Analisis multi-componente no isotermo en medio poroso deformable no saturado

Abstract

La tesis se compone de dos partes: en primer lugar se combina de manera totalmente acoplada una nueva formulación para el problema de transporte reactivo con una formulación termo-hidro-mecánica (THM) ya existente. A continuación se propone un modelo constitutivo químico-mecánico para arcillas expansivas que establece un fuerte acoplamiento entre los problemas THM y de transporte reactivo. El principal campo de aplicación es el estudio de las barreras de arcilla utilizadas como elemento aislante en sistemas de almacenamiento de residuos radiactivos, pero se trata de una formulación general de aplicación extensible a otros campos de la ingeniería.<br/><br/>En la formulación de transporte reactivo, varias especies disueltas en la fase líquida se transportan a través del medio poroso y reaccionan químicamente entre sí en la fase líquida (reacciones homogéneas) o con otras especies en la fase sólida (reacciones heterogéneas). Los principales procesos incorporados en el modelo geoquímico son: formación de complejos acuosos, reacciones de oxidación/reducción, reacciones ácido/base, disolución/precipitación de minerales e intercambio de cationes. Para todas las reacciones se considera la hipótesis de equilibrio local. Además, en las reacciones de disolución/precipitación de minerales también se admite cinética. Los mecanismos de transporte considerados para las especies en la fase líquida son difusión molecular, dispersión mecánica y advección. <br/><br/>Las variables básicas de las ecuaciones de transporte reactivo son las concentraciones totales (que incluyen los minerales precipitados en equilibrio local) y para resolver el equilibrio químico se utiliza un algoritmo basado en la minimización directa de la Energía Libre de Gibbs. En esta formulación es posible resolver las ecuaciones del problema de equilibrio químico (algebraicas) separadamente de las ecuaciones de transporte (en derivadas parciales). La formulación ha sido implementada en el programa de elementos finitos CODE_BRIGHT, que utiliza el Método de Newton-Raphson para resolver el sistema no lineal resultante de la discretización de las ecuaciones de transporte reactivo.<br/><br/>En el modelo químico-mecánico, se incorpora la influencia de acciones químicas tales como cambios de succión osmótica e intercambio de cationes en el comportamiento mecánico de las arcillas expansivas. El modelo se ha desarrollado en el marco general de un modelo elasto-plástico para materiales de doble estructura. El modelo distingue dos niveles estructurales para el material: una macroestructura y una microestructura. Se introducen los efectos geoquímicos en el modelo mecánico de la microestructura, ya que es en este nivel donde se encuentran los minerales químicamente activos, y donde ocurren las interacciones físico-químicas entre las partículas y el agua intersticial ionizada. La macroestructura se origina de la unión de las partículas elementales de arcilla formando elementos macroestructurales denominados agregados. Los agregados dan a la macroestructura un esqueleto sólido y actúan como se fuesen partículas de un suelo granular. El modelo se cierra estableciendo un mecanismo de interacción entre los dos niveles estructurales. El modelo ha sido capaz de reproducir los principales fenómenos observados en los suelos expansivos sometidos a acciones químicas.<br/><br/>La tesis se completa con la validación de la formulación a través de un ensayo de celda donde se somete una arcilla expansiva a calentamiento e hidratación simultáneamente. También se presenta una aplicación relacionada con la ingeniería de petróleo.

The Thesis has two main parts, in the first one a new reactive transport formulation is combined with an existing thermo-hydro-mechanical (THM) formulation in a fully coupled way. In the second part, a chemo-mechanical constitutive model for expansive clays is proposed that couples strongly the THM and reactive transport problems. The main application field is the study of clay barriers as isolation elements in the storage systems for radioactive waste, but it is in fact a general formulation with potential applications in other engineering areas.<br/><br/>In the reactive transport formulation, a number of dissolved species are transported through a porous medium and react chemically among themselves in the liquid phase (homogeneous reactions) or with other species in the solid phase (heterogeneous reactions). The main processes incorporated in the geochemical model are: aqueous complex formation, oxidation/reduction reactions, acid/base reactions, dissolution/precipitation of minerals and cation exchange. All these reactions are considered to be governed by chemical equilibrium conditions. In addition, it is possible to assume dissolution/precipitation reactions to be kinematic-controlled. The transport mechanisms considered for the species in the liquid phase are molecular diffusion, mechanical dispersion and advection.<br/><br/>The basic variables for the reactive transport equations are total concentrations (that include the minerals precipitated under local equilibrium conditions). The algorithm to solve the chemical equilibrium problem is based on the direct minimization of the Gibbs' free energy equations. In this formulation, it is possible to solve the (algebraic) chemical equilibrium equations separately from the transport equations (expressed in partial derivatives). The formulation has been implemented in the finite element computer programme, CODE_BRIGHT, that uses the Newton-Raphson method to solve the nonlinear system that results from the discretization of the reactive transport equations.<br/><br/>The chemo-mechanical model incorporates the effect of the chemical actions such as osmotic suction changes and cation exchange on the mechanical behaviour of expansive clays. The model has been developed in the general framework of an elasto-plastic model that distinguishes two structural levels: a microstructural one and a macrostructural one. The chemical effects are introduced in the mechanical model for the microstructural level where the chemically active minerals are present and where the physico-chemical interactions between particles and ionized interstitial water occur. The macrostructure is composed of the combination of clay elementary particles forming macrostructural elements called aggregates. These aggregates act as particles in a granular soil and constitute a macrostructural solid skeleton. The model is completed by the establishment of an interaction mechanism between the two structural levels. The model has been able to reproduce the main phenomena observed in expansive clays subjected to chemical actions. <br/><br/>Finally, the thesis includes the validation of the formulation through the simulation of a cell test where an expansive clay is subjected to heating and hydration simultaneously. A petroleum engineering application is also presented.