光纖傳感器和石墨烯技術(shù)：開啟土工布智能化應(yīng)用新紀(jì)元

智能技術(shù)紡織品可以與環(huán)境相互作用，即感知外界環(huán)境刺激并作出反應(yīng)。這種多功能的或“智能的”紡織品通過在紡織品中嵌入傳感器來實(shí)現(xiàn)，嵌入式傳感器需對外界溫度、應(yīng)變、化學(xué)、生物等的變化非常敏感。在土工布領(lǐng)域，光纖傳感器已經(jīng)得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用，歐洲作為最早推動(dòng)了技術(shù)紡織大量發(fā)展的地區(qū)之一，已經(jīng)將集成智能化傳感技術(shù)的紡織品應(yīng)用于土工木工程領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于歷史建筑物的地震防護(hù)、預(yù)防路堤山體滑坡等領(lǐng)域。

目前，智能技術(shù)紡織品在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)變得越來越重要，除光纖傳感器的應(yīng)用外，作為新興材料的石墨烯也已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用于土工布的滲漏檢測。可以預(yù)見，未來各種紡織新材料的發(fā)展將推動(dòng)土工布的智能化研究及應(yīng)用向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，為土木工程施工和維護(hù)提供更大的便利。

1 光纖傳感器：用于巖土結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測

土工布廣泛應(yīng)用于堤壩、鐵路、路堤、垃圾填埋場和斜坡等巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和加固，集成光纖傳感器可為土工布提供功能性，如通過監(jiān)測機(jī)械變形、應(yīng)變、溫度、濕度、孔隙壓力、化學(xué)物質(zhì)等的變化判斷巖土結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)行巖土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。特別是需要在幾百米到幾千米的大面積區(qū)域內(nèi)進(jìn)行機(jī)械變形分布式測量的情況下，集成分布式光纖傳感器的技術(shù)紡織品可以通過精確測量沿著光纖的分布式應(yīng)變，提供該區(qū)域任何位置的巖土結(jié)構(gòu)信息，從而可以確保在早期發(fā)現(xiàn)高失效和破壞風(fēng)險(xiǎn)的巖土結(jié)構(gòu)及其位置，有利于提前防預(yù)或進(jìn)行維修。

1.1 硅基光纖分布式布里淵傳感器集成土工布的應(yīng)用

基于光纖布拉格光柵（FBG）的光纖傳感器是最早應(yīng)用于土工織物的傳感器。但是基于FBG的光纖傳感器監(jiān)測系統(tǒng)只能測量有限長度的準(zhǔn)分布應(yīng)變，且成本較高，不能滿足長達(dá)幾百米的堤壩、水壩、鐵路、堤防或斜坡等巖土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測需求。為了滿足大面積巖土結(jié)構(gòu)監(jiān)測的需求，一種基于受激布里淵散射（SBS）的布里淵光頻域分析（BOFDA）技術(shù)分布式光纖傳感器應(yīng)運(yùn)而生。迄今為止，該技術(shù)仍是分布式監(jiān)測巖土結(jié)構(gòu)機(jī)械變形（應(yīng)變）的最佳解決方案之一。

為了推動(dòng)這種傳感器系統(tǒng)與技術(shù)紡織品的智能化集成應(yīng)用，德國及其他歐洲國家已經(jīng)開展了一系列的研究。受過去20多年洪災(zāi)頻發(fā)的影響，德國開展了一項(xiàng)名為RIMAX（極地洪水事件風(fēng)險(xiǎn)管理）的旨在開發(fā)堤防保護(hù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究計(jì)劃，并已經(jīng)開發(fā)出基于BOFDA技術(shù)的低成本監(jiān)測系統(tǒng)及以二氧化硅纖維作為分布式布里淵傳感器的智能土工織物。據(jù)稱，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對長達(dá)幾公里的堤壩的機(jī)械變形和土壤位移的分布測量，因此可以提前發(fā)現(xiàn)堤防、水壩等大型巖土結(jié)構(gòu)的失效，以防止自然災(zāi)害造成堤壩全面崩潰。

