钢纤维增强水泥基是典型的多相多尺度非均质材料,可以将其看作是由钢纤维、水泥基以及界面过渡区三相组成的复合材料。其中界面过渡区起到了桥接作用,将钢纤维与水泥基这两者性质完全不同的材料连接起来,使之形成一个整体。迄今,关于纤维增强水泥基复合材料的宏观力学性能已取得较大的进展,研究成果颇为丰富。但由于材料整体的宏观力学表现(如强度、延性、徐变、收缩以及断裂等)与其界面在纳米尺度的力学特性密切相关,因此研究界面过渡区的微、纳观力学性能,对于更好地控制和改善宏观力学行为具有十分重要的意义。鉴于此,本文在国家自然科学基金项目“钢-聚丙烯混杂纤维混凝土多尺度本构关系:从纳米尺度到宏观尺度”(编号51478367)的资助下,对不同水灰比条件下钢纤维增强水泥基复合材料界面过渡区(ITZ)的纳米力学性能进行了研究,主要工作及成果如下:(1)采用电子扫描显微镜(SEM)对钢纤维-水泥基界面过渡区进行扫描观察,探究距离纤维表面不同位置处界面过渡区内微观形貌特征的变化规律。结果表明:距离纤维表面10μm处,未见定向排列的氢氧化钙晶体和较大的孔洞,整体微观结构较为致密;距离纤维表面20μm处,可见较大的孔洞和大量定向排列的氢氧化钙晶体,整体微观结构较为疏松。(2)通过纳米压痕试验,测试界面过渡区及其附近区域的荷载-压痕深度曲线,同时运用Oliver-Pharr方法,研究不同样品距纤维表面不同位置处弹性模量和硬度的分布规律,并绘制相应的微结构表征云图。结果表明:①水灰比的变化对界面过渡区的厚度影响不大,不同水灰比样品界面过渡区的厚度均约为40μm;②在界面过渡区内,随距钢纤维表面厚度的增加,弹性模量和硬度值均出现先下降后上升的变化趋势,且均低于水泥基体的;当离钢纤维表面距离相同时,弹性模量与硬度值均随水灰比的增大而减小;③界面过渡区内,弹性模量和硬度的最弱点在距纤维表面20μm附近。(3)利用反褶积法对不同水灰比样品界面过渡区和基体弹性模量及硬度的频率分布曲线进行多峰拟合,得到不同物相的频率分布。结果表明:①水灰比会影响物相的分布情况。在界面过渡区内,可以拟合出孔洞、低密度水化硅酸钙凝胶、高密度水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙以及未水化的颗粒这几个分布峰,而在基体中却没有拟合出孔洞这个分布峰;②水灰比会影响界面过渡区和基体中各物相的体积分数。在低水灰比中,水化产物主要为力学性能较高的凝胶体,而在高水灰比中,主要水化产物为力学性能较低的凝胶体。随着水灰比的增大,界面过渡区水化产物中低密度凝胶相的体积分数逐渐增大而高密度凝胶相的体积分数逐渐减少。(4)将钢纤维界面过渡区内弹性模量(硬度)的变化规律与聚丙烯纤维界面过渡区内、混凝土界面过渡区内的弹性模量分别进行对比分析,结果表明:①钢纤维界面过渡区与聚丙烯纤维界面过渡区的厚度相差较大,且两者弹性模量(硬度)随距离变化的规律不一致:聚丙烯纤维界面过渡区内的弹性模量和硬度随离纤维表面距离的增大均呈现增大的趋势,而钢纤维界面内的弹性模量和硬度随离纤维表面距离的增大而均出现先下降后上升的趋势;②钢纤维界面过渡区弹性模量(硬度)随距离的变化规律与轻集料界面过渡区的变化规律也不一致:轻集料-浆体界面过渡区内的弹性模量和硬度随着与集料表面距离的增加而平缓上升,而钢纤维-水泥基界面过渡区内的弹性模量和硬度随着与纤维表面距离的增加呈先下降后上升的趋势;③钢纤维界面过渡区、聚丙烯纤维界面过渡区以及集料界面过渡区,均是属于薄弱环节。(5)预测钢纤维增强水泥基复合材料整体弹性模量值。首先运用多涂层理论分析得到含有纤维与界面过渡区的一级二相弹性模量值,然后运用均匀化理论分析得到基体的等效模量,最后分析得到钢纤维增强水泥基整体复合材料弹性模量的理论值,并与试验结果进行对比。结果表明:理论推导的计算结果与试验结果吻合良好,可为钢纤维增强水泥基复合材料性能控制和设计的探究以及对纤维混凝土多尺度本构模型的构建提供理论依据。