Hydro-mechanical behaviour of a high density compacted bentonite for its implementation in geological disposal of nuclear waste

High density compacted bentonite is the most suitable material as sealing and backfilling buffer in the geological nuclear waste disposal, thanks to its physicochemical, hydraulic and mechanical characteristics. In particular, its low permeability and its swelling capacity when hydrated make it the best option so far. Some experimental tests have been performed on a specific bentonite, in various conditions: powder, liquid, plastic and compacted. The aim was initially to characterise it and to look for some similarities with literature data. An X-Ray Diffraction allowed to detect the mineralogical composition of the studied bentonite. Then, its grain and pore size distributions have been estimated respectively from a sedimentation and sieve analysis, and from a Mercury Intrusion Porosimetry which showed a decrease in macropores for increasing dry density. The Atterberg limits have been experimentally determined. The experimental findings, which led to reliable results, show a similarity between the bentonite under consideration and the commercialised MX-80 bentonite, for most of the parameters. The hydraulic properties have been studied as well. The soil-water retention curve of the compacted material has been assessed by applying the vapour equilibrium technique; it has also shown an anisotropic behaviour in axial and lateral swelling. The permeability value has been estimated both from a falling head test and from an oedometric consolidation test; the latter one has given a more reliable value, close to the one accepted by the literature. In order to characterise the volume change of the studied bentonite upon hydration, four swelling tests have been performed at the oedometer: they detected an exponential increase of the swelling pressure with the compacted material dry density. Finally, the bentonite behaviour has been modelled through a hydro-mechanical coupled model, implemented in the finite element code LAGAMINE. A specific constitutive model has been calibrated on the observed material behaviour: the Barcelona Basic Model, with the appropriate parameters, is able to reproduce it satisfactorily.

La bentonite compattata ad alte densità rappresenta il materiale più adatto da impiegare come barriera ingegneristica nelle opere di smaltimento sotterraneo di scorie nucleari, grazie alle sue caratteristiche fisico-chimiche, idrauliche e meccaniche. La sua bassa permeabilità e la sua capacità di rigonfiamento sotto idratazione la rendono a oggi l’opzione migliore. Alcuni test sperimentali sono stati eseguiti su una specifica bentonite. Obiettivo di questi test era caratterizzare la bentonite e confrontarla con i materiali già in commercio. Una diffrazione a raggi X ne ha determinato la composizione mineralogica; la sua distribuzione granulometrica e porosimetrica è stata stimata rispettivamente da un’analisi granulometrica per setacciatura e sedimentazione, e da una porosimetria a intrusione di mercurio, che ha mostrato un decremento della macroporosità con l’aumento di densità secca. Anche i limiti di Atterberg sono stati determinati sperimentalmente. Alla luce dei risultati ottenuti da questi test, che possono essere considerati affidabili, é stato possibile cogliere una somiglianza con la bentonite in commercio MX-80. Per quanto riguarda il comportamento idraulico, la curva di ritenzione idrica è stata determinata tramite la tecnica di equilibrio di vapore, che ha anche evidenziato un’anisotropia di rigonfiamento in direzione assiale e trasversale. La permeabilità è stata stimata tramite un test a carico variabile e un test di consolidazione edometrica; il secondo ha fornito il valore più accettabile, prossimo a quelli proposti dalla letteratura. Sono stati eseguiti quattro test di rigonfiamento con edometro, al fine di studiare le capacità espansive della bentonite analizzata: i dati mostrano una crescita esponenziale della pressione di rigonfiamento con la densità secca del materiale. Infine, il suo comportamento è stato studiato con un modello idro-meccanico accoppiato, implementato nel codice di calcolo agli elementi finiti LAGAMINE. L’obiettivo era quello di calibrare un modello costitutivo sui dati osservati: il Barcelona Basic Model, con parametri appropriati, è in grado di rappresentare in modo soddisfacente il comportamento osservato.