碳纳米管(Carbon nanotubes,以下简称CNTs)具有轻质、高强度、高耐热性、高比表面积等特殊性能,无论是强度还是韧性,都远远优于任何纤维,被认为是未来的“超级纤维”。碳纳米管能改善水泥基复合材料的强度和韧性,显著提高其耐久性,还可赋予水泥基复合材料导电导热、电磁屏蔽、压电等诸多新型功能性性能,为新一代的结构复合材料和功能复合材料提供了新的发展空间。因此,研究碳纳米管对水泥基材料微结构及宏观性能的影响规律及机理,对这一新型复合材料的发展意义重大。全文紧紧围绕碳纳米管水泥基材料宏观性能及微观结构的演化这一核心问题,结合碳纳米管的分散技术,分析了不同分散方法对其在水泥基材料中分散性的影响,提出了碳纳米管在水泥基材料中分散性的定量表征方法；运用现代化的测试技术,在微纳米尺度上对水泥基复合材料中主要水化产物(不同密度CSH凝胶的组成)、未水化水泥颗粒、各层次界面、孔等信息进行了定性和定量表征；分析了碳纳米管对水泥基材料强度、韧性、耐磨性、弹性模量等宏观力学性能的影响规律,结合微结构演化规律,讨论了碳纳米管水泥基材料的微观结构与宏观性能的之间的联系；探讨了碳纳米管水泥基复合材料电阻率随载荷的变化规律,结合复合材料的微结构特征和机敏性分析,确定了碳纳米管水泥基复合材料随载荷变化的机敏性机理。本文取得的主要研究结论和创新性成果包括以下五个方面：(1)提出了碳纳米管水性分散体的制备技术及其分散性的定量表征方法首先根据碳纳米管的结构特征,确定了超声波分散与分散剂分散相结合的分散方法,根据透射电镜的实验结果,确定碳纳米管分散体的分散性和稳定性均较优的分散制度为,先将分散剂缓慢加入水中,磁力搅拌2-3分钟至均匀,缓慢加入碳纳米管,再磁力搅拌2分钟,然后搅拌好的分散液超声分散30分钟,采用聚乙烯吡咯烷酮为分散剂,分散剂与碳纳米管的质量比为2：1。然后,运用Image软件对采用透射电镜等测试技术获取的图像进行二值化处理和1分析,运用基于统计方法的概率密度函数对碳纳米管在水泥基材料中的分散性进行表征,颗粒粒径为自变量,以粒径实际尺寸代替像素进行表征,采用Gauss和Lognormal两种函数分别拟合。根据拟合结果,确定采用Gauss函数拟合的碳纳米管粒径分布的统计概率密度函数曲线更为合理,在一定区间内对曲线进行积分,确定碳纳米管分散性的定量表征值,用分散度R表示。(2)揭示了碳纳米管水泥基材料微结构的演化规律及其影响机理首先,采用SEM技术对碳纳米管水泥基复合材料的界面过渡区微观结构形貌进行了分析,并利用BSEM技术和图形处理软件相结合的方法对界面过渡区的孔结构分布进行了定量计算与表征；其次,利用SEM和能谱相结合的技术对碳纳米管水泥基材料的水化产物进行分析；然后,采用压汞技术和计算机断层扫描技术相结合的方法,对碳纳米管水泥基复合材料的微孔结构和宏细观孔结构进行整合分析。实验结果显示,矿物掺合料、基体的水胶比及碳纳米管的分散性等因素均会对碳纳米管水泥基材料微观结构产生影响,分散性良好的碳纳米管能够起到纳米晶核和微填充效应,有效改善水泥基材料的微结构性能。(3)建立了碳纳米管水泥基复合材料宏观力学性能与微观结构特征之间的联系通过研究碳纳米管对水泥基复合材料的抗压强度、抗折强度、耐磨性、断裂韧性等宏观力学行为的影响,分析了碳纳米管的分散性、基体水胶比、矿物掺合料等因素对其力学性能的影响规律。结果表明,分散性良好的碳纳米管可提高水泥基材料的宏观力学性能。随碳纳米管掺量的增加,水泥砂浆的强度、耐磨性和断裂韧性提高,当碳纳米管掺量为0.5%时,水泥砂浆28d抗折和抗压强度分别提高了49.4%和40.8%。当碳纳米管掺量为0.2%时,水泥砂浆的磨耗值由10.1kg/m2降至4.5kg/m2。当碳纳米管掺量分别为0.2%和0.5%时,不掺加硅灰的水泥砂浆裂纹尖端张开口位移分别增大了29%和49%,而掺加硅灰的水泥砂浆则分别提高了210%和230%。然而,与碳纳米管自身的优异性能相比,实际增强增韧效果似乎与理论存在一定的差距。分析其原因可能为以下两点：1)碳纳米管掺量过低达不到闽值,或者掺量较高时分散不好,碳纳米管的优异性能未得到应有的发挥：2)纳米尺度上的增强增韧效果无法用宏观尺度上的增强增韧效果进行衡量。根据碳纳米管水泥基材料微观结构特征的演化规律,结合其宏观力学性能的变化,建立论了碳纳米管水泥基材料宏观力学性能与微结构特征之间的有机联系。(4)揭示了碳纳米管水泥基材料的纳米力学特性利用纳米压痕仪对不同碳纳米管掺量下硬化水泥浆体的纳米力学性能进行了大量的研究,得出了低密度水化硅酸钙凝胶(L C-S-H),高密度水化硅酸钙凝胶(HC-S-H)、氢氧化钙(CH)等的纳米力学行为。实验结果表明,碳纳米管的加入改变了水泥水化产物的组成,壁碳纳米管可以填充C-S-H凝胶的纳米孔隙,减小水泥浆体的纳米孔隙率,从纳米尺度上改善了C-S-H凝胶的微观结构,提高了C-S-H凝胶的弹性模量和压痕硬度,进一步从纳观尺度阐释了碳纳米管的改性机理。(5)阐释了碳纳米管对水泥基复合材料压电机敏性的影响规律及机理探讨了不同碳纳米管掺量对复合材料体积电阻的影响,研究了复合材料电阻率随载荷的变化规律,分析了复合材料的微观结构特征和压电机敏性能。结果显示,当碳纳米管掺量从0.0%增加到0.5%时,基体微结构得到改善,水化产物结合较为紧密,碳纳米管在基体中分散较好,基体无明显缺陷。此时,碳纳米管在水泥基体中间距较大,宏观隧道导电效应起到主导作用。当碳纳米管的掺量进一步提高时,一些碳纳米管相互搭接并形成导电通路,渗滤导电效应开始起到主导作用,由渗滤导电理论控制的复合材料试件电阻降低幅度随着压力的增加反而降低。碳纳米管在基体中的分散性开始下降并出现局部团聚,导致基体致密程度下降并产生一定的缺陷,宏观力学性能也有所降低。由此可见,只有掺量适宜的碳纳米管均匀分布于水泥基体中,碳纳米管水泥基复合材料才具有最佳的压阻机敏特性。