用于岩土和土木工程的电子纺织品小析

目前存在两种紧张的加固策略，即加固带和全覆盖纺织品。

首先，加固带常日采取网格状或交叉模式制作，许多国家的建筑法规都哀求利用加固带。

加固带常日由高强度、高刚度的材料（如碳纤维）制成，旨在沿着其长度承载荷载，并通过树脂（如环氧树脂）与根本构造形成稳定的粘结。

另一种策略是采取宽面或全覆盖纺织品，利用双轴或多轴纺织品构造来在多个方向上承载荷载。
虽然这种策略在研究项目中还不常见，但正在不断发展当中。

全覆盖办理方案利用低本钱的柔性高强度纤维织物，通过提高构造的延性来耗散能量。
因此，全覆盖办理方案采取环氧灰浆覆盖纺织品，形成纺织复合股料与根本构造相结合。

在这种运用中，常日利用编织构造的纺织品。

相较于编织织物，非编织织物（NCFs）采取一种独特的纺织构造，表现出卓越的机器性能（强度）。
其布局由纵向排列的长纤维层或多层组成，并通过次要的非构造线固定在一起。

通过缝合过程，可以实现多种纤维方向，超越了传统编织织物的限定。

NCFs具有沿不同纱线方向的定向强度特性，在高性能运用中具有很大上风。
此外，它们可以利用多个方向实现准各向异性增强，对付紧张受载方向未知的运用非常有益。

通过定制纤维构造，可以实现更优化的性能，进而实现重量和本钱的节约。

由于非编织织物（NCF）没有褶皱，以是非常适宜嵌入光学传感器纤维。
这样做可以降落光纤波折和光旗子暗记丢失的风险，确保传感器的正常运行。

与传统编织构造比较，NCF能够通过将多层材料缝合在一起，制造出所需厚度的织物。

这种织物可以包括嵌入在0方向上的光学传感器纤维。
因此，只需一种织物就能够达到所需的功能。
此外，缝合设计可以使织物保持稳定，纵然是开放构造。

图1展示了意大利Selcom Multiaxial Technology生产的三种NCF纺织品的示例。

图1

图1a是双轴构造，纬向为碳纤维，经向为玻璃纤维。
图1b是三轴构造，纤维按45和90排列。
图1c是四轴稠浊织物，纤维方向为45/0/90，适宜与流动性更高的树脂结合利用。

在图2中展示了一种用于加固砖石墙壁的NCF构造，个中嵌入了光学传感器。

图2

这些纺织品经由STFI进行设计和优化，并在卡尔斯鲁厄理工学院进行了120多次墙体测试，以评估其在各种荷载条件和不同灰浆类型下的性能。

在制造这些构造的过程中，质量检讨是非常主要的，并且在终极交付给客户之提高行。
质量检讨利用了类似于现场传感器测试的设备，用于验证嵌入在构造中的传感器的完全性，就像图3所示的那样。

图3

土工布是一种用于各种地质技能运用的织物，包括道路和铁路路堤、土堤和海岸防护构造。

这些织物被设计用于多种基本功能，如过滤、排水、土壤层分离、加固和稳定，因此土工布运用实质上是多功能的。

为了知足预期运用的严格哀求，即经济性和耐久性，土工布常日采取塑料材料制造。

最常用的塑料材料包括聚丙烯和聚酯，但也会利用其他材料，如聚乙烯、聚酰胺（尼龙）、聚偏二氯乙烯，乃至玻璃纤维（用于道路基底）。

土工布的缝纫线常日由上述任何一种聚合物制成。
选择得当的缝纫线材料对付确保土工布的性能和耐久性非常主要，由于它须要与土工布的织物质料具有良好的相容性和相似的性能特点。

通过利用相同类型的聚合物质料制造缝纫线，可以确保在利用过程中缝线与土工布的织物部分之间具有良好的粘合和结合。

这有助于提高土工布的强度和稳定性，确保其在各种地质技能运用中的有效性和耐久性。

通过利用经编织技能布局土工布，可以更随意马虎地加入加固和传感器，从而为多功能土工布（MFGs）的设计创造新的机会。

图4展示了意大利Alpe Adria Textil生产的一个MFG产品的示例。
在这个特定的例子中，土工布构造是一个网格，由0方向的经纱和90方向的纬纱组成。

图4

此外，经纱具有显著比纬纱更高的线密度，是织物的紧张承载组件。
沿经纱方向排列的传感纤维被纳入构造中，不仅起到支撑浸染，还保护它们免受外部环境的影响。

智能纺织系统被描述为在其周围环境发生变革或吸收到外部旗子暗记时能够产生预期且可利用反应的纺织系统。
从这个定义可以看出，智能纺织品的一个显著特点便是它们具备感知能力。

