为了实现3D打印砂浆力学性能的提升，选用丙烯酰胺为单体，以原位聚合的方式在3D打印砂浆中生成聚丙烯酰胺网络，探究原位聚合对3D打印砂浆力学性能的影响，并通过Fourier变换红外光谱、扫描电子显微镜、压汞仪测试和X射线计算机断层成像等手段对其影响机理进行探究。结果表明：AM原位聚合体系可以提高3D打印砂浆的流动性，减少宏观缺陷的产生，提高打印质量。AM单体聚合后会形成有机网络与水泥水化产物相互交错连接形成的“刚-柔”复合网络结构。这种结构极大的增强了3D打印试件的抗折强度和界面粘接强度，最高可使其28 d抗折强度提高52.4%，28 d相对界面粘接强度提高78.1%。

高原地区的低气压环境对水泥基材料的干燥收缩与抗冻融性能等均有不利影响，该环境下水分传输特性的改变是重要的影响因素。对不同水灰比的硬化水泥浆体开展了不同气压（101、60 kPa和20 kPa）与相对湿度（43%、98%）环境中270 d的等温暴露试验，研究了低气压环境对硬化浆体中含湿量及化学结合水含量的影响，并建立数值模型分析了低气压环境对水分传输特性的影响。结果表明：在等温干燥环境中，低气压环境会促进硬化浆体中水分散失，并导致化学结合水含量的轻微下降；在等温润湿环境中，水分逐渐扩散进入硬化水泥浆体中，使试件质量随暴露龄期呈对数增长，环境气压降低会明显提升早期的质量增长速率与最终质量增加值。水分传输的数值模拟结果说明了低气压环境中水蒸气扩散系数、对流传质系数与硬化浆体的本征渗透率的增大是导致等温干燥和润湿过程水分传输行为的主要原因。

在基体上浇筑新拌砂浆是常见的修补与加固措施。当新拌砂浆与基体含水状态差异较大时，会发生水分交换改变修补砂浆配合比，并影响修补砂浆水化进程、微观特征、渗透性以及修补材料与基体间的粘结性能。对此，利用称重法研究了新拌普通砂浆、应变硬化水泥基复合材料（SHCC）与不同初始含水饱和度旧砂浆基体（0、30%、70%和100%）粘结时的水分交换过程，分析了修补砂浆类型和基体初始含水饱和度对水分交换速度、修补砂浆最终水胶比等的影响。通过力学试验、低场核磁共振技术和称重法进一步研究了水分交换对标准养护后修补砂浆与基体粘结强度、修补砂浆微结构和吸水性能的影响规律。结果表明：在水分交换早期，非饱和基体单位面积吸水质量与时间平方根存在良好的线性关系。基体含水饱和度为0时，SHCC或普通砂浆与基体间的界面剪切强度最高。SHCC作为修补材料与基体间的界面剪切强度普遍大于普通砂浆。随着基体饱和度的增大，普通砂浆的孔隙率、小孔体积分数、毛细吸水系数逐渐增大，中孔和大空隙的体积分数逐渐减小。随着基体饱和度的增大，SHCC孔隙率、中孔和大空隙的体积分数逐渐减小，小孔体积分数和毛细吸水系数变化幅度较小。

石粉岩性和表面积对聚羧酸减水剂吸附行为的影响是决定减水剂在机制砂混凝土中分散性能的关键因子。基于增强石粉界面减水剂吸附、改善浆体流动性的基本思路，对比研究了常规聚羧酸减水剂和引入磷酸基的减水剂对水泥-微斜长石粉浆体流变行为的影响。引入磷酸基可以提高减水剂在微斜长石粉表面的吸附，改善混合体系的堆积密实度，同时增加固体颗粒表面平均间距，提高了减水剂在水泥-微斜长石粉浆体中的分散性能，有效降低了浆体表观粘度。体系中微斜长石粉含量增加，含磷酸基减水剂相比仅含羧基的减水剂性能更优异。

