摘要：在砂漿與混凝土中摻入各類纖維是建筑材料領域的重大技術突破，可有效解決基體脆性大、抗拉強度低、易開裂等固有缺陷。本文為系統性綜述，梳理纖維增強水泥基復合材料（FRC）前沿研究進展，分析合成纖維（鋼纖維、聚丙烯纖維、碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維）、天然植物纖維（黃麻、大麻、椰殼、劍麻）及混雜纖維體系的性能特征。本文整合 100 余篇近年研究成果，評估纖維摻配對拌合物工作性能、力學性能、耐久性能的影響，同時覆蓋自修復混凝土、超高性能混凝土（UHPC）、綠色可持續建造等特色應用場景。研究結論表明：纖維最優體積摻量區間普遍為 0.1%~2%；相較于單一纖維增強體系，混雜纖維綜合性能具備顯著優勢。鋼纖維在提升抗彎強度與韌性方面表現突出，聚丙烯纖維可有效抑制塑性收縮裂縫并提升長期耐久性能；天然纖維屬于環保替代材料，力學提升效果可觀，但在堿性水泥環境下耐久性能不足，需配套表面改性處理工藝。本文同時梳理前沿研究方向，包括 3D 打印、納米改性纖維體系、智能傳感纖維技術。未來研究重點將聚焦生物基纖維改性工藝、纖維 - 基體界面結合強化、數字化性能監測技術。本綜述可為科研人員與工程從業者篩選適配不同建筑場景的纖維增強方案提供完整理論支撐。

1 引言

混凝土與砂漿是全球應用最廣泛的建筑材料，但自身存在脆性高、抗拉強度差、極易產生裂縫等先天短板。上述問題往往造成結構過早失效、服役壽命縮短，大幅提升后期維護修繕成本。向水泥基體中摻入纖維可針對性彌補該缺陷，將脆性基體轉化為具備延性、抗裂能力的復合材料。

纖維混凝土（FRC）與纖維砂漿（FRM）屬于先進復合材料，離散纖維均勻分布于水泥基體內部，以此改善材料抗拉性能、阻斷裂縫擴展路徑、全面提升結構整體受力性能。纖維增強的理念并非現代產物，古代泥磚摻稻草、抹灰摻馬鬃均為早期應用案例；但現代纖維增強技術已實現跨越式發展，可定制化制備各類合成、天然纖維，匹配不同工程使用需求。

當下行業對綠色可持續建造的重視程度持續提升，推動合成纖維與天然纖維增強體系同步成為研究熱點。鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維等合成纖維因性能穩定、工程應用成熟占據主流市場；而以農業廢棄物、可再生原料制備的天然纖維，憑借低碳環保屬性成為新型替代材料。

本文系統梳理砂漿、混凝土纖維增強領域現有研究成果，分析各類纖維性能特點、纖維對拌合物及硬化后材料性能的作用規律、耐久性能關鍵問題，同時綜述混雜纖維體系、超高性能混凝土、3D 打印、自修復混凝土等創新應用的最新進展。

2 水泥基復合材料所用纖維分類

2.1 合成纖維

2.1.1 鋼纖維

鋼纖維是研究最充分、工程應用效果最優的混凝土增強纖維，一般由碳鋼鋼絲加工制成，端部形態分為彎鉤型、壓紋型、平直型三類。鋼纖維可大幅提升混凝土開裂后受力性能，顯著提高抗彎強度、韌性與能量吸收能力。

現有研究證實，鋼纖維可將混凝土抗彎強度最高提升 40%，抗沖擊性能同步大幅優化；鋼纖維彈性模量高、與水泥基體界面粘結性能優異，是其增強效果突出的核心原因。鋼纖維與其他纖維復配形成的混雜體系存在協同增效效應，最優配比下混凝土劈裂抗拉強度可提升 61%。

鋼纖維外形與長徑比直接決定增強效率：彎鉤型鋼纖維拔出阻力高于平直纖維，開裂后延性更優。工程最優鋼纖維體積摻量為 0.5%~2.0%；摻量過高易造成拌合物和易性下降、纖維團聚結團。

