水泥的困境：又脆又导热

水泥是人类用量最大的建筑材料，但有两个老大难：一是脆，地震或撞击下容易裂，说碎就碎；二是导热，夏天室内热得像蒸笼，全靠空调续命，建筑能耗占全球碳排放的很大一块。

现有加钢筋、加纤维、加聚合物的方法，韧性提升不到2倍，杯水车薪。仿生结构材料（模仿贝壳、竹子等天然层状结构）能大幅提升韧性，但制备工艺太复杂——3D打印、冰模板、热压、激光切割——又贵又慢，没法大规模生产。

核心矛盾：高性能仿生水泥材料好是好，但造不出来、造不快、造不大。能不能找到一种像做千层酥一样简单的工艺？

从厨房到实验室：千层酥的启示

千层酥（puff pastry）的做法极其简单：面团抹上黄油，折叠，擀平，再抹、再折、再擀——重复几次，就形成了数百层的酥皮结构。烘烤时黄油融化流失，留下层层空腔，就是酥脆的秘密。

东南大学张亚美团队直接把这个厨房操作搬到了水泥上：水泥浆就是"面团"，海藻酸钠（sodium alginate, SA）就是"黄油"。SA是一种从海藻中提取的廉价多糖，遇到水泥释放的钙离子会迅速交联成不溶于水的凝胶膜，防止相邻水泥层粘在一起。

具体操作：在水泥表面涂SA溶液，1分钟后切成两半，叠起来，擀平。重复7次，30分钟搞定，全程室温、常压、无需任何复杂设备。SA凝胶在后续干燥脱水后变成薄膜，留下层层空腔——这就是"千层酥水泥"（PPAC）。

图1 | 千层酥水泥的制备工艺与断裂特征。

为什么这么强？裂纹偏转+ 机械互锁

PPAC的核心结构是"水泥层+空腔层"交替排列。这种设计带来两个关键的增韧机制：

第一个是裂纹偏转。

当裂纹从水泥层传到弱界面（空腔层）时，不会直线穿过，而是沿着层间偏转走弯路，消耗大量能量。这和贝壳珍珠层的增韧原理一样——用弱界面挡住裂纹。

第二个是机械互锁。

SA凝胶在擀压过程中会碎裂，相邻水泥层之间形成"锯齿状"的咬合结构。即使裂纹完全穿透，层与层之间仍然互相卡住，不会直接滑脱。这就像拼图碎片——裂了但散不了。

这两个机制叠加，让PPAC在保持强度不降的前提下，断裂韧性比普通水泥高出约20倍。更重要的是，它不是"啪"一声断裂，而是像金属一样逐步、多阶段地变形失效——这在建筑安全中至关重要。

关键数据：韧性20倍，隔热降68%

Fold-7（折叠7次的PPAC）的核心性能指标：

比断裂韧性达到约91 MPa·mm0.5/g·cm3，是普通浇筑水泥的约20倍，超过了纤维增强混凝土和钢纤维混凝土，甚至逼近了聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）等聚合物的水平。

断裂韧性JIC约90 MPa·mm0.5，断裂能达190 kJ/m3，约为普通水泥的15倍。强度（抗折强度MOR）与普通水泥相当，没有因为引入空腔而牺牲强度。

热导率降至0.38 W/m·K，比普通水泥（1.2 W/m·K）降低68.3%，甚至比同密度的轻质混凝土还低。密度仅降低17.2%，属于"轻而不弱"。

1300°C火焰直接烧15分钟，普通水泥背面94.4°C，PPAC只有44°C；烧20分钟也才52.5°C。隔热效果肉眼可见。

图3 | PPAC的隔热性能。

隔热的秘密：层层空腔阻断三条传热路径

PPAC的层状空腔同时阻断了热传导的三条路径：

热传导：层间空腔是空气（0.026 W/m·K），远低于水泥基体（1.2 W/m·K），形成一道道低导热屏障。

热对流：离散分布的空腔限制了空气的自由流动，抑制了对流传热。

热辐射：多个固-气界面形成多次红外反射，像镜子一样把辐射热"弹"回去。

多物理场仿真模拟证实了这一机制：热量在PPAC中集中在前几个层内就大幅衰减，而普通水泥中热量畅通无阻地穿透。

最大亮点：简单到能大规模生产

这项工作最颠覆性的贡献不是某个性能数字，而是制备工艺的极致简化。整个过程不需要热压、不需要冷冻、不需要真空、不需要3D打印机、不需要预制模具——只需要一个擀面杖大小的滚压机、SA溶液和水泥浆，30分钟就能完成。

因为是在水泥的塑性阶段操作，PPAC在制备完成后仍然可以被切割、塑形。团队成功制作了"SEU"（东南大学缩写）字母形状的PPAC构件，层状结构在硬化后完美保留。

放大生产也简单：增大滚压机尺寸和材料量即可制作大尺寸构件；也可以在塑性阶段将多个PPAC单元拼接在一起。团队展示了40cm级别的大型PPAC板。

这种可扩展性和几何适应性，克服了现有仿生水泥材料"只在实验室里好看"的根本瓶颈，真正具备了工程应用条件。

图5 | PPAC的性能优势与应用潜力。

为什么重要？兼得安全与节能

这项工作的意义在于同时解决了基础设施材料的两大痛点：安全和节能。

安全方面：PPAC的延性断裂行为意味着结构在极端事件（地震、撞击）中不会瞬间崩塌，而是逐步变形失效，给人逃生时间。20倍的断裂韧性提升，对建筑抗震韧性是革命性的。

节能方面：0.38 W/m·K的热导率意味着用PPAC建造的房屋本身就有保温隔热功能，可以大幅减少空调能耗和碳排放。这对全球碳中和目标意义重大——水泥行业碳排放占全球约8%，而建筑运行能耗占比更高。

更关键的是，这一切都建立在一个极其简单的工艺上。千层酥人人会做，千层酥水泥也许某天也能在工地现场生产。

总结：

东南大学张亚美团队受千层酥启发，用"涂海藻酸钠+擀压折叠"的简单室温工艺，制造出层状结构水泥材料（PPAC），断裂韧性提升20倍、热导率降低68%，还可大规模生产和任意塑形，同时解决建筑安全和节能两大痛点。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77120-z