為了保證光纖傳感器測量精度，光纖傳感器穩(wěn)定、無損傷地與土工布集成至關(guān)重要。德國開姆尼斯薩克森紡織研究所（STFI）開發(fā)了一種將可將纖維很好地嵌入土工布并不會(huì)影響纖維光學(xué)和感光性能的技術(shù)。德國Fiberware公司也已開發(fā)出新型玻璃纖維電纜，確保嵌入土工布和土工布安裝過程中光纖不會(huì)受到損傷（圖 1）。另外，通過對BOFDA監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，安裝于波蘭Solina的重力壩的光纖傳感器集成智能土工織物已經(jīng)證實(shí)可以應(yīng)用于距離達(dá)10 km的空間，并能以 5 m的分辨率監(jiān)測機(jī)械變形（圖 2）。

1.2 聚合物光纖傳感器集成土工布的應(yīng)用

盡管如此，基于BOFDA技術(shù)的光纖傳感器依然存在缺陷，如在發(fā)生較大的機(jī)械變形（應(yīng)變>1%）時(shí)失效。此外，氧化硅纖維的脆性也給現(xiàn)場施工帶來困難，必須使用昂貴的電纜提供保護(hù)。相比之下，具有高彈性、高斷裂應(yīng)變和測量應(yīng)變（高于40%）的聚合物光纖（POF）作為傳感器在到土工織物上的集成更具優(yōu)勢，特別是對在小區(qū)域內(nèi)具有高機(jī)械變形（如有滑坡風(fēng)險(xiǎn)的斜坡）的監(jiān)測。據(jù)報(bào)道，目前已開發(fā)出基于低成本的POF的新型分布式應(yīng)變傳感器，并且可使用光時(shí)域反射儀（OTDR）技術(shù)監(jiān)測POF中的分布應(yīng)變。德國 “敏感紡織結(jié)構(gòu)（Sensitive textile structures）”項(xiàng)目（來源于德國“ZUTECH”—“未來技術(shù)”項(xiàng)目）和歐洲POLYTECT項(xiàng)目中均提及了對這一技術(shù)的研究。

POF OTDR技術(shù)是利用向POF施加應(yīng)變位置處散射光的水平增加的原理實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。目前已有適用于POF的商業(yè)化OTDR設(shè)備，如Sunrise Luciol公司的光子計(jì)數(shù)OTDR裝置，最大動(dòng)態(tài)范圍為35 dB，允許測量長度大于100 m的瑞利散射；德國Gl？tzl公司還開發(fā)了針對POF土工布的首個(gè)商業(yè)化分布式傳感器技術(shù)GEDISE。另外，德國STFI和意大利Alpe Adria Textil等公司也已經(jīng)成功開發(fā)出將POF嵌入不同類型的土工織物的技術(shù)（圖 3），并成功在德國開姆尼斯市附近的鐵路路堤上進(jìn)行了安裝和測試。

由德國Gloetzl Baumesstechnik公司與Budokop公司、Poland公司等合作組織，在波蘭Belchatow附近的露天褐煤坑也成功安裝了由意大利Alpe Adria Textil公司制造的集成POF傳感器的智能土工格柵（圖 4）。據(jù)悉，該土工格柵長約10 m，集成了PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯） POF作為傳感器。安裝后測量表明，反向散射增加的幅度所對應(yīng)的纖維最大應(yīng)變大于10%，這充分顯示了POF傳感器在高應(yīng)變值測量領(lǐng)域的優(yōu)勢。另外，Alpe Adria Textil公司還開發(fā)了一種嵌入低損耗全氟化POF（PF POF）的新型土工格柵，并已經(jīng)成功在德國波羅的海沿岸完成了安裝測試。

