Hydro-mechanical behaviour of bentonite-based materials used for high-level radioactive waste disposal

par Qiong Wang

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Yu Jun Cui.

Le président du jury était Cristina Jommi.

Le jury était composé de Yu Jun Cui, Wei-Min Ye, Xiang-Ling Li, Gilles Armand, Jean-Dominique Barnichon, Anh Minh Tang.

Les rapporteurs étaient Tom Schanz.

  • Titre traduit

    Comportement hydro-mécanique des matériaux à base de bentonite pour le stockage des déchets radioactifs


  • Résumé

    La présente étude concerne le comportement hydromécanique des matériaux compactés à base de bentonite pour le stockage des déchets radioactifs en grande profondeur. Trois matériaux candidats ont été étudiés : la bentonite (MX80) pure, le mélange bentonite/argilite broyée et le mélange bentonite/sable. Une étude expérimentale sur la pression de gonflement du mélange bentonite/argilite a été premièrement réalisée. Cette étude a mis en évidence l'effet de la salinité de l'eau, de la procédure et la durée d'hydratation, du pré-existant vide technologique et des méthodes expérimentales. Une importante relation entre la pression de gonflement et la densité sèche finale de la bentonite a été élaborée. Ensuite, des essais de rétention d'eau, des essais d'hydratation et des essais oedométriques à succion contrôlée ont été réalisés sur des échantillons à différentes porosités tout en considérant la présence du vide technologique. En introduisant les paramètres comme indice des vides de la bentonite et le ratio volume d'eau, une analyse globale des effets des vides sur la réponse hydromécanique de la barrière ouvragée a été effectuée. Pour obtenir un meilleur aperçu de l'évolution de l'étanchéité dans le cas de vide technologique, l'effet de densité sèche finale (densité après fermeture de vide technologique) et du temps d'hydratation sur la microstructure a été, de même, étudié. La perméabilité de ce matériau à l'état non saturé a été ensuite étudiée en réalisant des essais de rétention d'eau et d'infiltration ainsi que par des observations de la microstructure. Les résultats obtenus ont permis de relier la variation de la conductivité hydraulique non saturée aux changements de la microstructure. Une expérimentation en modèle réduit reproduisant à une échelle 1/10ème les essais in-situ (SEALEX) a été effectuée, et cela pour étudier la reprise des vides à long terme d'un mélange compacté bentonite/sable, tout en considérant la présence d'un vide technologique. Les résultats ont été utilisés pour interpréter les observations de l'essai in situ. A une échelle de temps réduite, cette étude fournit des informations utiles pour estimer la durée et l'efficacité de la conception en place. Finalement, les données expérimentales obtenues dans le laboratoire sur le mélange bentonite/sable ont été interprétées dans le cadre du modèle de Barcelone (BExM). Après comparaison des résultats expérimentaux avec le modèle, les performances et les limitations du modèle ont été analysées


  • Résumé

    This study deals with the hydro-mechanical behaviour of compacted bentonite-based materials used as sealing materials in high-level radioactive waste repositories. The pure MX80 bentontie, mixtures of MX80/crushed claystone and MX80/sand were used in the investigation. An experimental study on the swelling pressure of the bentonite-based materials was first performed. The results evidenced the effects of water chemistry, hydration procedure and duration, pre-existing technological void and experimental methods. Emphasis was put on the relationship between the swelling pressure and the final dry density of bentonite. Afterwards, the water retention test, hydration test and suction controlled oedometer test were conducted on samples with different voids including the technological void and the void inside the soil. By introducing the parameters as bentonite void ratio and water volume ratio, an overall analysis of the effects of voids on the hydro-mechanical response of the compacted material was performed. To get better insight into the seal evolution in case of technological void, the effects of final dry density and hydration time on the microstructure features were also characterized. Then, the hydraulic properties under unsaturated state were investigated by carrying out water retention test and infiltration test as well as the microstructure observation. The results obtained allowed relating the variation of hydraulic conductivity to the microstructure changes. A small scale (1/10) mock up test of the SEALEX in situ experiment was also performed to study the recovery capacity of bentonite-based material with consideration of a technological void. The results were used for interpreting the in-situ observations. With a reduced time scale, it provides useful information for estimating the saturation duration and sealing effectiveness of the field design. Finally, the experimental data obtained in the laboratory on bentonite/sand mixture were interpreted in the framework of the Barcelona Expansive Model (BExM). By comparing the model with the experimental results, the performance and limitation of the model were analyzed


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