2.1.2 聚丙烯纖維

聚丙烯（PP）纖維成本低廉、耐化學腐蝕，抑制塑性收縮裂縫效果優異，在混凝土工程中應用日益廣泛。該合成聚合物纖維分為微纖維、宏纖維兩類，長度區間 6~54 mm。

傳統微聚丙烯纖維易結團，宏聚丙烯纖維可解決該問題，在自密實混凝土中表現更佳，提升力學性能的同時維持拌合物施工流動性。聚丙烯纖維本身疏水，在堿性混凝土環境中長期耐久表現優異。

2.1.3 玻璃纖維

玻璃纖維抗拉強度高、耐化學腐蝕，適配特定混凝土工況。針對水泥基高堿性環境，行業開發耐堿（AR）玻璃纖維，解決普通玻纖堿蝕失效難題。

試驗表明，玻璃纖維抑制干縮裂縫效果優于聚丙烯纖維，摻入高強混凝土后可有效控裂、降低收縮變形。玻璃纖維混凝土（GFRC）輕量化、造型可塑性強，多用于建筑裝飾構件。

玻纖長徑比決定增強效果：纖維越長，力學性能提升幅度越大，但分散難度同步上升，需優化配合比與澆筑工藝。

2.1.4 碳纖維

碳纖維屬于高端增強材料，比強度極高、抗疲勞性能優異；受成本限制未實現大規模普及，多用于高性能特種混凝土體系。

經表面改性提升與基體相容性后，碳纖維砂漿抗彎強度提升幅度顯著；回收碳纖維具備可持續優勢，與天然纖維復配的混雜體系性能潛力突出。碳纖維導電性能優異，可用于電磁屏蔽、結構健康監測智能混凝土，實現結構實時損傷監測。

各類合成纖維性能對比，如表1所示。

表 1 各類合成纖維性能對比

2.2 天然纖維

2.2.1 玄武巖纖維

玄武巖纖維由火山巖高溫熔融拉絲制備，屬于環保型礦物纖維，熱穩定性、耐化學腐蝕性能優異，力學指標與玻璃纖維接近。現有綜合研究表明，玄武巖纖維最優體積摻量 0.1%~0.3%，混凝土劈裂抗拉強度最高提升 33%，高溫環境受力性能大幅改善；玄武巖混凝土抗硫酸鹽侵蝕、抗凍融循環能力優于普通混凝土。

玄武巖纖維在堿性環境中長期穩定性已得到大量試驗驗證；與鋼纖維、聚丙烯纖維復配形成混雜體系可產生協同效應，更低總纖維摻量即可實現最優力學性能。

玄武巖纖維多項性能優于常規合成纖維：耐受 650℃高溫、化學惰性強、綠色低碳；生產能耗低于玻璃纖維，環境友好性突出。

2.2.2 植物基天然纖維

黃麻、大麻、椰殼纖維、劍麻、亞麻等植物纖維是可持續增強材料，可生物降解、環境負荷低；全球多地產量充足，對發展中國家具備低成本應用價值。

黃麻纖維：摻入混凝土后可同步提升抗拉、抗壓強度，且拌合物和易性維持在合理水平；開裂后抗彎性能優于其余天然纖維。但黃麻在堿性水泥基體中易劣化，必須配套表面改性處理。黃麻纖維纖維素含量高、長徑比合理，抗拉強度區間 393~773 MPa，是綜合性能最優的天然纖維之一。

大麻纖維：力學性能優異、低碳可持續；摻入混凝土后導熱系數最高提升 48%，同時優化力學指標。大麻種植無需大量農藥化肥，適配石灰基砂漿，可用于歷史建筑修復加固。

椰殼纖維：韌性優于其他植物纖維，與水泥基體相容性良好，可提升抗拉強度、阻斷裂縫擴展；椰殼產區可利用農業廢料制備纖維，實現固廢資源化。椰殼纖維斷裂伸長率高、抗沖擊能力強，適合需要吸能、橋接裂縫的工程場景。

劍麻及其他植物纖維：劍麻、香蕉纖維、稻草、蘆竹等均可作為混凝土增強材料，合理摻配下力學性能提升明顯。各地可依托本地農業廢棄物選用適配纖維，踐行可持續建造理念，同時帶動地方經濟發展。

