混凝土作为全球第二大消耗材料(仅次于水)，因其脆性断裂和易开裂特性面临严峻挑战。传统水泥基复合材料存在韧性低、抗变形能力差等问题，且水泥生产伴随大量二氧化碳排放。尽管纳米添加剂能提升部分性能，但宏观浇注成型的材料仍抗冲击性不足，加工性能受限。混凝土帆布虽具一定柔韧性，但其平面结构难以满足异形建筑需求。开发兼具环境友好、高力学性能和可加工性的新型建筑材料迫在眉睫。

武汉纺织大学徐卫林院士、王金凤教授、张晓芳教授、朱坤坤副教授团队在《自然·通讯》发表突破性成果：通过纤维素辅助湿法纺丝技术，首次实现水泥基纤维(CSC纤维)连续化大规模制备。该技术将水泥颗粒原位植入多孔纤维素基质，水化反应形成硬质网络与柔性纤维素骨架互穿的双网络结构，使纤维同时具备高强度与高韧性。这种纤维遇水软化时可编织成织物，硬化后形成轻质、高抗冲击、低导热且耐水的多功能建筑材料，在隔热建筑、抗震高层和耐久工程领域潜力显著。

制备工艺突破

研究团队创新性采用无水环境下的湿法纺丝技术(图1b)：将水泥颗粒掺入纤维素/LiCl-DMAC溶液形成稳定悬浮液，经针管挤出至乙醇凝固浴，形成柔性凝胶纤维。此过程水泥颗粒被锁定在纤维素基质中，避免提前水化。干燥后的纤维通过常规纺织工艺编织成大型织物(图1c)，遇水后硬化定型为定制化水泥结构(图1d)，可应用于屋顶支撑、堤坝加固等场景(图1a)。

图1 | 纤维素支撑水泥基(CSC)纤维的设计与制备示意图 a. 纤维素支撑水泥纤维的制备及水化过程：阶段I为初始干燥态，阶段II为水化早期纤维状态，阶段III为充分水化后的硬化水泥基纤维。 b. 湿法纺丝工艺示意图及纤维素-水泥凝胶纤维照片(纺丝速率：10 cm/s，无水乙醇凝固浴)。 c. CSC纤维编织的大型织物。 d. 纤维素支撑水泥纤维在建筑中的潜在应用场景图示(屋顶支撑、外墙装饰、堤坝加固、安全防护设施、防滑路面)。

结构演化与性能优势

电镜分析(图2)揭示：低水泥含量时，纤维素骨架呈均匀多孔结构(CSC10);过量水泥则破坏网络连续性(CSC50)。水化7天后，针状钙矾石和蜂窝状C-S-H凝胶填满孔隙(图2e-g)，形成致密互穿网络。双网络结构经酸处理与燃烧实验验证(图4)：CSC10纤维移除水泥相后保留完整纤维素骨架，燃烧后残留互连水泥网络;显微CT三维重建直观呈现纤维素、水泥和孔隙三相互穿(图4f)。

图2 | 纤维素支撑水泥基(CSC)纤维的微观结构 a-d. 水化前纤维截面电镜图：a. 纯纤维素纤维;b. CSC1;c. CSC10;d. CSC50(上排：200 μm标尺;下排：10 μm标尺)。 e-h. CSC10纤维水化不同时间后的截面电镜图：e. 1天;f. 3天;g. 7天;h. 28天(上排：100 μm标尺;下排：10 μm标尺)。

图3 | 纤维素支撑水泥基(CSC)纤维的加速水化效应 a. 不同养护时间(1-28天)水化CSC纤维的DTG曲线; b. XRD图谱; c-f. 电镜图显示纤维素骨架作为水化产物成核位点(黄色箭头指示纤维素骨架，标尺：2 μm); g. 水化过程中水泥与纤维素间Ca-O键连和氢键示意图; h. 纤维素网络促进水泥水化过程示意图(绿色表示纤维素网络，虚线箭头表示水分从纤维素网络向水泥相扩散)。

图4 | 纤维素支撑水泥基(CSC)纤维的双网络结构 a. CSC纤维酸处理及燃烧处理示意图; b. 酸处理后纤维实物照片(标尺：1 cm); c. 酸处理后的CSC10纤维电镜图(标尺：100 μm); d. 燃烧处理后纤维实物照片; e. 燃烧处理后的CSC10纤维电镜图; f. CSC纤维显微CT三维重建(蓝色：连续纤维素相;红色：互连水泥相;黑色：孔隙相)。

智能编织特性

CSC纤维在水化过程中展现独特三阶段力学行为：干燥态刚性→遇水软化(可打结半径趋近零)→硬化定型(图5a-f)。通过多目标优化算法确定最佳配比(纤维素:水泥=1:10)，CSC10纤维可实现平纹、斜纹、缎纹等复杂编织(图5h-k)。软化态织物可塑造成笔筒、骨折固定板等三维结构(图5m,n)，突破传统水泥制品形态限制。

图5 | 纤维素支撑水泥基(CSC)纤维的可编织性 a. 打结实验示意图;b. 不同水泥含量纤维在不同状态下的打结实物图; c. 悬挂实验示意图;d. 不同状态纤维悬挂实物图; e-f. 不同水泥含量纤维的打结半径(e)与悬挂角度(f)对比(误差棒为标准偏差，n=6); g. 优化算法的迭代过程; h-k. CSC10纤维编织的各类织物：h. 水泥纤维/粘胶纱混纺织物(平纹);i. 水泥纤维/棉纱织物(平纹);j. 斜纹织物;k. 缎纹织物(标尺：2 cm); l. 纯水泥纤维织物的编织-水化性能(蓝色箭头：遇水短暂软化;红色箭头：长期浸泡硬化); m-n. 三维应用：m. 笔筒;n. 骨折固定板(标尺：5 mm)。

卓越应用性能

编织后的水泥织物(CSC fabric)弯曲强度显著优于水泥板和纤维素-水泥凝胶(图6a)，韧性达600 kJ/m³，密度仅1.2 g/cm³。其比韧性远超玻璃纤维网格增强泡沫混凝土等材料(图6c)，抗冲击性能提升约200%(图6b)。数值模拟证实织物通过双网络结构和编织形变有效分散载荷(图6d,e)。同时具备与加气混凝土相当的隔热性(0.1 W/m·K级)及长期耐水性，综合性能满足建筑外墙装饰、防滑路面等多元场景(图6f)。

图6 | 编织水泥基织物的应用潜力 a. 水泥板、CSC凝胶与CSC织物的弯曲应力-应变曲线; b. 抗冲击性能对比; c. 编织水泥织物与其他水泥基复合材料的韧性对比; d-e. 数值模拟显示织物能量吸收(d)与塑性变形(e)能力; f. 多功能优势图解(轻质、高韧、隔热、防水、抗冲击)。

展望

该研究通过原位双网络结构设计，实现了水泥材料从刚性到柔性的范式转变。纤维素骨架不仅加速水化反应(7天完成61.7%)，更赋予材料可编织、可定制的革命性加工能力。未来，这种轻质高韧、隔热耐水的智能水泥织物有望重塑建筑、水利及装饰工程材料体系，推动可持续建筑发展。