综述：天然纤维生物复合材料——植物和动物纤维增强水泥混凝土及超高性能混凝土的当前进展与材料性能全面评述

　　本综述系统评述了天然纤维增强常规混凝土（NFRCC）与超高性能混凝土（NFRUHPC）的最新研究进展。文章重点探讨了黄麻、剑麻、椰壳纤维等多种天然纤维对混凝土力学性能（如抗压强度提升高达20.2%）、密度及可持续性的影响，并分析了纤维几何形状、表面处理（如碱处理、硅烷处理）和混杂纤维策略的优化作用。同时，综述引入了集成实验、分析和机器学习（ML，如梯度提升Gradient Boosting）的框架，用于精准预测材料性能（R2 ≈ 1）和优化设计，为开发高性能、低环境影响的生态高效混凝土提供了数据驱动的可行路径。

　　

文献选取方法

本篇综述采用了系统性的文献筛选方法，以Scopus数据库为主要信息来源，检索了从1973年至2025年间发表的关于天然纤维复合材料（NFCs）的文献。通过使用“天然纤维”、“力学性能”、“植物纤维复合材料”、“动物纤维复合材料”、“可持续材料”、“混凝土”、“超高性能混凝土*”等关键词进行检索，最终从920篇初始文献中筛选出235篇相关文章进行深入分析。数据显示，印度、巴西、中国和美国是该领域研究成果最丰富的国家。

天然纤维概述

天然纤维（NFs）源自植物、动物、微生物和矿物，因其轻质、低成本、可生物降解和可再生等特性，作为传统合成纤维的可持续替代品受到广泛关注。植物纤维（如黄麻、剑麻、大麻、竹纤维）主要由纤维素、木质素和半纤维素构成，具有较高的拉伸强度和模量。动物纤维（如羊毛、蚕丝、人发）则主要由角蛋白或丝心蛋白组成，具有独特的柔韧性和韧性。此外，微生物纤维（如菌丝体）和矿物纤维也正在被探索用于建筑材料。这些纤维的微观结构、化学成分（如纤维素含量）和机械性能（见表1）直接影响其在混凝土复合材料中的增强效果。

天然纤维的力学性能与表面处理

天然纤维的宏观力学性能，如拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率，是其作为增强材料的关键指标。然而，纤维的亲水性以及其与水泥基体之间较差的相容性是主要挑战。为了改善纤维-基体界面粘结，各种表面处理技术被广泛应用，主要包括物理方法（如等离子体处理、蒸汽爆破）、化学方法（如碱处理NaOH treatment、硅烷处理silane treatment、乙酰化acetylation）和生物化学方法（如酶处理）。这些处理能有效去除纤维表面的杂质（如木质素、半纤维素），增加表面粗糙度，引入极性官能团，从而显著提高复合材料的力学性能和耐久性（图4，表3）。例如，碱处理可以显著提高黄麻纤维与混凝土的粘结强度。

常规混凝土（CC）与超高性能混凝土（UHPC）概述

常规混凝土（CC）是应用最广泛的建筑材料，但其存在抗拉强度低、脆性大等固有缺点。超高性能混凝土（UHPC）通过采用低水胶比（w/b < 0.27）、大量掺入辅助性胶凝材料（SCMs，如硅灰SF）和纤维（通常为钢纤维），实现了远超CC的强度（抗压强度 > 150 MPa）和耐久性。UHPC的组成更为复杂，通常包含水泥、硅灰、石英粉、高效减水剂（HRWR）和纤维等（表4）。其致密的微观结构和优异的颗粒堆积密度（图1b, 图9）是其高性能的基础。

天然纤维增强常规混凝土（NFRCC）的力学性能

将天然纤维掺入CC中可以显著改善其力学性能。研究表明，适量的纤维添加（通常为0.4-2.0 wt%）可以提高NFRCC的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度和冲击韧性。

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  抗压强度：例如，掺入0.4 wt%的黄麻纤维可使28天抗压强度提高20.2%（达到44.44 N/mm2）。然而，过高的纤维含量（通常超过2%）会因引入过多空隙而导致强度下降。
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  抗拉与抗弯强度：剑麻和黄麻纤维对抗拉强度的提升尤为显著，增幅可达137.7%和103.8%。抗弯强度也有8.7%-54.5%的提升。纤维通过桥接裂纹，阻止裂纹扩展，从而增强韧性。
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  冲击强度：纤维的加入大幅提高了能量吸收能力，椰壳纤维增强的复合材料吸收能量可达253.5 J，表明其延性得到改善。
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  纤维拔出与界面：单纤维拔出试验是评估纤维-基体界面粘结性能的重要手段。表面处理（如NaOH处理）能有效提高界面剪切强度（图6）。纳米压痕技术（Nanoindentation）被用于研究纤维-基体界面过渡区（ITZ）的微观力学性能，发现肯布纤维（kenaf）周围的ITZ孔隙率较高，影响了整体性能。
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  模拟与机器学习：有限元分析（FEA）和机器学习（ML）模型（如梯度提升、支持向量机SVM）被成功用于预测NFRCC的力学行为，优化纤维参数（含量、长径比），并评估其在高温等恶劣条件下的性能可靠性（图7, 图8）。

