光纤传感器和石墨烯技术：开启土工布智能化应用新纪元

智能技术纺织品可以与环境相互作用，即感知外界环境刺激并作出反应。这种多功能的或“智能的”纺织品通过在纺织品中嵌入传感器来实现，嵌入式传感器需对外界温度、应变、化学、生物等的变化非常敏感。在土工布领域，光纤传感器已经得到了较为广泛的研究和应用，欧洲作为最早推动了技术纺织大量发展的地区之一，已经将集成智能化传感技术的纺织品应用于土工木工程领域，特别是应用于历史建筑物的地震防护、预防路堤山体滑坡等领域。

目前，智能技术纺织品在土木工程领域的应用已经变得越来越重要，除光纤传感器的应用外，作为新兴材料的石墨烯也已经被开发应用于土工布的渗漏检测。可以预见，未来各种纺织新材料的发展将推动土工布的智能化研究及应用向更广阔的领域发展，为土木工程施工和维护提供更大的便利。

1 光纤传感器：用于岩土结构安全监测

土工布广泛应用于堤坝、铁路、路堤、垃圾填埋场和斜坡等岩土结构的稳定和加固，集成光纤传感器可为土工布提供功能性，如通过监测机械变形、应变、温度、湿度、孔隙压力、化学物质等的变化判断岩土结构的完整性，进行岩土结构健康监测。特别是需要在几百米到几千米的大面积区域内进行机械变形分布式测量的情况下，集成分布式光纤传感器的技术纺织品可以通过精确测量沿着光纤的分布式应变，提供该区域任何位置的岩土结构信息，从而可以确保在早期发现高失效和破坏风险的岩土结构及其位置，有利于提前防预或进行维修。

1.1 硅基光纤分布式布里渊传感器集成土工布的应用

基于光纤布拉格光栅（FBG）的光纤传感器是最早应用于土工织物的传感器。但是基于FBG的光纤传感器监测系统只能测量有限长度的准分布应变，且成本较高，不能满足长达几百米的堤坝、水坝、铁路、堤防或斜坡等岩土结构的监测需求。为了满足大面积岩土结构监测的需求，一种基于受激布里渊散射（SBS）的布里渊光频域分析（BOFDA）技术分布式光纤传感器应运而生。迄今为止，该技术仍是分布式监测岩土结构机械变形（应变）的最佳解决方案之一。

为了推动这种传感器系统与技术纺织品的智能化集成应用，德国及其他欧洲国家已经开展了一系列的研究。受过去20多年洪灾频发的影响，德国开展了一项名为RIMAX（极地洪水事件风险管理）的旨在开发堤防保护智能监控系统的研究计划，并已经开发出基于BOFDA技术的低成本监测系统及以二氧化硅纤维作为分布式布里渊传感器的智能土工织物。据称，该技术可以实现对长达几公里的堤坝的机械变形和土壤位移的分布测量，因此可以提前发现堤防、水坝等大型岩土结构的失效，以防止自然灾害造成堤坝全面崩溃。

为了保证光纤传感器测量精度，光纤传感器稳定、无损伤地与土工布集成至关重要。德国开姆尼斯萨克森纺织研究所（STFI）开发了一种将可将纤维很好地嵌入土工布并不会影响纤维光学和感光性能的技术。德国Fiberware公司也已开发出新型玻璃纤维电缆，确保嵌入土工布和土工布安装过程中光纤不会受到损伤（图 1）。另外，通过对BOFDA监测系统进一步优化，安装于波兰Solina的重力坝的光纤传感器集成智能土工织物已经证实可以应用于距离达10 km的空间，并能以 5 m的分辨率监测机械变形（图 2）。

1.2 聚合物光纤传感器集成土工布的应用

尽管如此，基于BOFDA技术的光纤传感器依然存在缺陷，如在发生较大的机械变形（应变>1%）时失效。此外，氧化硅纤维的脆性也给现场施工带来困难，必须使用昂贵的电缆提供保护。相比之下，具有高弹性、高断裂应变和测量应变（高于40%）的聚合物光纤（POF）作为传感器在到土工织物上的集成更具优势，特别是对在小区域内具有高机械变形（如有滑坡风险的斜坡）的监测。据报道，目前已开发出基于低成本的POF的新型分布式应变传感器，并且可使用光时域反射仪（OTDR）技术监测POF中的分布应变。德国 “敏感纺织结构（Sensitive textile structures）”项目（来源于德国“ZUTECH”—“未来技术”项目）和欧洲POLYTECT项目中均提及了对这一技术的研究。

POF OTDR技术是利用向POF施加应变位置处散射光的水平增加的原理实现监测功能。目前已有适用于POF的商业化OTDR设备，如Sunrise Luciol公司的光子计数OTDR装置，最大动态范围为35 dB，允许测量长度大于100 m的瑞利散射；德国Gl？tzl公司还开发了针对POF土工布的首个商业化分布式传感器技术GEDISE。另外，德国STFI和意大利Alpe Adria Textil等公司也已经成功开发出将POF嵌入不同类型的土工织物的技术（图 3），并成功在德国开姆尼斯市附近的铁路路堤上进行了安装和测试。

由德国Gloetzl Baumesstechnik公司与Budokop公司、Poland公司等合作組织，在波兰Belchatow附近的露天褐煤坑也成功安装了由意大利Alpe Adria Textil公司制造的集成POF传感器的智能土工格栅（图 4）。据悉，该土工格栅长约10 m，集成了PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯） POF作为传感器。安装后测量表明，反向散射增加的幅度所对应的纤维最大应变大于10%，这充分显示了POF传感器在高应变值测量领域的优势。另外，Alpe Adria Textil公司还开发了一种嵌入低损耗全氟化POF（PF POF）的新型土工格栅，并已经成功在德国波罗的海沿岸完成了安装测试。

