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碱式硫酸镁水泥（Basic magnesium oxysulfate cement,BMSC）是由氧化镁、硫酸镁、水和少量化学外加剂混合反应,在空气中凝结硬化而成的一种新型绿色镁质胶凝材料,主要水化产物是碱式盐水化物5Mg（OH）2·MgSO4·7H2O（5·1·7相）。BMSC具有轻质、低碱、早强、高强、防火和护筋等许多优异性能。本文采用等温溶解平衡法（Isothermal dissolution method,IDM-固相法）并辅以电化学交流阻抗法（Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS-液相法）研究了MgO-MgSO4-H2O三元体系水化反应过程,揭示了MgO-MgSO4-H2O三元体系水化产物与原材料摩尔比关系和水化产物相转变规律,丰富了BMSC材料和化学基础理论。通过基本物理性能和微观结构性能测试与表征,研究了化学外加剂、混凝土外加剂、矿物掺合料和CO2养护与碳化对BMSC水化硬化规律和微观结构性能影响,揭示了化学外加剂和矿物掺合料对BMSC改性作用机理,为BMSC及其制品的应用研究提供理论指导和数据支撑。本文研究内容和结果如下:（1）采用IDM-固相法研究25℃时MgO-MgSO4-H2O三元体系水化产物组成及其相转变规律。结果表明:MgO-MgSO4-H2O三元体系水化产物形成与液相中Mg2+离子浓度密切相关。Mg2+离子浓度较低时,未掺化学外加剂MgO-MgSO4-H2O三元体系水化产物以3Mg（OH）2·MgSO4·8H2O（3·1·8相）和Mg（OH）2为主,3·1·8相由非稳定的Mg（OH）2·MgSO4·5H2O相（1·1·5相）经5Mg（OH）2·MgSO4·3H2O相（5·1·3相）转化而成。随MgSO4浓度增加,3·1·8相增加,Mg（OH）2减少;随MgO质量百分比增加,3·1·8相形成所需的最低MgSO4浓度增加。当液相中Mg2+离子达到一定浓度时,未掺化学外加剂MgO-MgSO4-H2O三元体系亦可形成5·1·7相。但室温条件下MgO-MgSO4-H2O三元体系液相很难达到5·1·7相形成所需的Mg2+离子浓度值。掺入化学外加剂MgO-MgSO4-H2O三元体系,水化产物以5·1·7相和Mg（OH）2为主。化学外加剂能够通过缓冲作用和络合作用有效促进MgO颗粒的中和反应,抑制其水化反应生成Mg（OH）2而增加液相中Mg2+离子浓度,降低碱式盐水化物5·1·7相形成所需的最低MgSO4浓度。因此,随MgO质量百分比增大,5·1·7相形成所需的最低MgSO4浓度逐渐减小。5·1·7相则是由非稳定1·1·5相经3·1·8相转化而形成的亚稳相（或稳定相）。（2）采用EIS-液相法,跟踪了未掺化学外加剂和掺入化学外加剂MgO-MgSO4-H2O三元体系水化反应过程。通过等效电路拟合建立了MgO-MgSO4-H2O三元体系硬化前后的等效电路模型（Electrical equivalent circuit,EEC）,其电路编码为:Rs（Q1Rd）、Rs(Cd1(Rd(Q2(Rct1(Q3Rct2)))))、Rs(Cd1(Rd(Q2Rct1)))。其中,掺与未掺化学外加剂浆体硬化前EEC均为Rs（Q1Rd）。未掺化学外加剂浆体硬化后EEC为Rs(Cd1(Rd(Q2Rct1))),而掺入化学外加剂浆体硬化早期EEC为Rs(Cd1(Rd(Q2(Rct1(Q3Rct2))))),后期变为与未掺化学外加剂体系相同的Rs(Cd1(Rd(Q2Rct1)))。