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水泥基材料是当今建筑领域使用量最大的材料。然而,其在工程应用中往往表现出高脆性和低延性等特征;这些严重的缺点不仅使结构设计的多样性和灵活性受到限制,而且也会因耐久性问题给结构的长期安全性埋下隐患。为了克服上述缺点,本文分别使用碳纳米管、碳纤维以及碳纤维枝接碳纳米管从微米和纳米尺度来增强水泥材料的强度和延性,以达到显著提高水泥试件力学性能的目的。本研究通过对碳纳米管分散技术、碳纤维定向排列工艺以及碳纳米管接枝碳纤维合成工艺的优化,制备了均匀分散的碳纳米管悬浮液、碳纳米管改性水泥基复合材料、定向排列碳纤维改性水泥基复合材料和定向排列纤维枝接碳纳米管改性水泥基复合材料,并结合宏测试手段（如:视觉观察和抗折、抗压强度测试）和多种微观测试方法[如:紫外可见近红外光谱（Ultraviolet–visible spectroscopy,UV–Vis）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy,SEM）、红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectrometer,FT-IR）、X射线衍射（X-Ray Diffraction,XRD）、热重分析（Thermogravimetry,TGA）和纳米压痕（Nanoindentation）]对本文所使用的5种不同类型的减水剂[TNWDIS水状减水剂、烷基酚聚氧乙烯醚（APEO）、Ⅰ型阳离子聚羧酸（Ⅰ-C-PCE）、Ⅱ型阳离子聚羧酸（Ⅱ-C-PCE）和硅烷改性聚羧酸（Silane-PCE）]在水中分散MWCNTs-OH的机理,以及MWCNTs-OH、碳纤维和碳纤维枝接碳纳米管增强水泥基材料的机理进行了研究和分析。研究结果显示,在本文所使用的5种不同类型的减水剂中,APEO对MWCNTs-OH的分散性最好,并且当APEO的浓度为0.2mg/ml时分散效果最佳。在碳纳米管改性水泥基材料的力学性能研究中发现,当MWCNTs-OH的掺量低于0.5wt%时,水泥试件的抗折和抗压强度随着碳纳米管掺量的增加而提高;Nanoindentation实验部分验证了严格筛选数据的重要性,其实验结果进一步表明:MWCNTs-OH对水泥力学性能的提高是物理增强与促进水化效应共同作用的结果。定向排列碳纤维改性水泥材料力学性能研究的实验结果显示,定向排列的碳纤维桥连在裂缝之间抑制裂缝单一扩展使试件内部形成多重开裂,降低了水泥裂缝的尺寸,大幅提高了复合材料的抗折强度。此外,碳纤维枝接碳纳米管合成实验结果显示:当碳纤维使用浓H2SO4与浓HNO3体积比3:1的混酸氧化、长度为2μm的碳纳米管与碳纤维质量比为1:5、枝接工艺为一边搅拌一边超声时碳纤维枝接碳纳米管的效果最好。定向排列碳纤维枝接碳纳米管改性水泥样品的测试结果显示,枝接在定向排列纤维表面的碳纳米管能显著提高碳纤维表面的粗糙度从而提高界面过渡区的咬合强度,并通过填充和连接界面过渡区的纳米孔、促进界面过渡区水泥的水化,使界面过渡区变得更加密实,提高了基体在承受外力作用时的荷载传递效率、增强了复合材料抵抗外力的能力。微观观察的结果还表明,碳纤维表面的碳纳米管在荷载传递过程中主要以拔出和剥离两种形式失效。本文的研究结果表明,将碳纳米管和碳纤维作为增强组分合理地掺入水泥基材中,不但能同时发挥碳纳米管和碳纤维优异的力学性能使水泥材料的力学性能得到进一步提升,还能解决碳纤维与水泥间界面弱和碳纳米管因无序排列而利用率低的问题。