FEBEX. Bentonite: origin, properties and fabrication of blocks

The aim of the FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment) Project is to study the behavior of the near field components of a high-level radioactive waste (HLW) repository in crystalline rock, in accordance with a concept in which the canisters are surrounded by a clay barrier constructed of highly-compacted bentonite blocks. The FEBEX consists of a full scale "in situ" test (Grimsel, Switzerland) performed under natural conditions; a I/ mock-up" test (CIEMAT, Madrid), at almost full scale; and a series of laboratory tests designed to complement the information from the two largescale tests. During the pre-operational stage of the Pro??ect, the planning, design and Installation of the two large-scale tests was accomplished, as well as the predictive modelling of their behavior and the basic characterisation of the bentonite. This report is one of those concerning the pre-operational stage of the Project, and refers to the selection and characterisation of the FEBEX bentonite, and to the fabrication of the blocks used in the "in situ" and ,, mock-up" tests. The clay utilized comes from the Cortijo de Archidona deposit (Almer??a), from where the S-2 clay used in previous ENRESA R&D Projects was also extracted. The results obtained in these Pro??ects are summarised in Chapter 2, as some of the parameters considered in the predictive modelling were taken from the 5-2 bentonite database, due to their not having yet been determined for the FEBEX clay. For the FEBEX Project, about 300 tons of bentonite have been selected, homogenized and treated. At the factory, the clay was disaggregated and gently dried to a water content of around 14 %, all the material of particle size greater than 5 mm being re??ected. The processed material was used for fabrication of the blocks for the two large-scale tests and for the laboratory tests. Samples of each processing lot were taken, and were mixed to obtain a single sample, whose reference is 70-IMA- 3-4-0, which is the one used by all the participant laboratories. Mineralogical and chemical characterisation was performed at CIEMAT and CSICZaid??n, and the mechanical, hydraulic and thermal characterisation was carried out by CIEMAT and UPC-DIT; the results obtained at each laboratory were consistent with the rest of the laboratories. The FEBEX bentonite has a montmorillonite content greater than 90 %, with quartz, plagioclase, potassic feldspar, calcite and trydimite as accessory minerals. There may be illite/smectite interstratifications up to 15 %. The cation exchange capacity is higher than 100 meq/100g, and in the exchange complex 42 % Ca, 33 % Mg, 23 % Na and 2 % K are present. The identification properties are not exactly those expected for a material with this mineralogy. Both the liquid limit (100 %) and the external specific surface (32 m 2/g) are rather low, and the less than 2 .t.rn fraction obtained after intense dispersion amounts to only 65 %. This might mean that the particles are agglutinated in a certain way (possibly by a siliceous cement), although the consequences of this on the behavior of the clay have not been evaluated. Swelling pressure and saturated hydraulic conductivity were obtained for specimens compacted to dry densities of 1.60 y 1.70 g/cm 3 , along with the thermal conductivity for these densities and different degrees of saturation. The suction/water content relationship and a preliminary state surface for decreasing suctions and small stress changes were determined. The results obtained show slight variations with respect to the values obtained for the 3-2 clay, with a tendency of the FEBEX clay to be more impervious and to develop a higher swelling pressure. However, for the performance assessment of a repository (PA), these differences are considered to be in the expected range of variation of the bentonite properties. Two sets of blocks have been manufactured: one for the "mock-up" test, under the management and supervision of CIEMAT, and another for the "in situ" tests, under the management and supervision of AITEMIN. In both cases a crown design has been adopted, in order to minimize the void volume of the barrier. The blocks have been uniaxially compacted to pressures of 40 to 50 MPa, the resulting dry density being 1.77 g/cm 3 for the blocks for the "mock-up" test and 1.70 g/cm 3 for the blocks for the "in situ" test. Consequently, the average dry density of the installed barrier is 1.65 and 1.60 g/cm 3 , respectively. El Proyecto FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment) tiene como prop??sito el estudio del comportamiento de componentes del campo pr??ximo de un almacenamiento