An Experimental Study on Hydro-Mechanical Characteristics of Compacted Bentonite-Sand Mixtures

Samingan, Agus Setianto

Nuclear and hazardous waste disposal issues have become universal issues and problems related to the final disposal of these waste including finding a suitable site, natural and engineered barriers used, construction of the repository, long-term performance assessment have gained increasing attention all over the world. High-level radioactive and hazardous waste are required to be buried in deep geological repositories. In Germany, the ongoing researches have assessed the suitability of salt-stone formation in the country as a host rock candidate for its nuclear waste repository. Bentonite-based materials have been proposed to be used as sealing and buffer elements for the nuclear waste repository. Several hydro-mechanical processes will take place in the field and influence behaviour of the sealing and buffer elements of the repository. In this dissertation, a study on the hydro-mechanical characterisation of bentonite-sand mixtures is presented. Mixtures of a calcium-type bentonite, named Calcigel, and quartz sand were used in the investigation. Series of experiments including basic and physico-chemical characterisation, microstructure and fabric studies, suction and swelling pressure measurements, wetting and drying test, one-dimensional compression-rebound test, one-dimensional cyclic wetting-drying test under constant vertical stress, and saturated permeability test were conducted. The experimental data obtained are analysed and several characteristics of the material are brought out in this dissertation. Conclusions regarding basic behaviour of the materials are drawn based on the results of microstructure and fabric studies. Factors influencing the magnitude of suction and swelling pressure of the materials are outlined and discussed. The suction-induced compression and rebound characteristics of the material are described. The wetting and drying behaviour as influenced by the material boundary conditions are discussed. Permeability characteristics of the materials are examined based on several available permeability models. Several mechanical and hydraulic parameters that can be used in modelling using some available constitutive modelling approaches are derived based on the experimental data. At the end, conclusions regarding the hydro-mechanical characteristics of the materials are drawn and suggestions for future studies are made.

Die (End-) Verwahrung von hoch toxischem chemischen und radioaktiven Abfällen hat aktuell weltweit an Bedeutung gewonnen und insbesondere Fragen bezüglich der „optimalen Einlagerung“, der Art der Versiegelung, die Konstruktion der Endlagerstätten sowie das Verhalten während „langer“ Zeiträume, sind Schwerpunkte der Forschung. Hoch radioaktive und chemische Abfälle sollen in der Mehrzahl der Konzepte in Kanistern versiegelt und unterirdisch in großer Tiefe in geeigneten geologischen Schichten gelagert werden. Aktuelle Forschungen in Deutschland haben ergeben, dass z.B. Salz-Gestein ein zuverlässiger Wirtsgesteins-Kandidat für die sicher Endlagerung des radioaktiven Abfalls ist. Bentonit basierendes Material wird derzeit als Versiegelung bzw. als Puffermaterial für hoch toxisches und radioaktives Abfallmaterial genutzt. Komplexe, gekoppelte hydromechanische Prozesse beeinflussen das Verhalten der Versiegelung sowie die Pufferwirkung der Endlagerstätte. In der vorliegenden Dissertation wird eine Studie über die hydromechanischen Eigenschaften von Betonit- Sand-Gemischen dargestellt. Die untersuchten Mischungen bestehen aus unterschiedlichen Anteilen von Kalzium-Bentonit, das so genannte Calcigel, und Quarzsand. Porosimetrieuntersuchungen und Studien mit dem ESEM ergaben Aufschluss über die Struktur und die physikalisch-chemischen Kennwerte des Gefüges auf der Mikroskala. Auf der Makroskala wurde u.a. die Saugspannungs-Wassergehaltsbeziehung der Gemische untersucht. Außerdem wurden zyklische Trocknungs- und Bewässerungsversuche, Kompressionsversuche im Ödometergerät und gesättigte Permeabilitätsversuche durchgeführt. Der Quelldruck und das Quellpotential wurden für unterschiedliche Belastungspfade untersucht. Die erzielten experimentellen Ergebnisse wurden im Rahmen der zu Grunde liegenden theoretischen Modelle ausgewertet und interpretiert. Wegweisende Erkenntnisse der Arbeit beziehen sich auf die Saugspannungs-Wassergehaltsbeziehung für unterschiedliche Versuchsrandbedingungen (freie Volumenänderung versus vollständig behinderte Volumenänderung) und die Entwicklung des Quelldrucks in Abhängigkeit der Saugspannung. Die erzielten Ergebnisse wurden zur Kalibrierung von zwei unterschiedlichen konstitutiven Ansätzen benutzt. Zusätzlich durchgeführte Versuche konnten abschliessend erfolgreich simuliert werden.

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Samingan, Agus Setianto: An Experimental Study on Hydro-Mechanical Characteristics of Compacted Bentonite-Sand Mixtures. 2005.

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