Thermo-hydro-mechanical behavior of compacted bentonite-sand mixtures: an experimental study

Arifin, Yulian Firmana

Heat, gas, and leachate are primary by-products of landfill processes in municipal solid waste landfills. In nuclear waste repository, temperature of the waste also raises due to radioactivity processes. Temperature increase in the repository induces hydro-mechanical processes of its sealing material. Moderate to high temperature is expected to be encountered in the field situation. In this thesis, a study on the thermo-hydro-mechanical behavior of compacted bentonite-sand mixtures which are among the materials proposed to be used as sealing material for landfills and hazardous waste repository is presented. Mixtures of a calcium-type bentonite, Calcigel, and quartz sand were used in this study. Series of tests including suction and swelling pressure measurement, drying-wetting under unconfined and confined conditions were conducted at a moderately high temperature. Tests at room temperature including basic and physico-chemical characterization, microstructure and fabric studies, and osmotic suction were conducted in order to provide insight into understanding the hydro-mechanical processes taking place in the bentonite. The experimental data obtained are presented and compared to the result of the previous tests for the same material performed by other researchers at room temperature. The changes in hydro-mechanical behavior due to elevated temperature were analyzed and discussed based on the suction components of soil which are influenced by temperature. At the end, conclusions concerning the temperature effects on the hydro-mechanical behavior of the materials are drawn and suggestions for future studies are made.

In Folge der Prozesse in den Siedlungsabfalldeponien entstehen Wärme, Gas und Sickerwasser als Nebenprodukte. In Deponien für nukleare Abfälle nimmt die Wärme in Abhängigkeit deren Radioaktivität zu. Aufgrund der Wärmeentwicklung im Abfall kommt es in dem die Kanister umgebenden Dichtelement zu Temperaturänderungen, was verschiedene hydro-mechanische Prozesse verursacht, die sowohl bei niedrigen als auch bei mäßig hohen Temperaturen stattfinden. In dieser Dissertation wird eine Studie über die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf das hydro-mechanische Verhalten von Bentonit-Sand-Gemischen vorgestellt, welche ein mögliches Dichtungsmaterial für Verschlussbauwerke in Deponien für radioaktive Abfälle darstellen. In dieser Studie wurden Mischungen von Kalzium-Bentonit, genannt “Calcigel“, und Quarzsand verwendet. Es wurden bei mäßig hohen Temperaturen Versuchsreihen durchgeführt, die die Messung der Saugspannungen und des Quelldrucks, als auch die Ermittlung der Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung auf dem Trocknungs- sowie Bewässerungspfad bei behinderter und nicht behinderter Volumenänderung beinhalten. Des weiteren wurden bei Raumtemperatur Versuche zur Bestimmung der physiko-chemischen Eigenschaften sowie Untersuchungen zur Struktur und der osmotischen Saugspannung durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchungen war es, einen besseres Verständnis der innerhalb des Bentonits stattfindenden hydro-mechanischen Prozesse zu erlangen. Die experimentell gewonnenen Daten werden vorgestellt und mit Ergebnissen aus vorangegangenen Forschungsarbeiten am selben Material bei Raumtemperatur verglichen. Die beobachteten Änderungen im hydro-mechanischen Verhalten aufgrund der erhöhten Umgebungstemperatur werden analysiert und diskutiert, wobei besonderes Augenmerk auf die Materialkomponenten gelegt wird, deren Eigenschaften und Verhalten durch die Temperatur beeinflusst wird.

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Arifin, Yulian Firmana: Thermo-hydro-mechanical behavior of compacted bentonite-sand mixtures: an experimental study. 2008.

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