纤维增强水泥基复合材料：面向先进建筑工程的合成纤维、天然纤维与混杂纤维体系综合综述

摘要：在砂浆与混凝土中掺入各类纤维是建筑材料领域的重大技术突破，可有效解决基体脆性大、抗拉强度低、易开裂等固有缺陷。本文为系统性综述，梳理纤维增强水泥基复合材料（FRC）前沿研究进展，分析合成纤维（钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维）、天然植物纤维（黄麻、大麻、椰壳、剑麻）及混杂纤维体系的性能特征。本文整合 100 余篇近年研究成果，评估纤维掺配对拌合物工作性能、力学性能、耐久性能的影响，同时覆盖自修复混凝土、超高性能混凝土（UHPC）、绿色可持续建造等特色应用场景。研究结论表明：纤维最优体积掺量区间普遍为 0.1%~2%；相较于单一纤维增强体系，混杂纤维综合性能具备显著优势。钢纤维在提升抗弯强度与韧性方面表现突出，聚丙烯纤维可有效抑制塑性收缩裂缝并提升长期耐久性能；天然纤维属于环保替代材料，力学提升效果可观，但在碱性水泥环境下耐久性能不足，需配套表面改性处理工艺。本文同时梳理前沿研究方向，包括 3D 打印、纳米改性纤维体系、智能传感纤维技术。未来研究重点将聚焦生物基纤维改性工艺、纤维 - 基体界面结合强化、数字化性能监测技术。本综述可为科研人员与工程从业者筛选适配不同建筑场景的纤维增强方案提供完整理论支撑。

1 引言

混凝土与砂浆是全球应用最广泛的建筑材料，但自身存在脆性高、抗拉强度差、极易产生裂缝等先天短板。上述问题往往造成结构过早失效、服役寿命缩短，大幅提升后期维护修缮成本。向水泥基体中掺入纤维可针对性弥补该缺陷，将脆性基体转化为具备延性、抗裂能力的复合材料。

纤维混凝土（FRC）与纤维砂浆（FRM）属于先进复合材料，离散纤维均匀分布于水泥基体内部，以此改善材料抗拉性能、阻断裂缝扩展路径、全面提升结构整体受力性能。纤维增强的理念并非现代产物，古代泥砖掺稻草、抹灰掺马鬃均为早期应用案例；但现代纤维增强技术已实现跨越式发展，可定制化制备各类合成、天然纤维，匹配不同工程使用需求。

当下行业对绿色可持续建造的重视程度持续提升，推动合成纤维与天然纤维增强体系同步成为研究热点。钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维等合成纤维因性能稳定、工程应用成熟占据主流市场；而以农业废弃物、可再生原料制备的天然纤维，凭借低碳环保属性成为新型替代材料。

本文系统梳理砂浆、混凝土纤维增强领域现有研究成果，分析各类纤维性能特点、纤维对拌合物及硬化后材料性能的作用规律、耐久性能关键问题，同时综述混杂纤维体系、超高性能混凝土、3D 打印、自修复混凝土等创新应用的最新进展。

2 水泥基复合材料所用纤维分类

2.1 合成纤维

2.1.1 钢纤维

钢纤维是研究最充分、工程应用效果最优的混凝土增强纤维，一般由碳钢钢丝加工制成，端部形态分为弯钩型、压纹型、平直型三类。钢纤维可大幅提升混凝土开裂后受力性能，显著提高抗弯强度、韧性与能量吸收能力。

现有研究证实，钢纤维可将混凝土抗弯强度最高提升 40%，抗冲击性能同步大幅优化；钢纤维弹性模量高、与水泥基体界面粘结性能优异，是其增强效果突出的核心原因。钢纤维与其他纤维复配形成的混杂体系存在协同增效效应，最优配比下混凝土劈裂抗拉强度可提升 61%。

钢纤维外形与长径比直接决定增强效率：弯钩型钢纤维拔出阻力高于平直纤维，开裂后延性更优。工程最优钢纤维体积掺量为 0.5%~2.0%；掺量过高易造成拌合物和易性下降、纤维团聚结团。