纤维/树脂界面黏结性能对纤维增强聚合物（FRP）筋承载过程中纤维与基体之间力的传递至关重要，但海水海砂混凝土孔溶液中氯离子扩散至纤维/树脂界面区会使得其黏结性能退化。自制纤维/树脂微脱黏装置，并与数字图像相关（DIC）技术相结合，追踪玄武岩/玻璃纤维与树脂在氯盐溶液中腐蚀28 d的黏结性能退化过程，并通过分子动力学模拟揭示了腐蚀离子导致界面黏结性能退化机制。结果表明：玻璃纤维与树脂间的黏结性能优于玄武岩纤维；玄武岩/玻璃纤维与树脂在NaCl溶液腐蚀28 d，其界面黏结力分别下降了73.9%和71.8%，拉拔过程中破坏模式以基体开裂和纤维拔出为主；树脂与纤维基底主要通过形成氢键黏结，氯离子与基底界面原子的相互作用使原有氢键原子对数量减少，加速了纤维与树脂的脱黏。

水化硅酸钙（C-S-H）作为水泥基胶凝材料的基因，其结构变化对混凝土宏观性能发展至关重要。为了明确纤维素纳米晶（CNCs）在水泥中的改性机理，采用共沉淀法制备C-S-H凝胶，探讨了CNCs的形态效应及成核效应对C-S-H凝胶结构的影响。基于X射线衍射、透射电子显微镜、纳米压痕以及核磁共振等测试，结果显示CNCs表面携带的羟基（—OH）可络合Ca²⁺，随后与溶液中的SiO₄^2-反应形成C-S-H凝胶，包裹在CNCs周围形成致密的网络结构。CNCs为C-S-H凝胶的沉淀和生长提供了额外的成核位点，促进了C-S-H凝胶聚合度的降低以及链长的缩短，并且显著提升了高密度C-S-H凝胶的含量。

水泥-辅助胶凝材料（SCM）/氧化石墨烯（GO）兼顾轻量化碳足迹以及延性增强等优点。SCM水化时释放的铝相在水化硅铝酸钙（C-A-S-H）/GO中以各种形式存在。基于反应分子动力学探究了桥接相邻硅链的铝相[Al（Q²_b）]与层间铝（Al_inter）对于C-A-S-H/GO力学性能的影响差异。结果发现虽然Al_inter含量少于Al（Q²_b），但在体系断裂过程中能够重分配应力，激活多层间分担荷载，触发“复苏-强化”机制进而成倍提升力学性能。通过解析Al对于界面键合网络的重组机制以及断裂过程中化学键演化，最终解释其机理。基于本研究结果，在水泥-SCM/GO制备中如何定向调控铝相所处的化学环境将成为突破延性瓶颈的关键。

水泥基材料具有高度的亲水性，服役环境中的侵蚀性物质往往通过水的传输渗透到水泥基材料中，从而导致钢筋腐蚀、混凝土碳化等耐久性问题。本工作利用具有疏水性的微生物菌体提高水泥基材料的疏水性能。研究发现熊蜂生假丝酵母和球形芽孢杆菌掺入砂浆后均可提高砂浆的疏水性能，接触角可分别提升至122.7°和112.1°，水滴在砂浆断裂面的扩散速率和吸收速率显著减缓，毛细吸水最高下降39%左右。通过对内部微结构的分析初步得出菌体通过粗糙结构的构造及自身疏水性的共同作用提升了砂浆基体的疏水性能。虽然加入菌体后砂浆的流动性能和疏水性能得到提升，然而力学性能显著下降，这也为后续使用微生物菌体作为水泥基材料疏水剂提出新的挑战。

高原低气压环境会影响气泡稳定性，进而影响引气混凝土的孔结构和抗冻性。通过自建低气压搅拌装置，研究了气压对新拌引气砂浆气孔结构的影响。结果表明：气压降低会导致引气砂浆初始含气量降低，气泡间距系数增大，含气量经时损失增大，孔结构劣化明显。低气压环境下引气砂浆孔结构劣化的主要机理是由于低气压加速了气泡体系的Ostwald熟化过程，使得小气泡越来越小直至消失，大气泡越来越大直至破裂，气泡体系平均孔径增加，加快了气泡体系的失稳速度。该研究结果对于理解低气压环境下气泡失稳机理和开发相应的稳泡技术具有指导意义。

