纳米纤维素（NC）为提升水泥基复合材料性能提供了基于生物基的途径，同时有助于降低熟料用量与碳排放强度。本综述调研了截至2026年1月将纤维素纳米纤丝（CNFs）、纤维素纳米晶体（CNCs）及细菌纤维素（BNC）掺入硅酸盐水泥胶凝材料中的研究进展，重点聚焦于决定可复现性能提升能否实现的三个耦合瓶颈。首先，稳定的纳米级分散受到颗粒间强氢键作用以及高碱性孔溶液中静电屏蔽和钙离子桥联作用的共同阻碍。因此，超声或高剪切混合等物理解聚手段仅能暂态稳定，这促使研究人员开发化学策略，如聚羧酸醚系高效减水剂以及共价表面功能化，包括TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基）介导氧化、磺化、硅烷偶联及聚合物接枝等。其次，纳米纤维素通过双重效应调控水化动力学，往往延迟早期反应的同时提高后期水化程度。现有证据日益倾向于支持亲水性纤丝网络介导的短程扩散机制，而非单纯的位阻稳定作用；而与成核相关的效应尚待明确。第三，增韧源于跨越C-S-H（水化硅酸钙）致密化、裂缝桥接、纤维拔出及裂缝偏转等多尺度机制，纳米压痕、数字图像相关法（DIC）及声发射（AE）技术正成为机制解析表征的有效工具。本综述最后框定了推广应用的主要障碍，即成本与可扩展性、工作性权衡、长期耐久性不确定性，以及需要通过严谨的生命周期评价（LCA）来证实在建筑实践中的可持续性声明。未来工作应将中试规模验证与稳健的拌合方案及原位表征相结合，以建立界面化学与现场相关性能之间的关联。
**1. 引言**
全球建筑业与硅酸盐水泥的生产和使用息息相关，而水泥制造业是人为二氧化碳排放的重要来源，约占全球总量的8%。这一显著的环境足迹催生了材料科学与工程领域的范式转变，推动了可持续、高性能替代材料与添加剂的研究，以期降低熟料系数、提升材料效率并延长混凝土结构的使用寿命。在此背景下，生物基纳米材料的整合已成为极具前景的前沿方向，为从纳米尺度自下而上调控水泥基复合材料的性能提供了新途径。
**2. 用于水泥基材料的纳米纤维素类型与性质**
纳米纤维素是一个涵盖多种源自纤维素源材料的 umbrella 分类术语，主要包括纤维素纳米纤丝（CNFs）、纤维素纳米晶体（CNCs）及细菌纳米纤维素（BNC）三种形式，其形态、结构及化学特性各异。CNFs通过高强度机械剪切木材浆粕或其他木质纤维素生物质制得，呈长而柔韧的网状纤丝形态，直径5–60 nm，长度可达数微米，具有高长径比（>100）和丰富的可及羟基基团，能形成强缠结的水凝胶网络。CNCs则通过控制的酸水解（常用硫酸或盐酸）选择性去除无定形区而获得，呈短棒状高结晶度形态，典型尺寸为直径3–20 nm、长度100–500 nm，长径比低至中等（10–70）；经硫酸水解后表面引入硫酸酯基团（-OSO
3-），赋予其显著的负表面电荷。BNC由微生物发酵合成，为化学纯度高的超细带状纳米纤丝网络，兼具高结晶度与高长径比特征，但制备缓慢且成本高昂。三类纳米纤维素的固有差异直接决定其在水泥改性中的分散行为、水化调控路径及增韧机制，跨研究比较时须谨慎对待。
**3. 碱性水泥环境中的分散化学与稳定性**
实现纳米纤维素在新鲜水泥浆体中的均匀纳米级分散是释放其增强潜力的首要障碍，也是本领域面临的最大挑战。纳米纤维素表面高密度羟基促进强颗粒间氢键，导致其在水相中自发团聚；而水泥孔溶液的高pH（12.5–13.5）与高离子强度，尤其是Ca
2+、K
+、Na
+及SO
42-的大量存在，进一步压缩双电层、屏蔽表面电荷，引发"盐析"或电荷屏蔽效应，导致快速且不可逆的团聚。
物理分散方法如探针超声和高剪切混合可初步破碎团聚体，但其效果常为暂态的，且过度超声会造成链断裂、降低长径比。化学策略更为稳健：聚羧酸醚系（PCE）高效减水剂可通过静电排斥与位阻效应稳定分散，但存在与水泥颗粒的竞争吸附问题。更高级的表面共价功能化策略包括：（1）TEMPO介导氧化，将初级羟基转化为羧酸根（-COO
