Hydro-mechanical behaviour of pellet/powder mixture of bentonite and impact of gas migration

Abstract

The hydro-mechanical behaviour of MX80 bentonite pellet-based mixture (80% high-density pellets in dry mass and crushed granular powder) has been explored in this thesis within the context of the French ‘Vertical Sealing Systems’ (VSS, Cigeo) to appropriately seal these critical vertical pathways between the long-lived radioactive waste and the biosphere. The VSSs will undergo complex hydration scenarios: fast hydration from the upper surface by water from the Calcareous Oxfordian formation and slower hydration in the lateral direction arriving from the more impermeable Callovo-Oxfordian rock. These distinct hydrations will induce gas entrapment with time at the bottom of the seal, which will also be affected by gas generated by longterm metallic corrosion processes. Hence, a complete understanding of the VSSs under hydraulic and gas solicitations will be required, in which the French IRSN has played a significant role by supporting the current research and launching the VSEAL in situ tests currently being performed in Tournemire URL (France) at a scale of 1/10 of the VSS.
 The thesis initially addressed a thorough characterisation of the as-poured mixture’s initial and saturated states (both at the microstructural and macroscopic scales) and the mixture’s hydro-mechanical behaviour and its components. The pellets constitute the shielding skeleton, whereas the crushed powder filled the inter-pellet space to reach an overall dry density of 1.49 Mg/m3 that ensured a swelling pressure around 4 MPa. The hydro-mechanical characterisation involved water permeability tests under constant volume, water retention curves under different mechanical boundary conditions, swelling pressure tests and loading/unloading oedometer tests at different hydraulic states.
 A mock-up at a scale of 1/100 of the VSS and independent control of fast hydration at the top and slow lateral hydration was developed, calibrated, and set up. The bentonite mixture (100 mm in diameter and 350 mm high) was asymmetrically wetted under constant volume conditions. The hydration cell was fully instrumented with pore pressure, total stress and relative humidity sensors, and four independent water pressure/volume controllers to monitor all processes comprehensively. A long-term hydration stage (around 300 days) was initially performed. At the end of this stage, gas was injected at a controlled volume/pressure rate at different boundaries (top and bottom) to determine the maximum gas overpressure that the bentonitebased barrier could withstand. The gas experiments were also devoted to detecting gas flows at the interface in zones with low effective stresses.
 The experimental program’s data allowed using different double porosity models and their coupled interactions via Code_Bright.
 The model parameters were determined based on the back-analysis of laboratory test results on the pellets, the powder and the mixture. Two modelling approaches were adopted to simulate the hydration phase at constant volume. A fully coupled elasticplastic model (Barcelona Expansive Model in 2D axisymmetric representation) that considers the micro and macro-porosity, was initially used to simulate infiltration results and better understand the different coupled and double porosity processes involved. A numerical dual-porosity model (plane strain) was also considered to account for the mixture’s heterogeneous dry density distribution and represent the mixture’s double structure with pellets and powder as two distinct materials. The simulation results showed that the mixture on hydration tended to a more homogeneous distribution of porosity, despite starting from contrasting porosities of the components, as the pellets expanded and compressed the highly deformable clay powder. The models predicted a faster suction decrease rate (faster saturation rate), demonstrating the significant role of the intrinsic permeability on the mixture’s hydro-mechanical behaviour. Esta tesis estudia el comportamiento hidromecánico de una mezcla a base de pellets de bentonita MX80 (80% en masa de pellets de alta densidad añadiendo polvo) en el contexto de los "Vertical Sealing Systems" franceses (VSS, Cigeo) para sellar adecuadamente estas vías verticales críticas entre los residuos radiactivos Almacenados y la biosfera. Estos VSS están sometidos a una hidratación compleja: una hidratación rápida desde la parte superior de la formación calcárea oxfordiana y una hidratación lateral más lenta desde la argilita callovo-oxfordiana. Estas distintas hidrataciones favorecen el atrapamiento de gas en el fondo del sello, que también se verá afectado por el gas generado por los procesos de corrosión metálica a largo plazo. Por ende, se requiere una visión completa de los VSS bajo solicitaciones hidráulicas y de gas, en la que el IRSN francés ha desempeñado un papel importante al apoyar la investigación actual y poner en marcha la prueba in situ VSEAL, que se está realizando actualmente en el URL de Tournemire (Francia) a una escala de 1/10 del VSS. Primero la tesis realiza una caracterización exhaustiva de los estados inicial y de saturación de la mezcla vertida (a escala microestructural y macroscópica), así como del comportamiento hidromecánico de la mezcla y de sus componentes. Los pellets constituyen el esqueleto, mientras que el polvo rellena el espacio inter-pellet para alcanzar una densidad seca global de 1.49 Mg/m3 con una presión de hinchamiento alrededor de 4 MPa. La caracterización incluyó ensayos de permeabilidad al agua a volumen constante, curvas de retención a diferentes condiciones de contorno mecánicas, ensayos de presión de hinchamiento y edométricos de carga/descarga a distintos estados hidráulicos. Se desarrolló, calibró y puso a punto una columna a escala 1/100 del VSS y con control independiente de la hidratación superior rápida y lateral lenta. La muestra de bentonita (100 mm de diámetro y 350 mm de altura) se humedeció en condiciones de volumen constante. La columna de hidratación estaba instrumentada con transductores de presión de poros y tensión total, sensores de humedad relativa y cuatro controladores independientes de presión/volumen de agua. Inicialmente se realizó una etapa de hidratación de unos 300 días de duración. Al final de esta etapa, se inyectó gas a una velocidad controlada de volumen/presión en dos diferentes contornos (superior e inferior) para determinar la máxima sobrepresión de gas que podía soportar la barrera. Los experimentos también se centraron en la detección de flujos de gas en la interfase en zonas con bajas tensiones efectivas. Los datos del programa experimental han permitido utilizar diferentes modelos de doble porosidad utilizando Code_Bright. Los parámetros del modelo se determinaron a partir de los resultados de laboratorio de los pellets, el polvo y la mezcla. Se adoptaron dos enfoques de modelación diferentes para simular la fase de hidratación a volumen constante. Inicialmente se utilizó un modelo elasto-plástico (Modelo Expansivo de Barcelona en una representación axisimétrica 2D), que considera la micro y la macro-porosidad para comprender mejor los diferentes procesos acoplados y de doble porosidad. También se consideró un modelo numérico de doble porosidad (deformación plana) para considerar la distribución heterogénea de la mezcla y representar la doble estructura con pellets y polvo como dos materiales distintos. Los resultados de la simulación evidenciaron que la mezcla al hidratarse tendía a una distribución más homogénea de la porosidad, a pesar de partir de porosidades contrastantes de las componentes, a medida que los pellets expandían y comprimían el polvo altamente deformable. Los modelos predijeron una tasa de disminución de la succión más rápida (tasa de saturación más rápida), lo que evidencia el papel significativo de la permeabilidad intrínseca en el comportamiento hidromecánico de la mezcla.