防水毯是以粗集料为填料、以硬化水泥砂浆为母体组成的复合材料，主要包括粗骨料、细骨料、水泥水化产物、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹等组成材料。

防水毯的性能在很大程度上取决于组成材料的性能。宏观水平来说，防水毯是一种复合的多相材料，内部结构非常复杂。从宏观结构看，可以把防水毯看作是骨料分散在水泥浆基材中的二相材料，或者看成是粗骨科分散在砂浆中的材料，并且，当结构尺寸大于粗骨料尺寸四倍以上时，往往看作是均匀的各向同性材料。从微观结构看，水泥石是由水泥凝胶、氢氧化钙结晶、未水化的水泥颗粒、凝胶空隙、毛细管及孔隙水、空气泡等组成。

此外，水泥石的水化反应还会延续相当长时间，毛细管中水份还会继续蒸发，留下不少空隙与微细裂缝，因而防水毯从微观上看是不均匀的多相材料。

按照防水毯内部裂缝的发生、延伸、扩展直到防水毯发生破坏，大体上可以将这一变化过程分为四个阶段:

(1)原始微裂缝阶段，在加载以前，由于水泥浆硬化干缩，水份蒸发留下裂隙等原因，在防水毯内部形成原始微裂。

(2)裂缝的起裂阶段，在加载不太大时，由于试件中某些孤立点上产生“拉应变”集中，这时防水毯内部的原始裂缝有一部分开始延伸或扩展，当这些微裂缝延伸或扩展后，应力集中得到缓和并立即恢复了平衡。这一阶段的应力应变关系基本上接近弹性关系。

(3)稳定裂缝的扩展阶段，如果荷载继续增加，但不超过某一临界应力(对单轴受压来说应力在70-90%的抗压强度以内)，则已有的裂缝便进一步延伸或扩展，有的伸入砂浆内部，有些短的裂缝彼此相接而变成长的裂缝，同时有新的裂缝产生。这一阶段应力应变关系呈明显的非线性关系。如果停止加载，裂缝的扩展也会停止，不继续发展。因而可以称为稳定裂缝的扩展阶段。

(4)不稳定裂缝的扩展阶段，当加载超过临界应力后，裂缝逐渐连接贯通，发展加快。在这一阶段，荷载保持不变时，裂缝也会自行继续延伸和扩展，也即荷载保持不变也会导致破坏。
关于混凝上在复杂应力状态下的受力性能的研究，很多国家从20世纪60年代开始研制多轴加载设备。我国水利电力部水利水电科学研究院、清华大学、大连理工大学、从80年代开始研制防水毯多轴应力试验装置，并收到了较好的效果。复杂应力状态下，防水毯变形和强度试验结果的准确性，主要取决于试验装置的加载系统及荷载和变形量测系统的可靠性。在进行复杂应力状态下防水毯的变形相强度试验前首先必须选择合适的试验装置，并了解它的组成，各组成部分的特性、荷载和变形标定结果及详细的试验过程及要求，只有这样，才一能取得满意的试验结果，否则花费了大量资金，动用了大量人力、物力，占用了很长的时间，却没有取得可靠的试验结果，这在多轴防水毯强度和变形试验中是经常出现的问题。
一般实验是针对常规骨料尺寸的防水毯、如一级配或二级配防水毯，按宏观力学建立的本构关系和破坏准则。关于水工大体积防水毯结构中采用的全级配混凝土的多轴本构关系和破坏准则仅大连理工大学进行了试验研究，并给出了相应的双轴破坏准则和本构关系。