现代海工工程将逐渐扩大开发建设规模,同时现服役工程面临日益严重的腐蚀问题。硫铝酸盐系列水泥本体的抗冻融性能、耐海水侵蚀性能以及良好的胶凝性能,保证了其应用于海洋建设工程以及修补加固工程的可行性。但目前存在的问题是该系列水泥科学理论研究尚浅,尤其是该系列水泥水化产物中很重要的凝胶相-AH3相的微观结构表征及胶凝作用机理缺乏细致深入的研究,限制了该系列水泥基材料性能的进一步改进。本文利用多种先进现代测试分析技术,表征了硫铝酸盐水泥中A吐相,并通过碱度和温度调控了 AH3相的微观结构,揭示了硫铝酸盐水泥的强度来源和AH3相的胶凝作用机理,为该系列水泥性能的改进提供理论基础。核心工作如下:研究了硫铝酸盐水泥水化产物中AH3凝胶相的微观结构。对比了化学合成AH3相和该系列水泥最重要熟料矿物硫铝酸钙(st-ye’elimite)水化生成AH3相的微观结构,发现了水化生成最终稳定状态的AH3相具有类似于晶体的结构,呈微晶态而非无定形。熵值差异、热力学自由能的变化以及不可逆、定向聚集的生长机制可能是微晶AH3相存在的原因。其次,对比了三种硫铝酸钙系列矿物(ss-ye’elimite,Sr-ye’elimite和Ba-ye’elimite)水化生成AH3相微观结构的异同点。研究表明,三种ye’elimite水化生成的AH3相含量明显不同,并低于st-ye’elimite中AH3相的含量;AH3相的微观构成不同,尽管均呈聚集的薄片状,但对应的AH3相结构中存在少量的Ca、Fe或Sr元素;三种ye’elimite溶液均处于微晶AH3相的平衡态,但AH3相的最终离子积不同,ss-ye’elimite和Sr-ye’elimite水化生成的AH3相呈纳米晶态,Ba-ye’elimite水化生成的AH3相呈微晶态。此外,研究了硫铝酸盐水泥体系中两种重要的水化产物系统(AFm-AH3和AFt-AH3系统)中AH3相微观结构的异同点,两种系统中AH3相均呈微晶或纳米晶态,但其微观结构存在一定的差异。研究表明,AFt-AH3系统中AH3相的颗粒尺寸较小,该系统中AH3相的离子积均高于同龄期AFm-AH3系统中AH3相的离子积,说明该系统中AH3相的晶粒尺寸较小,同时使用多种晶粒尺寸拟合方法计算得到该系统中AH3相的平均晶粒尺寸约为20 nm。分析了碱度和温度调控下AH3相微观结构的演变规律。选用不同的碱度和温度条件,调控AH3相的微观结构,建立微观结构与宏观性能的联系。一方面,提高碱度可以有效激发AH3相晶体的生长。纯水或低碱环境中生成的AH3相具有微晶或纳米晶结构,平均晶粒尺寸约为8至9 nm,颗粒尺寸大多分布在110nm至210nm范围。高碱环境中生成的AH3相呈良好的晶体状态,平均晶粒尺寸增加至约30-40 nm,颗粒尺寸分布约为800-1400 nm或1000-1500 nm。另一方面,改变温度并不能激发立方晶系硫铝酸钙水化生成AH3相的结晶状态,均呈微晶态;但温度可以激发正交晶系硫铝酸钙水化生成AH3相的结晶状态,可以使其从微晶生长成结晶良好的晶体。此外,通过TEM技术对AH3相纳米结构进行研究,首次直接证实了 AH3相的微晶结构,提高温度可促进AH3相晶体生长,并在80℃高温下AH3相呈单晶结构。揭示了 AH3相的胶凝作用机理。选取不同比例的硫铝酸钙、石膏和石灰,设计水化后生成不同比例AFt与AH3相的反应,通过热力学和实验证明反应的可发生性。进一步对不同比例AFt与AH3相的水泥石宏观力学性能进行测试,使用XRD、TG-DTG、SEM和MIP等测试分析手段对AH3相的作用机理进行分析。研究发现,AH3相本体的微晶特性以及良好的填充密实作用,可以显著地贡献水泥石的力学性能,增加其含量可有效提高水泥石的抗压强度。AH3相含量由16.8 wt%减少至2.3 wt%时,水泥石的抗压强度由22.6 MPa减少到9.5 MPa,孔隙率由24%增至32%,中值孔径由138.1 nm增至1439.4 nm,平均孔径由28.9 nm增至326.2 nm。结合水化程度进一步完善AH3相的作用机理,揭示了硫铝酸盐水泥的强度来源。研究发现,硫铝酸钙掺加27.32 wt%石膏时,硫铝酸盐水泥新拌浆体的屈服应力和塑性黏度最高,并且硬化水泥石的抗压强度最高,微观结构最为致密,孔结构最优,水化程度与AH3相含量呈现最佳匹配点。