Multi-scale hydro-mechanical and gas transport characterisation of granular bentonite

Abstract

(English) Bentonite-based materials with low permeability, great water retention and self-sealing properties have been extensively used for engineered barriers in waste disposal facilities. Several typologies of bentonites exist. On the one hand, during installation, powder bentonites can release and disperse fine particles, while pouring bentonites in the form of pellet/powder mixtures can lead to particle segregation. On the other hand, sand/bentonite mixtures have a lower swelling potential compared to pure bentonites. Highly compacted bentonite blocks are more laborious to install and their use could hinder the release of gases formed in long-term operational facilities. These technological challenges could be addressed by using granular bentonite (GB), which has millimetre-sized granules and micrometre-sized grains, along with an extended particle size distribution (PaSD) (Fuller) that improves workability and pourability. Additionally, GB contains numerous macropores that allow gas release at low pressures. Consequently, GB is emerging as a reference material for engineering barriers. However, the geotechnical properties of GB remain poorly understood, particularly in terms of sample preparation, particle size and microstructural evolution and its correlations to hydro-mechanical (HM) and gas transport behaviour and self-sealing capacity. The Thesis provides robust, systematic, multi-scale experimental and theoretical frameworks for studying these aspects.

The outcomes offer new particle-scale insights into the preparation technique of GB samples and how it affects the HM behaviour (e.g. compressibility on loading, volumetric expansion/collapse and swelling pressure on wetting under different stress and displacement boundary conditions) and its microstructure. A straightforward methodology combining Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) and X-ray Micro-Computed Tomography (Micro-CT) has been proposed to improve the characterisation of compacted GB’s granular-type microstructure. Based on this methodology, compacted GB’s HM behaviour (e.g. swelling pressure, water permeability) can be further analysed from the pore-scale perspective, which displays a wide range of sizes. This microstructural information has also served as the basis for developing a multi-scale and multi-physics constitutive model of water retention behaviour. Moreover, the granular-type fabric with numerous and large interconnected macropores has been found to limit entrapped gas accumulation under partially saturated states while its gas transport properties also depend on how the initial microstructure evolves in response to gas pressurisation. The gas migration pathways at different HM states have been tracked by imaging techniques, which have subsequently used to define a model that incorporates this unique microstructure and its evolution to predict gas permeability. Furthermore, the granular-type microstructure with many high-density granules influences the sealing of technological gaps during loading and saturation. After gap-sealing, the HM behaviour of compacted GB is governed by the microstructure of the matrix set on compaction (the artificial gap insertion affected the compaction). The geometry of residual gaps after loading and saturation paths determines whether they could serve as preferential pathways for water and gas flow.

In conclusion, this Thesis contributes meaningful information for evaluating the short- and long-term behaviour of GB as a geomaterial for engineered barriers.

(Català) Els materials amb base de bentonita, que presenten baixa permeabilitat, gran retenció d'aigua i propietats d'auto-segellat, han estat àmpliament utilitzats com a barreres d’enginyeria en instal·lacions de disposició de residus. Existeixen diverses tipologies de bentonites. Per una banda, durant la instal·lació de les bentonites en forma de pols, es pot produir l'alliberament i dispersió de les partícules fines, mentre que el vessament de bentonites en forma de mescles de pellets/pols pot resultar en la segregació de partícules. D'altra banda, les mescles de sorra/bentonita presenten un menor potencial d’inflament que les bentonites pures. Els blocs de bentonita fortament compactats són més laboriosos d'instal·lar i el seu ús podria dificultar l'alliberament de gasos formats en les instal·lacions operatives a llarg termini. Aquests problemes tecnològics poden abordar-se mitjançant l'ús de bentonita granular (BG), que presenta grànuls de mida mil·limètrica i grans de mida micromètrica, juntament amb una distribució de mida de partícula (PaSD) estesa (Fuller) que millora la treballabilitat i la capacitat de vessament. A més, la BG conté nombrosos macroporus que permeten l'alliberament de gas a baixes pressions. En conseqüència, la BG està emergint com un material de referència per a barreres d'enginyeria. Tanmateix, les propietats geotècniques de la BG segueixen sent poc conegudes, particularment en termes de preparació de mostres, evolució de la mida de partícula i de la seva microestructura, així com les seves correlacions amb el comportament hidro-mecànic (HM), el transport de gas i la capacitat d'auto-sellat. Aquesta tesi presenta un marc experimental i teòric robust, sistemàtic i a escala múltiple per estudiar aquests aspectes.