2.3 混雜纖維體系

兩種及以上纖維復配的混雜增強方案是優化混凝土綜合性能的前沿技術，利用不同纖維性能互補，實現單一纖維無法達到的綜合效果。

鋼 - 聚丙烯混雜纖維體系存在顯著協同效應，最優配比下構件極限承載力提升 19%；相較于普通混凝土，混雜纖維混凝土總開裂面積可降低 39%。常規混雜設計思路：宏纖維（鋼 / 合成纖維）承擔開裂后結構強度，微纖維控制早期收縮微裂縫。

混雜體系增強效果受纖維體積比、長徑比、單種纖維力學性能共同影響；不同尺度纖維（微、宏）復配可實現多級增強，同步解決早期塑性收縮裂縫與荷載作用下宏觀結構裂縫。

3 纖維對拌合物性能的影響

3.1 和易性與流動性能

纖維摻入將改變混凝土、砂漿拌合物狀態，影響程度由纖維種類、外形、摻量決定，該規律是現場施工配合比設計與質量管控的核心依據。 

鋼纖維長徑比大、纖維間易相互咬合，顯著降低拌合物坍落度；工程中需調整配合比、摻加高效減水劑抵消該影響，同時規范投料攪拌工藝保障纖維均勻分散。彎鉤型鋼纖維錨固作用更強，相比平直纖維會進一步劣化和易性，根源在于纖維總比表面積增大、機械嵌鎖作用加劇。

低摻量聚丙烯纖維對和易性影響微弱；微聚丙烯纖維可提升拌合物黏聚性、減少泌水離析，優化拌合物均勻性；宏聚丙烯纖維則需精細調整配合比以保證流動性。

天然纖維多孔、親水，會大幅提升拌合物吸水率，造成坍落度下降、凝結時間波動；通過堿處理、硅烷浸漬、聚合物包覆等預處理工藝，可降低吸水、改善施工性能，同時提升長期耐久。

各類纖維混凝土拌合物和易性特征，如表2所示。

表2 各類纖維混凝土拌合物和易性特征

3.2 泵送與澆筑施工要點

纖維會改變混凝土泵送性能與成型質量，設計時需綜合考量纖維外形、分散均勻性、攪拌流程。澆筑成型過程中纖維取向直接決定硬化后力學性能。

3D 打印專用纖維砂漿研究表明，纖維可提升構件堆積成型能力、減少層間變形，但會降低擠出流暢度；定制纖維外形與表面改性工藝可解決大部分澆筑難題。攪拌順序、攪拌時長直接影響纖維分散效果與拌合物性能；先攪拌骨料、水泥、水，后期再投入纖維，可改善分散、減少和易性損失。

4 力學性能提升規律

4.1 抗壓強度

纖維對混凝土抗壓強度的提升效果隨纖維種類、摻量、基體強度等級差異明顯。纖維核心作用為改善抗拉性能，對抗壓性能的作用機理復雜，受多重因素控制。

最優摻量鋼纖維可使混凝土抗壓強度小幅提升 5%~15%，在高強混凝土中增益更突出；鋼纖維超高性能混凝土（UHPC）抗壓強度可突破 150 MPa。鋼纖維控裂、側向約束作用是抗壓提升的核心機理；但纖維摻量過高易形成纖維團聚薄弱區，反而降低抗壓性能。

聚丙烯纖維對抗壓強度提升有限，高摻量下甚至小幅降低抗壓強度；但其控裂作用可減少微裂縫擴展，間接提升長期抗壓性能；多尺度聚丙烯復配體系抗壓強度最高提升 13%。

經改性處理的天然纖維最優體積摻量 0.5%~2%，可實現中等幅度抗壓提升；黃麻纖維改性后抗壓增益可媲美合成纖維。

玄武巖纖維對抗壓強度影響浮動較大，隨摻量、基體配合比變化；提升抗壓性能的最優體積摻量區間 0.1%~0.15%。

4.2 抗拉與抗彎強度

纖維對抗拉、抗彎性能提升效果最為顯著，從根源彌補普通混凝土抗拉薄弱的短板，不同纖維增強效果由自身力學指標、與基體粘結性能決定。

鋼纖維提升抗彎性能優勢突出，最優摻量下抗彎強度提升 25%~50%；開裂后延性、吸能能力大幅提升。彎鉤型鋼纖維錨固效果優于平直纖維，控裂機理為纖維跨縫橋接；纖維長徑比存在最優區間，過長會增大施工難度。