除此之外，POF OTDR傳感器在監(jiān)測垂直裂紋方面也非常有效，可以檢測到 1 mm的裂紋開口和寬至20 mm的裂紋。為此，歐洲POLYTECT項(xiàng)目已將開發(fā)用于脆弱磚石結(jié)構(gòu)和歷史建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測的POF OTDR傳感器作為一項(xiàng)重要的創(chuàng)新任務(wù)。希臘材料與地球結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所（IMMG）的一項(xiàng)測試試驗(yàn)已經(jīng)證明，嵌入水泥基體的POF傳感器可以檢測到 2 mm甚至小至肉眼不可見的裂紋；在意大利帕維亞的一項(xiàng)試驗(yàn)中也已經(jīng)證實(shí)了POF OTDR傳感器可清楚地對模擬地震裂紋進(jìn)行檢測和定位。

2 石墨烯：推動(dòng)土工布合成材料的創(chuàng)新應(yīng)用

自問世以來，石墨烯材料就受到了廣泛研究和關(guān)注，短短10年間，其在RFIDs、復(fù)合材料、傳感器及其相關(guān)產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，同時(shí)新興應(yīng)用領(lǐng)域仍在飛速發(fā)展。據(jù)報(bào)道，到2018年，全球石墨烯需求量將達(dá)到 1 億美元，而2023年這一數(shù)值將高達(dá)13億美元。近期，石墨烯材料的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展至工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的土工合成材料領(lǐng)域，并被認(rèn)為帶來了土工合成材料的革新。

2.1 石墨烯復(fù)合導(dǎo)電土工布的性能與應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯是目前世上最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，具有高電導(dǎo)率、導(dǎo)熱性和高強(qiáng)度，同時(shí)具有疏水性，對所有氣體分子具有不可滲透性，可以提供超過鋼材的強(qiáng)度和自修復(fù)能力，以及優(yōu)于銅的導(dǎo)電性。將石墨烯應(yīng)用在土工布中制成的納米土工復(fù)合材料被認(rèn)為是土工合成材料未來的發(fā)展趨勢，石墨烯將賦予土工布優(yōu)異的性能包括優(yōu)良的導(dǎo)熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)大）、良好的導(dǎo)電性、高強(qiáng)度（重量減輕）、穩(wěn)定性、自修復(fù)、疏水性、抗菌性能（防治過濾堵塞）、溫度/壓力/濕度感應(yīng)功能（溫度、壓力變化及泄漏定位檢測）、大數(shù)據(jù)收集和解讀等?？深A(yù)見的應(yīng)用領(lǐng)域包括廢棄物填埋、采礦、污水處理廠、水庫、水壩和其他儲(chǔ)液池的襯砌系統(tǒng)等，在替代傳統(tǒng)EKG材料（電動(dòng)土工合成材料）方面具有明顯優(yōu)勢，尤其是在儲(chǔ)液池漏液檢測方面極具潛力。

2.2 石墨烯復(fù)合導(dǎo)電土工布在漏液檢測上的應(yīng)用

當(dāng)儲(chǔ)液池出現(xiàn)滲漏問題時(shí)，傳統(tǒng)的依靠監(jiān)測井等檢測的方法往往無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏和確定滲漏點(diǎn)的位置。采用石墨烯復(fù)合導(dǎo)電土工布，當(dāng)導(dǎo)電土工布沒有被滲出液所浸泡時(shí)，其電阻為一常值，漏液浸濕土工布后電阻會(huì)發(fā)生改變，連接于導(dǎo)電土工布的專用設(shè)備可以實(shí)時(shí)檢測到電阻的變化，因此，可以有效和及時(shí)地發(fā)現(xiàn)滲漏，并通過不同位置檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)對比確定滲漏點(diǎn)的位置，從而及時(shí)對漏液點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。