通常采用大量掺加辅助性胶凝材料的方式提高胶凝材料的抗Cl^-渗透性能，进而提升混凝土结构的耐久性和服役寿命，但会显著降低早期力学性能。为提高早期强度和抗Cl^-渗透性能，基于初始浆体密堆积与水化过程孔隙有效填充，设计细、中、粗粒度区间胶凝材料的种类和掺量，提高浆体的初始堆积密度和水化产物固氯能力，从而细化孔径并增大孔隙曲折度，采用59%的水泥熟料（粒径范围4~55 μm），成功制备了3 d抗压强度27.3 MPa、28 d Cl^-扩散系数低至0.36×10^-12 m²/s的高抗渗透复合胶凝材料，为水泥基材料微结构调控和抗渗性能提升奠定基础。

为了揭示Cl^-、SO₄^2-作用下混凝土中钢筋腐蚀机理的差异，并为氯盐和硫酸盐侵蚀下混凝土的抗腐蚀调控提供理论基础，研究了Cl^-、SO₄^2-侵蚀下混凝土孔溶液中钢筋的电化学行为差异，并利用基于第一性原理的密度泛函理论研究了腐蚀性物质（Cl^-、SO₄^2-）和致钝物质（CaOH⁺、OH^-）在Fe（100）表面的竞争吸附。结果表明：相较于含Cl^-的混凝土孔溶液，钢筋在含SO₄^2-的混凝土孔溶液中的腐蚀电位和极化电阻均更低，更易发生腐蚀；SO₄^2-对OH^-与铁表面反应的抑制作用略强于Cl^-；SO₄^2-既可促使CaOH⁺中Ca—OH键伸长，又可阻碍CaOH⁺中OH基团与表面Fe原子间的作用，其对CaOH⁺与铁表面反应的抑制作用明显强于Cl^-。

为了进一步认识中国西北气候环境对混凝土材料微观结构的影响，采用纳米压痕技术对不同温湿度养护条件下混凝土的微观结构特征开展试验研究。结果表明：从不同水化产物相的体积分数结果来看，养护温湿度不足会使得水泥砂浆中毛细孔隙和低密度水化硅酸钙（C-S-H）凝胶含量增多。通过对不同养护条件下混凝土界面过渡区的压痕模量和硬度统计结果可知，相比于20 ℃-95%相对湿度（RH）养护条件，当养护条件为10 ℃-70% RH和3 ℃-50% RH时，混凝土的界面过渡区平均厚度分别增加了5 μm和10 μm。

钢纤维混凝土（SFRC）中钢纤维方向对其力学性能有显著影响，楼板、地坪、路面等工程中，竖直方向的钢纤维有害无益，钢纤维水平随机分布最为有利。为改善钢纤维混凝土结构的力学性能，提高钢纤维的增强效率，通过旋转磁场对基体中的钢纤维进行调控定向，制备出水平定向钢纤维混凝土（2D-SFRC）。测试比较了2D-SFRC和随机乱向钢纤维混凝土（RD-SFRC）的劈拉性能、棱柱体试件和圆板试件的弯曲性能，同时利用断面纤维分布特征和声发射技术揭示了水平定向钢纤维的增强机理。结果表明，与RD-SFRC相比，2D-SFRC的各项力学性能显著提升。钢纤维分布统计和声发射分析表明，2D-SFRC力学性能提高的主要原因是，断面纤维数量增加、纤维方向有效系数提高。水平定向钢纤维混凝土具有高性能和低成本的特点，对于提高工程质量、节约材料具有重要意义。