聚丙烯纖維劈裂抗拉強度最高提升 20%，可有效延緩裂縫擴展、改善峰值后受力行為；宏聚丙烯纖維抗彎性能優于微纖維。

改性天然纖維抗彎強度提升 15%~30%，黃麻是綜合性能最優的植物纖維；長徑比、表面改性工藝是決定天然纖維增強效率的關鍵參數。

玄武巖纖維劈裂抗拉、抗彎強度提升 15%~35%，熱穩定性能優異，適配高溫工況。

4.3 韌性與能量吸收能力

纖維可將混凝土脆性破壞轉變為延性破壞，大幅提升韌性與能量吸收性能，對抗沖擊、動荷載結構至關重要。

鋼纖維韌性提升效果最為突出，材料吸能能力呈數量級增長；特種異形鋼纖維可進一步強化增韌效果；鋼纖維超高性能混凝土韌性遠超多數傳統結構材料。彎曲梁試驗、面板試驗為纖維混凝土韌性標準測試方法，ASTM C1609 規范規定了纖維混凝土抗彎韌性標準化測試流程。

微 - 宏多尺度聚丙烯纖維復配體系增韌效果優異，峰值后延性、疲勞壽命同步提升。

天然纖維韌性提升幅度中等，椰殼纖維韌性、吸能能力為植物纖維最優。

合理配比的混雜纖維存在增韌協同效應，鋼 - 合成纖維復配體系韌性最優，同時優化材料綜合成本。

各類纖維混凝土力學參數匯總，如表3所示。

表3 各類纖維混凝土力學參數匯總

5 耐久性能特征

5.1 控裂與抗收縮性能

纖維核心優勢之一為抑制裂縫、抵抗收縮變形，纖維充當裂縫阻斷介質，限制荷載、環境作用下裂縫延伸、減小縫寬。

聚丙烯纖維抑制塑性收縮裂縫效果最優，可大幅降低裂縫面積與深度；混凝土養護早期塑性收縮風險最高，此時聚丙烯纖維控裂作用最為關鍵，最優控裂體積摻量 0.1%~0.3%。微裂縫橋接、收縮應力重分布是聚丙烯纖維控裂機理；聚丙烯彈性模量低，可適應收縮變形而不易斷裂。

鋼纖維側重控制荷載作用下結構性裂縫，減小縫寬、優化裂縫分布；約束收縮試驗證實，鋼纖維可大幅推遲裂縫起裂時間、降低裂縫危害程度；鋼 - 合成纖維混雜體系控裂存在協同增益。