Els resultats ofereixen noves perspectives a escala de partícula sobre la tècnica de preparació de mostres de BG i com aquesta afecta el comportament HM (per exemple, compressibilitat sota càrrega, expansió/col·lapse volumètric i pressió de inflament per saturació sota diferents condicions tensionals i de contorn) i la seva microestructura. S'ha proposat una metodologia simple que combina la Porosimetria per Intrusió de Mercuri (MIP) i la Tomografia Micro-Computada per raigs X (Micro-CT) per millorar la caracterització de la microestructura de la BG compactada. Gràcies a aquest mètode, el comportament HM de la BG compactada (per exemple, pressió de inflament, permeabilitat a l'aigua) ha estat analitzat més a fons des de la perspectiva de l'escala de porus, ja que té en compte un rang més ampli de mides. Aquesta informació microestructural també ha servit de base per desenvolupar un model constitutiu multi-escala i multi-físic del comportament de retenció d'aigua. A més, l'estructura de tipus granular amb nombrosos macroporus interconnectats limita l'acumulació de gas atrapat en estats parcialment saturats. S'ha trobat que les seves propietats de transport de gas també depenen de com evoluciona la microestructura inicial en resposta a la pressurització del gas. Les vies de migració del gas en diferents estats HM han estat rastrejades mitjançant imatges i posteriorment utilitzades per definir un model que incorpora aquesta microestructura única i la seva evolució per predir la permeabilitat al gas. També, la microestructura de tipus granular amb molts grànuls d'alta densitat influeix en el segellat dels buits tecnològics durant la càrrega i la saturació. Després del segellat dels buits, el comportament HM de la BG compactada està governat per la microestructura de la matriu establerta durant la compactació (la creació del buit afecta la compactació). La geometria dels buits residuals determina si poden actuar com a vies preferencials per al flux d'aigua i gas.

En conclusió, aquesta Tesi contribueix amb informació significativa per avaluar el comportament a curt i llarg termini de la BG com a geomaterial per a barreres d'enginyeria.

(Español) Los materiales con base de bentonita, que presentan baja permeabilidad, gran retención de agua y propiedades auto sellantes, han sido ampliamente utilizados como barreras ingenieriles en instalaciones de disposición de residuos. Existen diversas tipologías de bentonitas. Por una parte, durante la instalación de las bentonitas en forma de polvo, se puede producir la liberación y dispersión de las partículas finas, mientras que el vertido de bentonitas en forma de mezclas de pellets/polvo puede resultar en la segregación de partículas. Por otra parte, las mezclas de arena/bentonita presentan un menor potencial de hinchamiento que las bentonitas puras. Los bloques de bentonita fuertemente compactados son más laboriosos de instalar y su uso podría dificultar la liberación de gases formados en las instalaciones operativas a largo plazo. Estos problemas tecnológicos pueden abordarse mediante el uso de bentonita granular (BG), que presenta gránulos de tamaño milimétrico y granos de tamaño micrométrico, junto con una distribución de tamaño de partícula (PaSD) extendida (Fuller) que mejora la trabajabilidad y la capacidad de vertido. Además, la BG contiene numerosos macroporos que permiten la liberación de gas a bajas presiones. En consecuencia, la BG está emergiendo como un material de referencia para barreras ingenieriles. Sin embargo, las propiedades geotécnicas de la BG siguen siendo poco conocidas, particularmente en términos de preparación de muestras, evolución de tamaño de partícula y de su microestructura, así como sus correlaciones con el comportamiento hidro-mecánico (HM), el transporte de gas y la capacidad de autosellado. Esta Tesis presenta un marco experimental y teórico robusto, sistemático y a escala múltiple para estudiar estos aspectos.

Los resultados ofrecen nuevas perspectivas a escala de partícula sobre la técnica de preparación de muestras de GB y cómo esta afecta al comportamiento HM (ej., compresibilidad bajo carga, expansión/colapso volumétrico y presión de hinchamiento por saturación bajo distintas condiciones tensionales y de contorno) y a su microestructura. Se ha propuesto una metodología simple que combina la Porosimetría por Intrusión de Mercurio (MIP) y la Tomografía Micro-Computada por rayos X (Micro-CT) para mejorar la caracterización de la microestructura de la GB compactada. Gracias a este método, el comportamiento HM de la GB compactada (por ejemplo, presión de hinchamiento, permeabilidad al agua) ha sido analizado más a fondo desde la perspectiva de la escala de poro, ya que tiene en cuenta un rango más amplio de tamaños. Esta información microestructural también ha servido de base para desarrollar un modelo constitutivo multi-escala y multi-físico del comportamiento de retención de agua. Además, la estructura de tipo granular con numerosos macroporos interconectados limita la acumulación de gas atrapado en estados parcialmente saturados. Se ha encontrado que sus propiedades de transporte de gas también dependen de cómo evoluciona la microestructura inicial en respuesta a la presurización del gas. Las vías de migración del gas en diferentes estados HM se han sido rastreadas mediante imágenes y posteriormente utilizadas para definir un modelo que incorpora esta microestructura única y su evolución para predecir la permeabilidad al gas. También, la microestructura de tipo granular con muchos gránulos de alta densidad influye en el sellado de los huecos tecnológicos durante la carga y la saturación. Después del sellado de los huecos, el comportamiento HM de la GB compactada está gobernado por la microestructura de la matriz establecida durante la compactación (la creación del hueco afecta a la compactación). La geometría de los huecos residuales determina si pueden actuar como vías preferenciales para el flujo de agua y gas.

En conclusión, esta Tesis contribuye con información significativa para evaluar el comportamiento a corto y largo plazo de la GB como un geomaterial para barreras de ingeniería.