超高性能混凝土(UHPC)研究与应用是当今水泥基材料发展的主要方向之一,我国在20世纪90年代开始了超高性能混凝土的研究,但由于基础研究不足以及成本较高等问题,从而制约了超高性能混凝土在水工结构工程中的应用。本文依托国家重点基础研究发展计划(973计划项目)“严酷环境下混凝土材料与结构长寿命的基础研究(2015CB655101)”与自然科学基金项目“水工混凝土纳米粒子结构参数多样性研究及性能调控(51379163)”,通过单一-质心设计方法,以及水化热、扫描电镜、综合热分析、压汞法、显微硬度等微观测试手段,研究了硅粉、石灰石粉、矿粉及粉煤灰微珠等辅助性胶凝材料制备的水工超高性能混凝土(UHPHC)的工作性能、力学性能、干缩性能以及水化历程、水化程度、微观力学性能和孔结构等微观特性,并以硅粉为共有组分,重点比较了复掺石灰石粉配制的水工超高性能混凝土与复掺矿粉及微珠等活性矿物掺合料配制的超高性能混凝土物理力学性能及耐久性能的差异;利用可压缩堆积模型(CPM),分析了多元胶凝粉体的紧密堆积效应对其宏观性能的影响,探讨了不同掺合料掺量与颗粒级配效应之间的联系,提出影响水工超高性能混凝土宏观性能的关键因素,从而为水工超高性能混凝土的设计和应用尤其是石灰石粉今后在水工超高性能混凝土中的应用奠定相应的理论基础。主要研究成果如下:(1)基于可压缩堆积模型(CPM)编制了多元复合胶凝材料堆积密实度计算程序,提升了复杂组分的优化效率。(2)分析了多元胶凝粉体的紧密堆积效应对其宏观性能的影响机制,探讨了不同掺合料掺量与颗粒级配效应之间的联系,从颗粒堆积的角度解释了水泥-硅粉-石灰石粉体系的堆积密实度高于水泥-硅粉-矿粉体系的机理,进一步揭示了高掺量石灰石粉制备的水工超高性能混凝土仍然具有较高物理力学性能的机理。(3)借助单一-质心设计方法及等值线图,发现硅粉与石灰石粉、矿粉及微珠的交互作用有助于提升水工超高性能混凝土的28d抗压强度;即使石灰石粉以50%比例取代水泥时,混凝土 28d抗压强度仍然能达到纯水泥体系的85%,并且与掺入微珠混凝土 28d抗压强度接近,表明石灰石粉具有在水工超高性能混凝土中大量取代水泥仍然保持较高力学性能的优势。(4)采用多种现代微观测试方法,从水化产物、水化程度、水化放热特性及孔结构等方面,阐释了极低水胶比条件下胶凝体系的水化程度,水化产物结晶程度、形态和数量均不同于常规水胶比体系。水泥-硅粉-矿粉三元胶凝体系水化程度最高,其次为水泥-硅粉-微珠三元胶凝体系,水泥-硅粉-石灰石粉的三元胶凝体系的水化程度与反应活性最低,综合力学性能试验结果,说明决定掺石灰石粉胶凝体系强度发展的原因不是水化程度,而是紧密堆积效应,另外,石灰石粉掺入胶凝体系起到微晶核的作用,虽然其自身参与水化程度十分微弱,但是其所具有的微晶核与微集料效应对早期强度的发展起到了重要作用。同时,极低水胶比条件下掺硅粉与石灰石粉、矿粉、微珠的三元胶凝体系的孔隙率均相对较小,孔径细化作用明显。(5)基于“低水胶比、粉体密实填充、高强高耐久”特点和矿物掺合料品种优选,考虑水工混凝土设计需要,在极低水胶比的条件下,用低活性的石灰石粉作为填充材料,掺加适量的10mm铁尾矿骨料及钢纤维,可制备出抗压强度达到1OOMPa以上,抗冲磨性能优良,且抗冻性能良好的水工超高性能混凝土;矿物掺合料多元胶凝体系改善了浆体-骨料界面区微结构和体系孔结构,混凝土气泡间距系数低于2000μm、最可几孔隙率在(10nm～20nm)范围内;石灰石粉、矿粉及微珠的加入均减小了水工超高性能混凝土的干缩率。