为了提高粉煤灰、矿渣、铁尾矿砂和机制砂等固废的利用率, 制备早强、微膨胀的高强灌浆料, 本文通过复配普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥, 以及设计石英砂-铁尾矿砂-机制砂的三元复合体系和正交试验的方式分析了在固废复合材料共同作用下灌浆料的力学性能和微观结构。试验结果表明, 普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥最优质量比为4∶1, 石英砂、铁尾矿砂、石灰石机制砂的最优质量配合比为7∶1∶2, 正交试验4种因素对灌浆料试件强度影响程度由大到小为水胶比、粉煤灰掺量、胶砂比和矿渣掺量, 通过极差分析得到最佳因素水平组合为水胶比为033、胶砂比为1.0∶1.2、粉煤灰掺量和矿渣掺量分别为6%和10%(质量分数)。通过XRD、SEM分析发现, C-S-H凝胶的密实程度会影响灌浆料试件的强度, 水胶比对钙矾石物相有影响, 钙矾石和六水铝酸三钙能提高试件的早期强度。

将600目(23 μm)和1 000目(13 μm)煤系偏高岭土按照0%、5%、10%、15%(质量分数)的掺量分别掺入混凝土，通过强度测试、XRD、TG-DTG、SEM-EDS和氮吸附试验等研究了煤系偏高岭土细度和掺量对混凝土力学性能和微观结构的影响。结果表明：偏高岭土的掺入显著提高了混凝土的力学性能，当偏高岭土细度为1 000目、掺量为15%时，混凝土的抗压强度最大，90 d抗压强度达到了81 MPa；水化产物主要由氢氧化钙、钙矾石、类水滑石及水化硅酸钙(C-S-H)凝胶等组成，掺入偏高岭土并未改变水化产物种类，但是增加了水化产物中C-S-H凝胶的产生量，同时降低了氢氧化钙的含量。偏高岭土与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化生成C-S-H凝胶，提高混凝土致密性，这是偏高岭土能够增强混凝土力学性能的主要原因。

低热硅酸盐水泥具有高温下强度稳定增长的特性，本文以硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥互为对比，研究了在水泥砂浆成型之后直接进行热养护(50~80 ℃)和标准养护1 d后再进行热养护两种情况下的强度发展和水泥浆体的物相组成、孔隙发展、微观形貌特征。结果表明：高温条件下水泥强度损伤行为源于水化后期的微结构劣化，但这一行为与水化初期受热密切相关，低热硅酸盐水泥在高温下较低的水化速率使其水化产物更均匀、密实，浆体的孔结构不随温度的升高以及受热方式的改变出现明显劣化，因此其强度在高温下仍能保持稳定增长；硅酸盐水泥后期由高温引发的钙矾石分解并没有直接导致强度倒缩，但水化初期过高的水化速率使水泥浆体出现更多的孔洞和缺陷，加速了后期由高温引起的单硫型水化硫铝酸钙(AFm)、Ca(OH)2析出与生长，且诱发浆体孔隙率增大。

构建低真空运行环境以减小空气阻力和噪声的真空管道磁悬浮高速列车系统，是高速轨道交通技术发展的重要方向。混凝土作为水泥基材料的重要代表，是真空磁悬浮管线方案中的重要备选结构材料，需应对真空服役环境的新挑战。本文总结了中/高度真空环境对硬化水泥浆体水化产物特征峰的影响，中/高度真空环境对水泥基材料水分传输、收缩变形和孔结构的影响，以及中/高度真空环境下水泥基材料力学性能变化规律。最后对水泥基材料在真空环境下的应用方向进行了讨论与展望，以期为开发适用于真空环境的高性能水泥基材料提供借鉴与参考。

为研究机制砂中泥粉对砂浆和混凝土性能的影响，使用蒙脱土、高岭土、伊利土三种泥粉以不同质量比取代机制砂制备砂浆和混凝土，测试不同种类和含量泥粉下砂浆和混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能，并通过X射线衍射(XRD)和压汞法(MIP)分析泥粉种类和含量对砂浆水化产物和孔结构的影响。结果表明，不同种类和含量泥粉的掺入会不同程度地降低砂浆和混凝土的工作性能。伊利土和高岭土在较低掺量下可以提高砂浆和混凝土的力学性能和耐久性能，在较高掺量下会产生负面影响；而蒙脱土在较低掺量下就会降低砂浆和混凝土的力学性能和耐久性能。泥粉的掺入没有明显改变砂浆的主要水化产物种类，砂浆的孔隙率、平均孔径和累计孔体积会随着泥粉掺量的增加而增大。

