磷酸镁水泥(MPC)通常由MgO、可溶性磷酸盐、适量缓凝剂组成,在有水的条件下能同时发生酸碱反应和水化反应。与普通硅酸盐水泥相比,MPC具有截然不同的凝结硬化机理、物相组成和微观结构,因而表现出了众多独特的性能。但同时MPC基材料也存在脆性大、抗裂性及变形能力差等不足,向其中掺入纤维能有效解决上述问题。目前,包括无机纤维、有机纤维和钢纤维等各类纤维都有被用作MPC基材料的增强材料。但人们在制备各类MPC基复合材料(MPCC)时既未充分考虑MPC基体和各类纤维的特点,也未完全发挥两者的优势。结果导致现有MPCC的力学性能并非十分出众、性价比不高,不利于MPCC的推广应用。因此,进一步提升MPCC的力学性能,开发具有高与超高强度的MPCC,对MPC的发展具有重要意义。为此,本文通过对现有高强MPC基材料进行配比优化,以期获得具有超高强度的MPC基体(UHSMPC);在此基础上,再将其与钢纤维复合,进一步制备超高强MPCC(UHSMPCC),并对其力学性能展开系统研究。本文首先基于基本的MPC水化硬化理论,提出了适用于UHSMPC材料胶凝组分配合比设计的思路,主要包括:选取较大的M/P值(3–5)和适宜的缓凝剂掺量(一般B/M低于10%),并根据所选定M/P值对应的理论最低用水量合理确定实际用水量;选用粉煤灰作为辅助胶凝组分。在该思路的指导下,设计了一系列胶凝组分配比,并试验研究了UHSMPC材料在不同配比参数下的流动性能、收缩性能和强度发展情况。结果显示,在M/P=3–4范围内,UHSMPC浆体的流变参数对水胶比变化较为敏感,UHSMPC材料具有明显低于超高性能水泥基复合材料(UHPCC)的长期自收缩和总收缩。研究还发现超细粉煤灰在UHSMPC材料中具有较好的“增塑”或“减水”作用;通过“减水”作用,掺加10%–15%的超细粉煤灰可有效提升UHSMPC基体的强度。论文建议配制UHSMPC材料时宜优选超细粉煤灰作为基本胶凝组分之一,实际用水量宜为理论最低用水量的80%–100%,砂胶比为0.8–1.0,据此制备的UHSMPC材料同时具有良好工作性和较低收缩,并且其28 d抗压强度可以达到100 MPa–120 MPa。通过将钢纤维引入UHSMPC基体来制备UHSMPCC,评价了钢纤维对拌合物工作性的影响,利用图像法分析了钢纤维在UHSMPC基体中的分散和取向特征。通过多根纤维拔出试验研究了钢纤维与UHSMPC基体的界面粘结性能,包括界面粘结强度、拔出能等。重点考察了超细粉煤灰和钢纤维对UHSMPCC抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响,并与UHPCC的力学性能进行了对比。研究结果表明,当纤维系数(χ_f)≤1.5时,掺入光圆直纤维不会明显降低拌合物的流动扩展度;掺加不超过3%的中长纤维能获得较好的纤维分散和取向。掺加超细粉煤灰有助于提高纤维-基体的界面粘结性能和UHSMPCC的力学性能。掺入2%中长纤维的UHSMPCC其28 d抗压强度和抗折强度分别可达160 MPa和34 MPa。使用长纤维和端钩纤维能有效提高纤维利用率,大幅提升UHSMPCC的抗折强度和劈裂抗拉强度。在相同基体强度和χ_f下,相比UHPCC,钢纤维对UHSMPCC力学性能的增强作用更明显。分别通过直接拉伸试验和三点弯曲试验研究了UHSMPCC在拉伸和弯曲荷载下的力学响应特征,重点关注了超细粉煤灰和钢纤维对初裂行为、裂后行为及韧性/断裂能的影响,明确了UHSMPCC在不同材料参数下的断裂行为。结果表明,掺加超细粉煤灰对初裂力学行为影响较小,但能明显改善裂后力学性能。增加纤维掺量和长度有助于提高初裂抗拉强度,改善多缝开裂行为,并显著增加极限抗拉强度、极限应变及峰值韧性。纤维掺量和长度变化对弯曲荷载下的初裂行为影响较小,但峰值荷载、峰值挠度和断裂能会随着纤维掺量和长度的增加而显著提高。研究结果还表明,χ_f须大于某一临界值,UHSMPCC才能获得应变/变形硬化效果。最后,通过扫描电镜和压汞仪分析了UHSMPCC材料的微结构特征,初步揭示超细粉煤灰和钢纤维对UHSMPCC强度的贡献机制。微观分析结果表明,超细粉煤灰起到密实基体、细化孔结构和优化基体-集料/钢纤维界面的作用。通过总结分析影响钢纤维增强增韧效果的因素,指出UHSMPCC的优异力学性能是立足于UHSMPC基体和钢纤维之间具有较强的粘结作用。基于复合材料理论,采用基体抗弯强度、纤维-基体界面粘结强度和纤维参数来计算UHSMPCC的弯曲强度,发现计算值与试验值能较好吻合。