Confined wetting of FoCa clay powder/pellet mixtures: Experimentation and numerical modeling

Potential geological nuclear waste disposals must be properly sealed to prevent contamination of the biosphere by radionuclides. In the framework of the RESEAL project, the performance of a bentonite shaft seal is currently studied at Mol (Belgium). This paper focuses on the hydro-mechanical physical behavior of centimetric, unsaturated samples of the backfilling material – a mixture of FoCa-clay powder and pellets – during oedometer tests. The hydro-mechanical response of the samples is observed experimentally, and then compared to numerical simulations performed by our Cast3M Finite Element code. The generalized Darcy’s law and the Barcelona Basic Model mechanical model formed the physical basis of the numerical model and the interpretation. They are widely used in engineered barriers modeling.Vertical swelling pressure and water intake were measured throughout the test. Although water income presents a monotonous increase, the swelling pressure evolution is marked by a peak, and then a local minimum before increasing again to an asymptotic value. This unexpected behavior is explained by yielding rather than by heterogeneity. It is satisfactorily reproduced by the model after parameter calibration.Several samples with different heights ranging from 5 to 12 cm show the same hydro-mechanical response, apart from a dilatation of the time scale. The interest of the characterization of centimetric samples to predicting the efficiency of a metric sealing is discussed.

RésuméLa capacité de scellement d’un puits d’accès à un stockage de déchets radioactifs par un bouchon de bentonite est en cours d’étude à Mol (Belgique). Ce papier aborde le comportement hydro-mécanique d’échantillons centimétriques non saturés du matériau de remplissage, constitué par un mélange de poudre et de berlingots d’argile FoCa. Chaque échantillon est confiné dans un oedomètre, mouillé par la base, et exposé à l’air ambiant en son sommet. Le présent travail tente de comprendre et de reproduire la réponse hydro-mécanique des échantillons, à l’aide de la loi de Darcy généralisée et du modèle de base de Barcelone, implémentés dans notre code aux Eléments Finis Cast3M.L’entrée d’eau montre une imbibition progressive et asymptotique, alors que la pression de gonflement présente une variation non monotone avant de tendre vers une valeur asymptotique. Ce processus s’explique par plastification plutôt que par l’hétérogénéité, et est bien reproduit par le modèle calibré.Les échantillons, de 5 à 12 cm de hauteur, montrent la même réponse hydro-mécanique, suggérant ainsi une invariance d’échelle précoce compte tenu de la taille des berlingots. L’utilité de cette caractérisation vis-à-vis de la prédiction de l’efficacité d’un scellement métrique est discutée.