注浆技术因其加固与防渗堵水特性而被广泛运用于交通、隧道、矿井、边坡、地基加固、新能源开采、核废料处理等工程领域,解决了很多工程难题。然而,由于地下岩石工程中丰富的水、气及有害液体环境始终腐蚀着多孔水泥基注浆材料,影响其耐久性和使用寿命,所以研究提高水泥基材料的抗渗透性能具有重要的理论与工程价值。为此,本文利用碳纳米管和氧化石墨烯复合材料对水泥基浆体进行改性,研究制备了一种高抗渗和高耐久性的地下工程注浆材料,并结合纳米表征技术和分子动力学模拟等先进的技术手段,从宏微观角度研究揭示了复合碳纳米材料对水泥基浆体抗渗性能的加固机理。在国家自然科学基金重点项目（51734009）和面上项目（52074259）的资助下,主要取得了如下成果。（1）在室内渗透试验方面,利用碳纳米管和氧化石墨烯对水泥基材料的复合改性技术,研制了一种适用于地下工程高水灰比条件下增强水泥基注浆材料抗渗性能的纳米添加剂,揭示了复合碳纳米材料对水泥基浆体抗渗作用机理,获得了氧化石墨烯-碳纳米管复合材料的混入可以提升注浆材料的抗渗性能约55.3%,以及不同水灰比、不同配比和甲基纤维素对复合增强水泥基注浆材料抗渗性能的影响规律,解决了传统浆液强度、抗渗性、耐久性与可注性、流动性、造价难以兼顾的难题。（2）在渗透理论分析方面,基于多重分形和通用有效媒介理论,成功地将碳纳米材料对水泥基浆体的水化增强作用和微观结构优化融入优化后的水泥基渗透理论模型之中,构建了一个考虑碳纳米材料对水泥基浆体水化反应成核作用和“桥接”优化作用的新型水泥基材料渗透理论模型。与经典的GEM理论相比,改进后模型理论计算的最大误差从67.8%降低到9.7%,准确度提高了6倍以上,表明所提出的模型对碳纳米增强水泥基浆体的渗水性能具有良好的预测能力,弥补了传统水泥基渗透理论中难以定量描述微、纳米添加剂增强作用的缺陷,为碳纳米复合水泥基材料渗透性能的预测和评估提供了新方法。（3）在纳米材料优化方面,通过分子动力学模拟的方法,建立了具有超高效选择分离性能的碳纳米材料剪纸结构模型,提出了一种新的选择性撕裂方法,用于制备石墨烯剪纸结构;模拟结果显示与现今世界上提出的理论分离效率最高的单层多孔石墨烯结构相比,石墨烯剪纸结构的分离效率可以提升1.5～3.4倍,实现了数值模拟实验室制备石墨烯剪纸结构的过程,为地下工程中可控化分子、离子分离以及制备优质的碳纳米复合注浆材料提供了新思路。该论文有图63幅,表30个,参考文献267篇。