缓冲材料是核废料等髙放废物地质处置库的最后一道工程屏障,从核废料处置库的建设到运营过程中,缓冲材料将处于复杂的热-水-力-化学（T-H-M-C）多场耦合条件下工作,各场彼此之间有着紧密且复杂的相互影响。要想科学合理地预测与评估缓冲材料的实际工作性能,必须对温度场、渗流场和化学场共同作用条件下非饱和缓冲材料的主要工程特性与多场耦合行为有深入的认识。因此,深入系统地研究高放废物地质处置库缓冲材料的热-水-力-化耦合特性及其工程应用,为我国高放废物地质处置库中的工程屏障提供科学依据,具有前沿性、良好的应用前景和社会效益的。本文以膨润土-砂-石墨缓冲材料（BSG）为硏究对象,以揭示其水-力性能、膨胀性能、传热特性和微观机理为目标,采用室内试验、机理分析与模型研究相结合的方法,对膨润土-砂-石墨缓冲材料特性进行了系统的研究,主要研究内容和成果如下:（1）基于自主研发的膨胀压力和渗透试验装置,系统研究了不同温度、盐溶液浓度和Na OH溶液p H值下的BSG混合物的膨胀压力和导水率变化,详细分析了不同因素对BSG混合物膨胀压力和导水率的影响。研究结果表明:随着石墨含量的增加,BSG混合物的最大膨胀压力减小,而导水率增大;在相同最大石墨目数下,干密度越大,导水率越小。石墨的加入改变了BSG混合物的土体结构和颗粒间的接触方式;含砂量能有效抑制最大膨胀压力,但随着含砂量的增加,抑制作用减弱;BSG混合物的导水率随含砂量的增加而增加,含砂量越大,导水率增加的幅度越大;对于给定的阳离子类型,膨胀压力随渗透盐溶液浓度的增加而减小,而导水率随渗透盐溶液浓度的增加而增加;在室温条件下,加入Ca Cl2溶液的BSG混合物的膨胀压力高于加入Na Cl溶液的,而高温条件下规律相反;温度对BSG混合物膨胀压力和导水率起主导作用;在Ca Cl2溶液中,高温下晶格收缩的作用将使膨胀压力降低到更大的程度;BSG混合物的膨胀压力演化曲线随p H值和温度的升高而衰减,而导水率随p H值和温度的升高而增加;确定了最佳石墨含量应不超过20%,最大石墨目数在100-200之间,含砂量应小于20%。（2）采用自主研发的膨胀变形试验装置,系统研究了不同温度、盐溶液浓度和Na OH溶液p H值下的BSG混合物的膨胀变形特性。研究结果表明,BSG混合物的膨胀率随初始干密度增大呈增大趋势;随着砂含量的增加呈递减趋势;随石墨含量的增加而减小。确定了BSG缓冲材料的最优配比,即:膨润土质量分数:砂质量分数:石墨质量分数为85:10:5;石墨最大目数可选100或200。BSG混合物在半对数坐标系中,膨胀率随时间的演化曲线可大致分为初始膨胀,主要膨胀以及二次膨胀三个阶段。在低温下,其演化曲线呈平滑的“S”型;而在较高温度下BSG的膨胀变形演化曲线呈波动状;温度的升高加速了BSG混合物的膨胀过程,增加了初始膨胀阶段和主要膨胀阶段的膨胀变形。盐溶液的浓度显著地抑制了试样的膨胀变形,但是随着温度的升高,最大膨胀率的降低率有所降低,说明温度在一定程度上能够抵消一部分化学溶液对膨胀性的抑制效果。而碱溶液则会破坏膨润土的内部结构,改变其矿物组分类别及含量,并最终削减膨润土的膨胀性能。温度及高浓度的盐溶液的共同作用可能改变了膨润土中蒙脱石的结构,而温度及高浓度的碱溶液的共同作用改变了膨润土中矿物的类型。此外,从膨润土膨胀机理出发,依照Komine等[102,104]提出了蒙脱石的膨胀体应变的概念,结合扩散双电层理论,基于分形模型对扩散双电层理论计算模型进行修正,并通过实验数据修正拟合,获得一种具有较高精度的适用于盐溶液作用下BSG混合物的膨胀变形预测模型。（3）基于非稳态热探针技术,系统研究了BSG混合物热学性质。研究结果表明:BSG混合物导热系数随体积含水率、干密度和饱和度的增加而增加。在不同的保水条件下,孔隙分布和孔隙水排列对热导率的影响不同;砂粒大小对土体热导率的影响主要是由于单位体积土体中颗粒间接触点数量的变化。此外,导热系数与体积含水率的关系存在拐点,电阻率拐点对应的体积含水率可作为导热系数拐点,基于导热系数拐点提出了一种改进的串并联导热模型,模型预测结果与实验室测试结果吻合较好,模型预测值在Wiener边界内。（4）通过电镜扫描（SEM）、X射线衍射（XRD）和红外光谱分析（FTIR）等方法,揭示了热-化学作用下膨润土-砂-石墨缓冲材料的微观演化结构变化。分析了热-化学共同作用对膨润土-砂-石墨缓冲材料的作用机理。研究结果表明:未加热的钠基膨润土中的蒙脱石和石英衍射峰值较为显著,且随着加热时间的延长以及温度升高,蒙脱石衍射峰逐渐减小且部分衍射峰近乎消失,出现硅氧化物;不同p H作用下蒙脱石衍射峰值强度的总体范围与变化规律基本保持一致,并且蒙脱石的衍射峰值强度随入p H值增大而逐渐降低;膨润土经过Na Cl或Ca Cl2溶液侵蚀后,颗粒发聚集化,更多大孔隙出现;热-化学共同作用造成膨润土中主要矿物（蒙脱石）的溶解、相变、次生化学沉淀充填到膨润土孔隙、非结晶胶体引起膨润土发生化学胶结等,黏土矿物相变生成非膨胀性矿物将不能很好地填充膨润土溶蚀产生的裂隙,且次生沉淀堆积将会使膨润土缓冲屏障的膨胀性能降低。