除此之外，POF OTDR传感器在监测垂直裂纹方面也非常有效，可以检测到 1 mm的裂纹开口和宽至20 mm的裂纹。为此，欧洲POLYTECT项目已将开发用于脆弱砖石结构和历史建筑物结构监测的POF OTDR传感器作为一项重要的创新任务。希腊材料与地球结构力学研究所（IMMG）的一项测试试验已经证明，嵌入水泥基体的POF传感器可以检测到 2 mm甚至小至肉眼不可见的裂纹；在意大利帕维亚的一项试验中也已经证实了POF OTDR传感器可清楚地对模拟地震裂纹进行检测和定位。

2 石墨烯：推动土工布合成材料的创新应用

自问世以来，石墨烯材料就受到了广泛研究和关注，短短10年间，其在RFIDs、复合材料、传感器及其相关产品等领域的应用已经日趋成熟，同时新兴应用领域仍在飞速发展。据报道，到2018年，全球石墨烯需求量将达到 1 亿美元，而2023年这一数值将高达13亿美元。近期，石墨烯材料的应用已经扩展至工业领域大规模应用的土工合成材料领域，并被认为带来了土工合成材料的革新。

2.1 石墨烯复合导电土工布的性能与应用领域

石墨烯是目前世上最薄也是最坚硬的纳米材料，具有高电导率、导热性和高强度，同时具有疏水性，对所有气体分子具有不可滲透性，可以提供超过钢材的强度和自修复能力，以及优于铜的导电性。将石墨烯应用在土工布中制成的纳米土工复合材料被认为是土工合成材料未来的发展趋势，石墨烯将赋予土工布优异的性能包括优良的导热性能（导热系数大）、良好的导电性、高强度（重量减轻）、稳定性、自修复、疏水性、抗菌性能（防治过滤堵塞）、温度/压力/湿度感应功能（温度、压力变化及泄漏定位检测）、大数据收集和解读等。可预见的应用领域包括废弃物填埋、采矿、污水处理厂、水库、水坝和其他储液池的衬砌系统等，在替代传统EKG材料（电动土工合成材料）方面具有明显优势，尤其是在储液池漏液检测方面极具潜力。

2.2 石墨烯复合导电土工布在漏液检测上的应用

当储液池出现渗漏问题时，传统的依靠监测井等检测的方法往往无法及时发现渗漏和确定渗漏点的位置。采用石墨烯复合导电土工布，当导电土工布没有被渗出液所浸泡时，其电阻为一常值，漏液浸湿土工布后电阻会发生改变，连接于导电土工布的专用设备可以实时检测到电阻的变化，因此，可以有效和及时地发现渗漏，并通过不同位置检测点的数据对比确定渗漏点的位置，从而及时对漏液点进行修复。

2.3 石墨烯复合导电土工布的制造

澳大利亚石墨烯技术公司Imagine IM与土工织物制造商Geofabrics Australasia合作，于2016年8月推出了石墨烯复合导电土工布产品（Bidim？），并宣布澳大利亚成为第一个在大规模工业产品中使用石墨烯的国家。据悉，由Imagine IM专门设立的北吉隆工厂提供石墨烯涂层技术解决方案（imgne？ X3母粒），由Geofabrics Australasia通过涂层的方法生产的该导电土工布产品目前主要用于垃圾填埋、采矿设施等的漏液检测领域，其首个应用安装计划将于今年4月在昆士兰州的煤层气站进行。

根据Imagine IM的估计，相比于现有解决方案，该技术可以节省20% ～ 40%的成本。经测试表明，利用石墨烯的导电性可检测土工织物中低至 1 mm的孔的泄漏，且在低至 5 kV的试验电压下也能显示出可靠的结果，试验没有产生任何误报。甚至在土工布存在变形的情况下，以15 kV的试验在距接地线 1 ～ 20 m处均能确保测试灵敏度，成为一种极具成本效应的导电土工布解决方案。

另外，imgne？ X3作为石墨烯涂层可以增强纺织品和其他材料的电导率，而不会影响材料本身的强度和其他特性。Imagine IM预计其将在今年 1 季度通过imgne？X3母粒的销售和许可获得第一笔收入。

剑桥石墨烯中心（The Cambridge Graphene Centre，CGC）在此之前也已经开发了一种石墨烯土工膜材料生产技术，包括关键制造设备挤出系统。Bandera Spa是与CGC在生产石墨烯土工膜和片材的公司之一，据该公司介绍，其用于石墨烯土工合成材料的工业化挤出生产线产量可高达每小时几吨，可生产用于农业领域的宽度达22 m、用于包装等领域的宽度达 3 m、以及用于防水系统的宽度达8.5 m的产品，产品可根据应用领域具有多层（3 ～9 层）结构。

3 结语

智能化设备的集成应用将为土工布在土木工程和建筑等领域的应用带来革新，不仅将大力提升工程质量，还将对施工后的维护和险情预警及防护带来极大的便利，减少由此带来的危害。目前，我国在光纤传感器及石墨烯领域的研究已经取得了一定的进展，但对传感器及其他智能化设备在土工布上集成技术和装备甚少研究。

由中国纺织工业联合会发布的《纺织工业“十三五”科技进步刚要》已经将“智能土工合成材料集成技术及装备”列入重点研究的高性能产业用纺织品加工关键技术之一，提出了重点进行智能土工布基础理论研究、功能型纤维材料的研制及应用、智能土工布信号采集及反馈集成系统研究、功能纤维材料与土工布等结合工艺及装备研究等研究方向。相信在各项相关政策的推动下，我国智能土工布技术的研究和应用将取得进一步的发展，从而促进工程设计及产品生产的智能化和精确化，推动我国基础设施建设向智能化方向发展。