在过去的十年里，各个领域如生物医学、建筑、远程赞助、体育和健身等，已经开拓出了许多创新的智能纺织品监测系统，个中利用内嵌传感器的智能纺织品得到了广泛运用。

尤其是在建筑领域，特殊是土木工程和地质技能运用中，将光纤传感器整合到功能增强的技能纺织构造中，引起了科学研究的高度关注。

光纤传感器在土木工程运用中具有多个上风。
它们本身具备安全性，不导电，重量轻，对电磁辐射不敏感。
且在面对恶劣的环境时，它们非常坚固，并且可以轻松地融入纺织构造中。

光纤传感器可以丈量各种物理参数或功能，如应变、应力、负荷、温度、位移、pH值、裂纹检测和压力，使其非常适宜用于构造康健监测（SHM）运用。

光纤传感器可以按照其感测位置的不同进行广义分类，分为内部和外部光纤传感器。

外部传感器仅仅是利用光纤作为将光传输到（和从）外部光学设备进行感测的工具。
相反，内部传感器受到滋扰，从而改变光纤内部的某些特性。

光纤传感器的事情事理可以分为四类：强度调制、相位调制、偏振调制和波长调制。
在每种情形下，要感知的物理参数或效应都会调制传感光纤的传输特性。

智能纺织品已经在各个领域找到了广泛的运用，个中聚合物光纤（POF）传感器在土木工程方面显示出了极高的适用性。
这些传感器结合了弹性和坚固性的独特特点。

POF传感器采取光时域反射技能（OTDR），其紧张上风在于能够广泛丈量应变范围，超过40%。
然而，丈量长度受到限定，常日在几百米内。

因此，这些传感器特殊适用于检测长度最多为几百米的构造中的高应变情形。
空间分辨率在20厘米到1米之间变革，详细取决于待测事宜的间隔。

这种传感器类型的范例运用包括监测边坡、堤坝、路堤、砖石构造等机器变形情形。

在光纤长度约为100米的范围内，常日采取标准聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）POF进行分布式应变检测。
这些光纤的衰减相对较高，约为150 dB/km，并且具有直径可达1毫米的大芯径。

它们表现出高度的变形敏感性、强大的耐久性和出色的变形能力，并且由于其广阔的内核尺寸和数值孔径，连接起来十分便捷。

最近，基于聚（全氟丁基乙烯醚）（也称为CYTOP）的低损耗全氟化（PF）渐变折射率（GI）POF类型已经开拓出来，实现了更高的空间分辨率丈量和扩展的丈量长度达到500米。

POF传感用具有与纺织机器兼容的优点，可以在制造纺织品构造（例如多轴织物）的过程中实现无缝集成。

光时域反射技能（OTDR）是一项在电信行业广泛利用的技能，用于故障剖析和基于散射的光纤传感器。
比来，该技能已被运用于多模标准POF，以实现应变传感运用。

只管光纤芯的尺寸较大导致了明显的模态色散，但在构造康健监测（SHM）运用中已经取得了令人鼓舞的成果。
在这种情形下，OTDR传感器利用在光纤的一端发射短脉冲光，然后监测光纤中的回波光旗子暗记。

记录回波旗子暗记随韶光的变革，并将其转换为间隔丈量结果。
当光纤长度中存在应变或毛病等扰动时，这些扰动会导致相应位置处的回波旗子暗记丢失或峰值反射，从而进行检测和定位。

智能多功能技能纺织品

POLYTECT（授权协议NMP2-CT-2006-026789）是一个由欧盟帮助的大型互助项目，旨在通过工业生产多功能技能纺织品，为岩土工程和砖石运用供应加固和监测能力。

