钢纤维取向对钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能影响十分显著,当纤维方向与拉应力方向一致时,纤维的增强、增韧和阻裂作用得到充分发挥,对基体的增强效果最为明显;由于钢纤维为长丝形状,在水化初期,纤维的方向分布影响水泥基复合材料拌合物体系的自由水迁移和分布,进而影响钢纤维-基体间界面区的微观结构,界面区的微观结构直接决定了钢纤维与基体间的粘结性能,从而影响钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能。自由水迁移是水泥基复合材料水化初期的重要特征之一,水化初期,由于骨料(纤维)与自由水间存在密度差,密度大的骨料(纤维)下沉,自由水受挤压向上迁移,造成基体水灰比的重分布,泌水现象就是自由水迁移的结果。自由水迁移会导致体系中局部位置的水灰比变化,影响基体特别是集料-基体间界面过渡区微观结构的演化。研究钢纤维方向分布对自由水迁移的影响及其对水化过程和微观结构演化的影响,对全面掌握钢纤维增强水泥基复合材料性能至关重要。现阶段主要通过试验和数值模拟手段研究水泥水化,传统数值模拟采用的水泥水化模型主要关注微观尺度下水泥颗粒的水化、沉淀与成核过程,而未考虑宏观尺度下拌合物体系中自由水的迁移等行为对微观水化过程的影响。针对上述问题,本文主要研究水泥水化初期体系中自由水的迁移特征、水泥水化过程以及水泥石微观结构演化等因素之间的关系,揭示钢纤维增强水泥基复合材料中纤维方向分布对自由水迁移以及微观结构演化的影响,并探究定向钢纤维增强水泥基复合材料拉伸、剪切过程中纤维的增强机理。为此,本文首先分析了不同方向的钢纤维周围自由水的流动特征,研究钢纤维增强水泥基复合材料在水化硬化初期的泌水规律;基于水化初期水泥基复合材料体系的自由水迁移特征,建立动态水化模型,通过该模型分析体系自由水迁移对水化过程和微观结构演化规律的影响;利用该模型分析钢纤维(骨料)周围界面过渡区的孔隙分布特征,并分析骨料尺寸、纤维方向对其周围界面过渡区微观结构的影响;宏观力学性能研究方面,本文利用格点模型(Lattice model)模拟了钢纤维增强水泥基复合材料的拉伸和剪切性能,研究在拉伸和剪切过程中定向钢纤维的阻裂机理,分析不同纤维方向分布对钢纤维增强水泥基复合材料抗拉伸和抗剪切性能的影响;从基体微观结构特征和宏观力学性能两个方面研究了钢纤维取向对钢纤维增强水泥基复合材料性能的影响。研究表明,(1)钢纤维分布方向对自由水的迁移影响十分显著,竖直方向的钢纤维周围自由水上升速度远大于水平方向钢纤维周围,造成材料的泌水量增加,竖直方向钢纤维周围自由水平均流速是水平方向钢纤维的1.2倍,水平定向钢纤维增强水泥基复合材料泌量水少于随机乱向和竖直定向的泌水量。(2)不同分布方向的钢纤维周围自由水运动特征不同,导致水化后纤维周围界面过渡区孔隙率存在差异,纤维方向越接近竖直,纤维周围界面过渡区孔隙率越大。(3)骨料周围区域在堆积效应、微区泌水作用等因素影响下形成界面过渡区,在水化初始阶段,由于颗粒堆积效应在骨料周围形成水灰比较高区域,此时骨料上下表面水灰比一致,随着水化进行,自由水迁移,骨料底部形成微泌水区,骨料上下表面水灰比出现差异且差异逐渐增大。(4)力学性能方面,由于纤维方向系数的增大,定向钢纤维增强水泥基复合材料的拉伸性能和剪切性能均得到显著增强,强度和韧性明显提高、材料脆性得到明显改善、剪切断裂韧度也得到明显提高。本文结合数值模拟手段,考虑水化初期自由水的迁移和分布对水泥水化过程和微观结构演化的影响,提出考虑水迁移特征的动态水化模型,将拌合物的微观水化与宏观流动性相联系。通过本文研究,表明水化初期水泥基复合材料体系中自由水流动特征对硬化后基体微观结构产生重要影响;钢纤维的方向分布不仅影响水泥基复合材料的力学性能,更对凝结硬化阶段纤维周围自由水的运动以及硬化后纤维-基体界面区微观结构演化产生重要影响,这一特征对研究钢纤维混凝土宏观性能和耐久性有着重要的意义。