos ensayos a gran escala. Durante la etapa preoperacional del Proyecto se ha realizado la planificación, diseño e instalación de los ensayos a gran escala, la modelación predictiva de su comportamiento y la caracterización básica de la bentonita. Este informe es uno de los correspondientes a la fase preoperacional del Proyecto FEBEX, y se refiere a la selección y caracterización de la bentonita FEBEX, así como a la fabricación de los bloques que se han utilizado en los ensayos "in situ" y en ,, maqueta ” . La arcilla utilizada proviene del yacimiento Cortijo de Archidona (Almería), de donde también se extrajo la arcilla S-2, utilizada en otros proyectos de I+D de ENRESA anteriores al FEBEX. Los resultados obtenidos en estos proyectos se resumen en el capítulo 2, ya que algunos parámetros utilizados en la modelización predictiva se han tomado de los de la arcilla S-2, por no haberse determinado todavía para la arcilla FEBEX. Para el Proyecto FEBEX se han seleccionado, homogeneizado y procesado unas 300 toneladas de bentonita, cuyo tratamiento en fábrica ha consistido en disgregación mecánica y secado suave hasta humedades alrededor del 14 %, rechazándose todo el material de tamaño superior a 5 mm. Este material se ha utilizado para la fabricación de los bloques de los dos ensayos a gran escala y en los ensayos de laboratorio. Se han tomado varias muestras de cada lote de procesado, por mezcla de las cuales se ha obtenido una muestra única, de referencia 70-IMA-3-4-0, con la que se ha trabajado en los laboratorios participantes. La caracterización mineralógica y química se ha llevado a cabo en CIEMAT y CSIC-Zaidín, y la caracterización mecánica, hidráulica y térmica se ha realizado en CIEMAT y UPC-DIT, habiéndose obtenido resultados concordantes entre todos los laboratorios. La bentonita FEBEX tiene un contenido en montmorillonita superior al 90 %, con cuarzo, plagioclasa, feldespato potásico, calcita y tridimita como minerales accesorios. Es posible que existan interestratificados illita/esmectita en proporciones de hasta el 15 %. La capacidad de cambio catiónico es superior a 100 meq/100g, y en el complejo de cambio aparece 42 % de Ca, 33 % de Mg, 23 % de Na y 2 % de K. Las propiedades de identificación no corresponden a las esperadas para un material de esta mineralogía, ya que tanto el límite líquido (100 %) como la superficie específica externa (32 m2/g) son algo bajos y la proporción de fracción menor de 2 pm obtenida después de una dispersión intensa es sólo del 65 %, lo que hace suponer que se produce algún tipo de aglutinación de las partículas (quizá por cemento silíceo), cuyas consecuencias sobre el comportamiento de la arcilla no han sido evaluadas. Se ha determinado la presión de hinchamiento y la conductividad hidráulica saturada de pastillas compactadas a densidad seca de 1,60 y 1,70 g/cm3, así como la conductividad térmica para estas densidades y diferentes grados de saturación. Se ha determinado también la relación succión/ humedad y una superficie de estado preliminar para succiones decrecientes y con cambios pequeños de tensiones. Los resultados obtenidos muestran ligeras variaciones respecto a los valores obtenidos para la arcilla S-2, con una tendencia de la arcilla FEBEX a ser más impermeable y desarrollar mayor presión de hinchamiento. Sin embargo, de cara a la evaluación del comportamiento de un almacenamiento (PA), se considera que estas diferencias entran dentro del intervalo de variación esperado para las propiedades de la bentonita. Se han fabricado dos conjuntos de bloques: uno para el ensayo en "maqueta", bajo la dirección y control de CIEMAT, y otro para el ensayo "in situ", bajo la dirección y control de AITEMIN. En ambos casos se ha recurrido a un diseño en coronas concéntricas que redujera al mínimo el volumen de huecos de la barrera. Los bloques se han fabricado mediante compactación uniaxial a presiones de 40 a 50 MPa, obteniéndose una densidad seca media de los bloques para el ensayo en "maqueta" en torno a 1,77 g/cm 3 y de los bloques para el ensayo "in situ" en torno a 1,70 g/cm 3 . Esto da lugar a una densidad seca media de la barrera instalada de 1,65 y 1,60 g/cm 3, respectivamente.
