2. Preis des Jahres 2024

A combined laboratory and microstructural investigation of the coupled hydro-mechanical failure behavior of Opalinus Clay  

Dr. Lisa Winhausen
RWTH Aachen, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie

In ihrer Arbeit hat Dr. Lisa Winhausen das Verhalten von Opalinuston, einem potenziellen Wirtsgestein für die sichere Endlagerung von radioaktiven Abfällen in der Schweiz, umfassend untersucht. Die Forschung konzentrierte sich dabei auf die hydro-mechanischen Eigenschaften dieses Gesteins, insbesondere unter kurzfristigen Belastungen.

Ein innovativer Ansatz, der verschiedene Laborexperimente und hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie kombiniert, lieferte neue Erkenntnisse. Dabei wurden Methoden zur genauen Quantifizierung der geomechanischen Eigenschaften des Opalinustons entwickelt und evaluiert. Ziel war es, das elastoplastische Verhalten des Gesteins auf unterschiedlichen Skalenebenen zu verstehen, von submikroskopischen Deformationen bis hin zu makroskopischen Versagensmechanismen.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Versagen des Opalinustons unter Druckbelastung von verschiedenen Faktoren abhängt: dem Sättigungs- und Konsolidierungszustand, der effektiven mittleren Spannung und der Belastungsrichtung. Wichtige Indikatoren für spröde und duktile Deformationen wurden identifiziert und in ein umfassendes Modell integriert.

Ein bemerkenswerter Befund ist die nichtlineare Veränderung der hydromechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Spannung. Diese Veränderungen stehen im Zusammenhang mit dem Übergang von sprödem zu duktilem Verhalten auf mikroskopischer Ebene. Zudem beeinflusst die transversale Isotropie des Opalinustons entscheidend seine Scher- und Zugfestigkeit sowie die poromechanische Kopplung, die für Kompaktion oder Dilatanz verantwortlich ist.

Insgesamt tragen diese mikro- und makroskaligen Erkenntnisse zur Entwicklung eines neuen Stoffmodells bei. Mit diesem Modell kann das Verhalten des Gesteins während des Tunnelbaus simuliert werden, was wichtige Implikationen für die sichere Lagerung von radioaktiven Abfällen hat. Diese Studie bietet somit wertvolle Einblicke in die geomechanischen Eigenschaften des Opalinustons und dessen Potenzial als sicheres Wirtsgestein.