Suurten muodonmuutosten malli kemoelastisille huokoisille aineille

Veli-Matti Pulkkanen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisMonograph

Abstrakti

Paisuvat savet (esimerkiksi bentoniitti) turpoavat kastuessaan, kun vesi adsorpoituu niiden mineraalirakenteeseen. Luontainen turpoamisominaisuus tekee niistä erinomaisia tiivistemateriaaleja geoteknisiin sovelluksiin, kuten käytetyn ydinpolttoaineen geologiseen loppusijoitukseen. Loppusijoitusta varten bentoniitti-savi kaivetaan saviesiintymästä, kuivataan, jauhetaan rakeiksi, kompaktoidaan ja asennetaan lämpöä tuottavan loppusijoituskapselin ympärille, jossa se kastuu paikallisesta pohjavedestä. Loppusijoitusjärjestelmän savikomponenttien käyttäytymistä ja suorituskykyä arvioidaan usein tietokonesimuloinneilla, joissa käytetään jatkuvan aineen monifysikaalisia malleja. Paisuville vettä adsorpoiville saville käytetään yleisesti alun perin kapillaarisille maalajeille kehitettyjä malleja. Kokeellisten havaintojen perusteella malleissa käytetyt oletukset eivät kuitenkaan sovi paisuville saville. Näin ollen kapillaarimallien konseptuaalisia puutteita joudutaan paikkaamaan valitsemalla matemaattisiin malleihin parametrit, joilla simulointitulokset saadaan muistuttamaan kokeellisia tuloksia. Lisäksi mallien mekaaniset osat perustuvat usein pienten muodonmuutosten teorioihin, mikä rajoittaa mallien hyödyllisyyttä simuloitaessa käytännön sovelluksia, joissa muodonmuutokset ovat usein suuria. Edellä mainittujen rajoitteiden poistamiseksi väitöskirjassa kehitetään uusi suurten muodonmuutosten malli materiaaleille, joissa adsorpoituva vesi aiheuttaa suuria tilavuuden muutoksia ja jotka sisältävät lisäksi makroskooppista huokoisuutta. Mallin kehityksen yleiset suuntaviivat on muodostettu kokeellisten havaintojen pohjalta. Suuntaviivoja noudattaen on laadittu konseptuaalinen malli, jonka perusteella on puolestaan rakennettu matemaattinen malli. Fysikaalisesti ja matemaattisesti johdonmukaisen mallin saavuttamiseksi kehitystyössä on noudatettu jatkuvan aineen mekaniikan ja termodynamiikan periaatteita. Suurten muodonmuutosten teorioita käyttämällä on varmistettu mallin hyödynnettävyys käytännön simuloinneissa. Väitöskirjassa luodun konseptuaalisen näkemyksen mukaisesti bentoniitin paisuminen aiheutuu veden adsorpoitumisesta ja adsorpoituneen veden diffuusio on tärkein vedenkulkeutumismekanismi paisuvissa savissa. Luodun mallin sisältämä makroskooppinen huokoisuus mahdollistaa veden suolaisuuden huomioon ottamisen paisumisessa sekä kapillaarisen vedenkulkeutumisen käsittelyn erillisenä ilmiönä. Työssä muodostettu vahva kytkentä adsorpoituneen veden ja materiaalin mekaanisen käyttäytymisen välille yhdistää johdonmukaisesti aiemmin erikseen käytetyt mallit: a) mekaniikkaa sisältämättömän paisuntapainemallin savi-vesi-seoksille ja b) paisunta-komponentin sisältävän mekaanisen materiaalimallin, jota ei ole kytketty vedenkulkeutumiseen. Luodut kenttäyhtälöt myös yleistävät nämä tulokset suurille muodonmuutoksille. Yleisesti ottaen väitöskirjassa luodaan uusi suurten muodonmuutosten malli kemoelastisille huokoisille aineille.
Julkaisun otsikon käännösSuurten muodonmuutosten malli kemoelastisille huokoisille aineille
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Tuomisto, Filip, Vastuuprofessori
  • Olin, Markus, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8371-1
Sähköinen ISBN978-952-60-8372-8
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG4 Tohtorinväitöskirja (monografia)

Tutkimusalat

  • kemoelastisuus
  • suuri muodonmuutos
  • huokoinen aine
  • bentoniitti
  • mallinnus

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Suurten muodonmuutosten malli kemoelastisille huokoisille aineille'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä