在寒冷地区，尤其是水工、港口、道路和桥梁等长期处于水饱和或者高湿度环境下的混凝土结构，冻融破坏是其运行过程中的主要病害，直接影响结构的性能和耐久性。因此冻融破坏一直是土木工程材料研究领域关注的热点。针对目前研究中缺乏对冻融破坏下材料内部微观损伤的演变过程的描述，微观结构的变化与材料的宏观性能连接不够紧密等问题，本文综合理论模型、微观试验以及计算机模拟等手段对水泥基复合材料在冻融破坏下的微观结构演变以及宏观形变进行了初步探索性研究。　　 本文选取水泥基复合材料的传输性能以及低温下的形变，作为定量表征冻融过程对材料的影响的指标。而在水份在基体内部开始结冰的情况下，宏观性能的变化是由于基体内部微观结构变化导致的，因此本文从基体在冻胀过程中的微观结构的变化入手，对冻融破坏的过程进行定量分析，并将微观结构与宏观性能相连接。即首先对“水分在孔隙中的结冰行为→基体中各个孔隙由于结晶压力产生的裂缝尺寸→裂缝的连通行为”这一过程建立模型，进而应用模型得到水泥净浆的微观结构信息计算得到“含有冻融破坏裂缝体系基体的传输行为以及冻融过程中的宏观形变”。　　 本文首先介绍了利用热力学原理对水泥基材料孔隙内自由水结冰过程的计算方法，展示了温度与孔隙内水结冰的判据，以及与结冰速率的关系;在此基础上，借助结晶压力理论计算展示了低温下水泥基材料内部孔隙水分结冰对孔壁承受应力的时变规律，以及球形孔的破坏判据;进而利用夹杂理论对裂缝的尺寸进行了计算。由于裂缝的连通性对水泥基复合材料的宏观性能有较大影响，本文利用蒙特卡洛思想编制C++程序对裂缝的连通行进行模拟，探索研究了冻融破坏下裂缝密度及尺寸分布对裂纹连通行为的影响。　　 使用X射线断层扫描技术，通过对水泥净浆材料在冻融破坏前后的裂缝形貌的观察，定性验证了裂缝尺寸计算模型中假设的合理性。假设已知孔隙分布的净浆试件，利用上述模型计算结冰过程中基体内部的结冰程度，裂缝尺寸分布，在此裂缝分布信息基础上模拟得了裂缝连通性信息，将各个模型的结果与文献结果进行比较，验证了结冰过程与裂缝尺寸模型以及裂缝连通性模拟方法的可靠性。　　 在获得裂缝的尺寸信息以及连通性信息后，对于基体的水分传输性能，这一在冻融破坏中十分重要的一环进行了研究，借助Multi-Continuum渗透模型，建立了适用于初始无裂缝基体以及冻融破坏后带裂缝基体的水分传输行为模型，最后对含有上文得到的裂缝体系的基体中水的传输行为进行了数值模拟，对冻融前后基体的传输性能进行了比较，并将模拟结果与文献验结果对比。　　 针对水泥基复合材料在冻融环境下的形变，本文展示多孔介质力学理论的饱水水泥基复合材料在冻胀条件下的弹性本构关系，以及低温下材料在冻融循环下的形变计算方法，并尝试对含有上文中裂缝体系的基体在下一次冻融过程下的形变进行了计算;同时针对常规快速冻融试验方法下误差较大等问题，使用环境箱模拟真实环境下的慢速冻融过程，利用恶劣环境下稳定性高的光栅光纤传感器对净浆试件的应变过程实时监测，得到了多次冻融循环下水泥净浆基体的形变过程，并将实验结果与理论结果比较。　　 最后，本文对于实际使用中的材料在经受环境侵蚀的同时还要承受一定的荷载的情况，本文利用水泥基材料本身的收缩性质，设计制造了环境因素-环向拉应力的耦合实验装置和试验方法，并对净浆试件进行了慢速冻融换向拉应力耦合试验。