综合采集混凝土振捣施工过程多源异构信息，进而及时、客观地分析振捣质量，对于保障高拱坝坝体混凝土施工质量至关重要。针对高拱坝混凝土振捣施工信息以“空-地”感知技术为主，存在信息感知不全和数据质量有待提高的问题，建立空天地一体化的混凝土振捣施工信息智能感知体系，实现混凝土浇筑过程中多源、多维度、多模态施工信息的立体感知。在此基础上，针对数值型、视频流以及图像型信息，分别提出基于Kalman滤波的全球导航卫星系统（GNSS）定位信息降噪方法、基于改进Faster R-CNN的视频信息解析方法和基于DeblurGAN-v2的表面图像去模糊方法。以杨房沟水电站为例，应用所提空天地一体化感知方法与技术，实现混凝土振捣质量智能分析与监控。

温控防裂是大体积混凝土施工质量控制的重点和难点问题。介绍了大体积混凝土温控防裂智能监控技术，首先通过建立混凝土开裂全过程仿真试验技术实现了大体积混凝土温度历程的优化设计；然后通过实时采集拌合、浇筑、通水、保温等环节的混凝土温度信息，构建了以温度达标为目标的实时评价和预测模型，实现了施工过程中混凝土温度指标的精准监控和动态预警，并自动化、智能化地调控混凝土温度。工程应用表明，该技术可以实现对大体积混凝土温控的优化和实时监控，提高混凝土施工质量，效果良好，可在同类工程中推广。

固碳胶凝材料是指能与CO₂反应并将其他物料胶结为整体且具有一定机械强度的新型胶凝材料，利用固碳胶凝材料制备碳化制品是CO₂资源化利用的重要途径，也是当前的研究热点。本文在明晰了固碳胶凝材料的定义与矿相组成的基础上，综合分析了固碳胶凝材料主要矿相的碳化反应活性、微结构演变与力学性能以及多介质传输反应机理，介绍了国内外固碳胶凝材料的3种主要体系与应用现状，展望了固碳胶凝材料未来的研究方向与应用前景，为我国水泥工业烟气中CO₂的高效建材化利用提供研究思路。

近年来，超高性能混凝土（UHPC）发展迅速，已较广泛应用于桥梁工程等领域，在提升耐久性、减轻自重、简化配筋、缩短工期等方面展现出很大优势，取得了良好的综合经济技术效益。然而，目前UHPC在房屋建筑结构中的研究还比较少，应用情况尚不尽如人意。本文以UHPC建筑结构为对象，对UHPC结构特征及目前的工程应用概况进行总结，分析了UHPC结构的基本设计原理和方法。着重介绍了本课题组近年来有关UHPC建筑结构构件和节点的相关研究成果，包括新型轻质保温夹芯屋面板、新型夹芯楼板-墙板装配式结构、双向waffle板、装配式混凝土框架后浇梁柱节点等，总结了UHPC在建筑结构中的合理应用方式和效果。最后，提出了UHPC建筑结构发展的建议，以期推动UHPC在房屋建筑中的应用，提升其综合性能和品质。

铁相作为低碳高抗蚀水泥熟料的关键矿物，对改善水泥生料易烧性、熟料的形成与水化及提升水泥抗离子侵蚀能力发挥重要作用。本文综述了铁相的物化特性并总结了其对硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥影响的最新研究进展，重点就铁相对两种水泥熟料矿物形成、水化速率与产物、力学与抗离子侵蚀性能影响进行了分析与讨论，并在最后提出了低碳高抗蚀水泥亟待解决的问题与应用前景。

基于局域共振理论，提出了一种新型减振材料—混凝土超材料的结构模型，并通过增加基体中谐振骨料的种类，增加了元胞的带隙数量。利用有限元法，对比分析了单、双以及三谐振骨料混凝土超材料元胞的能带结构、本征模态和衰减特性，研究了带隙的产生机理和影响因素，根据等效质量法推导了带隙计算式。结果表明：混凝土超材料元胞具有带隙特性，且随着基体中谐振骨料种类的增加，带隙数量增多，但每条带隙的宽度降低，谐振骨料种类与带隙之间存在一一对应的关系；带隙的起始频率由对应元胞散射体的平移振动决定，而截止频率则由对应元胞散射体与其他所有单元之间的反向振动决定；通过合理配置元胞的材料和几何参数，可以优化带隙的位置和宽度；等效质量法的带隙计算值与有限元法吻合良好，可用于多谐振骨料混凝土超材料元胞的带隙计算。

