综述：黏土类地质材料膨胀压力的实验方法、数值估计与分子动力学模拟综合分析

这篇综述系统梳理了黏土类地质材料膨胀压力（Swelling Pressure）的研究方法，涵盖实验技术（如固结仪oedometer测试）、数值模型（DDL双电层理论）和分子动力学（MD）模拟三大方向，重点对比了不同尺度下方法的适用性与挑战，为放射性废物隔离屏障等工程应用提供了多尺度研究框架。

　　

黏土膨胀压力的多尺度探索

实验室测定方法
黏土膨胀压力的实验研究主要基于固结仪（oedometer）测试体系，包括恒定体积水合法、膨胀-固结法和零膨胀法等。ASTM标准如D4546（恒定体积法）和D2435（固结测试）为常用规范，但不同加载路径会导致测量值差异。例如，循环加载法通过卸载/再加载曲线揭示黏土-水相互作用的排斥力机制，而非材料黏性效应。这些方法为数值模拟和分子动力学提供了基准验证数据。

数值估计的物理与数据驱动
基于Poisson-Boltzmann方程的双电层（DDL）理论是物理模型的核心，能准确预测膨胀压力并与MD模拟结果吻合。Gon?alvès等区分了膨胀压力与分离压力（disjoining pressure），后者包含分子引力、静电力和静水压力。数据驱动方法如人工神经网络（ANN）、基因表达编程（GEP）和XGBoost通过大量实验数据建立预测模型，弥补了传统经验公式的局限性。

分子尺度的MD模拟突破
分子动力学（MD）采用"类固结仪"或弹簧模型虚拟传感器，在纳米尺度解析黏土矿物的层间电荷分布和极端环境（高温高压）下的行为。研究表明，蒙脱石（smectite）等2:1型黏土的晶格膨胀与宏观实验结果高度一致，验证了跨尺度关联的可行性。

挑战与多尺度协同
当前研究面临实验边界条件标准化不足、DDL理论对复杂化学环境的适应性有限，以及MD计算成本高昂等问题。未来需整合多尺度方法，例如结合MD的分子机制与机器学习（ML）的宏观预测能力，以优化放射性废物屏障等工程设计。

结论
黏土膨胀压力的研究需根据目标尺度选择方法：恒定体积法适合宏观工程验证，DDL理论适用于介观颗粒相互作用，而MD可揭示分子机制。跨学科协作将是推动该领域发展的关键。