Deformation properties of Boom Clay : Implementation of a multi-scale concept

Oelker, Anne; Urai, Janos; Viggiani, Gioacchino

doi:39034

Deformation properties of Boom Clay : Implementation of a multi-scale concept = Verformungseigenschaften von Boom Clay - Implementierung eines Multiskalenkonzeptes

Oelker, Anne

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Anne Oelker

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (181, LXXL Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Urai, Janos (Thesis advisor)^RWTH* ; Viggiani, Gioacchino (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-09913
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/771048/files/771048.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
BIB (frei) ; Boom Clay (frei) ; DIC (frei) ; SEM (frei) ; X-ray (frei) ; clay (frei) ; deformation (frei) ; microscopy (frei) ; microstructure (frei) ; triaxial testing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Das quantitative Verständnis der korntechnischen Verformungsmechanismen in Ton ist wichtig für die Kohlenwasserstoff- und Wassererkundung sowie für die Bewertung von Tonformationen als potentielles Wirtsgestein für langfristige untertägige Endlager hochradioaktiver Abfälle. Analysen im Nanobereich ermöglichen das Verständnis der zugrunde liegenden mikrophysikalischen Prozesse und bilden damit die Grundlage mikrophysikalisch basierter konstitutiver Gesetze für Transport und Verformung, die sich auf Bedingungen außerhalb der experimentellen Bedingungen hochrechnen lassen. Ein mikrophysikalisches Verständnis der Transport- und Verformungseigenschaften ist wichtig, da die Eigenschaften von Boom Clay bekanntlich komplex sind: Die Verformung ist anisotrop, nach einer gewissen Dehnungsverformung neigt sie zur Lokalisierung, und es wird erwartet, dass auch die Transporteigenschaften von der Verformung abhängig sind. Darüber hinaus ist eine der günstigen Eigenschaften von Boom Clay, dass Frakturen die Tendenz zur Selbstversiegelung haben, aber ein mikrophysikalisches Verständnis dieses Prozesses ist bisher nicht vorhanden. Diese Studie untersucht die Entwicklung der Mikrostruktur während triaxialer Tests an Boom Clay, der frisch auf der HADES-Ebene gesammelt wurde, wobei σ1 parallel und senkrecht zur Bettung auf verschiedene axiale Gesamtverkürzungen aufgebracht wurde. Wir haben eine Reihe von Methoden verwendet, die in eine Multiskalenanalyse integriert sind. Zunächst wurden die Proben in konsolidierten undrainierten (CU) triaxialen Tests mit 2.2 MPa Effektivspannung gesättigt und verformt, kombiniert mit einer in-situ Mikro-Computertomographie (μ-CT). Die μ-CT-Daten mit einer Auflösung von 13.5 μm/pixel wurden von der 3D-Digitalbildkorrelation (DIC) analysiert, um die inkrementellen Verschiebungsfelder und die Entwicklung des Verformungsfeldes in der Probe zu berechnen. Deformierte Proben wurden langsam getrocknet, zersägt und die Mikrostruktur durch optische und rasterelektronenmikroskopische (SEM) Bildaufnahmen mit Auflösungen bis hinunter zu einigen Nanometern untersucht. Die Spannungs-Dehnungskurven, die unsere Experimente aufweisen, stimmen gut mit vorangegangenen Studien von Coll (2005); Sultan et al. (2010); Deng et al. (2011b); Bésuelle et al. (2014) überein. Die Ausrichtungen der Scherzonen (SZ) in Bezug auf die Verkürzungsrichtung betragen 40 bis 45°, in angemessener Übereinstimmung mit den veröffentlichten Werten der