文献速读
Nat. Commun. ：用于建筑的高韧性和水激发凝结行为的柔性水泥纤维
题目
Flexible cement fibers with high toughness and water-activated setting behavior for construction
用于建筑的高韧性和水激发凝结行为的柔性水泥纤维
来源
出版年份：2025年
来源：Nature Communications
通讯作者：武汉纺织大学先进纺纱织造与清洁生产国家地方联合实验室 王金凤 教授 ＆ 武汉纺织大学纺织新材料与先进加工全国重点实验室 张晓芳 教授 ＆ 武汉纺织大学纺织新材料与先进加工全国重点实验室 徐卫林 院士
课题组：武汉纺织大学纺织新材料与先进加工全国重点实验室 徐卫林 院士 课题组
研究背景
混凝土由水泥与水、砂、粗骨料及其他外加剂混合而成，是当今世界最广泛应用的建筑材料（年消耗量仅次于水）。然而，混凝土不具备可持续性，且水泥工业因大量CO2排放而造成了严重环境问题。此外，混凝土存在抗拉韧性低、抗塑性变形能力差等缺陷。随着可持续经济发展和人口增长，对环境足迹小且力学性能高的新型建筑材料需求日益增长。水泥是混凝土建筑中不可或缺的胶凝组分。水化反应促使水泥凝结形成多种水化产物，这些产物决定了混凝土力学性能。其中，水泥主要水化产物之一的水化硅酸钙（C-S-H）通常以粘性凝胶形式存在，可作为增强型胶凝材料，对混凝土最终力学性能起决定性作用。通过添加纳米金属氧化物、纳米纤维或纳米碳材料等纳米材料，已制备出多种水泥，用于促进水泥水化并调控水泥水化产物。纳米工程在提升水泥基材料抗变形和抗断裂性能方面已取得重大进展，同时赋予其自愈合、储热和导电等新功能。然而，大多数水泥/纳米复合材料通常在宏观尺度被浇铸成整体，其抗冲击性能仍较差。此外，在建筑施工中，水泥颗粒通常与水及外加剂混合制备砂浆，硬化后即可使用。这意味着水泥基复合材料可加工性能较差。
近期，有研究者通过将水泥复合粉末填充至三维（3D）间隔织物的多孔表面，压实后在织物底面涂覆密封胶，开发了一种混凝土帆布材料（亦称作混凝土布），即3D间隔织物增强水泥基复合材料。该3D间隔织物具有充足的柔软性与柔韧性，使混凝土帆布在硬化可像软布般灵活裁剪变形，以适应各种工作平面。此外，混凝土帆布可卷成卷材，便于存储运输。上述优势使得混凝土帆布在应急帐篷防护、机场道面抢修建设等紧急工程项目中应用效果显著，其性能优于传统水泥基材料。然而，混凝土帆布特定厚度的平面结构仍制约其在日常生活场景中应用，尤其在异形水泥基材料需求场合。相较于混凝土帆布，水泥基纤维凭借其高柔韧性可纺织成各种织物。水泥基纤维的柔韧性在实际应用中亦可提供显著便利。因此，通过设计柔性水泥基复合纤维材料（水泥基纤维），并采用常规纺织工艺将其编织成织物，有望开发出兼具水泥与纺织材料特性的新型水泥基材料，在高韧性建材领域具有巨大潜力。
研究出发点
尽管水泥基复合纤维材料展现了巨大潜力，但无水水泥颗粒固有的刚性和无黏性导致纤维成型困难，严重制约水泥基纤维研发。此外，尽管水泥水化作用可提升水泥颗粒可塑性，但其硬化效应阻碍了后续加工。
研究内容
本文通过纤维素辅助湿法纺丝策略大规模制备了纤维素支撑水泥基（CSC）纤维。所制备CSC纤维形成互穿双网络结构，可编织成具有高韧性、抗冲击性、轻质、低导热性和耐水性织物。具体而言，通过扫描电子显微镜（SEM）观察了不同水泥负载量（纤维素/水泥质量比1:0–1:50）下CSC纤维微观结构，以及不同水化时间（1、3、7和28d）下纤维微观结构及水泥水化产物形貌演变；利用能量色散X射线光谱（EDS）图像映射分析确认水泥水化产物组成；通过X射线衍射（XRD）分析了水化前后CSC纤维的物相组成；采用热重分析（TG）和差分热重分析（DTG）测定不同水化时间下CSC纤维失重率，计算水化程度；借助3D X射线微型断层扫描（显微CT）表征了纤维素/水泥质量比为1：10的CSC纤维（CSC10）中纤维素和水化水泥的各向同性3D互穿结构；通过拉伸测试、三点弯曲测试、冲击测试评估了CSC纤维和CSC织物的韧性和抗冲击性；测试了CSC织物热导率、吸水性和耐水性；通过数值模拟分析了CSC织物在冲击下的应力状态，并通过多目标优化算法确定了适合编织的纤维素/水泥质量比。