-），虽显著提高负电荷密度，但羧酸根与Ca
2+的螯合可能引发离子桥联；（2）磺化，引入磺酸根（-SO
3-），对二价阳离子络合敏感性较低；（3）硅烷偶联，引入硅醇基（Si-OH）可能与C-S-H形成共价键合；（4）聚合物接枝（如聚乙二醇类），提供对离子强度不敏感的位阻稳定。这些先进路线仍面临多步合成成本高、规模化可行性差的挑战。
**4. 水泥水化的调控：机制与争议**
纳米纤维素作为化学活性剂深刻影响水泥水化过程，表现出"双重效应"：常延迟早期水化与凝结，但提高后期水化程度（DOH）。早期延迟效应主要归因于纳米纤维素吸附于未水化水泥颗粒（如C
3S）表面，通过羟基/羧基与Ca
2+的络合形成物理屏障，阻碍水化产物成核；其中羧基化纳米纤维素的延迟效应更为显著。
关于后期水化度提升的机制，存在位阻稳定假说与短程扩散（SCD）机制之争。位阻稳定假说认为纳米纤维素类似超塑化剂，通过吸附于水泥颗粒产生排斥位阻，改善分散从而提供更均匀的水化产物生长空间。然而，该理论被认为不足以解释后期DOH的显著增幅。SCD机制提出，随着水化进行，致密内层C-S-H壳层包裹未水化核心，水传输成为速率控制步骤；分散良好的亲水高长径比纳米纤维素网络充当"通道"或"芯吸"，将毛细孔水快速输运至反应界面，"短接"缓慢扩散过程，使水化在更长时期内持续进行。分子动力学模拟支持亲水纤维素界面优先水传输的观点，且SCD机制近年来渐成共识。
第三种更具争议的机制是纳米纤维素的C-S-H成核位点效应，即表面羟基为C-S-H沉淀提供能量有利的成核位置。虽扫描电镜（SEM）常显示纳米纤丝附近C-S-H致密生长，但吸附延迟与成核加速之间存在根本张力，目前缺乏原位先进表征的确定性实验证据。水化调控的累积效应体现为毛细孔隙填充、总孔隙率降低及孔径分布向更小、更不连通的凝胶孔转变，直接提升力学性能与耐久性。
**5. 多尺度增韧机制**
纳米纤维素的增韧作用横跨纳米、微米及介观尺度。纳米尺度上，较高DOH导致更多C-S-H生成，且纳米压痕研究表明C-S-H弹性模量与硬度提高，即凝胶致密化效应，这归因于更有序的水化产物生长及纳米孔隙填充。同时，纳米纤维素与周围水化产物之间的氢键、钙介导相互作用等界面黏结机制对应力传递至关重要。
微米尺度上，裂缝桥接是最广泛引证的机制：高长径比纳米纤丝跨越裂缝面承受张力，施加闭合压力阻止裂缝张开，SEM可直观证实纳米纤丝横跨微裂缝的形态。纤维拔出机制与之密切相关——当界面黏结弱于纤维抗拉强度时，纤维从基体中渐进拔出，通过界面摩擦滑动耗散能量，最优界面黏结强度是实现最大能量耗散的关键。裂缝偏转与钉扎机制则对短而硬的CNCs尤为重要，裂缝前缘遇障碍物后被迫绕行，增加断裂表面积与能量需求。
定量表征这些机制仍具挑战。数字图像相关法（DIC）通过追踪表面散斑位移实现全场应变映射，可获取裂缝张开位移、应变局部化及过程区尺寸等数据；声发射（AE）通过检测微开裂与纤维拔出等损伤事件产生的弹性波，实时监测损伤演化并潜在区分不同失效机制。两者与原位力学测试的协同使用有望将研究从定性观察推向定量理解。
**6. 挑战、局限与未来研究方向**
主要挑战涵盖：（1）成本与可扩展性——高质量纳米纤维素的生产能耗高、成本高数个数量级，需发展低能耗提取改质路径及废物利用策略；（2）长期耐久性——缺乏冻融循环、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱老化等长期现场数据；（3）工作性——高比表面积与保水能力急剧增稠、降流，需平衡增强剂量与施工性能；（4）可持续性——须通过全生命周期评价（LCA）而非仅凭借可再生来源来论证环境效益，应报告功能单元、系统边界、能水输入、化学品回收假设等。
未来研究应聚焦于：先进原位多尺度表征以解决机制争议；智能表面功能化赋予自感知或自修复功能；中试规模验证、标准化测试协议及产学研协作，将实验室成果转化为现场相关性能。
