In der Studie wurde untersucht, wie die gleichzeitige Erwärmung und Perkolation von Flüssigkeiten den Quelldruck und die Durchlässigkeit von drei feinkörnigen Materialien beeinflussen, die für die geologische Tiefenlagerung relevant sind: ein verdichteter bayerischer Bentonit (B25), ein intakter Friedlandton und eine intakte tonige Fazies des Opalinustons. In einer Miniatur-Oedometerzelle wurden die luftgetrockneten Proben zunächst auf eine Zieltemperatur erhitzt, während sie in einer Porenlösung aus Opalinuston gebadet wurden. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wurden die Proben unter einem beidseitigen Lösungsdruck von 7 MPa gesättigt und die Permeabilität wurde bei derselben Temperatur gemessen. Die Experimente wurden durch Quecksilberporosimetrie und Analysen des Kohlenstoffgehalts ergänzt, um die Verteilung der Porengröße und die Auflösung von Mineralien zu überwachen.
Für den bayerischen Bentonit war die Temperaturabhängigkeit der Übersättigung nicht monoton, was auf die zunehmende Dichte des Porenwassers außerhalb der Smektit-Zwischenschichten zurückzuführen ist. Bei allen drei Tonen zeigten Quelldruck und Permeabilität einen ähnlichen nicht-monotonen Temperaturtrend. Bei Temperaturen von bis zu 60 °C für Bentonit und Opalinuston und bis zu 100 °C für Friedlandton nahm der Quelldruck ab, wahrscheinlich weil der Hydratationsdruck abnahm. In diesen Bereichen blieb die Permeabilität im Wesentlichen unverändert, was darauf hindeutet, dass sich die Porenstruktur nicht verändert hat. Wenn die Temperatur diese Schwellenwerte überschritt, stieg der Quelldruck monoton an. Dieses Verhalten wird als Ergebnis eines zunehmenden osmotischen Drucks in Verbindung mit der Auflösung von Mineralien interpretiert. Bei Bentonit und Friedlandton ging dieser Anstieg des Quelldrucks mit einem monotonen Anstieg der Permeabilität einher, was auf größere Porendurchmesser und einen erhöhten Makroporositätsanteil zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu zeigte der Opalinuston zwischen 60 °C und 100 °C einen deutlichen Rückgang der Permeabilität um mehr als den Faktor zwei, was auf die Auflösung von Karbonat und eine vermutete Umlagerung von Tonmineralpartikeln zurückzuführen ist. Jenseits von 100 °C stabilisierte sich die Durchlässigkeit des Opalinustons wieder.
Die experimentellen Ergebnisse wurden in ein gekoppeltes thermisch-hydraulisch-mechanisches (THM) Modell für den Bentonit B25 und in geochemische Modelle sowohl für Bentonit B25 als auch für den Opalinuston eingespeist. Diese Simulationen halfen bei der Interpretation der beobachteten Temperatureffekte und zeigten offene Fragen zur Umsetzung der Modellierungsansätze auf, insbesondere zur Behandlung von temperaturabhängigen Festphasenverformungen und zur Darstellung der Mineralauflösungskinetik.
Das Projekt wurde von der Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE) gefördert, die auch die übergreifende Forschungsfrage stellte und finanzielle Unterstützung leistete. Die experimentellen Arbeiten wurden von einem multidisziplinären Team der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) und Mitarbeitern durchgeführt. Zu den Hauptakteuren gehörten Michael Kröhn, Julia Gose, Veronika Prause, Viktor Gillich, Nadine Zilling und Dr. Tina Scharge, die den Laborbetrieb und die Entwicklung des Prüfstands koordinierte. Die Daten zur Mineralzusammensetzung und die Quecksilberporosimetrie-Messungen wurden von Dr. Lan Nguyen-Thanh (Institut für Angewandte Geowissenschaften, TU Darmstadt) zur Verfügung gestellt und von Dr. Neven Ukrainczyk und Yvette Schales (Institut für Werkstoffe im Bauwesen, TU Darmstadt) durchgeführt. GL Test Systems GmbH hat den Prüfstand gebaut und fertiggestellt, während Dr. Stephan Kaufhold (BGR) den Bentonit B25, Dr. Ben Laurich (BGR) und Dr. David Jaeggi (Swisstopo) den Opalinuston und Dr. Jörn Kasbohm (Consulting) den Friedlandton lieferten. Dr. Christian Ostertag-Henning (BGR) beriet bei der Passivierung der Oedometerzellen. Alle experimentellen Daten sind unter DOI 10.17632/zmzs2b6xnh.1 öffentlich zugänglich, so dass weitere Analysen und Modellvalidierungen durch die wissenschaftliche Gemeinschaft möglich sind.