水泥混凝土由于脆性大、早期易收缩变形等特点，导致服役过程中易发生开裂，并诱发混凝土结构渗水漏水等问题。混凝土开裂渗漏的及时与有效修复一直是工程界关注的重点。高吸水树脂(SAP)水凝胶是近几年发展的一种新型自封堵材料，具有快速吸水，且体积显著膨胀的特性，在潮湿环境中混凝土的裂纹愈合封堵方面具有较大应用潜力。本文分析了水凝胶的裂纹自封堵机理，综述了水凝胶用于混凝土裂纹自封堵的设计方法，归纳了水凝胶对混凝土抗渗、力学及耐久性恢复的影响规律，总结了裂纹愈合封堵测试评价方法。最后，对当前水凝胶作为裂纹自封堵材料面临的主要挑战及未来方向进行了展望。

低pH值水泥基材料作为一种特殊水泥基材料主要应用于中低放射性废物和重金属污染物的固化以及高放废物处置库工程。本文对混合水泥、硅酸镁水泥和磷酸镁水泥3种不同类型的低pH值水泥基材料体系的孔溶液pH值的主要影响因素及变化规律进行了分析；总结了低pH值水泥基材料流动性、抗压强度、耐久性和固化性能的研究现状；并对低pH值水泥基材料在固化中低放射性废物和重金属污染物以及高放处置库工程中的应用进行了探讨。

本工作研究了碳化养护对水泥基材料早期抗碳酸水溶液腐蚀性能的影响。测试了经碳化养护后的试件在碳酸水溶液中不同浸泡龄期的抗压强度和腐蚀深度的变化，并采用X射线衍射分析(XRD)、热重分析(TG-DTG)、低场核磁共振仪(LF-NMR)和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段，对碳酸溶液腐蚀后试件微观结构和腐蚀机理进行了分析。结果表明：碳化养护提高了砂浆试件在碳酸水溶液腐蚀前的初始抗压强度，碳化形成的方解石填充了孔隙，使得结构更加致密，从而阻碍碳酸水溶液向内的扩散速率；另外，致密且溶解速率更慢的方解石层包裹着水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，减少了钙的溶出。碳化养护从这两方面减缓了碳酸水溶液的腐蚀速率，提高了水泥基材料的抗碳酸水溶液腐蚀性能，这使得砂浆试件浸泡90 d后的腐蚀深度降低了51%~68%，并减轻碳酸水溶液腐蚀后的强度损失。碳酸水溶液腐蚀前期，以C3S、C2S和CH的腐蚀为主，伴随CaCO3的脱钙；腐蚀中后期，以CaCO3的脱钙为主，伴随C-S-H凝胶的脱钙。

水泥基材料为多相多尺度结构，各组分均不同程度影响整体韧性，将相关组分按宏观、介观、纳观3个尺度分类概述其对水泥基材料的抗裂增韧机理。宏观尺度如胶凝组分、集料、外加剂、纤维、水胶比、养护制度等，分析其物化效应对水泥基材料抗裂增韧特性的影响机理；介观尺度如微珠、晶须、渗透结晶材料等微米级增强材料，阐述其火山灰、填充、桥接、键合、渗透结晶等增强效应；纳观尺度如纳米SiO2、纳米CaCO3、石墨烯、碳纳米管及微生物、纳米聚合物等纳米级增强材料，介绍其对水化产物微观结构、生长方式及硬化浆体孔结构的增强及优化机理；并阐述‘碳纤维+碳纳米管’、‘纤维+晶须+石墨烯’等跨尺度组分的共轭增韧效应。最后，讨论不同尺度增韧组分当前应用、研究中的不足及发展趋势。

以贝壳替换部分传统水泥基材料, 研究其对污染物的吸附能力, 可扩大水泥基材料的功能型工程应用范围。本文通过吸附动力学、等温吸附等原理论证了贝壳材料的吸附机理, 讨论了pH值、接触时间和污染物浓度等影响因素对贝壳吸附性能的影响, 并综述了贝壳在建筑领域的相关应用。结果表明, 在水泥基材料中采用贝壳替代胶凝材料或天然骨料都展现出较好的吸附能力。贝壳吸附过程中最佳pH值为5~7, 贝壳颗粒表面的活性位点有限, 在一定浓度下就会达到饱和, 同时贝壳的活性位点会随着粒径的减小而增多, 选取小粒径的贝壳粉有利于增加吸收容量, 提高去除效率。本文通过分析贝壳吸附性能及贝壳在水泥基材料中的应用, 可为设计功能型水泥基吸附材料提供思路。

