随着国家“十三五”规划以及“一带一路”倡议的持续推进,大型重要工程日益增多,基础设施领域的建设已成为驱动社会经济发展的重要支撑,结构的安全性、可靠性和耐久性都对混凝土材料性能提出了越来越高的要求。高延性水泥基复合材料（High Ductility Cementitious Composites,简称HDCC）以其稳定的应变硬化特征、超高的拉伸延性和优异的裂缝控制能力在增强结构的安全性、耐久性及可持续性方面,展现出无可比拟的优势。为了进一步提升HDCC性能以及完善HDCC的设计理论,本研究以HDCC细观力学修正模型为基础,基于强度准则和能量准则要求,对纤维/基体界面粘结性能、纤维性能和纤维取向分布特性等方面展开研究,实现对HDCC进行细观力学调控设计,论文主要研究内容如下:首先,本文在传统HDCC细观力学桥联理论的基础上,对PVA纤维从硬化水泥基体拔出的脱粘-滑移过程进行分析,且通过考虑PVA纤维拔出时存在的脱粘断裂和滑移断裂两种断裂形式,确定了随着裂缝逐渐扩展时纤维脱粘断裂区域和滑移断裂区域的发展过程;计算了脱粘阶段发生断裂所引起的纤维桥联应力损失σRD（δ）以及滑移阶段发生断裂所引起的纤维桥联应力损失σRS（δ）,建立了包含脱粘-滑移断裂分析的HDCC细观力学修正模型,该模型更适用于计算PVA纤维具有显著滑移断裂效应时的桥联应力;对比实测纤维桥联应力σ与裂缝宽度δ关系同HDCC细观力学桥联模型结果,验证了模型的准确性;其次,为实现对纤维/基体粘结性能的设计,本文基于应变硬化指数PSHs≥1.5和PSHE≥3.0要求,通过纤维/基体界面粘结强度τ0对纤维桥联应力σ0和桥联余能Jb’影响的研究,提出了纤维/基体界面粘结强度τ0最佳范围的计算方法,针对本文所研究的PVA纤维、PET纤维、PE纤维和钢纤维,其最佳的纤维/基体界面粘结强度τ0分别为1.6MPa、1.4 MPa、2.2 MPa和12.0 MPa,并确定了对应HDCC基体需要满足的性能要求;在既定低强基体(σcr=3.50MPa,Jtip=17.50J/m2)和高强基体(σcr=8.20 MPa,Jtip=46.40J/m2)下提出了四种纤维对应的无效τ0范围、中等τ0范围和最佳τ0范围,实现了对纤维/基体界面粘结性能的设计,且理论计算出在最佳界面粘结强度τ0为12.0 MPa下钢纤维体积掺量提高到4.7%时可满足的应变硬化指数PSH要求;明确了 PVA纤维、PET纤维、PE纤维和钢纤维完全不产生断裂时的最大界面粘结强度,探明了纤维在桥联裂缝扩展过程中全部被完全拔出而不发生断裂并不能提供充足纤维桥联能力的作用机理,适度的纤维断裂（断裂率约10%左右）可以获得更强的纤维桥联应力σ0和桥联余能Jb’,更有利于纤维桥联能力的提高。再次,为调控纤维/基体界面粘结性能,本文提出了采用疏水二氧化硅涂层与纳米石墨涂层两种方案对PVA纤维表面进行改性。疏水二氧化硅涂层改性的PVA纤维（S-PVA）和纳米石墨涂层改性的PVA纤维（G-PVA）的静态接触角分别达到为141°和132°,改性后PVA纤维耐碱性能稍有提高,拉伸强度保持率均在95.0%以上;与油剂改性的PVA纤维（N-PVA和K-PVA）相比,S-PVA纤维和G-PVA纤维与基体的化学粘结强度Gd显著降低甚至消失,纤维表面粗糙度的增加导致S-PVA纤维和G-PVA纤维与基体界面粘结强度τ0增加了11.9%;经纳米石墨改性后,G-PVA纤维在拔出时的表面磨损现象消失,纤维/基体滑移硬化现象被有效控制;与油剂改性的N-PVA纤维相比,经疏水二氧化硅改性和石墨改性后,PVA纤维/基体界面性能的优化最终使得制备的HDCC极限延伸率提高了13.4%和92.3%,极限延伸率分别达到1.61%和2.73%;与日产K-PVA纤维相比,采用纳米石墨改性的国产PVA纤维也实现了更好的纤维/基体界面调控效果,HDCC极限延伸率提高了66.5%。然后,考虑到纤维性能中纤维长度更易于调控,为探明HDCC用短切PVA纤维最佳长度,本文通过PVA纤维长度对纤维断裂效应、纤维桥联应力σ0、桥联余能Jb’和复合材料断裂能Gc影响的研究,确定了短切PVA纤维最佳长度的范围;短切PVA纤维最佳长度范围可根据满足应变硬化指数PSHs≥1.5和PSHE≥3.0要求且不超过2Ld（0）,最终确定为8.8 mm～13 mm,其中复合材料断裂能Gc最大时的纤维长度为最佳纤维长度,为10mm;通过纤维/基体界面粘结强度τ0对最佳纤维长度设计影响的研究,明确了随着纤维/基体界面粘结强度τ0的增加,最佳的纤维长度逐渐减小;采用6 mm、9 mm、12 mm、18 mm和24 mm五种长度的PVA纤维掺入抗压强度为30 MPa～80 MPa的四种HDCC基体中,通过实验探究了不同纤维长度对HDCC力学性能影响,结果显示HDCC抗压性能受纤维长度的影响较小,9 mm和12 mm PVA纤维制备的HDCC表现出更好的四点弯曲性能和单轴拉伸性能;综合考虑纤维分散性、HDCC工作性能以及力学性能等因素,提出了 PVA纤维的最佳长度是9 mm。最后,在实现对纤维性能和纤维/基体界面性能优化设计后,纤维的桥联能力则进一步取决于纤维的取向分布,本文首先探究了通过不同形状参数r和q值确定的五种纤维取向分布p（θ）对纤维桥联应力σ0和桥联余能Jb’的影响,提出了倾斜程度较小的纤维取向分布可以获得更强的纤维桥联能力,研究表明二维随机分布p1（θ）的纤维桥联应力达到三维随机分布p2（θ）的125%,揭示了 HDCC薄板试件的力学性能通常优于棱柱体试件的机理。其次,本文制备了三种不同纤维取向分布的HDCC试件,并利用背散射电子成像（BSE）和数字图像处理技术实现对HDCC断裂平面上纤维取向分布的定量探测;不同的纤维取向分布的HDCC力学性能结果表明分散在水泥基体中的PVA纤维可视为缺陷,倾斜程度越大的纤维其缺陷效应越显著,导致单轴拉伸和四点弯曲下的HDCC初裂应力出现降低,且单轴拉伸下的降低幅度比四点弯曲条件下高39.7%～99.4%,HDCC拉伸性能对缺陷尺寸更为敏感;对于纤维倾斜程度越大的取向分布,HDCC极限拉伸强度和极限延伸率、极限弯曲强度和跨中挠度均呈显著下降趋势;纤维取向分布对HDCC弯曲和拉伸下的耗能影响显著,对于需要高能耗的HDCC构件,在浇筑期间应尽可能减少纤维三维分布的可能性,以趋向于二维分布为宜。通过本论文的研究,探明了纤维特性与纤维/基体界面区特性对纤维桥联能力的影响机理,明确了最优纤维/基体界面区和纤维的关键物理力学参数取值范围,推动了HDCC理论设计模型发展,并提出了相应的细观力学调控机制。