寒冷地区，高湿环境下服役的水泥基材料的耐久性饱受冻融破坏的影响，其性能和寿命关系着安全与经济利益。作为一个国际性研究焦点，目前的研究关于宏观性能与微观结构演化的连接的问题，研究不够透彻;对于水泥基材料的无损检测，缺乏定量分析描述的方法;预测冻融循环后的内部损伤，亦是水泥基材料耐久性研究的主要目的。本文通过理论模型、微宏观试验和图像处理的方法，以期对水泥基材料冻融循环微观结构定量分析，以及微观和宏观性能连接问题进行研究。　　首先通过Hashin-Strikman复合材料理论，计算低温受冻条件对饱水水泥基材料的体积模量、剪切模量和杨氏模量;利用Schapery的能量理论，计算饱水试样热膨胀系数的变化。基于结晶压和静水压理论，借助有效应力模型，实现微观孔内部压力与材料整体受力的连接。此外，还考察了静水压对孔隙水冰点和结晶所需过冷度的影响。对于静水压和结晶压综合作用的冻融破坏，采用浸在航空煤油中慢速冻融，利用光纤光栅实时监测饱饱和氢氧化钙溶液的水泥净浆的变形，对比有效应力模型，结果表明，理论模型结果与试验结果基本趋势一致，但结果仍有所差异。　　其次，本文提供了一种定量分析水泥基材料冻融损伤的方法。利用X-ray断层扫描技术，对饱水水泥净浆材料在冻融循环下的破坏进行了动态监测。定性描述了冻融循环前后孔和裂纹的空间分布。利用开源图像分析软件ImageJ定量分析了孔和裂纹的演化过程，包含孔隙率、孔径分布以及孔的比表面积的变化。定量表征的结果表明，冻融循环后，水泥净浆劣化愈发严重。冻融循环后，对水泥净浆中孔和裂纹的连通度进行的统计，并借助随机行走算法，对连通孔隙的曲折度进行的分析。利用沿断层方向单张CT图像平均灰度值的变化确定冻融循环后试样中开裂最严重的区域，并利用原位配准单张图像孔隙率变化验证了该方法的可靠性。　　最后，通过有效应力模型，计算冻融循环开裂储存在水泥净浆中的能量。利用三液法测试计算水泥净浆真空表面能，忽略能量热损耗和其他形式的损失，得到水泥净浆的开裂能。借助能量守恒理论，计算得到水泥净浆的裂纹面积，建立开裂模型。利用X-ray CT分析测试的缺陷表面积，验证模型的可靠性，结果表明，开裂模型预测结果与试验测试结果有一定差距。