膨润土作为缓冲或回填材料,在高放废物处置库的使用过程中需要具有高膨胀性、低渗透性、热稳定性、核素吸附性和长期稳定性等性质特征。膨润土具有湿胀干缩的典型特性,即膨润土在非饱和状态和饱和状态之间转变时会发生较大的体积胀缩变形,在此过程中会产生裂隙或裂缝,工程屏障受到破坏进而导致放射性核素的泄露。因此,本文主要研究了膨润土的胀缩性、持水特性和吸力控制条件下的裂隙演化及微观结构特征,具体研究内容如下:(1)利用固结仪对不同初始含水率和不同初始干密度(1.21g/cm3、1.36gcm3、1.43 g/cm3)条件下的膨润土进行—系列膨胀变形试验,试验结果表明膨润土的膨胀率和时间呈现出较好的对数关系,对数曲线均可分为两段,即迅速膨胀(或收缩)段和稳态段。膨润土的干密度相同时,其膨胀力随含水率的增大而增大;干密度与e-p曲线中的参数a、参数b均成线性关系。(2)分别运用滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法对膨润土进行了持水特性试验研究,得到不同吸力范围内膨润土的土-水特征曲线。滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法测得的土-水特征曲线均随吸力的增大而减小。根据滤纸法量测的试验数据,运用origin软件获得Fredlund and Xing(1994)提出的模型参数,通过建立模型参数与干密度之间的关系,给出了预测膨润土的土-水特征曲线公式。(3)采用不同干化方式对初始含水率为(35%,40%,45%)和初始干密度为(1.35g/cm3、1.25g/cm3、1.15g/cm3)条件下的膨润土进行了一系列的干化过程土体表面裂隙的观测试验,其中干化方式分别为烘箱烘干(50℃C)、烘箱烘干(100℃C)和饱和盐溶液蒸汽平衡法。运用Matlab数字图像处理技术对干化过程裂隙开展的规律进行定量的描述,试验结果表明:膨润土在不同干化条件下裂隙特征的总体特征是:膨润土的裂隙指标均随时间的具有先逐渐增大最终趋于稳定的规律。(4)联合用蒸汽平衡法和扫描电镜(SEM)对特定吸力点(367.54MPa,149.51MPa,71.12MPa,38.00MPa)的膨润土试样进行扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)试验研究。本文根据膨润土不同放大倍数条件下的SEM图像的最大孔径,将膨润土的孔径划分为5个阶段:分别为≥50μm、10～5μm、0.5～10μm、0.1～0.5μm和≤0.1μm;与之相对应的SEM图像的放大倍数分别为100x、1000x、5000x、10000x和20000x。将某种放大倍数条件下的表面孔隙率与膨润土的实际表面孔隙率的比值定义为权重Ri,利用Image Pro-Plus(IPP)软件对以上放大倍数的SEM图像进行处理得到孔隙参数,通过调整权重R1(0.20～0.41)、R2(0.22～0.45)、R3(0.31～0.32)得到膨润土在不同吸力时的SEM的表面孔隙率。试验结果表明不同吸力条件下膨润土的宏观孔隙率与SEM表面孔隙率呈定量关系。