水泥基材料脆性大、原生缺陷多,在使用过程中不可避免地会产生微裂纹,形成侵蚀性离子扩散通道,加速水泥基材料劣化或钢筋锈蚀。在水泥基材料中引入超吸水聚合物可实现裂缝的快速闭合,阻挡有害离子的侵入,但其引入的大孔对水泥基材料力学性能的降低制约了其在水泥基材料的应用,而超吸水聚合物的尺寸,溶胀性能及其影响区域是其影响力学性能的主要因素。海藻酸钙凝胶是一种具有低溶胀率的性能可控的吸水性材料,其对水泥基材料的力学性能影响小,还可作为生物模板促进无机矿物的结晶,是一种非常有潜力的可用于水泥基材料自愈合的吸水性材料。实现海藻酸钙凝胶的尺寸及溶胀性能的可控并了解其影响区域对海藻酸钙基水泥基材料的力学性能的调控和改善是必要的。海藻酸钙凝胶的生物模板作用将对水泥基材料的水化及自愈合产生不同于超吸水聚合物的影响。此外,未水化水泥的粒径分布对掺加吸水性材料的水泥基材料的自愈合效率起主要作用。鉴于以上背景,本文首先通过质子化理论制备了海藻酸钙凝胶并实现其尺寸和溶胀性能的调控;其次研究了其对水泥水化的影响区域,基于其影响区域提出了掺加海藻酸钙凝胶的水泥基材料的强度预测模型;然后探索了海藻酸钙凝胶对水泥水化和自愈合的影响原理;此外,提出了基于体视学方法和背散射图像分析的表征未水化水泥粒径分布的方法,并基于此粒径分布探讨了掺加和不掺加海藻酸钙凝胶的自愈合潜力。本文主要研究工作及结果如下:提出了一种基于质子化理论的海藻酸钙凝胶的制备原理及工艺,研究了制备的海藻酸钙凝胶的分子结构,分析了海藻酸钠的尺寸和Ca Cl2溶液的浓度对海藻酸钙凝胶的尺寸、溶胀性能及自闭合效率的影响及调控原理。研究发现海藻酸钙凝胶的尺寸主要和海藻酸钠的尺寸有关,其溶胀性能及其交联程度主要取决于Ca Cl2溶液的浓度。此外,裂缝自闭合宽度随着海藻酸钠尺寸的增加而增加,但是随着Ca Cl2溶液浓度的增加而减小。基于背散射图像分析技术,提出了一种海藻酸钙凝胶对水泥水化影响区域的原位分析方法,并提出了基于海藻酸钙凝胶的影响宽度、尺寸、溶胀性能和掺量的掺加海藻酸钙凝胶的水泥基材料的强度预测模型。研究发现掺加1%海藻酸钙凝胶的水泥石中海藻酸钙凝胶的影响宽度为0-13微米,且海藻酸钙凝胶主要在1d-3d龄期之内释放水。此外,预测和试验所得的掺加海藻酸钙凝胶的水泥基材料的强度相近,预测模型可靠。研究了海藻酸钙凝胶对水泥水化和自愈合产物的种类、含量、形貌和分子结构的影响,并分析了海藻酸钙凝胶对水泥水化和自愈合产物形成的影响机制。研究发现海藻酸钙凝胶的掺加不改变水化产物的种类和形貌,但提高了水化产物的含量,且海藻酸钙凝胶表面的水化产物通过化学键与海藻酸钙凝胶结合。海藻酸钙凝胶的掺加也促进了自愈合产物中Ca CO3的结晶,且海藻酸钙凝胶表面的Ca CO3由于海藻酸钙凝胶的分子结构和化学键的形成主要表现为球霰石。基于体视学方法和背散射图像分析,探索了不同粒径水泥颗粒水化深度和未水化水泥颗粒粒径分布的原位表征方法,并表征了掺加和不掺加海藻酸钙凝胶的水泥基材料中不同粒径水泥颗粒水化深度和未水化水泥颗粒粒径分布。研究发现掺加和不掺加海藻酸钙凝胶的硬化水泥浆体中10微米以下的水泥颗粒水化深度约为2微米,但是掺加海藻酸钙凝胶的硬化水泥浆体大于25微米的水泥颗粒的水化深度明显高于未掺加的,且大粒径的未水化水泥颗粒的体积分数较小,海藻酸钙凝胶促进了大粒径水泥颗粒的水化。基于未水化水泥再次水化的愈合机制提出了不同开裂模式下裂缝不同位置的愈合效率及不同粒径未水化水泥颗粒的愈合效率的预测模型,并基于未水化水泥的粒径分布和裂缝穿过未水化水泥不同截面的概率预测了掺加和不掺加海藻酸钙凝胶的水泥石中一条贯穿裂缝的愈合效率。研究发现当裂缝穿过未水化水泥赤道位置时裂缝的愈合效率最大;当裂缝绕过未水化水泥颗粒时,裂缝的愈合效率明显小于其穿过未水化水泥颗粒时的愈合效率;裂缝的愈合效率随着未水化水泥粒径的增大而增大。此外,预测的基于未水化水泥再次水化的掺加和不掺加海藻酸钙凝胶的水泥基材料分别能够闭合7微米和10微米的贯穿裂缝,但是试验发现由于愈合产物的密度降低及海藻酸钙凝胶促结晶的作用掺加海藻酸钙凝胶的水泥基材料的愈合效率提高。