Reibungswinkel. Das Verhalten ist leicht anisotrop. Der anfängliche Porendruckanstieg Δu von Proben, die senkrecht zur Bettung verkürzt wurden (S⊥B), ist höher als die Werte in den Proben, die parallel zur Bettung verformt wurden (S ‖ B), was mit den Erwartungen an die Mikrostruktur übereinstimmt. Die DIC-Analyse zeigt, dass die Entwicklung der Verformung auch bei S⊥B- und S ‖ B-Proben unterschiedlich ist, obwohl die meisten Proben die Verformung bei etwa 2% axialer Verkürzung lokalisieren. Von diesem Zeitpunkt an wird ein größerer Teil der axialen Verkürzung durch Bewegungen entlang der SZ aufgenommen und die verteilte Verformung in der Probe nimmt ab. Nicht lokalisierte Verformung in Proben S⊥B ist am höchsten (bis zu 3 %) in kegelförmigen Zonen nahe der Ober- und Unterseite der Proben. In Proben S ‖ B ist die Verformung vor der Lokalisierung homogener verteilt, was bei etwas höherer axialer Verformung als in S⊥B auftritt. Aufgrund der Prominenz der sich entwickelnden SZ ist die Scherfestigkeit bei hohen Scherdehnungen von S⊥B und S ‖ B ähnlich. Basierend auf den DIC-Abbildungen haben wir repräsentative Regionen mit unterschiedlichen Verformungsstilen für die Bildaufnahmen mit hoher Auflösung ausgewählt, um die Entwicklung von Mikrostruktur und Porosität zu verstehen. Wir haben vier verschiedene strukturelle Bereiche definiert:1. OSZ: Scherverformung < 3 %, nicht lokalisierte Verformung und eine Mikrostruktur vergleichbar mit unverformten Proben;2. OSZ-HS: höhere Scherverformung als in OSZ (≥ 3 %), jedoch immer noch nicht lokalisiert, in S⊥B: Mikrostruktur vergleichbar mit unverformten Proben, in S ‖ B: Mikrostruktur, die durch zahlreiche Mikroknicke und -falten gekennzeichnet ist; sowohl in S⊥B als auch S ‖ B sind OSZ-HS in wesentlichen Teilen der Proben vorhanden, mehr noch in S ‖ B;3. OSZ-TZ: S ‖ B an beiden Grenzen der SZ, Scherverformung vergleichbar mit OSZ-HS (≥ 3 %), nicht-lokalisierte Verformung mit stark veränderter Mikrostruktur, gekennzeichnet durch Mikroknicke;4. ISZ: SZ mit einer Scherverformung zwischen 5 und 50, stark lokalisierteVerformung mit einer Formvorzugsorientierung (SPO) von länglichen Körnern, Reduzierung der Porosität und Poren parallel zur Scherrichtung. Entwickelte SZ in S ‖ B haben immer eine Knick-Zone, die sie umgibt. Die Dicke von SZ variiert zwischen 20 und 200 μm, wobei sie mit zunehmender Scherverformung zunimmt. Die interne Struktur des ISZ ist ähnlich in S ‖ B und S⊥B. Mikrostrukturen zeigen Hinweise auf Reibungs- /Kornverformungsmechanismen (Korndrehungen, Korngleiten, Poreneinbruch und -neuausrichtung,Verbiegen von Glimmern) und keine Hinweise auf kataklastische Prozesse. Dies steht im Einklang mit der Mikrostruktur, die etwa 20 vol.% Schluff-große Hartkörner (Kalzit, Feldspat und Quarz) enthält, die in einer hochporösen Tonmatrix eingebettet sind. Es wird ebenfalls allgemein beobachtet, dass Quarz- und Feldspatkörner in SZ viel kleiner sind als in der Masse von Boom Clay. Dies liegt nicht daran, dass sie in kleinere Stücke zerbrochen wurden, sondern daran, dass sich die SZ in Regionen entwickeln, in denen es keine großen Körner gibt. Diese Studie liefert eine mikrostrukturelle Grundlage für die Konstruktion eines mikrophysikalisch basierten Modells für die Verformung von Boom Clay, das die Grundlage für ein mikrophysikalisch basiertes konstitutives Gesetz bildet, das auf Bedingungen außerhalb unserer Experimente extrapoliert werden kann.

