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延长现役混凝土的使用寿命是关系国计民生的重要课题,我国每年因混凝土性能劣化导致的经济损失巨大。由服役环境引起的混凝土劣化是由表及里的过程,表层混凝土质量的好坏直接影响整个结构抗劣化能力的大小。纳米二氧化硅（NS）是一种颗粒尺寸极小,并具有高火山灰活性的物质,众多研究者将NS引入到水泥基材料中对其进行改性,结果表明NS可以提升水泥基材料的力学性能。本文采用多种矿物掺合料协同作用,基于紧密堆积理论制备出力学性能好,孔隙率低的纳米改性砂浆（NM）,并将10mm左右厚度的纳米改性砂浆涂覆于普通C40混凝土的表面,形成表层为纳米改性砂浆,内部为C40混凝土的双层梯度结构（NM&C40）,并研究其耐久性和协同工作性能,以期为高性能水泥基材料作为普通混凝土的表层保护材料奠定基础。首先是纳米改性水泥基保护层材料的设计与制备。将Dinger-Funk方程作为目标方程,通过Matlab和Excel对多种矿物掺合料的粒径分布优化求解,得到紧密堆积体系的基础配比,并通过力学性能验证此配比,在基础配比上掺入NS,以求进一步提高密实度。结果表明,紧密堆积体系的力学性能最优,孔隙率较低（6.52%）,在紧密堆积体系中掺入NS后,力学性能进一步提升,孔隙率进一步降低（4.72%）,通过SEM观察可以发现,相较于C40混凝土,纳米改性砂浆的界面过渡区更为致密。其次,对NM&C40的耐久性以及两者之间的协同工作性能进行研究。电通量法、快速氯离子迁移法结果显示,纳米改性砂浆保护层材料可以显著降低C40混凝土的电通量和氯离子迁移系数;在淡水冻融中,具有纳米改性砂浆保护层的C40混凝土可承受300次冻融循环,而C40混凝土只能承受130次冻融循环;抗碳化结果显示,C40混凝土的碳化深度为9.5mm,而NM&C40结构表层基本不碳化（碳化深度为0mm）;通过研究纳米改性砂浆与普通砂浆两者的粘结强度表明,在流动度适宜的情况下,并对两者界面进行凿毛等处理可以使粘结强度达到4.75Mpa;纳米改性砂浆干燥收缩和自生收缩较高,但由于与各种矿物掺合料的协同作用,使其收缩率与C40混凝土处于同一数量级,具有较好的协调收缩能力;通过SEM观察纳米改性砂浆与C40混凝土之间的过渡区形貌,两者之间致密无缝隙,过渡区钙硅比呈现线性分布。最后探索了具有相同化学组成的纳米SiO2和硅灰（SF）对水泥基材料的协同改性效应。研究了纳米SiO2和硅灰对水化进程,抗压强度发展,孔结构的影响。结果表明,水泥净浆的抗压强度随纳米二氧化硅的增加而增加,特别是在早期。相较于10%SF,掺加7%SF与3%NS的水泥净浆具有最高的抗压强度（51.93Mpa）。当采用3%NS取代SF,水泥水化加速,氢氧化钙被更多消耗并生成C-S-H,水泥净浆的孔隙率降低,有害孔孔比例减少,孔径分布得到改善。