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  水泥是建筑材料的主要成分，被廣泛用于建造世界各地的住房、路面和其他社會基礎(chǔ)設(shè)施，2022年全球水泥消耗量超過40億噸。然而，水泥固有的脆性導(dǎo)致其材料極易開裂，給水泥基復(fù)合材料的增韌加工帶來了重大挑戰(zhàn)。

  針對水泥材料增韌問題，武漢紡織大學(xué)科研團(tuán)隊通過纖維素輔助濕法紡絲技術(shù)，實現(xiàn)了水泥纖維的大規(guī)模連續(xù)制備，該工藝將水泥顆粒原位嵌入多孔纖維素基體中。該水泥纖維具有較好的柔性，可編織成織物；同時具備水泥水化硬化特性。硬化后的水泥纖維織物展現(xiàn)出高韌性、抗沖擊性能、輕量化特性、低導(dǎo)熱率及優(yōu)異防水性，為隔熱工程、抗震高層建筑及耐久建材領(lǐng)域提供了重要應(yīng)用前景。

  2025年7月15日，該工作以題為“Flexible Cement Fibers with High Toughness and Water-Activated Setting Behavior for Construction”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。武漢紡織大學(xué)朱坤坤副教授為本文第一作者，武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林教授、王金鳳教授和張曉芳教授為本文通訊作者。

  本研究聚焦于傳統(tǒng)水泥材料韌性不足的問題。受織物結(jié)構(gòu)材料韌性高的啟發(fā)，團(tuán)隊提出了一種纖維素輔助濕法紡絲策略，用于開發(fā)水泥基纖維材料。所得水泥纖維在91 %的高水泥含量下仍具柔性，可編織成織物。此外，該策略具備大規(guī)模生產(chǎn)可行性，且纖維織物力學(xué)性能優(yōu)異，為新型水泥基材料的開發(fā)與應(yīng)用提供了新思路。

圖1. 水泥纖維的設(shè)計和制備

  在水泥水化過程中，水化產(chǎn)物通常會在未水化的水泥顆粒周圍形成保護(hù)殼，這會減緩水分向內(nèi)部擴(kuò)散的速度，從而限制水化速率。對于水泥纖維，具有良好親水性的纖維素骨架可作為水分的傳輸通道以及水化產(chǎn)物的成核位點，這大大加快了水化進(jìn)程。

圖2. 纖維素網(wǎng)絡(luò)加速水泥的水化反應(yīng)速度

  水泥纖維具有獨特的互穿雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。遇水前，水泥纖維中纖維素呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水泥呈松散顆粒結(jié)構(gòu)，此時纖維具有柔性可用于編織。遇水后，水泥顆粒水化固化呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時纖維具有剛性可用定型。

圖3. 水泥纖維的互穿雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

  水泥纖維的柔性和水硬性受其組分的影響：纖維素含量越高，水泥纖維遇水前的柔性越好；水泥含量越高，水泥纖維遇水后的硬度越高。同時，水泥纖維可與粘膠纖維、棉纖維等其他纖維一起制備復(fù)合織物。水泥織物遇水前可編輯形狀，遇水后固化定型。

圖4. 水泥纖維的可編織性

  水泥纖維兼具高韌性（約600 kJ/m3）和輕質(zhì)特性（密度低至1.2 g/cm³）。此外，該織物還展現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的抗沖擊性能，這與原始水泥板因結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中而易產(chǎn)生脆性裂紋的特性形成鮮明對比。數(shù)值模擬分析證實，織物結(jié)構(gòu)不僅具備強(qiáng)大的能量吸收能力，還能在塑性變形過程中保持完整結(jié)構(gòu)不發(fā)生斷裂。

圖5. 水泥纖維織物的優(yōu)勢

  綜上所述，該工作提出了一種通過濕法紡絲技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模纖維素基水泥纖維制備的簡便方法，該工藝使水泥在纖維素基質(zhì)中原位嵌入。經(jīng)水化處理后獲得的纖維形成具有互穿雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水泥基復(fù)合材料，其由硬化結(jié)構(gòu)與連續(xù)纖維素網(wǎng)絡(luò)相互連接構(gòu)成，界面結(jié)合緊密。所得水化纖維織物展現(xiàn)出優(yōu)異的韌性與抗沖擊性能，超越了大多數(shù)水泥基復(fù)合材料。更重要的是，這種水泥基纖維通過簡單的水化固化工藝即可加工制造，可編織成具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的多樣化水泥基織物。此外，這類水泥基織物兼具優(yōu)異性能：韌性良好、強(qiáng)度高、重量輕、隔熱性強(qiáng)、防水性好，且適合大規(guī)模生產(chǎn)，因此在建筑工程、藝術(shù)創(chuàng)作、水利工程、土木工程及裝飾工程等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61855-2