de residuos radioactivos de alta actividad en roca cristalina, seg??n un concepto en el que la barrera de ingenier??a entre el contenedor de residuos y la roca almac??n est?? constituida por bloques de bentonita compactada. El FEBEX consta de un ensayo "in situ", en condiciones naturales y escala real (Grimsel, Suiza); un ensayo en "maqueta" (CIEMAT, Madrid), a escala casi real; y una serie de ensayos de laboratorio para complementar la informaci??n de los dos ensayos a gran escala. Durante la etapa preoperacional del Proyecto se ha realizado la planificaci??n, dise??o e instalaci??n de los ensayos a gran escala, la modelaci??n predictiva de su comportamiento y la caracterizaci??n b??sica de la bentonita. Este informe es uno de los correspondientes a la fase preoperacional del Proyecto FEBEX, y se refiere a la selecci??n y caracterizaci??n de la bentonita FEBEX, as?? como a la fabricaci??n de los bloques que se han utilizado en los ensayos "in situ" y en maqueta . La arcilla utilizada proviene del yacimiento Cortijo de Archidona (Almer??a), de donde tambi??n se extrajo la arcilla S-2, utilizada en otros proyectos de I+D de ENRESA anteriores al FEBEX. Los resultados obtenidos en estos proyectos se resumen en el cap??tulo 2, ya que algunos par??metros utilizados en la modelizaci??n predictiva se han tomado de los de la arcilla 5 -2, por no haberse determinado todav??a para la arcilla FEBEX. Para el Proyecto FEBEX se han seleccionado, homogeneizado y procesado unas 300 toneladas de bentonita, cuyo tratamiento en f??brica ha consistido en disgregaci??n mec??nica y secado suave hasta humedades alrededor del 14 %, rechaz??ndose todo el material de tama??o superior a 5 mm. Este material se ha utilizado para la fabricaci??n de los bloques de los dos ensayos a gran escala y en los ensayos de laboratorio. Se han tomado varias muestras de cada lote de procesado, por mezcla de las cuales se ha obtenido una muestra ??nica, de referencia 70-IMA-3-4-0, con la que se ha trabajado en los laboratorios participantes. La caracterizaci??n mineral??gica y qu??mica se ha llevado a cabo en CIEMAT y CSIC-Zaid??n, y la caracterizaci??n mec??nica, hidr??ulica y t??rmica se ha realizado en CIEMAT y UPC-DIT, habi??ndose obtenido resultados concordantes entre todos los laboratorios. La bentonita FEBEX tiene un contenido en montmorillonita superior al 90 %, con cuarzo, plagioclasa, feldespato pot??sico, calcita y tridimita como minerales accesorios. Es posible que existan interestratificados illita/esmectita en proporciones de hasta el 15 %. La capacidad de cambio cati??nico es superior a 100 meq/100g, y en el complejo de cambio aparece 42 % de Ca, 33 % de Mg, 23 % de Na y 2 % de K. Las propiedades de identificaci??n no corresponden a las esperadas para un material de esta mineralog??a, ya que tanto el l??mite l??quido (100 %) como la superficie espec??fica externa (32 m2/g) son algo bajos y la proporci??n de fracci??n menor de 2 lam obtenida despu??s de una dispersi??n intensa es s??lo del 65 %, lo que hace suponer que se produce alg??n tipo de aglutinaci??n de las part??culas (quiz?? por cemento sil??ceo), cuyas consecuencias sobre el comportamiento de la arcilla no han sido evaluadas. Se ha determinado la presi??n de hinchamiento y la conductividad hidr??ulica saturada de pastillas compactadas a densidad seca de 1,60 y 1,70 g/cm3, as?? como la conductividad t??rmica para estas densidades y diferentes grados de saturaci??n. Se ha determinado tambi??n la relaci??n succi??n/ humedad y una superficie de estado preliminar para succiones decrecientes y con cambios peque??os de tensiones. Los resultados obtenidos muestran ligeras variaciones respecto a los valores obtenidos para la arcilla S-2, con una tendencia de la arcilla FEBEX a ser m??s impermeable y desarrollar mayor presi??n de hinchamiento. Sin embargo, de cara a la evaluaci??n del comportamiento de un almacenamiento (PA), se considera que estas diferencias entran dentro del intervalo de variaci??n esperado para las propiedades de la bentonita. Se han fabricado dos conjuntos de bloques: uno para el ensayo en "maqueta", bajo la direcci??n y control de CIEMAT, y otro para el ensayo "in situ", bajo la direcci??n y control de AITEMIN. En ambos casos se ha recurrido a un dise??o en coronas conc??ntricas que redujera al m??nimo el volumen de huecos de la barrera. Los bloques se han fabricado mediante compactaci??n uniaxial a presiones de 40 a 50 MPa, obteni??ndose una densidad seca media de los bloques para el ensayo en "maqueta" en torno a 1,77 g/cm 3 y de los bloques para el ensayo "in situ" en torno a 1,70 g/cm 3 . Esto da lugar a una densidad seca media de la barrera instalada de 1,65 y 1,60 g/cm3, respectivamente. 3