在混凝土中使用粉煤灰代替部分水泥是一个有效利用粉煤灰的方式。在混凝土中掺入比水泥更多的粉煤灰,即粉煤灰占总胶凝材料的质量分数大于50%,可得到大掺量粉煤灰混凝土。这种混凝土存在诸多优点,例如更具发展潜力的后期强度、更低的干缩、更经济的制造成本,在实际工程中也得到了一定程度上的应用,包括大体积混凝土、自密实混凝土、碾压混凝土和纤维增强混凝土等。但是目前大掺量粉煤灰混凝土应用范围不广,这主要与其早期强度较低和抗冻性较差有关。大掺量粉煤灰混凝土中的粉煤灰在早期的水化程度较低,导致了混凝土在早期的力学强度的降低;而粉煤灰中往往含有未燃烧完全的碳,降低在大掺量粉煤灰混凝土中使用引气剂的引气效果,进而影响了抗冻性的提高。本文提出一种非引气的改善大掺量粉煤灰混凝土性能的综合措施。首先从粉煤灰在大掺量粉煤灰体系中的水化特性入手,通过试验设计优选出了在强度性能上最优异的大掺量粉煤灰体系配合比。然后在采用最优配合比的大掺量粉煤灰体系中分别通过合适的措施改善了其传输性质、浆体微观结构性质和界面过渡区性质。将这三部分的研究中取得最优性能的大掺量粉煤灰混凝土分别进行了进一步试验,对大掺量粉煤灰混凝土提出了多相球体模型,采用抗冻性对模型进行了验证。在本文选取的影响因素范围内,以抗压强度作为优化标准,大掺量粉煤灰砂浆的最优配合比为粉煤灰占胶凝材料的质量分数为60%、水胶比为0.3、无其他替代掺合料。大掺量粉煤灰砂浆中粉煤灰颗粒内部不同相在粉煤灰水化过程中起到的作用不同,Ca相参与到粉煤灰水化反应中的速度要快于Si相或Al相。不同掺量条件下,采用背散射图像处理得到的C类粉煤灰的28d水化程度相近,都超过60%。在大掺量粉煤灰砂浆中掺加合适的非聚合物外加剂或者聚合物外加剂都可以改善其传输性质（降低吸水性）,同时不降低砂浆的力学性质。在降低砂浆的透气性方面,聚合物外加剂表现更加突出;在优化砂浆的孔结构、降低孔临界半径方面,非聚合物外加剂的表现更加明显。氧化石墨烯在0.01%到0.1%的掺量下可以提高粉煤灰的水化程度,同时抑制裂缝的扩展,达到提高混凝土中浆体的显微硬度、划痕表面粗糙度、划痕硬度和摩擦系数的效果。超过0.05%的掺量后,氧化石墨烯灰发生团聚,对浆体微观结构产生不利影响。使用含有氧化石墨烯或者纳米二氧化硅的水泥净浆可以成功对对混凝土中的粗骨料进行表面包裹处理,改善混凝土中的界面过渡区。在纳米材料使用量仅为直接掺加的情况十分之一或者更少的情况下,界面过渡区的微观结构更加致密,孔隙率降低,水化产物增多,对混凝土的劈裂强度、吸水性、氯离子渗透性和抗冻性都有不同程度的改善效果。氧化石墨烯作为一种亲水性纳米材料,掺加在大掺量粉煤灰混凝土后由于增加吸水性而显著降低了其抗冻性。掺加化学外加剂、对粗骨料进行纳米二氧化硅改性水泥净浆包裹都可以提高混凝土的抗冻性。考虑未水化粉煤灰的存在而提出的四相球体模型对动弹模量的预测值与实测值匹配良好,证实大掺量粉煤灰混凝土在冻融循环中的破坏主要发生在胶凝浆体中,由特定循环次数后吸水率进行表征的等效水胶比增长迅速,降低起弹性模量。本文聚焦于大掺量粉煤灰混凝土,针对其早期强度低和抗冻性不佳的缺点进行了深入研究。从大掺量粉煤灰混凝土中粉煤灰的水化特性及混凝土抗冻性的改性机理层面探讨了混凝土抗冻性提升的措施。这些措施可以扩大这种绿色环保混凝土在实际中的运用,对这些措施的改性机理的研究可以用来指导解决在实际中使用大掺量粉煤灰混凝土发现的新问题。