(GRS-787) Thermische Integrität von Ton und Tonsteinen – Experiment und gekoppelte THMC-Simulationen (THMC-Sim)

Förderkennzeichen 45185358

In dieser Studie wurde der gekoppelte Einfluss von Wärme und Flüssigkeitsperkolation auf das Quellverhalten und die Durchlässigkeit eines verdichteten bayerischen Bentonits, eines intakten Friedlandton und einer intakten tonigen Fazies des Opalinustons untersucht. Der angewandte Versuchsaufbau sieht vor, dass (i) eine lufttrockene Tonprobe, die sich in einer Miniatur-Oedometerzelle befindet, und die Opalinustonporenlösung auf eine Zieltemperatur erhitzt und von (ii) einer Probensättigung bei einem beidseitig angelegten Lösungsdruck von 7 MPa sowie (iii) einer Permeabilitätsmessung bei der Zieltemperatur gefolgt werden. Die Versuche wurden von der Quecksilberporosimetrie und Karbonatgehaltsanalysen begleitet. Bei bayerischem Bentonit wurde eine nichtmonotone Temperaturabhängigkeit der Übersättigung beobachtet, die auf die zunehmende Dichte des außerhalb der Smektit-Zwischenschichten befindlichen Porenwassers zurückzuführen ist. Für den Quelldruck und die Permeabilität der drei Tone wurde eine nicht-monotone Temperaturabhängigkeit festgestellt. Der Quelldruck nahm bei Temperaturen ≤ 60 °C für bayerischen Bentonit und Opalinuston und ≤ 100 °C für Friedlandton ab, vermutlich aufgrund des abnehmenden Hydratationsdrucks. Die Permeabilität blieb in diesen Temperaturbereichen konstant, was auf das unveränderte Porengefüge zurückzuführen ist. Bei höheren Temperaturen stieg der Quelldruck monoton an, vermutlich aufgrund des zunehmenden osmotischen Drucks im Zusammenhang mit der beobachteten Mineralauflösung. Dieser Anstieg ging bei bayerischem Bentonit und Friedlandton mit einer monotonen Zunahme der Permeabilität einher, die auf zunehmende Poreneingangsdurchmesser und Makroporenanteile zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu nahm die Durchlässigkeit von Opalinuston zwischen 60 und 100 °C um mehr als das Doppelte ab, was auf die beobachtete Zersetzung von Karbonaten und die vermutete Umlagerung von Tonmineralteilchen zurückzuführen ist, und blieb jenseits von 100 °C konstant.

Basierend auf den Ergebnissen dieser Experimente und der begleitenden Analysen wurde die THM-Modellierung des Bentonits B25 und die geochemische Modellierung des Bentonits B25 und Opalinustons durchgeführt, die einen Beitrag zum besseren Verständnis des Temperatureffektes auf die untersuchten Tone aber auch zur Identifizierung offener Fragen bezüglich der Implementierung der verwendeten Modellierungsmethoden leisteten.

Dem Bericht zugrunde liegende Daten wurden mit Zustimmung der BGE bei Mendeley Data veröffentlicht.