El Proyecto FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment) tiene como propósito el estudio del comportamiento de componentes del campo próximo de un almacenamiento de residuos radioactivos de alta actividad en roca cristalina, según un concepto en el que la barrera de ingeniería entre el contenedor de residuos y la roca almacén está constituida por bloques de bentonita compactada. El FEBEX consta de un ensayo "in situ", en condiciones naturales y escala real (Grimsel, Suiza); un ensayo en "maqueta" (CIEMAT, Madrid), a escala casi real; y una serie de ensayos de laboratorio para complementar la información de los dos ensayos a gran escala. Durante la etapa preoperacional del Proyecto se ha realizado la planificación, diseño e instalación de los ensayos a gran escala, la modelación predictiva de su comportamiento y la caracterización básica de la bentonita. Este informe es uno de los correspondientes a la fase preoperacional del Proyecto FEBEX, y se refiere a la selección y caracterización de la bentonita FEBEX, así como a la fabricación de los bloques que se han utilizado en los ensayos "in situ" y en ,, maqueta ” . La arcilla utilizada proviene del yacimiento Cortijo de Archidona (Almería), de donde también se extrajo la arcilla S-2, utilizada en otros proyectos de I+D de ENRESA anteriores al FEBEX. Los resultados obtenidos en estos proyectos se resumen en el capítulo 2, ya que algunos parámetros utilizados en la modelización predictiva se han tomado de los de la arcilla S-2, por no haberse determinado todavía para la arcilla FEBEX. Para el Proyecto FEBEX se han seleccionado, homogeneizado y procesado unas 300 toneladas de bentonita, cuyo tratamiento en fábrica ha consistido en disgregación mecánica y secado suave hasta humedades alrededor del 14 %, rechazándose todo el material de tamaño superior a 5 mm. Este material se ha utilizado para la fabricación de los bloques de los dos ensayos a gran escala y en los ensayos de laboratorio. Se han tomado varias muestras de cada lote de procesado, por mezcla de las cuales se ha obtenido una muestra única, de referencia 70-IMA-3-4-0, con la que se ha trabajado en los laboratorios participantes. La caracterización mineralógica y química se ha llevado a cabo en CIEMAT y CSIC-Zaidín, y la caracterización mecánica, hidráulica y térmica se ha realizado en CIEMAT y UPC-DIT, habiéndose obtenido resultados concordantes entre todos los laboratorios. La bentonita FEBEX tiene un contenido en montmorillonita superior al 90 %, con cuarzo, plagioclasa, feldespato potásico, calcita y tridimita como minerales accesorios. Es posible que existan interestratificados illita/esmectita en proporciones de hasta el 15 %. La capacidad de cambio catiónico es superior a 100 meq/100g, y en el complejo de cambio aparece 42 % de Ca, 33 % de Mg, 23 % de Na y 2 % de K. Las propiedades de identificación no corresponden a las esperadas para un material de esta mineralogía, ya que tanto el límite líquido (100 %) como la superficie específica externa (32 m2/g) son algo bajos y la proporción de fracción menor de 2 pm obtenida después de una dispersión intensa es sólo del 65 %, lo que hace suponer que se produce algún tipo de aglutinación de las partículas (quizá por cemento silíceo), cuyas consecuencias sobre el comportamiento de la arcilla no han sido evaluadas. Se ha determinado la presión de hinchamiento y la conductividad hidráulica saturada de pastillas compactadas a densidad seca de 1,60 y 1,70 g/cm3, así como la conductividad térmica para estas densidades y diferentes grados de saturación. Se ha determinado también la relación succión/ humedad y una superficie de estado preliminar para succiones decrecientes y con cambios pequeños de tensiones. Los resultados obtenidos muestran ligeras variaciones respecto a los valores obtenidos para la arcilla S-2, con una tendencia de la arcilla FEBEX a ser más impermeable y desarrollar mayor presión de hinchamiento. Sin embargo, de cara a la evaluación del comportamiento de un almacenamiento (PA), se considera que estas diferencias entran dentro del intervalo de variación esperado para las propiedades de la bentonita. Se han fabricado dos conjuntos de bloques: uno para el ensayo en "maqueta", bajo la dirección y control de CIEMAT, y otro para el ensayo "in situ", bajo la dirección y control de AITEMIN. En ambos casos se ha recurrido a un diseño en coronas concéntricas que redujera al mínimo el volumen de huecos de la barrera. Los bloques se han fabricado mediante compactación uniaxial a presiones de 40 a 50 MPa, obteniéndose una densidad seca media de los bloques para el ensayo en "maqueta" en torno a 1,77 g/cm 3 y de los bloques para el ensayo "in situ" en torno a 1,70 g/cm 3 . Esto da lugar a una densidad seca media de la barrera instalada de 1,65 y 1,60 g/cm 3, respectivamente.