作为中国“十三五”规划的百项重点工程之一，北山处置库地下实验室的开工建设标志着中国高放废物处置工作迈入了新阶段[1]。目前中国已预选定内蒙古高庙子（GMZ）膨润土为缓冲材料，甘肃北山为处置库建设场地[2-3]。以蒙脱石为主要成分的高压实膨润土由于具有高膨胀性、强吸附性、低渗透性以及自愈合性，被中外学者视为高放废物处置库的理想工程屏障[4-5]。随着围岩地下水的入渗，高压实膨润土水化膨胀，起到封闭施工接缝、抵抗原位围岩应力、防止废物罐的倾斜和损坏以及保证工程屏障的完整性等作用[6-8]。然而，在处置库运营期间，高压实膨润土的膨胀特性不但受到自身多尺度微观结构的影响，而且势必长期处于核素衰变热、围岩地下水入渗以及地下水化学成份所形成的热-水-化耦合作用的复杂环境中，其膨胀力性能也随之变化甚至退化，最终威胁处置库的安全运营[7, 9-13]。
作为膨润土的主要矿物成分，蒙脱石的物理化学特性直接决定了高压实膨润土的膨胀力特性。然而，在高压实膨润土中，蒙脱石还形成了层叠体和集合体等多尺度结构单元[14-16]，膨胀力呈现显著的尺度效应。研究表明，膨润土水化膨胀主要可以分为蒙脱石晶层膨胀、层叠体裂解以及扩散双电层膨胀3个阶段。在膨润土水化初始阶段，晶层膨胀占主导地位，体现在膨胀力的上升阶段；随着吸力降低，蒙脱石层叠体将发生裂解、集合体间孔隙坍塌，体现在膨胀力的回落；最后，当蒙脱石的双电层不断扩张，膨胀力也随之上升最后达到稳定状态[17-19]。因此，高压实膨润土的膨胀力时程曲线呈现典型的“双峰”特征。针对近场环境作用下高压实膨润土的多尺度膨胀力特性，学者们开展了大量的研究工作，主要集中在两个方面：①利用分子动力学模拟对蒙脱石层叠体和集合体进行微观力学性能研究[20-27]；②利用恒体积膨胀力测试仪对高压实膨润土在侧限条件下的膨胀力特性进行测试[28-34]。大量的前期工作阐明了蒙脱石层叠体和高压实膨润土在不同尺度上的膨胀力特性，取得了丰富的研究成果。然而，当前的研究工作局限于独立探究单一尺度的性能，并且微观膨胀力模拟和宏观力学性能之间往往存在着巨大的差距，膨胀力的传递机制尚不清晰，缺乏有效的模型联系高压实膨润土不同尺度间的膨胀力特性。
本文在阐述高压实膨润土多尺度微观结构的基础上，系统总结了其多尺度膨胀力特性的研究工作，揭示多场作用下膨润土膨胀力变化的影响机制，分析现有研究工作的不足以及今后研究的主要方向，以期为中国高放废物处置库工程屏障的设计、建设和长期运营提供理论基础和科学依据。
（1）在微观尺度上，学者通过分子动力学模拟对蒙脱石层叠体在热-水-化作用下，微观结构和膨胀力特性的变化规律开展研究，揭示了多场作用下蒙脱石层叠体膨胀力的演化机理。然而，分子动力学模拟的结果很大程度上取决于所使用的力场，模拟结果存在较大的离散型，且无相关试验可以对分子动力学的模拟结果进行验证。
（2）在细观尺度上，颗粒粗化有效的解决了分子动力学模拟在尺度上的局限性，然而仅有少数学者对不同干密度下蒙脱石集合体的弹性刚度系数开展了研究工作，且由于模拟方法和试验手段上的局限性，目前尚无针对蒙脱石集合体膨胀力特性的相关研究工作。 （3）在宏观尺度上，针对高压实膨润土膨胀力特性的研究取得了丰富的成果，系统的阐明了多场环境作用下，高压实膨润土的膨胀力演化规律。然而目前的膨胀模型无法对高压实膨润土的膨胀力进行准确的预测，尚不能从微/细观尺度对蒙脱石集合体的裂解和孔隙的坍塌等微观结构的演化进行模拟。
综上所述，高压实膨润土多尺度结构单元的膨胀力特性存在着显著的尺寸效应，且现存研究相对独立，多尺度单元之间的膨胀力传递机制尚不清晰。因此，在多场耦合作用下，探究高压实膨润土多尺度膨胀力的演化机理、阐明膨胀力的传递机制、建立高压实膨润土的多尺度膨胀力模型是今后值得探索的方向。
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