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Theses Year : 2021

Investigation of the hydro-mechanical behaviour of compacted bentonite/claystone mixture

Étude du comportement hydromécanique du mélange de bentonite/argilite compacté

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Zhixiong Zeng
  • Function : Author

Abstract

In the French concept of deep geological disposal, the underground repository is planned to be constructed in Callovo-Oxfordian (COx) claystone formation. To reduce the excavation wastes, a mixture of MX80 bentonite and excavated COx claystone in compacted blocks has been proposed as a candidate sealing/backfill material by the French National Agency for Nuclear Waste Management (ANDRA). When the repository is closed, the compacted blocks are expected to swell, filling up the technological voids, resisting the propagation of excavation-damaged zone and preventing the release of radionuclides into the biosphere. To assess the suitability of the proposed material, a laboratory programme was set up in this PhD study to characterize the hydro-mechanical behaviour of compacted bentonite/claystone mixture under different environmental conditions.Compression, swelling pressure, hydraulic conductivity and mercury intrusion porosimetry (MIP) tests were performed on the compacted MX80 bentonite/COx claystone mixtures with various bentonite fractions, dry densities and water contents for the preliminary performance assessment of the material. By considering the interaction between bentonite and claystone during hydration, the claystone void ratio and volumetric fraction in the mixture were deduced and the swelling pressure of claystone grains was indirectly determined. Moreover, two analytical methods were proposed to predict the swelling pressure and hydraulic conductivity of bentonite/claystone mixtures. Additionally, based on the pore size distribution after hydration, the swelling pressure and hydraulic conductivity of bentonite/claystone mixtures were further evaluated.Afterwards, the aeolotropic swelling behaviour of compacted MX80 bentonite/COx claystone mixture with axial/radial technological voids was experimentally determined. Results show that axial technological voids could decrease the grain orientation and reduce the aeolotropy. By contrast, radial technological voids would increase the heterogeneity and enhance the aeolotropy.In addition, the homogenization process of compacted blocks with technological voids was experimentally and theoretically evaluated. The evolutions of axial and radial swelling pressures and hydraulic conductivity over time were investigated, together with the determination of the variations of water content, dry density, suction and microstructure distribution. Particular attention was paid to the effect of boundary friction between the samples and porous stones and an analytical method was proposed to estimate the final dry density distribution of samples with technological voids.To account for the influences of the pore water in COx claystone and the cementitious solution due to concrete degradation, compacted bentonite/claystone mixtures with various bentonite natures, dry densities and technological voids were hydrated with deionised water, synthetic site water and cementitious solution and the swelling pressure, hydraulic conductivity and microstructure were determined. Results show that the synthetic site water and cementitious solution slightly decreased the swelling pressure and increased the hydraulic conductivity due to the cation exchange and montmorillonite dissolution.Finally, water flow in the unsaturated MX80 bentonite/COx claystone mixture was investigated by carrying out infiltration and water retention tests under constant-volume conditions alongside microstructure observation. The hydraulic conductivity was experimentally determined. Based on the evolving pore structure upon hydration, two-phase hydraulic conductivities were predicted and a numerical model was developed to investigate the contribution of vapour and liquid water flux
Dans le concept français de stockage géologique profond, la galerie souterraine est prévue d’être creusée dans la formation argileuse du Callovo-Oxfordien (COx). Un mélange de bentonite et d'argilite excavée en blocs compactés est proposé comme matériau de scellement/remblai par l'Agence nationale pour la gestion des déchets nucléaires (ANDRA). Lorsque la galerie est fermée, les blocs compactés vont gonfler, comblant les vides technologiques, résistant à la propagation de la zone endommagée par l’excavation et empêchant le transfert de radionucléides vers la biosphère. Pour évaluer l'adéquation du matériau proposé, un programme de laboratoire est établi dans le cadre de ce travail de thèse pour caractériser le comportement hydromécanique du mélange compacté de bentonite et d'argilite sous différentes conditions environnementales. Des essais de compression, de pression de gonflement, de conductivité hydraulique et de porosimétrie d'intrusion au mercure ont été effectués sur les mélanges compactés de bentonite/argilite avec différentes fractions de bentonite, densités sèches et teneurs en eau pour l'évaluation préliminaire de la performance du matériau. En considérant l'interaction entre la bentonite et l’argilite pendant l'hydratation, l’indice des vides de l’argilite et la fraction volumétrique dans le mélange ont été déterminés déduits, et la pression de gonflement des grains d'argilite a été déterminée indirectement. De plus, deux méthodes analytiques ont été proposées pour prévoir la pression de gonflement et la conductivité hydraulique des mélanges bentonite/argilite. En se basant sur la distribution de la taille des pores après hydratation, la pression de gonflement et la conductivité hydraulique des mélanges de bentonite/argilite ont été évaluées. Par la suite, le gonflement aéolotrope du mélange bentonite/argilite compacté avec présence des vides technologiques a été déterminé expérimentalement. Les vides technologiques axiaux pourraient diminuer l'orientation du grain et réduire l'aéolotropie. En revanche, ceux radiaux augmenteraient l'hétérogénéité et amélioreraient l'aéolotropie. De plus, le processus d'homogénéisation de blocs compactés avec des vides technologiques a été évalué expérimentalement et théoriquement. Les évolutions des pressions de gonflement axial et radial et de la conductivité hydraulique avec le temps ont été étudiées, ensemble avec la détermination des variations de la teneur en eau, de la densité sèche, de la succion et de la microstructure. Une attention particulière a été portée à l'effet du frottement de frontière, et une méthode analytique a été proposée pour estimer la distribution finale de la densité sèche des échantillons présentant des vides technologiques. Pour tenir compte des influences de l'eau interstitielle dans l'argile COx et la solution cimentaire due à la dégradation du béton, des mélanges de bentonite/argilite compactés avec différentes natures de bentonite, densités sèches et vides technologiques ont été hydratés avec de l'eau déminéralisée, de l'eau de site synthétique et une solution de ciment. La pression de gonflement, la conductivité hydraulique et la microstructure ont été déterminées. L'eau du site synthétique et la solution de ciment ont légèrement diminué la pression de gonflement et augmenté la conductivité hydraulique en raison des échanges cationiques et de la dissolution de la montmorillonite. Enfin, l'écoulement de l'eau dans le mélange de bentonite/argilite non saturé a été étudié en effectuant des essais d'infiltration et de rétention d'eau en conditions de volume constant, ensemble avec l’observation de la microstructure. La conductivité hydraulique a été déterminée expérimentalement. Sur la base de l'évolution de la structure des pores lors de l'hydratation, des conductivités hydrauliques de l’eau liquide et de la vapeur d’eau ont été calculées. Un modèle numérique a été développé pour évaluer la contribution des flux de vapeur et d'eau liquide
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Dates and versions

tel-03431598 , version 1 (16-11-2021)

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  • HAL Id : tel-03431598 , version 1

Cite

Zhixiong Zeng. Investigation of the hydro-mechanical behaviour of compacted bentonite/claystone mixture. Mechanics of materials [physics.class-ph]. École des Ponts ParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021ENPC0010⟩. ⟨tel-03431598⟩
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