在速凝剂的应用过程中经常出现水泥与速凝剂的相容性问题，但是如何评价相容性及其影响因素尚待研究。本工作测试了不同水泥-速凝剂系统的宏观性能和早期水化放热情况，并通过一种定量评价相容性的综合方法，即多因子综合指标[f（a）值]评价法，将宏观性能与微观指标进行有机结合，计算对比不同水泥-速凝剂系统的相容性。结果表明：碱性速凝剂与过渡相含量高的基准水泥相容性最好，f（a）值最高为74；3种无碱速凝剂与C₃A和C₃S含量高的冀东水泥相容性最好，f（a）值均大于80。

为了减少混凝土的收缩开裂、促进减缩型聚羧酸系减水剂的发展和应用，采用水溶液自由基聚合法，将异戊烯基聚氧乙烯醚（IPEG）、丙烯酸（AA）和丙烯酸丁酯（BA）等不饱和单体共聚合成了一种兼具分散性能和减缩性能的减缩型聚羧酸系减水剂（SR-PCE）。利用凝胶渗透色谱法和Fourier红外光谱法对SR-PCE的分子结构进行了表征，并对其减缩机理进行了分析。结果表明：所制备的SR-PCE的分子结构符合预先的设计；在保证优良分散性能的前提下，当SR-PCE分子结构中IPEG、AA和BA三者的摩尔比为1∶5∶4时，减缩性能最佳。SR-PCE发挥优良减缩作用的机理主要在于2个方面：首先，相比普通型聚羧酸系减水剂，SR-PCE可以进一步降低水溶液的表面张力；其次，SR-PCE可以减少水泥石孔溶液中水的蒸发速率，提高浆体对孔隙水的保持能力。

非饱和状态下混凝土的冻融破坏与饱和状态混凝土的破坏机理和损伤形态有着很大的不同。为了探究冻融环境下非饱和水泥基材料的吸水性能和微结构的劣化，设置了-10 ℃~4 ℃、-20 ℃~4 ℃、-30 ℃~4 ℃、-40 ℃~4 ℃ 4个冻融循环制度，探究非饱和水泥净浆在不同最低冰冻温度影响下的吸水特性，之后对单面浸水非饱和水泥净浆进行最低-40 ℃的冻融循环作用23次，并对距离水面不同高度处的试样进行微结构分析。结果表明：非饱和水泥净浆的吸水率随着冻融循环次数的增加而增大，冰冻温度越低，吸水率越大，表明冷吸作用越大；经历同样冻融循环次数后，距离水面越近的部位表现出孔隙率越大、微裂纹体积分数越大，其中小孔含量较少、大孔含量明显增大，即距离水面越近冻融损伤越严重。

为研究单硫型水化硫铝酸钙（AFm）和水化铝酸钙（C₃AH₆）的Cl^-固结能力和机理，通过人工合成的方法采用C₃A制备了高纯AFm与C₃AH₆，并研究了内掺、外渗Cl^-条件下2种物质固结Cl^-后的产物类型、微观形貌、Cl^-固结量和固结率。结果表明：C₃AH₆对内掺Cl^-的固结能力（最高可达75%）远高于AFm（稳定约为17%），该差异在内掺Cl^-含量相对较低的情况下尤为显著；对比AFm，Cl^-与C₃AH₆的反应更迅速且更为彻底；C₃AH₆的固氯产物一致为Friedel盐，AFm则根据Cl^-浓度及其不同引入方式分为Hc、Kuzel盐、Friedel盐以及高硫型水化硫铝酸钙（Aft）。

对高延性水泥基材料（ECC）的裂缝特征进行准确识别和测量是研究ECC力学性能与耐久性的重要手段。针对ECC裂缝数量多且细密，纤维噪声干扰重等问题，基于深度学习方法，采用适合于小样本数量生物图像识别的U-Net模型，加上部分ResNet网络层结构进行优化，结合新增制作的适用于ECC的数据集，训练神经网络模型，进行语义分割获取裂缝像素。针对裂纹参数提取问题，使用骨骼提取方法，结合数字图像处理流程，运用CLAHE滤镜和半峰全宽概念获取裂缝宽度，实现了混杂纤维ECC狗骨试件和ECC连接板的裂缝识别与参数提取。结果表明：采用深度学习方法建立的ECC裂缝识别与智能检测方法与实际手工测量误差范围在0.6 mm以内。研究成果可为ECC裂缝检查与特征定量化识别提供准确有效和高通量的分析方法。