纤维增强延性水泥基材料(ECC)造价昂贵, 在实际工程应用中尚未被推广。在传统ECC体系中加入钢纤维, 并按照不同体积分数(0%、25%、50%、75%、100%)将国产PVA纤维替代日产PVA纤维, 制备极具性价比的钢-PVA混杂纤维增强延性水泥基材料, 通过立方体轴心抗压试验研究混杂纤维延性水泥基材料的单轴受压力学性能。结果表明: 随着国产PVA纤维的增加, 钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的抗压强度先减小后增加, 抗压韧性指数先增强后减弱, 而峰值应变提升效果较为显著; 相较于普通水泥基材料, 钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料具有更好的完整性和延性; 综合材料抗压性能与材料造价, 国产PVA纤维替代日产PVA纤维配制钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料可以实现功能价值和经济价值的协同最大化。

为了减缓建筑行业生产过程中CO2排放对全球气候变化的影响, 建筑行业提出了CO2矿化封存技术, 即利用CO2与水泥基材料中的水泥熟料以及水泥水化产物等反应生成以方解石为主的碳酸钙(CaCO3)沉淀和无定形高聚合度硅胶(SiO2·nH2O)。CO2矿化养护水泥基材料在实现永久封存利用CO2的同时, 因其矿化产物具有较好的稳定性、填充效应和成核效应, 矿化养护后的水泥基材料力学强度得以提升, 耐久性得到改善, 相比其他养护方法, 短时间内可以获得具有高性能的水泥基材料。本文总结了现阶段CO2矿化养护水泥基材料的最新研究进展, 从反应机理和影响因素两方面进行了介绍, 详细分析了预养护、相对湿度、水胶比、CO2浓度、养护压力和温度等养护条件对水泥基材料CO2矿化养护后性能、固碳率以及矿化程度的影响, 并对CO2矿化技术在水泥基材料中未来的发展和研究方向进行了展望。

为了弥补现有钢-聚乙烯醇(PVA)混杂纤维增强工程水泥基复合材料造价过高、工程应用面狭窄的缺陷，本文通过使用廉价的国产PVA纤维部分替代日产PVA纤维制备出一种新型的多元混杂纤维增强工程水泥基复合材料(MFECC)。研究MFECC材料薄板试件的弯曲性能和破坏形态，对试件的弯曲韧性和性价比进行评价，并通过SPSS软件的多元非线性回归法建立极限弯曲性能预测模型。结果表明，引入国产PVA纤维后MFECC薄板的应变硬化力学行为和多缝开裂现象相较于仅掺日产PVA纤维时有所降低，但仍具有较高的强度与延性。当钢纤维、日产PVA纤维和国产PVA纤维体积掺量分别为0.2%、0%和2.0%时，MFECC的极限拉伸应变为44%，抗压强度为46.39 MPa，极限抗弯挠度可达12.697 mm，性价比最高。建立的MFECC薄板试件的极限弯曲性能预测模型对试验值的拟合度良好。

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。

砂石骨料中附带的黏土矿物对水泥基材料的工作性能具有严重劣化作用，制约了聚羧酸减水剂的分散功能。本文通过Zeta电位、吸光度、X射线衍射等方法研究了聚合氯化铝对聚羧酸减水剂黏土吸附性的影响规律，进而研究了其对掺加钙基膨润土砂浆和混凝土工作性能的改善效果，并探明了相互作用机理。结果表明，聚合氯化铝降低了钙基膨润土对聚羧酸分子的表面吸附量，但不能抑制插层吸附作用，在一定程度上改善了聚羧酸减水剂的黏土耐受性。6%(质量分数)的聚合氯化铝改善了掺加钙基膨润土砂浆和混凝土的工作性能，这为解决实际工程中含泥骨料的使用难题提供了一种性价比较高的新策略。