氧化石墨烯等纳米材料能显著改善和增强水泥基材料微观结构,进而改善其力学性能及耐久性,并赋予水泥基材料诸多功能性。但已有研究表明,单掺氧化石墨烯会对水泥基材料产生明显的增稠和促凝作用,降低其工作性能。为此,本文在研究氧化石墨烯本体力学性能及单掺氧化石墨烯水泥基材料性能的基础上,提出同时掺入矿物掺合料和氧化石墨烯的复合水泥基材料制备技术。系统研究了这一复合水泥基材料的性能,并依据其力学性能,对其工程应用进行分析和探讨。研究成果对于完善该新型水泥基材料的基础理论和应用研究具有一定的科学意义和参考价值。本文主要研究内容包括:(1)氧化石墨烯本体的力学性能对其复合材料的性能起着决定性影响,但由于其电子结构的复杂性,目前关于其力学性能的研究尚未达成广泛共识。为此,基于分子动力学方法,本文创建了含有羟基、环氧基和羧基随机分布的氧化石墨烯原子模型,研究了含氧官能团种类、数量等对氧化石墨烯弹性模量、强度、极限应变等力学性能的影响,并对其力学性能与拉伸应变率间的相关性做了进一步研究。结果表明,含氧官能团覆盖度对氧化石墨烯的力学性质有着显著影响,随覆盖度上升,弹性模量、强度和极限应变均逐渐减小。随拉伸应变率的增大,氧化石墨烯的弹性模量、强度和极限应变均逐渐减小。(2)针对矿物掺合料与氧化石墨烯协同作用下水泥基材料的流动性,考虑氧化石墨烯掺量、粉煤灰掺量和水胶比等影响因素,创建了正交实验配合比试验方案。基于扩展度试验研究了流动性随各影响因素变化规律。结果表明,流动性随氧化石墨烯掺量的增大而明显降低;随粉煤灰掺量的增大而先增后减,表现出一定的“临界效应”;随水胶比的增大而增大。基于正交实验的方差分析表明,氧化石墨烯掺量、粉煤灰掺量和水胶比等均对流动性有显着影响;基于极差分析进一步表明,流动性对影响因素的灵敏性由大到小依次为氧化石墨烯掺量、水胶比和粉煤灰掺量。基于试验结果,进一步回归得到了扩展度与各影响因素的关系模型。(3)针对矿物掺和料与氧化石墨烯协同作用下的力学性能,分别对其抗折和抗压性能行了研究。结果表明,各龄期抗折强度随氧化石墨烯掺量的增加而增大,随粉煤灰掺量的增加而减小,随水胶比的变化较小。基于正交实验的极差分析表明,1d抗折强度对影响因素的灵敏性由大到小依次为粉煤灰掺量、水胶比和氧化石墨烯掺量;3d、7d、14d、21d、28d、49d、63d时灵敏性由大到小为粉煤灰掺量、氧化石墨烯掺量和水胶比。各龄期抗压强度随氧化石墨烯掺量的增加而增大,随粉煤灰掺量的增加而减小,随水胶比增大而减小。1d抗压强度对影响因素的灵敏性由大到小依次为粉煤灰掺量、氧化石墨烯掺量和水胶比。而3d、7d、14d、21d、28d、49d、63d时的灵敏性由大到小依次为氧化石墨烯掺量、粉煤灰掺量和水胶比。(4)针对矿物掺和料和氧化石墨烯对水泥基体的协同效应,基于正交实验综合平衡法,分析得到了综合考虑流动性和力学性能时的最佳配合比。并基于试验对比和理论分析,从分散性、工作性、力学性能、水化效应、尺寸协同等方面进行了研究,充分说明矿物掺和料与氧化石墨烯对水泥基体的协同增强效应。并通过与目前工程中常用的灌浆料、PVA-ECC水泥基材料进行对比,从流动性、力学性能、经济性、功能性等方面进一步分析了该材料的优势和不足。(5)针对该材料的工程应用范围及相关问题,基于该材料的力学性能,本着“扬长避短、合理使用”的思路,本文提出利用该材料加固和修复特种结构关键构件的方案,提出了基于喷射技术的加固修复技术,并试验研究了该材料的喷射、初凝及成型性能。针对加固效果的评价方法,本文基于白化权函数和德尔菲法评分方法,以加固项目的成功度为一级指标,分别考虑加固项目的安全性、耐久性和经济性为3个二级指标,以承载力提升度、整体变形提升度、加固材料耐久性、新旧材料粘结性能、加固直接成本、加固间接效益等6个指标为三级指标,创建了加固结构的成功度评价模型。通过某化工厂脱硫塔火灾后的加固案例,探讨了该材料对于特种结构关键构件加固方案的可行性,并采用所提模型评价了加固效果。