水泥基材料是一种多孔脆性材料,使用时不可避免地会产生裂缝及局部损伤,水分和其它有害物质会通过这些孔隙及微裂纹侵入内部,对水泥基材料的内部结构产生一系列不良影响,如强度降低、渗漏、碳化、钢筋锈蚀等,造成建筑工程强度和使用寿命下降,所以提高水泥基材料的强度和耐久性具有重要意义。研究发现石墨烯和碳纤维对混凝土的强度和耐久性具有改善作用。石墨烯和碳纤维都具有高强度、高模量等特性。碳纤维掺入混凝土可以有效的抑制水泥基材料开裂,提高强度;石墨烯可以填充在微小的孔隙中,增加水泥基材料的致密性,提高抗渗性。并且碳纤维和石墨烯具有良好的导电性,可以改善电沉积法修复水泥基材料裂缝的效果。所以本研究通过将石墨烯和碳纤维复掺,分析了石墨烯和碳纤维对混凝土力学性能和耐久性能的改性情况,以及二者复掺对电沉积法修复砂浆裂缝的促进效果,并阐述了石墨烯和碳纤维对水泥基材料的改性机理。主要研究结果如下:(1)石墨烯和碳纤维可以有效提升混凝土的力学性能。当石墨烯掺量为0.06%时,在28d龄期时混凝土的抗压强度提高了16.0%,抗折强度提高了19.4%。当碳纤维掺量为0.6%时,在28d龄期时混凝土的抗压强度提高了18.9%,抗折强度提高了25.7%。石墨烯和碳纤维复掺时,碳纤维掺量为0.6%,石墨烯掺量为0.08%时强度最高,28d龄期时复掺混凝土的抗压强度较单掺碳纤维提高了11.1%,抗折强度提高了14.5%。碳纤维在混凝土中抑制微裂纹的产生与发展,石墨烯改善水化产物的形状与分布,使混凝土的力学性能相对于单一掺合料得到了进一步的提升。(2)石墨烯和碳纤维复掺可以有效改善混凝土耐久性。石墨烯的填充效应和模板效应增加了水泥石的致密性,降低了混凝土的孔隙率。碳纤维可以有效减少混凝土开裂,降低有害孔的含量。当碳纤维掺量为0.6%时,28d龄期的混凝土氯离子迁移系数减小了48.0%,冻融循环200次后抗压强度比对照试样提升了64.4%。当石墨烯和碳纤维复掺时,混凝土的抗渗性和抗冻性能最好。相较于单掺碳纤维,28d龄期的混凝土氯离子迁移系数减小了51.6%,有害孔及多害孔比例减小了44.1%。冻融循环200次后质量损失率下降了35.3%、相对动弹性模量提升了12.9%、抗压强度提升了11.3%。表明碳纤维和石墨烯复掺弥补了单一材料的不足,进一步减少了混凝土中孔隙的含量,增加了密实性,从而改善了混凝土抗氯离子渗透能力和抗冻能力。(3)利用石墨烯和碳纤维导电的特性,对电化学沉积法修复砂浆裂缝进行改进,研究发现施加电流20d后砂浆裂缝最终愈合,裂缝修复速度在前5d最快,随后速度逐渐变缓。碳纤维和石墨烯相对于空白试样均能加速裂缝修复进程,碳纤维和石墨烯复掺的砂浆裂缝修复最快,在15d时裂缝已经愈合。其沉淀生成量相对于空白试样增加了114.9%,氯离子迁移系数降低71.9%,超声波声时较修复前有效降低,振幅提高了170.4%。通过扫描电镜发现空白试样中生成的沉淀产物大多排列松散,无规律性,致密性差,而碳纤维和石墨烯复掺试样中的沉积产物则相互交织形成均匀致密的结构,有效的愈合了砂浆3~5mm的裂缝,提高了抗渗性。