人类城市文明的发展是建立在水泥工业的基础上的。从目前情况来看，水泥和混凝土仍是最大宗的建筑材料。传统的硅酸盐水泥生产造成了不可再生资源和能源的巨大消耗以及对环境的巨大破坏；而另一方面，我国在以前较长一段时间内处置工业废渣(粉煤灰、矿粉等)过程中资源化利用意识不够，主要以消极的堆放为主，这种处理方法不仅浪费大量的资金，而且给环境带来多方面的危害。若将工业废渣掺入水泥基材料中，取代部分水泥熟料，制成高性能水泥基材料，可以大量节约建设资金、资源和能源，达到环保的目的。然而工业废渣的掺入将对水泥基材料的耐久性和力学强度产生何种影响仍是悬而未决的问题。为此，国家自然科学基金委以基金重点项目资助东南大学、南京大学及江苏省建筑科学院进行“高性能水泥基建筑材料的性能及失效机理研究”，本论文是该项目的一部分，重点研究结构形成过程的微观机理。 论文对试验所用主要原材料的性质进行了系统的测试和研究，其中重点研究了粉煤灰的理化性能。 采用环境扫描电镜(ESEM)为主要研究手段，对水泥基材料早期的水化和矿物相生成过程及微区结构形成过程进行了连续观察，并用现代信息技术较详细地记录了C-S-H凝胶→晶芽→雏晶→微晶→微区结构充填的连续演化过程。从微观结构角度分析了高性能水泥基材料的形成机理，在水泥基中掺入优质粉煤灰相当于增加了晶芽附生的有效界面；矿粉通常本身水化产生较多的水化硅酸钙，相当于提供了附加的晶种；低水胶比则相当于提供了足够的水化凝胶浓度，这些均会导致水泥基水化时趋向于形成颗粒较多、较细、分布较均匀，近似成等粒状(三维近乎均等)的水化产物晶体，从而改善了水泥基材料的力学强度和耐久性。另外论文尝试采用原子力显微镜(AFM)对水泥浆体早期演化过程进行初步研究，并与常规的扫描电镜(SEM)研究结果作对比，提出将其应用于高性能水泥基材料形成和失效过程连续观察的构想。 根据ESEM对水泥早期水化过程连续观察的研究结果，采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜对水化1d龄期Ca(OH)2晶体形成进行的初步定量化研究，发现初始相对过饱和度是影响晶体成核速度和生长速度的主要因素之一，而水灰比的大小反映了初始相对过饱和度的高低。硅酸盐水泥水化早期阶段在水灰比较大的情况下(初始相对过饱和度较低)Ca(OH)2结晶产生了相对较少的成核点和相对较大的晶体，而在水灰比较小的情况下(初始相对过饱和度较高)产生了相对较多的成核点和相对较小的晶体。粉煤灰掺量对Ca(OH)2晶体形成的研究表明，在粉煤灰掺量达到40％之前，Ca(OH)2晶体生长速度一直是线性增加的，但掺量为50％的粉煤灰水泥浆体的晶体生长速度与掺量为40％的相比反而下降，推测这是由于有效水灰比过大时，溶液无法达到饱和而造成。掺入适量的粉煤灰后，避免了Ca(OH)2在集料表面的定向排列，晶体取向指数下降，由此而使混凝土结构趋于密实和高强化。 采用静水压力仪对粉煤灰玻璃微珠的抗压强度进行测试，并利用现代分析测试手段研究A、B两种漂珠抗压强度存在差异的原因，结果表明粉煤灰是一种力学性能较优异的微集料，漂珠的化学成分是影响其抗压强度的主要因素。在保证集料质量的前提下，水泥材料的力学性质主要取决于浆体与集料界面的粘接性能，粉煤灰的“锚桩效应”改善了界面的力学性能，从而使水泥基材料整体力学性能得以优化。粉煤灰蚀刻实验表明在NaOH溶液中浸泡过的粉煤灰壳体变薄，局部甚至被蚀穿，原来被包裹在玻璃体以内的惰性莫来石暴露出来；而在饱和Ca(OH)2溶液中浸泡过的粉煤灰颗粒则有一些水化产物在其表面生成，这是火山灰反应的结果。对原状粉煤灰(FA)、磨细粉煤灰(PFA)、磨细无碱玻璃粉(PNG)和磨细石英粉(PQ)四种粉末活性的研究发现：随反应时间的延长四种样品溶出的活性成分(以上清液中(Al+Si)的含量计)均有明显增加的趋势；四种粉末的活性大小顺序为：PNG＞PFA＞FA＞PQ；PFA与FA相比活性只有略微提高；玻璃体含量的差异是造成活性差异的主要原因。粉煤灰在水泥基浆料中形成的水化产物明显与水泥熟料水化产物不同，同时粉煤灰的掺入将对C-S-H的化学组成产生影响，使其胶凝体的结构与性能都发生了细微的变化。