水泥是建筑材料的主要成分，被广泛用于建造世界各地的住房、路面和其他社会基础设施，2022年全球水泥消耗量超过40亿吨。然而，水泥固有的脆性导致其材料极易开裂，给水泥基复合材料的增韧加工带来了重大挑战。
针对水泥材料增韧问题，武汉纺织大学科研团队通过纤维素辅助湿法纺丝技术，实现了水泥纤维的大规模连续制备，该工艺将水泥颗粒原位嵌入多孔纤维素基体中。该水泥纤维具有较好的柔性，可编织成织物；同时具备水泥水化硬化特性。硬化后的水泥纤维织物展现出高韧性、抗冲击性能、轻量化特性、低导热率及优异防水性，为隔热工程、抗震高层建筑及耐久建材领域提供了重要应用前景。
2025年7月15日，该工作以题为“Flexible Cement Fibers with High Toughness and Water-Activated Setting Behavior for Construction”的论文发表在《Nature Communications》上。武汉纺织大学朱坤坤副教授为本文第一作者，武汉纺织大学徐卫林教授、王金凤教授和张晓芳教授为本文通讯作者。
本研究聚焦于传统水泥材料韧性不足的问题。受织物结构材料韧性高的启发，团队提出了一种纤维素辅助湿法纺丝策略，用于开发水泥基纤维材料。所得水泥纤维在91 %的高水泥含量下仍具柔性，可编织成织物。此外，该策略具备大规模生产可行性，且纤维织物力学性能优异，为新型水泥基材料的开发与应用提供了新思路。
图1. 水泥纤维的设计和制备
在水泥水化过程中，水化产物通常会在未水化的水泥颗粒周围形成保护壳，这会减缓水分向内部扩散的速度，从而限制水化速率。对于水泥纤维，具有良好亲水性的纤维素骨架可作为水分的传输通道以及水化产物的成核位点，这大大加快了水化进程。
图2. 纤维素网络加速水泥的水化反应速度
水泥纤维具有独特的互穿双网络结构。遇水前，水泥纤维中纤维素呈网络结构，水泥呈松散颗粒结构，此时纤维具有柔性可用于编织。遇水后，水泥颗粒水化固化呈网络结构，此时纤维具有刚性可用定型。
图3. 水泥纤维的互穿双网络结构
水泥纤维的柔性和水硬性受其组分的影响：纤维素含量越高，水泥纤维遇水前的柔性越好；水泥含量越高，水泥纤维遇水后的硬度越高。同时，水泥纤维可与粘胶纤维、棉纤维等其他纤维一起制备复合织物。水泥织物遇水前可编辑形状，遇水后固化定型。
图4. 水泥纤维的可编织性
水泥纤维兼具高韧性（约600 kJ/m³）和轻质特性（密度低至1.2 g/cm3）。此外，该织物还展现出显著增强的抗冲击性能，这与原始水泥板因结构应力集中而易产生脆性裂纹的特性形成鲜明对比。数值模拟分析证实，织物结构不仅具备强大的能量吸收能力，还能在塑性变形过程中保持完整结构不发生断裂。
图5. 水泥纤维织物的优势
综上所述，该工作提出了一种通过湿法纺丝技术实现大规模纤维素基水泥纤维制备的简便方法，该工艺使水泥在纤维素基质中原位嵌入。经水化处理后获得的纤维形成具有互穿双网络结构的水泥基复合材料，其由硬化结构与连续纤维素网络相互连接构成，界面结合紧密。所得水化纤维织物展现出优异的韧性与抗冲击性能，超越了大多数水泥基复合材料。更重要的是，这种水泥基纤维通过简单的水化固化工艺即可加工制造，可编织成具有复杂三维结构的多样化水泥基织物。此外，这类水泥基织物兼具优异性能：韧性良好、强度高、重量轻、隔热性强、防水性好，且适合大规模生产，因此在建筑工程、艺术创作、水利工程、土木工程及装饰工程等领域具有广阔应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-61855-2
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