2.1.2 聚丙烯纤维

聚丙烯（PP）纤维成本低廉、耐化学腐蚀，抑制塑性收缩裂缝效果优异，在混凝土工程中应用日益广泛。该合成聚合物纤维分为微纤维、宏纤维两类，长度区间 6~54 mm。

传统微聚丙烯纤维易结团，宏聚丙烯纤维可解决该问题，在自密实混凝土中表现更佳，提升力学性能的同时维持拌合物施工流动性。聚丙烯纤维本身疏水，在碱性混凝土环境中长期耐久表现优异。

2.1.3 玻璃纤维

玻璃纤维抗拉强度高、耐化学腐蚀，适配特定混凝土工况。针对水泥基高碱性环境，行业开发耐碱（AR）玻璃纤维，解决普通玻纤碱蚀失效难题。

试验表明，玻璃纤维抑制干缩裂缝效果优于聚丙烯纤维，掺入高强混凝土后可有效控裂、降低收缩变形。玻璃纤维混凝土（GFRC）轻量化、造型可塑性强，多用于建筑装饰构件。

玻纤长径比决定增强效果：纤维越长，力学性能提升幅度越大，但分散难度同步上升，需优化配合比与浇筑工艺。

2.1.4 碳纤维

碳纤维属于高端增强材料，比强度极高、抗疲劳性能优异；受成本限制未实现大规模普及，多用于高性能特种混凝土体系。

经表面改性提升与基体相容性后，碳纤维砂浆抗弯强度提升幅度显著；回收碳纤维具备可持续优势，与天然纤维复配的混杂体系性能潜力突出。碳纤维导电性能优异，可用于电磁屏蔽、结构健康监测智能混凝土，实现结构实时损伤监测。

各类合成纤维性能对比，如表1所示。

表 1 各类合成纤维性能对比

2.2 天然纤维

2.2.1 玄武岩纤维

玄武岩纤维由火山岩高温熔融拉丝制备，属于环保型矿物纤维，热稳定性、耐化学腐蚀性能优异，力学指标与玻璃纤维接近。现有综合研究表明，玄武岩纤维最优体积掺量 0.1%~0.3%，混凝土劈裂抗拉强度最高提升 33%，高温环境受力性能大幅改善；玄武岩混凝土抗硫酸盐侵蚀、抗冻融循环能力优于普通混凝土。

玄武岩纤维在碱性环境中长期稳定性已得到大量试验验证；与钢纤维、聚丙烯纤维复配形成混杂体系可产生协同效应，更低总纤维掺量即可实现最优力学性能。

玄武岩纤维多项性能优于常规合成纤维：耐受 650℃高温、化学惰性强、绿色低碳；生产能耗低于玻璃纤维，环境友好性突出。

2.2.2 植物基天然纤维

黄麻、大麻、椰壳纤维、剑麻、亚麻等植物纤维是可持续增强材料，可生物降解、环境负荷低；全球多地产量充足，对发展中国家具备低成本应用价值。

黄麻纤维：掺入混凝土后可同步提升抗拉、抗压强度，且拌合物和易性维持在合理水平；开裂后抗弯性能优于其余天然纤维。但黄麻在碱性水泥基体中易劣化，必须配套表面改性处理。黄麻纤维纤维素含量高、长径比合理，抗拉强度区间 393~773 MPa，是综合性能最优的天然纤维之一。

大麻纤维：力学性能优异、低碳可持续；掺入混凝土后导热系数最高提升 48%，同时优化力学指标。大麻种植无需大量农药化肥，适配石灰基砂浆，可用于历史建筑修复加固。

椰壳纤维：韧性优于其他植物纤维，与水泥基体相容性良好，可提升抗拉强度、阻断裂缝扩展；椰壳产区可利用农业废料制备纤维，实现固废资源化。椰壳纤维断裂伸长率高、抗冲击能力强，适合需要吸能、桥接裂缝的工程场景。

剑麻及其他植物纤维：剑麻、香蕉纤维、稻草、芦竹等均可作为混凝土增强材料，合理掺配下力学性能提升明显。各地可依托本地农业废弃物选用适配纤维，践行可持续建造理念，同时带动地方经济发展。

