水泥基材料长寿命服役和安全运行是实现我国“十三五”规划和“一带一路”发展战略的重要保障。而在研究组成对水泥基材料劣化行为的影响时,发现碱虽是水泥基材料中的一种微量组分,却很大程度上控制着水泥基材料的早期收缩和开裂,严重影响了其结构安全性和耐久性。所以,碱作为劣化组分被严格控制。随着现代水泥基材料组分的多样化及服役环境的日趋恶劣,碱的来源向多元化发展,变得越来越难以控制。在研究碱对水泥基材料的劣化问题时,一般以当量Na2Oeq(Na2Oeq=Na2O+0.658K2O)来考虑碱含量,未对Na+、K+的影响予以区分,且在水泥基材料中Na+、K+有着ROH、R2S04和RCl(R为Na和K)等多种存在形式,而这些因素对分析和控制水泥基材料早期收缩和开裂带来诸多不确定性。因此,有必要开展不同类型碱对水泥基材料早期收缩和开裂影响的研究,以满足现代水泥基材料在不同劣化环境下的长寿命服役要求。本文依托国家重点基础研究发展规划(“973”计划项目)—“严酷环境下混凝土材料与结构长寿命的基础研究-严酷环境下长寿命混凝土材料微结构形成与调控”(2015CB655101)以及国家自然科学基金项目(面上基金)—“水工混凝土纳米粒子结构参数多样性研究及性能调控”(51379163)。研究了不同类型碱对水泥基材料收缩和开裂性能影响的差异性。并基于现代材料检测技术-等温量热仪、压汞仪、非接触电阻率仪、高分辨固体核磁共振、扫描电子显微镜及纳米压痕技术等,从宏观到微观,系统的探索了不同类型碱对水泥基材料收缩和开裂差异性的影响机制。同时,以活性砂岩石粉为新型掺合料,研究了其含碱量对水泥基材料ASR膨胀变形的抑制作用,并从碱溶出及碱固化角度,提出了合理利用新型掺合料抑制ASR膨胀变形的关键因素。从而为有效控制不同类型碱对水泥基材料收缩、开裂及耐久性劣化行为提供一定的理论和技术支撑。主要研究结论如下：1.通过研究水泥基材料水化产物中A1相和Si相的组成、迁移形式及微观力学特性,系统的分析和揭示了当外界碱为ROH型时,Na+和K+对水泥基材料早期收缩和开裂影响机制,可为修正水泥基材料收缩和开裂模型提供了原子尺度的力学参数。K+比Na+更易促进水泥基材料早期收缩,包括化学收缩、自收缩及干燥收缩,从收缩应力上分析,其作用机制表现为K+比Na+促进了水泥基材料孔结构的进一步细化,赋予了水泥基基体更大的收缩驱动力；而从主要变形相C-S-H分析,其作用机制表现为K+比Na+更易促进C-S-H的增多、C-S-H聚合度的提高,并减少了限制变形的AFt相。相同浓度下,K+比Na+使水泥基材料早期开裂敏感性提高50%,其很大程度上决定于收缩率的大小,但更为重要的微观机制在于：①K+比Na+更易降低C-S-H簇间的粘结力,使C-S-H更易彼此脱粘；②K+比Na+更易增加Al原子对C-S-H链中Si原子取代率,使C-S-H的力学性能降低；③K+比Na+更易增加HD C-SH-/LD C-S-H比值,降低了水泥基材料的“延伸性”。2.通过研究水泥基材料水化硬化过程、孔结构、水化产物电学特性及Al相和Si相的迁移特征,揭示了不同类型碱,包括ROH、R2S04和RCl,在水泥基材料中的作用机制及对收缩和开裂的影响机制。这为在不同劣化环境中,合理控制水泥基材料收缩和开裂提供了技术支撑。