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Technical Report NTB 15-05
Thermo-hydro-mechanical characterisation and modelling of Wyoming granular bentonite
Le stockage en dépôts géologiques profonds est généralement considéré comme la solution la mieux adaptée au confinement ultime des déchets radioactifs à haute activité. Dans différents concepts de stockage, de la bentonite est retenue comme matériau de la barrière ouvragée mise en place entre les colis de déchets et la roche d'accueil. Ce matériau de confinement des déchets radioactifs sera soumis à de fortes variations des charges thermiques, hydrauliques et mécaniques. Ces variations pourraient avoir un impact significatif sur le comportement microscopique et macroscopique de ce matériau de confinement. Afin d’analyser la sûreté de l'ensemble du dépôt, il est donc nécessaire de posséder une compréhension détaillée de l'évolution thermo-hydro-mécanique (THM) de ce matériau de confinement soumis sous ces conditions.
L’objectif de cette étude a été de caractériser le comportement de la bentonite considérée pour une mise en œuvre dans un système de barrières ouvragées servant au confinement de déchets radioactifs à haute activité en Suisse. Le comportement de la bentonite soumise au charges THM et en particulier son évolution microstructurale ont été étudiés de manière expérimentale. Les observations expérimentales sur le comportement du matériau aux niveaux macroscopique et microscopique ont permis d’élaborer une loi de comportement microstructural de rétention de l’eau qui intégre le couplage hydromécanique. Ce rapport traite du comportement THM du matériau de confinement selon les trois volets suivants: comportement macroscopique, observations microstructurales et modélisation d’une loi de comportement.
(i) Le comportement macroscopique: une méthode systématique a été utilisée pour caractériser le comportement THM couplé de la bentonite granulaire du Wyoming. La déformation due au gonflement, la pression de gonflement et la compressibilité du matériau en ont été déterminées. L’analyse exhaustive de la capacité de rétention d’eau du matériau a été réalisée à l’aide d’une nouvelle technique, dite de la "microcellule", et par laquelle les caractéristiques en rétention d'eau du matériau sont déterminées avec grande précision par des cycles de drainage/imbibition. Ces analyses de base ont permis d’élaborer des méthodologies nouvelles pour en matière d’essais triaxiaux avancés sur bentonites. Après avoir développé/calibré une cellule triaxiale à double paroi, le comportement en contrainte/déformation de la bentonite saturée et non-saturée soumises à des contraintes thermiques, ainsi que son comportement sous charge déviatorique ont été mesurés sur un large spectre de valeurs de succion et de contraintes de confinement. L’impact du gradient hydraulique et de la température sur la conductivité hydraulique de la bentonite saturée ont été déterminés. Ces déterminations expérimentales ont permis l’évaluation du comportement général thermo-hydro-mécanique de la bentonite granulaire du Wyoming, sous conditions similaires à celles du dépôt profond. De plus, au cours d'une étude réalisée au laboratoire de recherche souterrain du Grimsel en Suisse, le comportement hydromécanique de la bentonite granulaire a été évalué, lorsqu’une technique alternative de mise en place par projection des granulés est utilisée.
(ii) Évolution microstructurale: les techniques de recherche microstructurale et la méthode dite de la "microcellule" ont permis d’étudier la microstructure de la bentonite aux différents états hydriques décrits par les courbes de rétention d'eau. L'analyse microstructurale a mis en évidence le passage d'une double porosité de l’espace poral (à l'état compacté) à une simple porosité (après saturation complète), entrainant un comportement irréversible en termes de rétention d'eau, et résultant en une capacité de rétention accrue du matériau. L'information disponible sur l'hydratation des smectites explique comment l’évolution d’une porosité active au sein de la microstructure peut affecter le comportement macroscopique de la bentonite. La capacité de rétention d'eau et l'évolution microstructurale de la bentonite ont été comparées à celles des illites, expliquant comment l’évolution microstructurale des argiles actives comme la bentonite affecte le comportement de rétention de l’eau au niveau macroscopique. Il est donc nécessaire de prendre en compte l'interaction entre la microstructure active et le comportement macroscopique de la bentonite pour en déterminer sa performance hydromécanique.
(iii) Modélisation d’une loi de comportement: un modèle conceptuel de rétention d'eau pour la bentonite granulaire du Wyoming a été développé sur la base des observations expérimentales. Il prend en compte l’indice des vides et l'évolution microstructurale en mode d’hydratation de la bentonite. Le modèle est basé sur un comportement élasto-plastique à durcissement anisotrope linéaire. A niveau de compaction donné, le modèle décrit les courbes de rétention d'eau sur l’ensemble du domaine hydrique considéré. Ce modèle constitue une loi de comportement hydromécanique des bentonites granulaires qui applicable pour les stockages souterrains de déchets radioactifs.