天然纖維可有效抑制表面塑性收縮裂縫；椰殼纖維可顯著減小縫寬、提升構件表面完整性；但天然纖維在堿性環境中長期耐久性能需重點考量。

玄武巖纖維控裂性能優異，長期服役穩定性強，長期暴露于惡劣環境后仍維持穩定控裂效果。

5.2 抗凍融性能

纖維通過阻斷微裂縫擴展、維持基體完整性，顯著提升混凝土抗凍融能力，對嚴寒地區工程意義重大。

聚丙烯纖維混凝土凍融循環后質量損失更小，力學性能保留率高，內部基體結構完整性更好；凍融產生微裂縫時纖維形成橋接，阻止損傷持續擴張。

玄武巖纖維抗凍融性能突出，經 200 次凍融循環后力學性能無明顯衰減，自身礦物組分賦予其優異耐候特性。

鋼纖維混凝土抗凍融性能良好，但氯離子、腐蝕環境下存在銹蝕風險；通過優化保護層厚度、配合比設計可有效規避該問題。

5.3 耐化學侵蝕性能

纖維混凝土耐化學侵蝕性能由纖維材質、水泥基體保護效果共同決定，是評估長期服役壽命的核心指標。

玄武巖纖維耐堿、耐硫酸鹽侵蝕性能優異，在腐蝕環境下力學性能穩定；無定形礦物結構、組分與火山玻璃相近，抗堿骨料反應能力優于其余礦物纖維。

聚丙烯纖維化學惰性強，在混凝土堿性環境中長期性能穩定。

植物天然纖維在堿性孔溶液中易降解，需配套表面改性工藝提升耐堿性能；經堿化、硅烷處理后，天然纖維長期性能可顯著改善。

普通鋼纖維在氯離子、強腐蝕環境下易銹蝕；不銹鋼、涂層鋼纖維可大幅提升耐腐蝕能力，適用于關鍵特種工程。

各類纖維混凝土耐久性能對比，如表4所示。

表 4 各類纖維混凝土耐久性能對比

6 特色工程應用

6.1 超高性能混凝土（UHPC）

超高性能混凝土依托優化配合比與纖維增強實現超高強度、高耐久，體系內多采用高強鋼纖維發揮核心作用。玄武巖 - 鋼混雜纖維 UHPC 具備協同優勢，0.5% 玄武巖纖維搭配 1.5% 鋼纖維可兼顧優異力學性能與拌合物和易性。UHPC 鋼纖維常規體積摻量 1%~3%，摻量越高開裂后延性越好；優化顆粒級配、剔除粗骨料、高纖維摻配共同作用，使 UHPC 抗壓強度突破 150 MPa，抗拉性能接近普通結構鋼材。

6.2 3D 打印混凝土

混凝土 3D 打印為纖維增強材料開辟全新應用場景，同時帶來新的技術難題。打印用纖維砂漿需同時滿足擠出流暢度、堆積成型性、硬化后力學性能多重要求。聚合物纖維可提升打印層間粘結、降低構件力學各向異性；合理纖維選型與摻量可提升打印構件整體性，同時不破壞擠出性能。定制纖維外形、表面改性是當前研究熱點；纖維自修復 3D 打印混凝土可有效提升長期耐久。3D 打印材料要求快速凝結、低泌水、流變性能穩定，纖維可同步優化拌合物施工性能與硬化后力學指標。

6.3 自修復混凝土

自修復混凝土依靠內部機制自主閉合裂縫、維持結構完整，纖維是控制縫寬、保障修復效率的關鍵。聚丙烯纖維可精準限制裂縫寬度，為水泥二次水化、碳化自生修復創造最優條件；纖維與高吸水樹脂、修復藥劑復配可實現雙重增效。內嵌修復功能的智能纖維是前沿研究方向，形狀記憶合金纖維可主動閉合裂縫，提升修復效率。纖維混凝土自修復機理包含未水化水泥持續水化、碳化沉積、修復礦物析出，纖維控制的窄裂縫是激活上述修復機制的必要條件。

6.4 結構修復與加固工程

纖維混凝土、纖維砂漿廣泛用于既有結構修繕加固，優異的力學與耐久性能適配修復工程需求。織物增強水泥基復合材料（FRCM）可替代纖維增強聚合物（FRP）開展加固，熱相容性、防火性能優于有機基體復合材料。纖維修復砂漿與普通修補材料相比界面粘結強度更高、耐久性能更優；多纖維復配專用修補體系已在現場工程落地應用。修復材料與原有混凝土基體相容性直接決定長期服役效果，完善基層處理、合理選材可實現高粘結界面。

7 環境與可持續性分析

7.1 全生命周期評價

評估纖維增強體系環境負荷需覆蓋原材料生產、運輸、施工、服役、報廢全生命周期，不同纖維環境影響差異顯著，直接指導綠色建造選材。

天然纖維原料可再生、生長過程固碳，整體環境表現最優；可顯著降低混凝土碳足跡，同時實現農業固廢資源化利用。回收纖維（回收碳纖維、再生鋼纖維）是低碳替代方案，再生聚丙烯纖維性能可媲美全新纖維，大幅削減環境負擔。生物基纖維改性、表面綠色處理是可持續纖維領域重點研究方向，在改善天然纖維性能的同時不破壞低碳屬性。纖維提升結構服役年限、降低運維修復成本，該長效收益可抵消纖維生產階段的環境消耗。