为探明二元固废间的协同胶凝作用，本文研究了不同配合比条件下钢渣-赤泥-水泥基复合砂浆的力学性能，并采用水化热、XRD、TG-DTG、SEM等手段来表征复合砂浆的水化特征及微观形貌。研究结果表明：与纯水泥组相比，单掺30%(以下均为质量分数)钢渣会抑制浆体的水化反应，从而降低砂浆的力学性能，而在单掺30%钢渣的基础上复掺适量的赤泥可以有效降低钢渣对砂浆力学性能的负面影响。其中，当钢渣掺量为15%、赤泥掺量为15%时，复合砂浆的28 d抗折强度和28 d抗压强度均最高，分别为6.8和39.8 MPa，与单掺30%钢渣组相比，复合砂浆的28 d抗折强度和28 d抗压强度分别提高了11.5%和20.6%，这主要是因为掺入的赤泥不仅起到物理填充作用，而且为钢渣的水化反应提供了良好的碱性环境，促进钢渣参与水化反应，生成更多的钙矾石和水化硅酸钙凝胶，改善砂浆的微观结构。

针对CO2易腐蚀硅酸盐水泥石、破坏水泥石结构完整性、诱发层间封隔失效等问题,本文利用矿渣改性铝酸钙水泥,研究了铝酸钙水泥-矿渣体系在60、80、100、120 ℃和纯CO2条件下的抗压强度变化规律,并采用X射线衍射仪、热重分析仪和扫描电子显微镜测试了CO2腐蚀对铝酸钙水泥-矿渣体系水化产物及微观结构的影响。结果表明: 与纯铝酸钙水泥石相比,矿渣使铝酸钙水泥石水化产物转变为C2ASH8,大幅提高了水泥石早期抗压强度。当铝酸钙水泥与矿渣质量比为5∶5时,60 ℃养护14 d的铝酸钙水泥抗压强度提高了215.4%。经CO2腐蚀后,铝酸钙水泥-矿渣体系水化产物由C2ASH8转变为C2AS,并有CaCO3生成,腐蚀层的致密程度增加,相同温度下水泥石的抗压强度随腐蚀时间增加而增大。

近些年来,水泥的低碳化成为国内外的研究热点,利用活性矿物掺和料取代水泥是一种有效降低CO2排放量的方法。为验证活化煤矸石作为水泥矿物掺和料的可行性,研究了活化煤矸石对水泥流变性能、力学性能、水化产物及水化程度的影响,揭示了水胶比、龄期及活化煤矸石掺量等对水泥胶砂试件抗压和抗折强度的影响,并利用XRD、SEM和TG/DTG等表征活化煤矸石对水泥水化产物和微观结构的影响。结果表明,活化煤矸石水泥的流变性能对水胶比的变化更加敏感。将活化煤矸石掺入水泥中,能够有效降低水泥早期的水化速率。活化煤矸石含有大量的活性SiO2和Al2O3,具有很强的二次水化反应活性。二次水化产物水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶能够填充水泥机体的孔隙,提升水泥基体的强度。与掺30%(质量分数)石英粉的试件相比,掺30%(质量分数)活化煤矸石试件的28 d抗折和抗压强度分别提升了11.69%和11.82%。

双液浆在富水环境中长期服役极易受到水溶蚀作用而力学性能大幅衰减。本文研究了配合比参数、养护制度对双液浆力学性能的影响,并结合多种微观分析手段,揭示了富水环境下双液浆性能衰减的作用机制。结果表明: 10%、15%(质量分数)低含水率砂层中养护有利于早期强度发展,但后期强度逐渐衰减,而25%(质量分数)高含水率砂层中试块早期强度相比15%(质量分数)含水率砂层中试块降低了23.5%,但后期水溶蚀作用被大幅削弱,220 d抗压强度较90 d增加了15%; 标准养护条件加速双液浆力学性能的劣化,试块强度分别较水中养护、绝湿养护降低了80.6%和91.0%; 双液浆力学性能发展主要受水化反应及水溶蚀作用控制,早期阶段由水化反应主导,后期阶段由水溶蚀作用主导,力学性能的演变本质是两种效应相互叠加的结果; 在富水环境中长期养护,基体外侧水化产物不断向外迁移溶出,在试块外层形成多孔结构包覆层,并成为内部结构中钠、硅酸根离子及水化产物的迁移通道,导致力学性能持续劣化。

为了研究不同岩性机制砂石粉作为辅助胶凝材料对水泥浆体水化产物和微结构的影响,本文借助石粉流动度比和活性指数研究了玄武岩、花岗岩、石灰岩三种不同岩性石粉的活性及其对减水剂吸附性的影响,并通过水化量热、XRD、综合热分析、SEM测试了掺不同岩性石粉水泥浆体的水化热、水化产物和微结构。结果表明: 三种岩性石粉对减水剂的吸附性大小顺序为花岗岩石粉＞玄武岩石粉＞石灰岩石粉; 石灰岩石粉的3 d活性指数最高,玄武岩石粉的28 d活性指数最高,而花岗岩石粉的3、28 d活性指数均最低; 石灰岩石粉的掺入对水泥早期水化具有促进作用,促使水泥浆体在早期形成了更多的水化产物,并伴有水化半碳铝酸钙的生成; 玄武岩石粉具有火山灰反应活性,玄武岩石粉的水泥浆体中后期形成了更多水化产物并降低了Ca(OH)2的含量; 花岗岩石粉不具有水化反应活性,花岗岩石粉水泥浆体的水化反应程度最低。