A new double-porosity macroscopic model of bentonite free swelling

Abstract

A macroscopic model based on a double-porosity approach is proposed to simulate the swelling caused by the subdivision of particles and aggregates that occurs when bentonites are hydrated under a high water content and low confinement. In the model, it is assumed that although the water that occupies this new porous structure can be considered mobile (associated with the macrostructure), its contribution to variations in the energy of the system is similar to that caused by the immobile water that occupies the microstructure. Assuming isothermal conditions, a functional relationship between the increase in the void ratio and the decrease in internal energy was defined from the Clausius-Duhem equation. From this functional relationship, a macroscopic constitutive model was derived to determine the macrostructural swelling as a function of the decrease in the microstructural effective stress. The model was applied to simulate both tests with a large void ratio (up to 50) and processes with a notable variation in salinity (from deionized water to 1 M solution), and satisfactory results were obtained in all cases. This study proposes a simple strategy to incorporate the model into the equations generally used to solve hydro-chemical-mechanical boundary problems at the engineering scale and is thus of direct practical interest.

Se propone un modelo macroscópico basado en un enfoque de doble porosidad para simular el hinchamiento causado por la subdivisión de partículas y agregados que ocurre cuando las bentonitas se hidratan bajo un alto contenido de agua y bajo confinamiento. En el modelo se asume que si bien el agua que ocupa esta nueva estructura porosa puede considerarse móvil (asociada a la macroestructura), su contribución a las variaciones en la energía del sistema es similar a la provocada por el agua inmóvil que ocupa la microestructura Suponiendo condiciones isotérmicas, una relación funcional entre el aumento de la relación de vacíosy la disminución de la energía interna se definió a partir de la ecuación de Clausius-Duhem. A partir de esta relación funcional, se derivó un modelo constitutivo macroscópico para determinar el hinchamiento macroestructural en función de la disminución de la tensión efectiva microestructural. El modelo se aplicó para simular tanto ensayos con una gran relación de vacíos (hasta 50) como procesos con una notable variación de salinidad (desde agua desionizada hasta solución 1 M), y se obtuvieron resultados satisfactorios en todos los casos. Este estudio propone una estrategia simple para incorporar el modelo en las ecuaciones generalmente utilizadas para resolver problemas de límites hidroquímicos-mecánicos a escala de ingeniería y, por lo tanto, es de interés práctico directo.