2.3 混杂纤维体系

两种及以上纤维复配的混杂增强方案是优化混凝土综合性能的前沿技术，利用不同纤维性能互补，实现单一纤维无法达到的综合效果。

钢 - 聚丙烯混杂纤维体系存在显著协同效应，最优配比下构件极限承载力提升 19%；相较于普通混凝土，混杂纤维混凝土总开裂面积可降低 39%。常规混杂设计思路：宏纤维（钢 / 合成纤维）承担开裂后结构强度，微纤维控制早期收缩微裂缝。

混杂体系增强效果受纤维体积比、长径比、单种纤维力学性能共同影响；不同尺度纤维（微、宏）复配可实现多级增强，同步解决早期塑性收缩裂缝与荷载作用下宏观结构裂缝。

3 纤维对拌合物性能的影响

3.1 和易性与流动性能

纤维掺入将改变混凝土、砂浆拌合物状态，影响程度由纤维种类、外形、掺量决定，该规律是现场施工配合比设计与质量管控的核心依据。 

钢纤维长径比大、纤维间易相互咬合，显著降低拌合物坍落度；工程中需调整配合比、掺加高效减水剂抵消该影响，同时规范投料搅拌工艺保障纤维均匀分散。弯钩型钢纤维锚固作用更强，相比平直纤维会进一步劣化和易性，根源在于纤维总比表面积增大、机械嵌锁作用加剧。

低掺量聚丙烯纤维对和易性影响微弱；微聚丙烯纤维可提升拌合物黏聚性、减少泌水离析，优化拌合物均匀性；宏聚丙烯纤维则需精细调整配合比以保证流动性。

天然纤维多孔、亲水，会大幅提升拌合物吸水率，造成坍落度下降、凝结时间波动；通过碱处理、硅烷浸渍、聚合物包覆等预处理工艺，可降低吸水、改善施工性能，同时提升长期耐久。

各类纤维混凝土拌合物和易性特征，如表2所示。

表2 各类纤维混凝土拌合物和易性特征

3.2 泵送与浇筑施工要点

纤维会改变混凝土泵送性能与成型质量，设计时需综合考量纤维外形、分散均匀性、搅拌流程。浇筑成型过程中纤维取向直接决定硬化后力学性能。

3D 打印专用纤维砂浆研究表明，纤维可提升构件堆积成型能力、减少层间变形，但会降低挤出流畅度；定制纤维外形与表面改性工艺可解决大部分浇筑难题。搅拌顺序、搅拌时长直接影响纤维分散效果与拌合物性能；先搅拌骨料、水泥、水，后期再投入纤维，可改善分散、减少和易性损失。

4 力学性能提升规律

4.1 抗压强度

纤维对混凝土抗压强度的提升效果随纤维种类、掺量、基体强度等级差异明显。纤维核心作用为改善抗拉性能，对抗压性能的作用机理复杂，受多重因素控制。

最优掺量钢纤维可使混凝土抗压强度小幅提升 5%~15%，在高强混凝土中增益更突出；钢纤维超高性能混凝土（UHPC）抗压强度可突破 150 MPa。钢纤维控裂、侧向约束作用是抗压提升的核心机理；但纤维掺量过高易形成纤维团聚薄弱区，反而降低抗压性能。

聚丙烯纤维对抗压强度提升有限，高掺量下甚至小幅降低抗压强度；但其控裂作用可减少微裂缝扩展，间接提升长期抗压性能；多尺度聚丙烯复配体系抗压强度最高提升 13%。

经改性处理的天然纤维最优体积掺量 0.5%~2%，可实现中等幅度抗压提升；黄麻纤维改性后抗压增益可媲美合成纤维。

玄武岩纤维对抗压强度影响浮动较大，随掺量、基体配合比变化；提升抗压性能的最优体积掺量区间 0.1%~0.15%。

4.2 抗拉与抗弯强度

纤维对抗拉、抗弯性能提升效果最为显著，从根源弥补普通混凝土抗拉薄弱的短板，不同纤维增强效果由自身力学指标、与基体粘结性能决定。

钢纤维提升抗弯性能优势突出，最优掺量下抗弯强度提升 25%~50%；开裂后延性、吸能能力大幅提升。弯钩型钢纤维锚固效果优于平直纤维，控裂机理为纤维跨缝桥接；纤维长径比存在最优区间，过长会增大施工难度。

