我国北部寒冷地区进行混凝土结构设计或者施工时,必须考虑低温对混凝土力学性能的影响。水泥基材料由于内部孔隙水在低温下结冰,其力学性能与常温相比有较大的差异。为此,需要对水泥基材料在低温下的力学性能进行深入的研究,为低温环境下的混凝土结构设计提供理论参考。本文制作了270个100mm的水泥基立方体试件、180个100mm×100mm×400mm的水泥基棱柱体试件,采用0.35、0.50、0.65三种水灰比并考虑有无引气剂的影响,研究混凝土、砂浆、水泥净浆三种水泥基材料的抗压强度、劈裂强度以及动弹性模量在20℃、-10℃、-20℃、-30℃和-40℃五个温度下的差异。同时对常温和低温下的试件进行导电性检测,计算试件在低温下的结冰量,建立结冰量与力学性能之间的联系,从而揭示低温下水泥基材料力学性能强化机理。主要研究内容与结论包括:(1)立方体抗压试验结果表明:抗压强度均随温度降低成线性增大,水灰比为0.50的加气混凝土试件在-10℃、-20℃、-30℃、-40℃时的抗压强度相对20℃的增幅分别为113%、124%、136%、147%;水灰比越大,抗压强度越小,但低温下增幅越大,水灰比为0.35、0.50、0.65的砂浆试件在-40℃时的抗压强度相对20℃的增幅分别为164%、175%、190%;由于含水量不同,低温下水泥净浆抗压强度增幅最大,砂浆其次,混凝土最小,水灰比为0.50的加气水泥净浆、砂浆、混凝土在-40℃时的抗压强度相对20℃的增幅分别为189%、175%、147%;添加引气剂后由于孔隙增多,抗压强度常温下较无引气剂小,但低温下强度增量比无引气剂大,砂浆试件有无引气剂在-40℃时的抗压强度相对20℃的增幅分别为175%、160%。立方体劈裂试验结果表明:温度降低,劈裂强度逐渐增大,增长趋势不是线性增大且增幅比抗压强度大;低温对加气水泥基材料劈裂强度影响更大,砂浆试件有无引气剂在-40℃时的劈裂强度相对20℃的增幅分别为199%、166%。棱柱体动弹性模量试验结果表明:动弹性模量增强规律与抗压强度基本一致,但低温下的增幅比抗压强度小。(2)水泥基立方体试件导电性试验结果显示,电阻值均随温度降低而增大;三种水泥基材料中混凝土电阻最大,砂浆其次,水泥净浆最小;水灰比愈大,电阻受低温的影响愈大;有引气剂低温下电阻比无引气剂大。将电阻值等参数代入结冰量计算模型进行分析,结果表明:结冰量随着温度的降低而增大;由于含水量不同,水泥净浆结冰量最大,砂浆其次,混凝土最小;水灰比愈大,低温下的结冰量也愈大,有引气剂的水泥基材料结冰量比无引气剂的大。(3)将试件结冰量结合低温下力学性能相对常温下的增量进行分析,得到试件抗压强度增量与试件结冰量之间成线性关系,而劈裂强度增量与试件结冰量之间成指数函数关系。未来有望通过检测水泥基材料结冰量来估算其力学性能强化效果,形成一种有效的无损检测方法。