The influence of pore fluid chemical composition of soil water retention behaviour

This work presents the effects of pore fluid chemical composition on the microstructure and the retention behaviour of compacted active clays. In the first part, the fundamental concepts ruling soil water retention properties are exploited, with attention on water potential, capillarity and adsorptive mechanisms. After that, experimental methodologies used to measure and control total, matric and osmotic suctions are illustrated. Experimental evidences are presented, showing the existence of a double structure in compacted active clay affecting both pore size distributions and retention properties. This structural arrangement is influenced by the chemical composition of the pore water: an increase in salt concentration causes a reduction of repulsion forces between clay layers, with a consequent decrease of aggregate size and a reduction of the intra-aggregate void space. This in turn affects the distribution of inter-aggregate pores, inducing significant variation on the capillarity storage properties. The retention behaviour is modelled at each structural level (i.e. intra- and inter-aggregate) by a van Genuchten water retention relation. The double-porosity retention model is complemented with physically based evolutionary laws describing the changes of micro- and macro-void space upon wetting/drying and salinization/desalinization. The model is first calibrated on literature experimental data about pore size distribution and water retention properties of compacted FEBEX bentonite. The model is then used to reproduce the retention curve of other compacted clays, namely Karnakata clay and GMZ bentonite, with particular attention on the effects of pore fluid concentration. Model predictions show a good agreement with experimental data and are capable to predict aggregates swelling and shrinkage upon both water content and chemical composition variations. Keywords: water retention curve, clay, chemical interaction, suction.

La tesi presenta gli effetti della composizione chimica del fluido interstiziale sulla microstruttura e le capacità di ritenzione di argille attive compattate. Inizialmente sono illustrate i fondamentali che regolano le capacità di ritenzione delle argille, con particolare attenzione al contenuto energetico del fluido interstiziale, alla capillarità ed ai meccanismi di adsorbimento. Successivamente, sono illustrate le metodologie sperimentali atte a controllare la suzione totale, di matrice ed osmotica. Le evidenze sperimentali mostrano l’esistenza nelle argille attive compattate di una microstruttura caratterizzata da due livelli strutturali, che influenza sia la distribuzione della dimensione dei pori che le curve di ritenzione. Questo assetto strutturale è influenzato significativamente dalla composizione chimica del fluido interstiziale: un aumento nella concentrazione salina causa una riduzione delle forze repulsive tra le particelle, con conseguente riduzione delle dimensioni degli aggregati, riduzione della dimensione dei pori intra-aggregato e di conseguenza delle capacità di ritenzione del materiale. Il comportamento è modellato per ciascun livello strutturale con una relazione di van Genuchten, identificando un dominio per i micro-pori ed uno per i macro-pori. Il modello di ritenzione tiene conto della natura evolutiva della struttura del materiale attraverso leggi che descrivono i cambiamenti strutturali a seguito di saturazione/desaturazione e salinizzazione/ desalinizzazione. L’evoluzione microstrutturale è modellata in modo da ottenere un rigonfiamento degli aggregati con l’aumento del contenuto d’acqua e una riduzione del potenziale di rigonfiamento a causa della salinizzazione. Il modello teorico è calibrato sulla base di dati sperimentali presenti in letteratura ottenuti da prove porosimetriche e di ritenzione effettuati sulla bentonite FEBEX. Il modello è di seguito utilizzato per prevedere il dominio di ritenzione di altre argille attive, quali la bentonite GMZ e l’argilla di Karnakata. Le curve di ritenzione ottenute mostrano un buon accordo con i dati sperimentali e sono in grado di predire le variazioni delle dimensioni degli aggregati causate dalle variazioni di contenuto d’acqua e di concentrazione salina. Parole chiave: curva di ritenzione, argilla, interazione chimica, suzione.