聚丙烯纤维劈裂抗拉强度最高提升 20%，可有效延缓裂缝扩展、改善峰值后受力行为；宏聚丙烯纤维抗弯性能优于微纤维。

改性天然纤维抗弯强度提升 15%~30%，黄麻是综合性能最优的植物纤维；长径比、表面改性工艺是决定天然纤维增强效率的关键参数。

玄武岩纤维劈裂抗拉、抗弯强度提升 15%~35%，热稳定性能优异，适配高温工况。

4.3 韧性与能量吸收能力

纤维可将混凝土脆性破坏转变为延性破坏，大幅提升韧性与能量吸收性能，对抗冲击、动荷载结构至关重要。

钢纤维韧性提升效果最为突出，材料吸能能力呈数量级增长；特种异形钢纤维可进一步强化增韧效果；钢纤维超高性能混凝土韧性远超多数传统结构材料。弯曲梁试验、面板试验为纤维混凝土韧性标准测试方法，ASTM C1609 规范规定了纤维混凝土抗弯韧性标准化测试流程。

微 - 宏多尺度聚丙烯纤维复配体系增韧效果优异，峰值后延性、疲劳寿命同步提升。

天然纤维韧性提升幅度中等，椰壳纤维韧性、吸能能力为植物纤维最优。

合理配比的混杂纤维存在增韧协同效应，钢 - 合成纤维复配体系韧性最优，同时优化材料综合成本。

各类纤维混凝土力学参数汇总，如表3所示。

表3 各类纤维混凝土力学参数汇总

5 耐久性能特征

5.1 控裂与抗收缩性能

纤维核心优势之一为抑制裂缝、抵抗收缩变形，纤维充当裂缝阻断介质，限制荷载、环境作用下裂缝延伸、减小缝宽。

聚丙烯纤维抑制塑性收缩裂缝效果最优，可大幅降低裂缝面积与深度；混凝土养护早期塑性收缩风险最高，此时聚丙烯纤维控裂作用最为关键，最优控裂体积掺量 0.1%~0.3%。微裂缝桥接、收缩应力重分布是聚丙烯纤维控裂机理；聚丙烯弹性模量低，可适应收缩变形而不易断裂。

钢纤维侧重控制荷载作用下结构性裂缝，减小缝宽、优化裂缝分布；约束收缩试验证实，钢纤维可大幅推迟裂缝起裂时间、降低裂缝危害程度；钢 - 合成纤维混杂体系控裂存在协同增益。