针对现代工业中大量废弃碳纤维亟需回收再利用问题，将废弃碳纤维与高强水泥基材料（HSCBM）相结合，研究了回收碳纤维（RCF）及其改性对HSCBM流动性、力学性能和导电性能的影响。结果表明：掺入RCF降低了HSCBM流动性，RCF经NaOH溶液和HNO₃溶液改性后HSCBM流动性最高可提升7.74%；不同水胶比下掺入未改性及改性RCF会降低HSCBM抗压强度，但提升了HSCBM抗折强度，经NaOH溶液、HNO₃溶液改性后HSCBM抗折强度最高可提升30.61%、24.46%；水胶比过低（0.20）时，掺RCF的HSCBM不具备导电能力，水胶比增至0.25时掺入RCF可显著提升HSCBM导电性，但其强度会大幅下降，RCF经NaOH溶液和HNO₃溶液处理后使HSCBM导电性能进一步提升，掺量达到渗滤阀值（0.6%）时，其7、28 d电阻率分别降低了81.41%和82.23%、94.88%和96.15%。研究结果可为HSCBM具有功能性和RCF循环利用提供新思路。

以纳子峡水利枢纽工程为背景，进行了粉煤灰、纤维素纤维双掺混凝土硫酸盐干湿循环试验。基于熵权法建立了可以综合反映混凝土质量、抗压强度和抗劈拉强度的耐久性指标耐久性值（D），分析了硫酸钠溶液质量分数和粉煤灰掺量对D值的影响，并构建了Grey Models—Back Propagation（GM-BP）神经网络，用以揭示混凝土D值的时变规律，得到了不同条件下混凝土的预期寿命。结果表明：D值可以反映出硫酸钠溶液质量分数和粉煤灰掺量对混凝土耐久性的影响。180 d时，混凝土D值损失在10%（质量分数）内与硫酸钠溶液质量分数成正比；粉煤灰最佳掺量在10%掺量梯度下为20%；在数据量较小时，GM-BP神经网络相比于GM模型可以更加精确地预测混凝土在盐侵—干湿循环下D值的时变规律。

使用国产原材料，制备轻质高延性水泥基复合材料作为防火涂料（FR-ECC），论证了FR-ECC作为防火涂料的可行性。通过轴拉试验和轴压试验研究不同配合比FR-ECC的力学性能，并利用四点弯曲梁试验研究FR-ECC与钢构件协同工作性能。结果表明：3种配方的FR-ECC均具有多裂缝开裂和应变强化的特征，平均抗拉强度1.30 MPa，平均极限应变1.93%。轴压试验显示：材料具有良好的受压变形能力，平均抗压强度3.99 MPa；适当增加纤维掺量可以提升其拉、压力学性能。四点弯曲梁试验表明：涂层越薄越能适应较大的弯曲变形；在涂层厚度不大于10 mm时，FR-ECC随钢梁变形会产生细小裂缝，而不会起层或剥落。FR-ECC在复杂应力下具备与钢构件协同变形的能力。

水泥基吸波材料可以有效缓解电磁波辐射对人们日常生活的影响。传统吸波剂所制备的水泥基吸波材料因其有效带宽窄、吸波效率低和体积厚重等缺点，限制了其在工程中的应用。与之相比，纳米吸波剂具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和界面效应等特点，因此纳米吸波剂改性水泥基材料为电磁辐射防护提供了一个新途径。根据纳米吸波剂种类的不同，从碳纳米管水泥基吸波材料、石墨烯水泥基吸波材料和磁性纳米颗粒水泥基吸波材料3个方面总结了国内外相关研究成果，并对未来该领域的发展进行了展望。