水泥基材料泛指所有以胶凝材料为原料制备的材料和制品,从材料和力学学科观点出发,其宏观性能具有非线性、模糊性、不规则性和不确定性等特征,这些特征正是其微观结构复杂性的反映。作为随时间变化的非均匀固体介质,掌握水泥基材料随时间而变的力学、物理和化学等性能是一个涉及多学科复杂的工程和科学问题,并且具有重要的科学和经济意义。这个问题的研究和处理虽然有近百年历史,传统上是由材料科学和土木工程人员担任,但随着近十年来国际上微纳米科学技术的发展,从微纳米尺度对水泥基材料物理、化学和力学的性能研究正引起多学科研究工作者的兴趣,也是西方许多国家优先资助的研究领域之一。本文从微纳米尺度出发,建立了水泥基材料干燥过程中的双微纳米孔洞的坍塌模型,基于以上模型计算Gibbs自由能,讨论了孔洞间距、孔径大小等因素对微观结构稳定性的影响,为研究多孔材料的微观结构稳定性提供依据。其次,根据K.B. Park提出的中心粒子水化微观模型,考虑了由于自由水和与自由水接触相界面积的减少导致的水泥水化速率的下降,从而建立了波特兰水泥的微观水化模型,可用于预测水化速率随水化程度的变化关系。结果表明,修正后的模型可以模拟水泥水化速率随水化程度变化的曲线,与试验结果吻合较好。粉煤灰、矿渣等复合水泥在高性能混凝土的中大量使用,但其水化性能研究并不充分,现综合考虑粉煤灰的三大效应,对前述普通硅酸盐水泥中心粒子水化模型进一步修正,提出了粉煤灰-水泥水化模型。模型计算结果与试验结果对比可知,根据该动力学方程可对不同温度、不同粉煤灰掺量下,粉煤灰-水泥的水化速率和水化程度进行预测。