纺织材料在建筑领域得到广泛利用，它们在砖石运用中的主要性不断增加。
这是由于纺织品供应了一种无侵入的加固技能，能够为构造（无论是已经受损还是无缺无损）供应支撑。

常见的运用处景包括局部裂痕修复、关键墙体的强化以及对现有柱子进行包裹。
在岩土工程和砖石运用中，纺织材料能够提高构造在利用条件下的性能，并为地震、滑坡、事件或其他突发加载条件下的构造供应保护。

在纺织材料中嵌入不同类型的传感用具有几个主要的上风，尤其是在进行构造康健监测方面。
这些传感器可以丈量事宜发生之前或之后的数据，从而帮助采纳预防方法或评估构造的状态。

通过随韶光的推移进行丈量，可以追踪构造性能的变革，以便在适当的时候进行掩护和修复方法的启动。

总结而言，POLYTECT项目紧张取得了以下成果：

首先，该项目开拓了一系列新颖的传感器，个中包括光纤传感器、压电传感器、化学传感器以及敏感纺织纤维（涂层）。
这些传感器的研发不仅打破了传统传感技能的限定，而且在性能和灵敏度上都有了显著的提升。

其次，该项目研发了前辈的传感器讯问系统和数据处理技能，使得传感器能够高效地采集数据，并进行准确的剖析和处理。
这项技能的创新为实时监测和掌握系统供应了可靠的根本。

此外，POLYTECT项目还成功开拓了基于纳米颗粒的砂浆和胶粘剂。
这种新型材料不仅具有精良的黏结性能，还具备出色的耐久性温柔应性，为建筑和工程领域的运用供应了更广阔的可能性。

该项目还将传感器集成到经编纺织品中，包括二维和绳状构造，用于岩土工程和砖石运用。
通过这种集成，传感器可以实现与构造紧密的连接，并能够实时监测和评估其性能和康健状况。

末了，POLYTECT项目引入了一种多功能纺织品，广泛运用于建筑领域。
这些纺织品在砖石构造中起到了至关主要的浸染，不仅增加了却构的韧性和强度，还能够监测多种参数，如应力、变形、加速度、水位变革和孔压等。

除此之外，这些纺织品还能够探测液体和化学物质的存在，采取创新的办理方案进行构造康健丈量。
这种多功能纺织品为建筑构造的设计、监测和掩护供应了全新的路子。

它们能够以全方位的办法供应关键信息，帮助工程师和掩护职员更好地理解构造的状况，并及时采纳必要的方法，确保构造的安全性和可靠性。

在这个项目中，只管研究和开拓了各种类型的传感器和解决方案，但个中最引人瞩目，且值得深入研究的成果是其开拓了一种名为“地震壁纸” 的智能复合股料的观点，用于加固、强化、监测和管理易受地震影响的土木根本举动步伐。

在这个观点中，利用的是多轴纺织构造、玻璃、聚合物或稠浊纺织品等材料，而不是价格昂贵且并非适用于所有运用的碳纤维材料。

为了增强纺织品与砂浆的粘结界面，必须在碱性环境（水泥砂浆）中对纺织品进行涂层处理。
然后，利用砂浆化合物将纺织品运用于建筑构造。

这种复合地震壁纸被设计成一种全覆盖或大面积加固办理方案，用于加固未加固的砖石建筑和构造。
（图5）

图5

也便是说，纵然在涌现裂痕后，这种复合壁纸可以保持薄弱和易塌陷的墙壁连接。
这些复合股料还内置了传感器，可以在地震发生之前、期间和之后进行丈量。

工程师可以利用这些数据来操控新建筑的构造，评估和量化强化方法的效益，并帮忙长期管理建筑物。
就地震壁纸的组件来说，包括外部砂浆保护层、防堕落涂层、纤维增强层、传感器和砂浆衬垫。

通过这些组件的协同浸染，工程师能够更好地理解和掌握建筑构造在地震中的行为，从而采纳适当的方法来保护人们的生命和财产安全。

这些地震壁纸可以覆盖在现有构造上，也可以直接应用于新建筑，供应全面的加固和监测办理方案，以增加建筑的抗震性能并评估构造的康健状况。

综上所述，这些电子、智能多功能技能的纺织品，不仅能够携带和传输关于嵌入构造状态的信息，还具备传感器和通信能力，乃至可以具备自修复的特性。

然而，要充分实现这些潜力，人们仍旧须要办理一些技能整合、标准制订和商业模式等方面的寻衅，以促进电子纺织品在市场上的运用和推广。