THM coupled behaviour of a deep poorly indurated argillaceous formation
Authors:   , Sau Valenzuela Núria 
Published: July 2023

(English) Deep geological disposal of heat-emitting and long-lived radioactive waste is the solution internationally accepted that offers the most viable and safest way to manage this kind of wastes. Accordingly, the scientific community and the agencies for waste management have made substantial efforts to address the impact of the highly coupled thermo-hydro-mechanical THM processes involved during the repository's working life on the behaviour of natural (host rock formation) and artificial barriers. This Thesis arises from the need to gain insight into the THM behaviour of the deep Ypresian clays Ycs -one of Belgium's potential host rock formations- through experimental testing at a laboratory scale. One of the main challenges encountered on prototype design and planning test protocols is restoring the high in situ stresses before the THM haracterisation since the deep undrained retrieval induces high matric suctions and even opening of fissures and gaps along bedding planes. The Thesis sheds light on the behaviour of Ycs, considering their natural variability with depth. To this aim, a comprehensive
characterisation is performed of their geotechnical and physico-chemical properties, initial state, water retention properties, mineralogical composition, and microstructural features. Despite the dominant variability, common patterns are detected at
different depths. Concerning the thermal behaviour, a considerable effort is devoted to developing setups and protocols to systematically
measure thermal conductivity and the specific heat at different depths of the clay formation. In addition, the influence of mineralogical composition, porosity, degree of saturation, and anisotropy features on these thermal properties is studied. The deep sedimentary and bedded Ycs display anisotropic thermal conductivities.
Substantial efforts are devoted to developing and commissioning the fully-instrumented experimental setups to evaluate the THM behaviour under isochoric and oedometer conditions. A significant contribution is the measurement of horizontal stress
under oedometer conditions and at different temperatures (K0 coefficient). The evaluation of the coupled THM behaviour under saturated state focuses, on the one hand, on determining the thermal pressurisation coefficients ¿ under isochoric
and undrained conditions at different temperatures, while tracking the changes in total stresses, water pressures and water permeability K during heating and cooling paths. The main concluding remarks are the increasing trend of the coefficient ¿
with temperature and the increase of the ratio of the effective horizontal and vertical stresses after the heating-cooling path (above 70°C). Besides, microstructural analyses performed on post-mortem samples show a significant generation of
macroporosity that does not affect the final K.
On the other hand, the study of THM behaviour also concentrates on the evolution of the K0 coefficient under oedometer conditions, yield stresses, pre- and post-yield compressibilities, swelling/collapse on soaking, and thermal
expansion/contraction at different stress states and temperatures. The horizontal stress measurement allows obtaining the entire picture of the generalised stress state. Besides, it enables detecting the systematic increase of K0 with the
overconsolidation ratio and on heating at constant effective vertical stress. Regarding the microstructural changes, heating to
50°C does not reflect any increment of macroporosity (in fact, a reduction is observed), whereas heating above 70°C induces the generation of macroporosity despite the high-stress conditions.
(Español )El almacenamiento geológico profundo de residuos radioactivos de alta actividad y larga vida es la solución internacionalmente aceptada que ofrece la forma más viable y segura de gestionar dichos residuos. En consecuencia, la comunidad científica y las agencias de gestión de residuos han realizado esfuerzos sustanciales para evaluar el impacto de los procesos termo-hidro-mecánicos THM altamente acoplados involucrados en la vida útil del repositorio sobre el comportamiento de las barreras naturales (formación rocosa huésped) y artificiales.
Esta Tesis surge de la necesidad de profundizar en el comportamiento THM de las arcillas Ypresian Ycs -una de las posibles formaciones huésped de Bélgica- a través de ensayos experimentales a escala de laboratorio. Uno de los principales desafíos que surgen en el diseño de prototipos y planificación de protocolos experimentales es la restauración de las altas tensiones in situ antes de la caracterización THM, ya que la recuperación profunda sin drenaje induce altas succiones matriciales, e incluso la apertura de fisuras y huecos a lo largo de los planos de estratificación.
La Tesis arroja luz sobre el comportamiento de las Ycs, considerando su variabilidad natural con la profundidad. Para ello se realiza una caracterización integral de sus propiedades geotécnicas y físico-químicas, del estado inicial, de las propiedades de retención de agua, de la composición mineralógica y de las características microestructurales. A pesar de la variabilidad dominante, se detectan patrones comunes a diferentes profundidades.
En cuanto al comportamiento térmico, se dedica un esfuerzo considerable a desarrollar equipos y protocolos para medir sistemáticamente la conductividad térmica y el calor específico a diferentes profundidades de la formación arcillosa. Además, se estudia la influencia de la composición mineralógica, la porosidad, y el grado de saturación en estas propiedades térmicas. Dado que las formaciones sedimentarias profundas y estratificadas como las Ycs presentan características anisotrópicas, se estudia su influencia en la conductividad térmica.
Se dedican esfuerzos sustanciales al desarrollo y puesta en servicio de los equipos experimentales totalmente instrumentados para evaluar el comportamiento THM en condiciones isocóricas y edométricas. Una contribución significativa es la medición de la tensión horizontal en condiciones edométricas y a diferentes temperaturas (coeficiente K0). La evaluación del comportamiento acoplado THM en estado saturado se centra, por
un lado, en determinar los coeficientes de presurización térmica Λ en condiciones isocóricas y sin drenaje a diferentes temperaturas, al tiempo que se monitorean los cambios en las tensiones totales, las presiones de agua y la permeabilidad K durante las trayectorias de calentamiento y enfriamiento. Las principales observaciones son la tendencia creciente del coeficiente Λ con la temperatura y el aumento de la relación de las tensiones horizontales y verticales efectivas después de la trayectoria de calentamiento enfriamiento (por encima de 70°C). Además, los análisis microestructurales de muestras post-mortem muestran una generación significativa de macroporosidad que no afecta la K.
Por otro lado, el estudio del comportamiento THM también se concentra en la evolución del coeficiente K0 en condiciones edométricas, tensiones de fluencia, compresibilidades pre y post fluencia, hinchamiento/colapso en remojo y expansión/contracción térmica a diferentes estados de tensión y temperaturas. La medición de tensión horizontal permite visualizar el estado generalizado de tensión. Además, permite detectar el aumento sistemático de K0 con el grado de sobreconsolidación y durante el calentamiento a tensión vertical efectiva constante. En cuanto a los cambios microestructurales, el calentamiento a 50°C no refleja ningún incremento de macroporosidad (de hecho, se observa una reducción), mientras que el calentamiento por encima de 70°C induce la generación de macroporosidad a pesar de las condiciones de alta tensión.