天然纤维增强超高性能混凝土（NFRUHPC）的力学性能

将天然纤维应用于UHPC是较新的研究方向，旨在部分替代钢纤维，进一步实现轻量化和可持续性。

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  力学性能：研究表明，剑麻纤维的加入可以显著提高UHPC的峰值位移（增加31.3%）和动态抗拉强度，能量吸收高达916.51 J。宏观玄武岩纤维（MBFs）能将抗压和抗弯强度分别提高21.3%和40%，韧性提升高达548-765%。然而，天然纤维的加入有时会降低UHPC的流动性和抗压强度，这主要归因于纤维引入的孔隙和界面缺陷。
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  高温性能：天然纤维（如黄麻纤维、亚麻纤维）在高温下（通常>200°C）会分解，导致质量损失和强度下降。但与钢纤维混杂使用可以有效改善UHPC的抗爆裂（spalling）性能。热重分析（TGA）显示黄麻纤维在250-400°C之间质量损失约64%（图17），这影响了复合材料在高温下的残余强度。
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  机器学习应用：机器学习模型（如梯度提升GB模型）在预测UHPC的流变性（flowability）和抗压强度方面表现出高精度（R2 > 0.9），关键参数包括养护时间、硅灰含量和纤维特性等。

纤维混杂策略

为了克服单一类型纤维的局限性，纤维混杂（Hybridization）策略被广泛研究。常见的混杂方式包括天然纤维与天然纤维、天然纤维与合成纤维（如聚丙烯PP、聚乙烯醇PVA）以及天然纤维与钢纤维的混杂。例如，将剑麻纤维与钢纤维混杂，或将玄武岩纤维与钢纤维混杂用于UHPC，可以结合不同纤维的优点，同时改善材料的强度、韧性和耐久性。研究表明，1%钢纤维与3%玄武岩纤维混杂的UHPC，其抗压强度比不含玄武岩纤维的配方提高23.03%（图10）。

耐久性与其他性能

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  工作性（Workability）：天然纤维的加入通常会降低混凝土混合料的工作性（坍落度减小），这是由于纤维的高比表面积和亲水性所致（图14）。需要通过使用高效减水剂等方法进行补偿。
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  吸水率：天然纤维的亲水性会导致NFRCC的吸水率增加，这可能影响长期耐久性。添加蛋壳粉（ESP）和纳米二氧化硅（NS）等材料可以有效降低吸水率。
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  自收缩（Autogenous Shrinkage）：某些天然纤维（如纤维素纤维）具有内部养护作用，能够吸收和释放水分，从而有效减少水泥基材料的自收缩。
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  热性能：天然纤维复合材料通常具有较好的隔热性能，但纤维在高温下的热稳定性是一个挑战。TGA是评估其热行为的主要工具。
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  生命周期评估（LCA）：LCA分析表明，与传统的纤维增强混凝土相比，NFRCC可以显著降低全球变暖潜能值（GWP，降幅可达94%），显示出巨大的环境效益（图18）。

应用前景

NFRCC已应用于屋顶、墙板、非承重构件等。NFRUHPC则在建筑外墙、桥梁构件（如桥面板）、以及需要高耐久性和美观性的特种结构中展现出潜力（图19）。然而，其广泛应用仍面临成本、长期性能数据缺乏以及设计规范不完善等挑战。

结论与展望

天然纤维增强混凝土复合材料在推动土木工程材料向可持续方向发展方面具有巨大潜力。通过优化纤维类型、含量、表面处理技术和混杂设计，可以显著提升材料的力学性能和耐久性。集成实验、理论模型和机器学习的数据驱动框架为材料设计和性能预测提供了强大工具。未来的研究应侧重于长期耐久性评估、新型纤维（如动物纤维、菌丝体）的探索、标准化测试方法的建立以及全生命周期环境影响的深入分析，以加速这类生态高效材料在实践中的广泛应用。