高水平放射性核废物的最终处置已受到世界各国越来越多的关注,目前国际上普遍接受的可行性方案是深层地质处置。膨润土因具有高膨胀性、低渗透性、优良的核素吸附性等,被世界各国选作深层地质处置多重工程屏障系统中缓冲和回填材料的基质材料。本文以我国预选高放废物处置库甘肃北山地区为背景。考虑到该地区地下水中含有总溶解固体(TDS),选择NaCl-Na2SO4作为溶解固体。本文对三种我国缓冲/回填材料的首选基质材料内蒙古兴和县高庙子乡高庙子膨润土(GMZ膨润土)进行了系统的研究,包括不同开采批次高庙子膨润土的物理和力学特性对比;初始含水率和干密度对高庙子膨润土压实样膨胀变形和膨胀力的影响;膨润土压试样在盐溶液饱和下的膨胀特性和膨润土压试样在盐溶液浸润下的强度特性。这些研究内容都是核废物深层地质处置工程在理论上及工程应用中亟待解决的关键技术问题。在试验研究的基础上提出能预测包括膨胀变形、膨胀力在内的宏观和微观模型,具体研究内容和结论如下:1.对两种高庙子钠基膨润土和一种高庙子钙基膨润土进行了膨胀特性和压缩试验,发现两种钠基膨润土的膨胀和压缩特性存在一定的差异,但和钙基膨润土明显不同。对饱和后两种膨润土进行压汞试验(MIP)和扫描电子显微镜测试(SEM)发现,在相同孔隙比下,GMZ07集聚体间孔隙较多,并且GMZ001集聚体的水化程度大于GMZ07。结合土工和微观试验的结果,认为导致两者力学性能差异的主要原因是由于蒙脱石含量的不同,其次是颗粒粒径大小的差异。2.对不同初始含水率、干密度和掺砂率的GMZ钠基膨润土压实试样进行了膨胀和压缩试验。初始含水率会对膨润土的膨胀力有所影响,当含水率较低(5-20%)的范围内,试样最终膨胀力基本相同;当试样的初始含水率大于20%,试样的最终膨胀力呈现出随含水率增加而明显下降,并且随着含水率进一步的增加,下降趋势越来越明显。本文认为在初始含水率大于20%(即最优含水率)后,膨润土试样内微观孔隙结构发生明显的,是导致膨胀力和膨胀变形随含水率增加发生明显下降的主要原因。GMZ钠基膨润土压实试样的膨胀力会随着干密度的提高而变大和掺砂率呈反比。3.对两种GMZ钠基膨润土和一种GMZ钙基膨润土,利用单向固结仪,进行了盐溶液下膨胀和压缩特性的研究。根据蒙脱石孔隙比的概念,统一整理了饱和高庙子膨润土在盐溶液和蒸馏水饱和下的膨胀特性。结果表明,当TDS浓度为12.3g/l(预选处置库最高离子浓度)时,在双对数坐标中蒙脱石孔隙比与膨胀力关系和干密度与膨胀力关系均呈直线且平行于蒸馏水的试验结果。试验结果表明,随着浓度的增加,两种高庙子钠基膨润土的膨胀性能随着浓度的增加在单对数坐标下线性下降。而高庙子钙基膨润土的膨胀力会先随着盐溶液浓度的增加而提高,随着盐溶液浓度的再度提高而下降。导致该结果的原因和膨润土内影响双电层厚度的因素有关。4.通过引入蒙脱石孔隙比的概念,对两种高庙子钠基膨润土和一种钙基膨润土的膨胀特性进行了预测,并将该预测方法推广到了不同浓度盐溶液饱和的情况。之后利用膨润土微观膨胀机理和试验结果,得到一种从微观角度预测膨胀性能的方法。将宏观和微观预测方法得到的结果进行对比表明,两者接近。5.对GMZ07膨润土在不同的盐溶液浓度下进行直剪试验,得出强度随溶液浓度的增加而增加的规律。其中摩擦角随着浓度的增加而变大,但凝聚力基本不随着盐溶液浓度的变化而变化。对GMZ07膨润土在不同盐溶液浓度下进行压缩试验,得出在不同盐溶液浓度下的压缩特性以及压缩指标。利用扫描电镜测试分析了不同盐溶液浓度饱和膨润土的微观结构,结果表明,盐溶液浓度会导致膨润土微观结构中集聚体表面变粗糙,从而提高了膨润土集聚体颗粒间的相互作用力。