随着我国高速铁路运营时间的不断积累,无砟轨道中水泥沥青砂浆层产生的横向离缝、竖向裂缝等病害日益显著。石墨烯是近年来备受瞩目的一种新型纳米材料,具有超高的强度、良好的韧性和优异的导电性,可以极大改善水泥基材料的宏观性能。本文主要以水泥净浆(HCP)体系、水泥-聚合物乳液(HLCP)体系和水泥-乳化沥青(HCAP)体系为研究对象,系统研究磺酸基石墨烯(SG)、羧基石墨烯(CG)和氧化石墨烯(GO)对水泥基复合胶凝材料的宏观性能与微观结构的影响,并且初步探索了聚合物乳液纳米粒子对HCAP体系力学性能与微观结构的影响。采用力学试验机分别测试了不同龄期试件的抗压与抗折强度;采用二电极法及循环加载法测试了试件的导电性与压敏性;采用水化量热仪、热重分析和X射线衍射等方法研究了不同掺量和类型的石墨烯对水泥水化程度的影响;采用压汞仪、氮气吸附和扫描电子显微镜等方法研究了复合胶凝材料微观结构的变化规律;最终揭示了层状石墨烯与乳液纳米粒子改变水泥沥青复合胶凝体系宏观性能的影响机理。本论文的主要研究结论如下:(1)SG对各体系的早期强度的影响较小;低掺量(G/C=0.01%或0.03%)的SG和CG可以显著提高各体系的后期强度、导电性及压敏性;高掺量时(G/C=0.05%),SG和CG对后期强度、导电及压敏性能基本无影响,有时甚至还会起到反作用。(2)SG可以轻微提高各体系的早期水化程度;低掺量时,SG和CG的存在可以为水化产物提供成核模板,因此可以提高各体系的后期水化程度且细化孔结构;而在高掺量时,SG和CG容易发生团聚,因而对后期水化程度和孔结构的影响减弱甚至消失;GO对各体系的后期水化程度基本无影响,但是在低掺量时却能显著改善其孔结构。(3)水泥基材料的早期强度主要由水化程度决定,而SG对各体系的早期水化程度提高并不显著,故而对早期强度的影响也不明显。后期强度和电学性能主要由复合胶凝材料的孔结构与水化产物形貌共同决定。低掺量时,SG和CG可以显著提高各体系后期水化程度,增加水化产物含量,进而细化水泥石的孔结构,提高胶凝材料的宏观性能。此外,石墨烯的模板作用可以显著改变水化产物形貌,导致CH由六方板状晶体转化为无序的非晶态、C-S-H凝胶接触位点增多,从而使得胶凝材料的微观结构更加致密,力学性能与电学性能均提高。(4)由于乳液纳米粒子的填充效应与成膜作用,各个掺量下的S400和SD623均可以提高HCAP体系的后期抗折强度。低掺量时,SD623乳液颗粒可以有效细化凝胶的孔结构,进而轻微提高HCAP体系的后期抗压强度。高掺量时,S400和SD623在水泥表面的覆盖降低了水泥水化程度,进而降低了HCAP体系的后期抗压强度。