天然纤维可有效抑制表面塑性收缩裂缝；椰壳纤维可显著减小缝宽、提升构件表面完整性；但天然纤维在碱性环境中长期耐久性能需重点考量。

玄武岩纤维控裂性能优异，长期服役稳定性强，长期暴露于恶劣环境后仍维持稳定控裂效果。

5.2 抗冻融性能

纤维通过阻断微裂缝扩展、维持基体完整性，显著提升混凝土抗冻融能力，对严寒地区工程意义重大。

聚丙烯纤维混凝土冻融循环后质量损失更小，力学性能保留率高，内部基体结构完整性更好；冻融产生微裂缝时纤维形成桥接，阻止损伤持续扩张。

玄武岩纤维抗冻融性能突出，经 200 次冻融循环后力学性能无明显衰减，自身矿物组分赋予其优异耐候特性。

钢纤维混凝土抗冻融性能良好，但氯离子、腐蚀环境下存在锈蚀风险；通过优化保护层厚度、配合比设计可有效规避该问题。

5.3 耐化学侵蚀性能

纤维混凝土耐化学侵蚀性能由纤维材质、水泥基体保护效果共同决定，是评估长期服役寿命的核心指标。

玄武岩纤维耐碱、耐硫酸盐侵蚀性能优异，在腐蚀环境下力学性能稳定；无定形矿物结构、组分与火山玻璃相近，抗碱骨料反应能力优于其余矿物纤维。

聚丙烯纤维化学惰性强，在混凝土碱性环境中长期性能稳定。

植物天然纤维在碱性孔溶液中易降解，需配套表面改性工艺提升耐碱性能；经碱化、硅烷处理后，天然纤维长期性能可显著改善。

普通钢纤维在氯离子、强腐蚀环境下易锈蚀；不锈钢、涂层钢纤维可大幅提升耐腐蚀能力，适用于关键特种工程。

各类纤维混凝土耐久性能对比，如表4所示。

表 4 各类纤维混凝土耐久性能对比

6 特色工程应用

6.1 超高性能混凝土（UHPC）

超高性能混凝土依托优化配合比与纤维增强实现超高强度、高耐久，体系内多采用高强钢纤维发挥核心作用。玄武岩 - 钢混杂纤维 UHPC 具备协同优势，0.5% 玄武岩纤维搭配 1.5% 钢纤维可兼顾优异力学性能与拌合物和易性。UHPC 钢纤维常规体积掺量 1%~3%，掺量越高开裂后延性越好；优化颗粒级配、剔除粗骨料、高纤维掺配共同作用，使 UHPC 抗压强度突破 150 MPa，抗拉性能接近普通结构钢材。

6.2 3D 打印混凝土

混凝土 3D 打印为纤维增强材料开辟全新应用场景，同时带来新的技术难题。打印用纤维砂浆需同时满足挤出流畅度、堆积成型性、硬化后力学性能多重要求。聚合物纤维可提升打印层间粘结、降低构件力学各向异性；合理纤维选型与掺量可提升打印构件整体性，同时不破坏挤出性能。定制纤维外形、表面改性是当前研究热点；纤维自修复 3D 打印混凝土可有效提升长期耐久。3D 打印材料要求快速凝结、低泌水、流变性能稳定，纤维可同步优化拌合物施工性能与硬化后力学指标。

6.3 自修复混凝土

自修复混凝土依靠内部机制自主闭合裂缝、维持结构完整，纤维是控制缝宽、保障修复效率的关键。聚丙烯纤维可精准限制裂缝宽度，为水泥二次水化、碳化自生修复创造最优条件；纤维与高吸水树脂、修复药剂复配可实现双重增效。内嵌修复功能的智能纤维是前沿研究方向，形状记忆合金纤维可主动闭合裂缝，提升修复效率。纤维混凝土自修复机理包含未水化水泥持续水化、碳化沉积、修复矿物析出，纤维控制的窄裂缝是激活上述修复机制的必要条件。

6.4 结构修复与加固工程

纤维混凝土、纤维砂浆广泛用于既有结构修缮加固，优异的力学与耐久性能适配修复工程需求。织物增强水泥基复合材料（FRCM）可替代纤维增强聚合物（FRP）开展加固，热相容性、防火性能优于有机基体复合材料。纤维修复砂浆与普通修补材料相比界面粘结强度更高、耐久性能更优；多纤维复配专用修补体系已在现场工程落地应用。修复材料与原有混凝土基体相容性直接决定长期服役效果，完善基层处理、合理选材可实现高粘结界面。

7 环境与可持续性分析

7.1 全生命周期评价

评估纤维增强体系环境负荷需覆盖原材料生产、运输、施工、服役、报废全生命周期，不同纤维环境影响差异显著，直接指导绿色建造选材。

天然纤维原料可再生、生长过程固碳，整体环境表现最优；可显著降低混凝土碳足迹，同时实现农业固废资源化利用。回收纤维（回收碳纤维、再生钢纤维）是低碳替代方案，再生聚丙烯纤维性能可媲美全新纤维，大幅削减环境负担。生物基纤维改性、表面绿色处理是可持续纤维领域重点研究方向，在改善天然纤维性能的同时不破坏低碳属性。纤维提升结构服役年限、降低运维修复成本，该长效收益可抵消纤维生产阶段的环境消耗。

