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磷石膏利用是一个系统工程,加快磷石膏有效利用率,最终实现零排放并消纳库存,是磷石膏可持续发展和长江流域生态保护的必然要求,通过采用磷石膏、粉煤灰辅助性胶凝材料与水泥进行合适配比后制取“绿色水泥”磷石膏-水泥复合胶凝材料,符合“碳达峰、碳中和”的战略需求。本文以磷石膏-水泥复合胶凝材料为研究对象,以C3S、C-S-H等矿物组成的水化反应机理为研究重点,通过定量分析水化产物的形态、力学参数、晶体结构等微观特性,揭示了细观水化机理,建立了亚粒子与宏观特性的函数关系,采用数值模拟等手段研究了硅链的微观成长机理,从而表征了磷石膏-水泥复合胶凝材料水化产物的成核机制,对利用磷石膏进行大规模应用于新型“绿色水泥”提供了理论依据和科学支撑。论文的主要工作及结论如下:1.研发了一种磷石膏-水泥复合胶凝材料的“绿色水泥”。本文通过上千组配比实验,制备出了以磷石膏、粉煤灰为辅助性胶凝材料与水泥混合后的高强度高性能的新型“绿色水泥”。2.通过采用XRD、SEM、TG-DSA和FTIR等手段探究了磷石膏-水泥复合胶凝材料的水化反应机制,研究了矿物掺合料掺量对胶凝材料强度的影响,以及硬化浆体中不同龄期的代表性离子浓度和水化产物变化规律。（1）AFt晶体的生成量随着磷石膏掺量的增加而先增后减再不断增加,其溶解产生的[SO4]2-可以激发粉煤灰的活性。（2）磷石膏与粉煤灰表现出协同促进作用,早期水化产物生成较慢,后期快速增加,AFt晶体穿插于C-S-H凝胶中使整个硬化浆体的结构更加致密。（3）水化产物结构的演变规律主要表现为磷石膏电离生成[Si O4]2-离子,Ca-O-Ca、Si-O-Si等共价键遇碱发生断裂,与水泥断裂的Si-O-Si、Al-O-Al、Al-O、Si-O共价键相结合,同时与粉煤灰电离生成的[Si O4]2-、[Al O4]5-等酸根离子发生重聚反应,聚合形成稳定的C-S-H和C-A-S-H六面体网状结构。3.基于吉布斯自由能C-S-H热力学模型和GEM-Selektor软件研究了水化过程中固体相、固溶体相和水溶液之间的水化热动力学特征,构建了磷石膏-水泥复合胶凝材料的水化热力学模型。（1）热力学实验证实了早期抗压强度随着水化产物生成量的增多而不断增加,水化产物生成速率与生成量呈反比例关系。（2）通过GEM-Selektor对热力学性质进行了模拟计算,定量的解释了矿物掺合料与水泥水化产物C3S溶解和C-S-H凝胶生成演变规律。（3）基于吉布斯自由能C-S-H热力学模型分析得出了水化产物中矿物单相Ca O、Si O2H和H2Ohyd值随着Ca/Si比的增大在逐渐增大,Ca Oext和H2OOH值呈正比例关系,Si O2H和Si O2值呈反比例关系。4.通过对预处理磷石膏与未处理的磷石膏对硅酸三钙水化作用的影响进行对比研究,研究了磷石膏与硅酸三钙在磷石膏-水泥复合胶凝体系中水化反应中协同效应。（1）分别对磷石膏和纯硅酸三钙（C3S）进行了预处理研究,使用VESTA软件对磷石膏微观结构进行了三维原子可视化模拟,基于DFT理论得出了C3S溶液水化反应中Ca OH+、H2Si O42-、Al（OH）4-和Ca2+等离子的相互作用对水化产物的成核和生长影响规律。（2）通过XRD、SEM、TG-DTG和29Si MAS-NMR分析表明早期磷石膏的加入促进了钙矾石的形成、C3S的溶解和C-S-H凝胶的聚合并发生形态转变,部分可以使C-S-H凝胶向更致密的C-A-S-H凝胶转化。（3）对矿物相的晶体结构及其组成进行了Rievlted-XRD定量分析,采用Rievlted-XRD和ICP-AES定量测定了硬化浆体水化产物矿物相的晶体结构、组成及表面离子浸出量,构建了C-S-H和C3S在固体颗粒表面加速成核和生长过程的规律图,揭示了PG与C3S水化协同效应。5.通过分析总结现有复合胶凝材料中的29Si和27Al NMR图谱解析,研究了29Si和27Al NMR在SCM-水泥基复合胶凝材料中的应用,构建了磷石膏-水泥复合胶凝材料29Si和27Al NMR图谱,分析了Ca/Si和Al/Si比对硅链的成核机制。（1）采用交叉极化（Cross Polarization,CP）和魔角旋转（Magic Angle Spinning,MAS）等方法对29Si和27Al NMR进行了图谱解析,构建了29Si和27Al NMR在SCM-水泥基复合胶凝材料的拟合图谱,得出了29Si和27Al NMR在SCM-水泥基复合胶凝材料的特征参数。（2）通过采用动态核极化（DNP）、密度泛函理论（DFT）和NMR实验相结合,分析了不同Ca/Si和Al/Si比对硅链的影响,构建了C-（A）-S-H结构单元的原子级模型;通过相对配位能、XRD、NMR分析,测定了29Si和27Al NMR在磷石膏-水泥复合胶凝材料中的特征参数。（3）通过分析29Si和27Al NMR特征参数与C-（A）-S-H的关系,给出了基于DFT理论C-S-H结构的分子动力学方程,构建了29Si和27Al NMR二维光谱图;通过Materials Studio软件绘制了C-A-S-H分子动力学模型图,总结了Ca/Si和Al/Si比对硅链的成核机制。