EIS图谱拟合结果佐证了化学外加剂会延缓MgO-MgSO4-H2O三元体系水化反应,促进MgO颗粒中和反应,增加液相中Mg2+离子浓度,使得浆体凝结硬化前Rs、Rd随反应时间延长而减小。硬化后浆体微观结构逐渐密实,Rs、Rd、Rct1随养护龄期延长而增大。（3）基于Mg2+离子的水解定性实验和不同种类（p H值）化学外加剂对BMSC水化硬化规律和显微结构特征影响,揭示了MgO-MgSO4-H2O三元体系碱式盐水化物形成过程和化学外加剂诱导5·1·7相形成作用机理。结果表明:MgO-MgSO4-H2O三元体系碱式盐水化物形成可分为（1）Mg2+离子的水解;（2）MgO在MgSO4水溶液中的反应;（3）水羟合镁离子的水解-配聚反应;（4）碱式盐水化物晶体相的形成四个过程。化学外加剂通过缓冲作用调节液相中H+和OH-离子浓度促进MgO颗粒的中和反应,控制液相中Mg2+离子的水解-配聚反应,同时通过络合作用抑制MgO颗粒水化反应生成Mg（OH）2,因此而影响BMSC水化硬化过程和微观结构性能。pH值显酸性的化学外加剂会抑制Mg2+离子的水解-配聚反应,使得5·1·7晶相形成速率减慢而延长BMSC凝结时间,降低其早期抗压强度,但后期抗压强度相对较高。p H值显碱性的化学外加剂会促进Mg2+离子的水解-配聚反应,使得5·1·7晶相形成速率加快而缩短BMSC凝结时间,增加其早期抗压强度。（4）研究不同掺量低钙粉煤灰（L-FA）、高钙粉煤灰（H-FA）、矿渣（G-BS）、硅灰（SF）和不同细度石英粉（SP）对BMSC水化硬化规律和显微结构特征影响。结果表明:矿物掺合料作为BMSC组分可通过颗粒形态效应、微集料填充效应、稀释效应、成核效应和堆积效应优化BMSC水化产物组成和微观结构来提高BMSC力学性能和抗水性能。但因矿物掺合料物理特性和化学组分差异会对BMSC水化硬化过程和微观结构性能产生不同影响,惰性SP作用效果与L-FA并无显著差异。相同稠度条件下,矿物掺合料取代MgO会缩短BMSC凝结时间。相同水灰比条件下,凝结时间随SP细度增大而减小。标准空气养护条件下,掺入H-FA和G-BS的BMSC展现优异的凝结特性、高抗压强度,且掺入H-FA的BMSC具有良好的体积稳定性。L-FA和H-FA对BMSC微观孔隙结构的优化作用好于G-BS,复掺SF对BMSC微观孔隙结构具有良好的优化作用。BMSC体积形变随养护龄期增加呈先微膨胀后收缩的变化规律,L-FA能够有效增加BMSC早期膨胀,降低其后期干燥收缩。浸水后,剩余MgO转变为Mg（OH）2产生的膨胀应力和体积形变是BMSC浸水后抗压强度下降的原因所在。同时,Mg（OH）2的孔隙填充作用能够有效增加BMSC微观结构致密性,使得浸水后BMSC抗压强度减小后又增加。（5）以减水率和抗压强度为评价指标,研究混凝土用减水剂、消泡剂与BMSC适应性。结果表明:高效减水剂三聚氰胺、萘系、氨基磺酸盐和脂肪酸磺酸盐均对BMSC有一定减水效果,但聚酯型高性能聚羧酸减水剂对BMSC没有减水效果。高效减水剂均会增加BMSC浆体气孔量和早期Mg（OH）2生成量而降低BMSC力学性能。消泡剂均能有效提高BMSC早强抗压强度,弥补减水剂-BMSC体系抗压强度损失。研究CO2养护和碳化对BMSC抗压强度和水化产物组成影响,发现L-FA会增加BMSC抗碳化性能,珊瑚微粉会降低BMSC抗碳化性能。在碳化作用下,BMSC中较多的Mg（OH）2可能发生了晶型转变而使水化产物中非晶相含量增加,同时,少量Mg（OH）2会与CO2反应生成Mg CO3·3H2O。