Long-term ageing of concrete structures in Finnish rock caverns as application facilities for low- and intermediate-level nuclear waste

Abstract

In the Finnish disposal concept concrete-made engineered barriers ensuring the safety of low- and intermediate-level waste repositories in rock caverns are designed to remain serviceable for hundreds of years. With regard to the ageing of the concrete, the lifetime of the disposal facilities will be divided into the periods before and after the closing of the caverns, when the concrete will be exposed to two different sets of environmental conditions. The research pointed out that the ageing of concrete in the disposal conditions is a complex physiochemical phenomenon that cannot be predicted by diffusion models based only on Fick's second law for periods considerably exceeding the period covered experimentally. A thermodynamic model, which considers ion-ion and ion-cement hydrate interactions as well as the properties of the gas phase in multi-ionic transport in concrete, was introduced in the study. A statistical methodology was presented for evaluating the effect of uncertainties on the results. A range of experimental data extracted from sulphate-resistant Portland cement concretes exposed to natural carbonation or the penetration of aggressive substances under submersion for 13 years in a controlled environment was used for evaluating the thermodynamic model. The theory of the model was shown to give a plausible basis for estimating the long-term ageing phenomena of concretes, particularly in practical applications where the design periods of structures are hundreds of years. The thermodynamic simulation method also makes it possible to observe the latent factors involved in the deterioration of the concrete. The method considered is general and can be applied to different concrete mixes by defining their case-specific initial values. Generally, the sulphate-resistant type of concrete with a water-to-cement ratio of 0.43 performed satisfactorily during the simulated period of 500 years, but the initiation of the corrosion of the steel reinforcement cannot be excluded. The leaching of calcium-bearing components from the concrete affects the strength of the concrete. However, the main detrimental reactions of the concrete take place at a depth of less than 50 millimetres from the exposed surface, which is typically a relatively small part of the whole structural thickness and, especially, of the total set of multiple technical barriers. Statistical analyses of the factors and the consideration of uncertainties in the simulation results can be used for improving the reliability of the thermodynamic model. The role of the aggregates in the deterioration of the concrete should also be evaluated in the future and more sophisticated models for the alteration of calcium silicate hydrate are necessary if the timescale is significantly extended beyond 500 years.

Suomalaisessa loppusijoituskonseptissa matala- ja keskiaktiiviset ydinjätteet sijoitetaan kalliotiloihin, joissa olevat betonirakenteiset vapautumisesteet suunnitellaan useiden satojen vuosien käyttöiälle. Betonirakenteen ikääntymistä voidaan ajallisesti tarkastella tilojen sulkemista edeltävänä ja sen jälkeisenä ajanjaksona. Ympäristöolosuhteet eroavat ajanjaksoilla toisistaan altistaen rakenteen erilaisille ikääntymisilmiöille. Tutkimuksessa osoitettiin ikääntymisilmiöiden olevan fysikaalisesti ja kemiallisesti monimutkaisia hallittaviksi ainoastaan Fick:n toiseen lakiin perustuvilla diffuusiomalleilla, mikäli tarkasteltava ajanjakso on merkittävästi pidempi kuin kokeellisesti katettu ajanjakso. Tutkimuksessa sovellettu termodynaaminen malli ottaa huomioon sekä ionien että sementtihydraattien välisen vuorovaikutuksen aineiden kulkeutuessa kaasu- ja nestefaasissa ympäristöstä betonirakenteeseen. Mallin epävarmuuksien arvioimiseksi esitettiin tilastollinen menetelmä. Termodynaamisen mallin kelpoisuutta arvioitiin monipuolisilla laboratoriokokeilla. Kokeissa käytettiin sulfaatinkestävästä sementistä valmistettuja betonikoekappaleita, jotka olivat altistuneet 13 vuoden ajan kontrolloidusti joko ilmasäilytyksessä tapahtuvalle karbonatisoitumiselle tai liuossäilytyksessä aggressiivisten ionien tunkeutumiselle. Mallin osoitettiin olevan teoreettisesti uskottava arvioitaessa betonirakenteen ikääntymistä erityisesti sovelluksissa, joiden suunniteltu käyttöikä on useita satoja vuosia. Mallilla voidaan lisäksi tunnistaa jo suunnitteluvaiheessa betonin turmeltumiseen vaikuttavia piileviä tekijöitä. Kehitetty termodynaamiseen lähestymistapaan perustuva malli on yleinen ja sitä voidaan soveltaa eri betonilaaduille määrittämällä kokeellisesti niille ominaiset alkuarvot. Tarkasteltu sulfaatinkestävästä sementistä valmistettu betoni, jonka vesi-sementtisuhde oli 0.43, suoriutui kohtuullisesti simuloidusta 500 vuoden ajanjaksosta ydinjätteiden loppusijoitustilojen rakenteena. Betoniterästen korroosiota ei kuitenkaan voida sulkea pois. Kalsiumia sisältävien komponenttien liukeneminen sementtipastasta vaikuttaa myös betonin lujuuteen tarkasteluajanjaksolla. Laskentatulosten perusteella turmeltumisilmiöt tapahtuvat kuitenkin alle 50 millimetrin syvyydellä altistuspinnasta, mitä voidaan pitää vähäisenä suhteessa betonirakenteisten vapautumisesteiden kokonaispaksuuteen. Tilastollisia menetelmiä eri osatekijöistä ja epävarmuuksista voidaan käyttää mallin luotettavuuden kehittämisessä. Kiviaineksen merkitystä betonin vaurioitumiseen tulisi edelleen arvioida. Mikäli simuloitava ajanjakso on merkittävästi pidempi kuin 500 vuotta, on tarpeen kehittää kalsium-silikaatti-hydraattien liukenemiskäyttäytymisen mallinnusta.