图1 （a）纤维素支撑水泥纤维制备与水化过程（阶段I对应初始干燥状态；阶段II对应水化初期纤维；阶段III对应充分水化后的硬化水泥基纤维）；（b）湿法纺丝工艺示意及纤维素-水泥凝胶纤维照片;（c）CSC纤维编织的大尺寸织物；（d）纤维素支撑水泥纤维在建筑工程中的应用示意
图2 （a）纯纤维素纤维、（b）纤维素/水泥质量比为1：1（CSC1）、（c）CSC10和（d）纤维素/水泥质量比为1：50（CSC50）的截面SEM图及其对应放大视图；CSC10水化（e）1、（f）3、（g）7和（h）28d后的SEM图及对应放大视图（比例尺：a-d上排为200 μm，a-d下排为10 μm；e-h上排为100 μm，e-h下排为10 μm）
图3 不同养护时间（1–28d）水化CSC纤维：（a）DTG曲线（b）XRD图谱；（c）–（f）纤维素骨架作为水化产物成核位点的SEM图（黄色箭头标示纤维素骨架，比例尺为2 μm）；（g）水化过程中水泥与纤维素间Ca-O键连接及氢键作用示意；（h）纤维素网络促进水泥水化过程示意（绿色区域表示纤维素网络，虚线箭头表示水分从纤维素网络向水泥扩散）
图4 （a）CSC纤维酸处理与燃烧处理示意；（b）CSC纤维酸处理实物照片；（c）酸处理后CSC10的SEM图；（d）CSC纤维燃烧处理实物照片；（e）燃烧处理后CSC10的SEM图；（f）CSC纤维显微CT 3D重建（结构中具有连续纤维素、互连水泥及空气分布）
图5 （a）打结实验示意；（b）不同水泥含量CSC纤维在打结实验各状态下的实物照片；（c）悬挂实验示意；（d）不同水泥含量CSC纤维在悬挂实验各状态下的实物照片；不同水泥含量CSC纤维在各状态下的（e）半径与（f）弯曲角度对比（误差棒表示标准偏差，重复样本数n=6）；（g）溶液性能随迭代次数的提升曲线（括号内前者为CSC纤维中纤维素含量，后者为水泥相对于纤维素基体的含量）；CSC10纤维编织的多样化织物：（h）水泥纤维/粘胶纱混纺织物、（i）水泥纤维/棉纱平纹组织混纺、（j）水泥纤维/棉纱斜纹组织混纺；（k）水泥纤维/棉纱缎纹组织混纺；（l）纯水泥纤维织物的可编织性与水化性能（蓝箭头表示短期遇水软化，红箭头表示长期浸水硬化）；应用实例：（m）纯水泥纤维织物笔筒，（n）水泥纤维/棉纱织物骨折固定装置
图6 （a）水泥板、CSC凝胶与CSC织物的弯曲应力-应变曲线；（b）水泥板、CSC凝胶与CSC织物的抗冲击性能对比；（c）编织态水泥织物与其他水泥基复合材料韧性对比；（d）CSC凝胶与（e）CSC织物冲击应力状态数值模拟；（f）编织态织物与水泥板、CSC凝胶的多功能特性对比
主要结论
本文将水泥原位植入纤维素基体，开发了一种通过湿法纺丝大规模制备纤维素支撑水泥（CSC）纤维的简易方法。主要结论如下：
（1）水化后获得的CSC纤维具有互穿双网络复合结构，由交联的水泥硬化体与连续纤维素网络通过紧密界面结合构成。不同水泥负载量影响CSC纤维结构，低负载时纤维素网络连续，高负载（如1:50）会破坏网络结构。水化7d后，CSC纤维中未水化水泥含量下降程度最高，水化程度达61.7%。纤维素骨架可作为成核位点加速水泥水化进程。
（2）所得CSC纤维具有优异的高韧性与抗冲击性，性能超越多数水泥基复合材料。更重要的是，该CSC纤维通过简易的水化凝结方法表现出卓越的加工制造能力，可编织成具有复杂3D构型的多样化水泥基织物结构。CSC织物密度低（1.2 g/cm3），具有低导热系数与优异耐水性。优化算法确定纤维素/水泥质量比1:10（即CSC10）为最佳编织比例。
（3）本文所制备CSC织物集优异韧性、高强度、轻量化、隔热性、防水性及大尺寸制备可行性于一体，在建筑工程、艺术作品、水利工程、土木工程及装饰工程等领域具有广阔应用前景。
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本期编者简介
翻译：
渐 玉
排版：
王晓雨 硕士生 湖北工业大学
学术指导
王宝民 教 授 大连理工大学
文献链接：
https:///10.1038/s41467-025-61855-2