根据对水泥基材料收缩和开裂性能的影响,不同类型碱的作用程度,由大到小的顺序为RC1>R2SO4>ROHO基于宏观和微观分析,不同类型碱对收缩性能的影响规律,与不同阴离子对水泥水化历程和微结构发展差异性有关,表现为孔结构细化程度、AFt向AFm的转化效率、Al取代率及C-S-H聚合度的不同。而对于开裂性能,除与收缩性能有关外,还需要关注的是不同类型碱影响了C-S-H表面电学特征,使其对孔隙溶液中的离子吸附发生改变,影响了C-S-H簇问的粘结特性。此外,在不同类型碱中,Na+和K+对收缩和开裂的影响也不同。对于收缩性能,在所有研究的碱类型中,K+比Na+更易促使水泥基材料收缩变形。但对于开裂性能,在ROH中,K+比Na+更易促进水泥基材料开裂,而在RC1和R2SO4中,Na+比K+更易促进水泥基材料开裂。这主要归因于不同碱类型下,Na+和K+对水泥浆体水化进程及微结构形成的促进作用不同,即水泥基材料早期结构发展越快,越容易开裂。3.以具有一定碱含量的砂岩石粉作为新型掺合料,在探明砂岩石粉取代方式、掺量和比表面积对水泥基材料内部碱含量的影响前提下,通过研究砂岩石粉活性、碱溶出及固碱特征,建立了砂岩石粉参数与抑制ASR型膨胀变形的关系,并揭示了其抑制作用的机制。这为合理利用新型掺合料有效抑制ASR型膨胀变形指明了方向。砂岩石粉对抑制ASR型膨胀变形的效果随比表面积的提高,先减小在增大,发生最大膨胀变形的比表面积为610m2/kg,但在一定的比表面积和掺量下可有效抑制ASR,其作用特点表现为：砂岩石粉的总碱溶出量随比表面积的增加而增大,对水泥基材料孔隙溶液碱浓度有提高作用,但增加石粉比表面积的同时也提高其水化活性,这又进一步促进了可有效固碱的水泥水化产物C-S-H的含量和聚合度的提高,使水泥基材料固碱量增加,当这种固碱量大于碱溶出量时,水泥基材料膨胀量降低,反之膨胀量增加。此外,在相同掺量下,砂岩石粉以取代砂的掺入方式抑制效果高于取代水泥的掺入方式。4.对比分析了掺粉煤灰或矿渣的水泥基材料水化历程差异、浆体孔溶液特征、水化产物C-S-H的Ca/Si比及结构组成,从宏细观角度探究了粉煤灰和矿渣对水泥基材料早期收缩开裂影响的机理。这为合理选择抑制不同类型高碱水泥基材料收缩和开裂的措施提供理论依据。在非高碱的水泥基材料中,掺量均为30%的粉煤灰和矿渣都可有效抑制水泥基材料的早期收缩和开裂。但在高碱水泥基材料中,粉煤灰仅能有效抑制ROH和R2S04类型碱的收缩和开裂,而矿渣基本不具备抑制高碱水泥基材料收缩和开裂的能力。基于碱吸附效应考虑,导致这种现象出现的原因在于粉煤灰较矿渣更易促进低Ca/Si比C-S-H的生成,使水泥基浆体吸附碱的能力增加,降低了碱的作用效果；而基于碱激发效应考虑,导致这种现象的原因在于碱对矿渣的激发效应明显高于粉煤灰,造成了矿渣体系中的水化历程、孔结构细化程度及弹性模量发展明显高于粉煤灰体系,使得矿渣体系中收缩驱动力增加,同时应力累积加速,收缩和开裂敏感性增加。需要注意的是RCl对粉煤灰体系和矿渣体系收缩和开裂的影响,很大程度上取决于其对水泥水化的影响,当RCl大量存在时,常规的抑制水泥基材料收缩和开裂的方法值得商榷。此外,对于Na+和K+的影响,粉煤灰和矿渣提高了抑制含较高Na+水泥基材料收缩和开裂的能力,主要的原因在于粉煤灰和矿渣的二次反应生成了大量低Ca/Si比的C-S-H,其吸附Na+的能力大于K+,由此降低了Na+的作用效果。