2.3 石墨烯復(fù)合導(dǎo)電土工布的制造

澳大利亞石墨烯技術(shù)公司Imagine IM與土工織物制造商Geofabrics Australasia合作，于2016年8月推出了石墨烯復(fù)合導(dǎo)電土工布產(chǎn)品（Bidim？），并宣布澳大利亞成為第一個(gè)在大規(guī)模工業(yè)產(chǎn)品中使用石墨烯的國家。據(jù)悉，由Imagine IM專門設(shè)立的北吉隆工廠提供石墨烯涂層技術(shù)解決方案（imgne？ X3母粒），由Geofabrics Australasia通過涂層的方法生產(chǎn)的該導(dǎo)電土工布產(chǎn)品目前主要用于垃圾填埋、采礦設(shè)施等的漏液檢測領(lǐng)域，其首個(gè)應(yīng)用安裝計(jì)劃將于今年4月在昆士蘭州的煤層氣站進(jìn)行。

根據(jù)Imagine IM的估計(jì)，相比于現(xiàn)有解決方案，該技術(shù)可以節(jié)省20% ～ 40%的成本。經(jīng)測試表明，利用石墨烯的導(dǎo)電性可檢測土工織物中低至 1 mm的孔的泄漏，且在低至 5 kV的試驗(yàn)電壓下也能顯示出可靠的結(jié)果，試驗(yàn)沒有產(chǎn)生任何誤報(bào)。甚至在土工布存在變形的情況下，以15 kV的試驗(yàn)在距接地線 1 ～ 20 m處均能確保測試靈敏度，成為一種極具成本效應(yīng)的導(dǎo)電土工布解決方案。

另外，imgne？ X3作為石墨烯涂層可以增強(qiáng)紡織品和其他材料的電導(dǎo)率，而不會(huì)影響材料本身的強(qiáng)度和其他特性。Imagine IM預(yù)計(jì)其將在今年 1 季度通過imgne？X3母粒的銷售和許可獲得第一筆收入。

劍橋石墨烯中心（The Cambridge Graphene Centre，CGC）在此之前也已經(jīng)開發(fā)了一種石墨烯土工膜材料生產(chǎn)技術(shù)，包括關(guān)鍵制造設(shè)備擠出系統(tǒng)。Bandera Spa是與CGC在生產(chǎn)石墨烯土工膜和片材的公司之一，據(jù)該公司介紹，其用于石墨烯土工合成材料的工業(yè)化擠出生產(chǎn)線產(chǎn)量可高達(dá)每小時(shí)幾噸，可生產(chǎn)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的寬度達(dá)22 m、用于包裝等領(lǐng)域的寬度達(dá) 3 m、以及用于防水系統(tǒng)的寬度達(dá)8.5 m的產(chǎn)品，產(chǎn)品可根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域具有多層（3 ～9 層）結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

智能化設(shè)備的集成應(yīng)用將為土工布在土木工程和建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來革新，不僅將大力提升工程質(zhì)量，還將對施工后的維護(hù)和險(xiǎn)情預(yù)警及防護(hù)帶來極大的便利，減少由此帶來的危害。目前，我國在光纖傳感器及石墨烯領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但對傳感器及其他智能化設(shè)備在土工布上集成技術(shù)和裝備甚少研究。

由中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《紡織工業(yè)“十三五”科技進(jìn)步剛要》已經(jīng)將“智能土工合成材料集成技術(shù)及裝備”列入重點(diǎn)研究的高性能產(chǎn)業(yè)用紡織品加工關(guān)鍵技術(shù)之一，提出了重點(diǎn)進(jìn)行智能土工布基礎(chǔ)理論研究、功能型纖維材料的研制及應(yīng)用、智能土工布信號(hào)采集及反饋集成系統(tǒng)研究、功能纖維材料與土工布等結(jié)合工藝及裝備研究等研究方向。相信在各項(xiàng)相關(guān)政策的推動(dòng)下，我國智能土工布技術(shù)的研究和應(yīng)用將取得進(jìn)一步的發(fā)展，從而促進(jìn)工程設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)的智能化和精確化，推動(dòng)我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向智能化方向發(fā)展。