The quantitative understanding of grain-scale deformation mechanisms in clay is important in hydrocarbon and water exploration as well as in the evaluation of clay formations as potential host rock for long-term underground repositories for high-level radioactive waste. Analyses on the nano-scale allow understanding the underlying microphysical processes and therefore form the basis for microphysics based constitutive laws for transport and deformation, which can be confidently extrapolated to conditions outside those in experiments. A microphysical understanding of the transport and deformation properties is important, because the properties of Boom Clay are known to be complex: deformation is anisotropic, after a certain amount of strain deformation tends to localize, and the transport properties are also expected to be dependent on deformation. In addition, one of the favourable properties of Boom Clay is that fractures have the tendency to self-seal, but a microphysical understanding of this process is so far not available. This study examines the development of microstructure during triaxial tests on Boom Clay freshly collected at HADES level with σ1 applied parallel and perpendicular to the bedding, to various total axial strains. We used a range of methods integrated in a multi-scale analysis. First, the samples were saturated and deformed in consolidated-undrained (CU) triaxial tests starting at 2.2 MPa effective stress, combined with in-situ micro computed tomography (μ-CT). The μ-CT data with a resolution of 13.5 μm/pixel were analysed by 3D digital image correlation (DIC) to compute the incremental displacement fields, and the evolution of the strain field in the sample. Deformed samples were slowly dried, sectioned, and the microstructure studied by optical and scanning electron microscopic (SEM) imaging with resolutions down to a few nanometres. The stress-strain curves our experiments are in good agreement with previous studies by Coll (2005); Sultan et al. (2010); Deng et al. (2011b); Bésuelle et al. (2014). The orientations of the shear zones (SZ) with respect to the shortening direction are 40 to 45°, in reasonable agreement with published values of friction angles. The behaviour is slightly anisotropic. The initial pore water pressure increase Δu of samples shortened perpendicular to the bedding (S⊥B) is higher than the values measured in samples deformed with stress parallel to the bedding (S ‖ B), which is in agreement with what is expected from microstructure. DIC analysis shows that the evolution of strain is also different in S⊥B and S ‖ B samples, although most samples localize the strain at about 2% axial shortening. From this point on, more and more of the axial shortening is taken up by movements along the SZ and the distributed strain in the sample decreases. Non-localized strain in samples S⊥B is highest (up to 3 %) in cone shaped zones close to the top and bottom of the samples. In samples S ‖ B, strain is more homogeneously distributed prior to strain localization, which occurs at slightly higher axial strain than in S⊥B. Because of the prominence of the evolving SZ, the shear strength at high shear strains of S⊥B and S ‖ B is similar. Based on the DIC maps, we selected representative regions with different styles of deformation for imaging at high resolution to understand the evolution of microstructure and porosity. We defined four different structural domains:1. OSZ: shear strain < 3 %, non-localized deformation and a microstructure comparable to undeformed samples;2. OSZ-HS: higher shear strain than in OSZ (≥ 3 %), but still non-localized deformation, in S⊥B: Microstructure comparable to undeformed samples, in S ‖ B: Microstructure characterized by numerous micro-kinks and -folds; in both, S⊥B and S k B, OSZ-HS are present in significant parts of the samples more so in S ‖ B;3.OSZ-TZ: S k B at both boundaries of the SZ, shear strain comparable to OSZ-HS (≥ 3 %), non-localized deformation with a strongly altered microstructure characterized by micro-kinks;4.ISZ: SZ with a shear strain between 5 and 50, strongly localized deformation with a shape preferred orientation (SPO) of elongated grains, reduction of porosity and pores parallel to the shearing direction. Evolved SZ in S ‖ B always have a kink-zone surrounding them. The thickness of SZ varies between 20 and 200 μm, increasing with increasing shear strain. The internal structure of ISZ is similar in S ‖ B and S⊥B. Microstructures show evidence for frictional/granular deformation mechanisms (grain rotation, grain sliding, pore collapse and reorientation, mica grain bending) and no evidences for cataclastic processes. This is in agreement with microstructure which contains about 20 vol.% silt-size hard grains (calcite, feldspar and quartz) embedded in a highly porous clay matrix. It is also generally observed that quartz and feldspar grains in SZ are much smaller than in the bulk of Boom Clay. This is not because they were fragmented to smaller pieces, but because the SZ develop in regions where are no large grains. This study provides a microstructural basis for the construction of a microphysics-based model for the deformation of Boom Clay, which forms the basis for a microphysics based constitutive law, which can be extrapolated to conditions outside those used in our experiments.

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