7.2 固废资源化利用

将工业、农业固废掺入纤维混凝土，同步实现性能优化与固废减量。玉米秸秆灰、纺织废料、建筑拆除废料均可作为辅助掺料或纤维原料，在优化配合比前提下提升力学性能、践行循环经济。各地可依托本地固废资源制定资源化方案，平衡经济效益与环保价值。

8 未来研究趋势与方向

8.1 智能功能纤维

具备传感、驱动、自修复一体化功能的智能纤维是纤维混凝土前沿方向。形状记忆合金纤维可主动控裂、用于结构健康监测；导电碳纤维体系可实现实时损伤监测、电磁屏蔽。纳米材料改性纤维 - 基体界面可提升粘结强度、优化材料综合性能；多功能集成纤维同步承担结构增强、传感、自主修复功能，有望实现结构实时反馈、自主维护。

8.2 生物基可持续纤维

新型生物纤维、绿色改性工艺是绿色建造核心研究领域；改良天然纤维性能、解决碱性环境耐久短板，推动天然纤维向承重结构普及。细菌纤维素等生物合成纤维具备高性能低碳优势；生物 - 合成混杂纤维可平衡力学性能与环保需求；可降解纤维适用于临时工程。纤维作物选育、基因改良可从源头提升天然纤维力学、耐碱性能，解决现有天然纤维耐久短板。

8.3 先进制造加工技术

先进制造工艺与纤维增强技术结合，实现性能与施工效率同步提升。3D 打印可精准控制纤维排布取向，定制优化构件受力性能；自动化纤维铺设、机器人施工拓展复杂纤维构件应用场景。预制纤维构件质量可控、施工效率更高；数字化搅拌、浇筑设备精准调控纤维分散与取向，降低材料性能离散性。

8.4 数值模拟与数字化设计

纤维混凝土精细化数值模型可精准预测受力行为、优化配合比设计。多尺度模型同步解析纤维、基体、界面微观作用机理；机器学习、人工智能实现纤维配合比自动化优化、性能快速预测。结构健康监测数据与数字孪生模型结合，实现纤维增强结构自适应设计与运维；有限元本构模型持续迭代，精准模拟裂缝扩展、长期耐久演化规律。

9 结论

本文对砂浆、混凝土纤维增强体系开展全面综述，系统梳理各类纤维研究进展与工程应用规律，核心结论如下：

9.1 性能特征总结

合成纤维：钢纤维抗弯、韧性、吸能提升效果顶尖，适配高延性承重结构；聚丙烯纤维控塑性收缩、长效耐久优势突出，最优体积掺量 0.1%~0.3%；玻璃、碳纤维具备特种功能，但需结合造价、工况选型。    天然纤维：黄麻、大麻、椰壳、剑麻等植物纤维属于低碳增强材料，力学提升效果可观；玄武岩矿物纤维耐久、力学性能均衡，是合成纤维环保替代品。    混杂纤维体系：多种纤维复配产生协同增效，综合力学、控裂性能全面优于单一纤维。

9.2 最优掺量与适用场景

绝大多数纤维体系最优体积掺量区间 0.1%~2%；掺量超出最优区间易造成拌合物和易性恶化、材料性能下降。纤维长径比、表面改性、分散均匀度是决定增强效率的关键因素。

9.3 长期耐久性能

纤维通过阻断裂缝、降低收缩、抵御环境侵蚀全面提升混凝土服役寿命；合成纤维长期稳定性更佳，天然纤维必须配套表面改性工艺才能满足碱性水泥基体耐久要求。

9.4 可持续发展考量

全生命周期视角下，天然纤维、再生纤维低碳优势显著；工程设计需平衡力学性能与环保需求，优先固废基纤维材料。

9.5 未来发展方向

智能传感纤维、生物基改性纤维、数字化 3D 打印制造、AI 辅助数值模拟是纤维混凝土核心发展方向；纳米、生物、数字多技术融合将推动新一代绿色高韧纤维水泥基材料发展。

依托可持续纤维改性技术、纤维 - 基体界面作用机理深入研究、数字化优化设计，纤维增强混凝土将成为 21 世纪韧性、低碳建造的核心支撑材料。