7.2 固廢資源化利用

將工業、農業固廢摻入纖維混凝土，同步實現性能優化與固廢減量。玉米秸稈灰、紡織廢料、建筑拆除廢料均可作為輔助摻料或纖維原料，在優化配合比前提下提升力學性能、踐行循環經濟。各地可依托本地固廢資源制定資源化方案，平衡經濟效益與環保價值。

8 未來研究趨勢與方向

8.1 智能功能纖維

具備傳感、驅動、自修復一體化功能的智能纖維是纖維混凝土前沿方向。形狀記憶合金纖維可主動控裂、用于結構健康監測；導電碳纖維體系可實現實時損傷監測、電磁屏蔽。納米材料改性纖維 - 基體界面可提升粘結強度、優化材料綜合性能；多功能集成纖維同步承擔結構增強、傳感、自主修復功能，有望實現結構實時反饋、自主維護。

8.2 生物基可持續纖維

新型生物纖維、綠色改性工藝是綠色建造核心研究領域；改良天然纖維性能、解決堿性環境耐久短板，推動天然纖維向承重結構普及。細菌纖維素等生物合成纖維具備高性能低碳優勢；生物 - 合成混雜纖維可平衡力學性能與環保需求；可降解纖維適用于臨時工程。纖維作物選育、基因改良可從源頭提升天然纖維力學、耐堿性能，解決現有天然纖維耐久短板。

8.3 先進制造加工技術

先進制造工藝與纖維增強技術結合，實現性能與施工效率同步提升。3D 打印可精準控制纖維排布取向，定制優化構件受力性能；自動化纖維鋪設、機器人施工拓展復雜纖維構件應用場景。預制纖維構件質量可控、施工效率更高；數字化攪拌、澆筑設備精準調控纖維分散與取向，降低材料性能離散性。

8.4 數值模擬與數字化設計

纖維混凝土精細化數值模型可精準預測受力行為、優化配合比設計。多尺度模型同步解析纖維、基體、界面微觀作用機理；機器學習、人工智能實現纖維配合比自動化優化、性能快速預測。結構健康監測數據與數字孿生模型結合，實現纖維增強結構自適應設計與運維；有限元本構模型持續迭代，精準模擬裂縫擴展、長期耐久演化規律。

9 結論

本文對砂漿、混凝土纖維增強體系開展全面綜述，系統梳理各類纖維研究進展與工程應用規律，核心結論如下：

9.1 性能特征總結

合成纖維：鋼纖維抗彎、韌性、吸能提升效果頂尖，適配高延性承重結構；聚丙烯纖維控塑性收縮、長效耐久優勢突出，最優體積摻量 0.1%~0.3%；玻璃、碳纖維具備特種功能，但需結合造價、工況選型。    天然纖維：黃麻、大麻、椰殼、劍麻等植物纖維屬于低碳增強材料，力學提升效果可觀；玄武巖礦物纖維耐久、力學性能均衡，是合成纖維環保替代品。    混雜纖維體系：多種纖維復配產生協同增效，綜合力學、控裂性能全面優于單一纖維。

9.2 最優摻量與適用場景

絕大多數纖維體系最優體積摻量區間 0.1%~2%；摻量超出最優區間易造成拌合物和易性惡化、材料性能下降。纖維長徑比、表面改性、分散均勻度是決定增強效率的關鍵因素。

9.3 長期耐久性能

纖維通過阻斷裂縫、降低收縮、抵御環境侵蝕全面提升混凝土服役壽命；合成纖維長期穩定性更佳，天然纖維必須配套表面改性工藝才能滿足堿性水泥基體耐久要求。

9.4 可持續發展考量

全生命周期視角下，天然纖維、再生纖維低碳優勢顯著；工程設計需平衡力學性能與環保需求，優先固廢基纖維材料。

9.5 未來發展方向

智能傳感纖維、生物基改性纖維、數字化 3D 打印制造、AI 輔助數值模擬是纖維混凝土核心發展方向；納米、生物、數字多技術融合將推動新一代綠色高韌纖維水泥基材料發展。

依托可持續纖維改性技術、纖維 - 基體界面作用機理深入研究、數字化優化設計，纖維增強混凝土將成為 21 世紀韌性、低碳建造的核心支撐材料。