技术领域
[0001] 本
发明涉及在
土木工程应用中监测压
力、应变和/或
水分的领域。特别地，本发明涉及一种导电的土工合成材料和一种使用其的方法。
背景技术
[0002] 土工合成材料是用于稳定土木工程应用中的地形的合成产品，包括：机场；
银行保护；运河海岸工程；
水坝；碎片控制；路堤；侵蚀；
铁路固定结构，水库；道路沙丘保护；边坡稳定；
风暴潮；流渠道；
沼泽和；波浪动作。
[0003] 土工合成材料的主要类别是：
土工织物，土工格栅，土工网，
土工膜，土工合成粘土衬里(GCL)，土工
泡沫，土工格室和
土工复合材料。
[0004] 土工织物被广泛用作土木工程中的保护层。它们有助于稳定地形，充当过滤介质和缓冲垫。它们通常被大规模使用，可能涉及数千平方米的面积。
[0005] 土工膜用作诸如池塘衬里之类的水的阻挡层，并且通常需要防止损坏以确保它们仍然是阻挡层。衬里即使是一个小孔也会导致大量漏水，尤其是随着时间的流逝。在某些情况下，例如采矿
废水，其中的水被污染并被保留或直接用于保护环境，即使少量
泄漏也很重要，并可能造成严重的环境损害，并因此需要进行整顿。在此类应用中，衬里的完整性至关重要。在其他应用中，例如保留水以备进一步使用的地方，水的流失具有值得投资以确保屏障完整性的价值。
[0006] 在大多数这些应用中，监测土工合成材料的环境的变化将是有益的，例如：压力，应变，环境水含量和/或
温度。然而，用于测量这种性质的当前技术是复杂且昂贵的，要求将复杂的传感器直接连接到环境中。因此，除了在最高价值的环境中，这些技术在经济上几乎不可行。
[0007] 因此，本发明的目的是提供一种土工合成材料，该材料可改善至少一些与
现有技术相关的问题。
发明内容
[0008] 根据本发明的第一方面，提供了一种传感器阵列，其结合了至少第一和第二层的长度或导电的土工合成材料条的布置；其中每个所述长度或条带在经受以下任何一种或多种变化时经受
电阻或电容的改变：应变；
含水量；或温度。
[0009] 根据本发明的第二方面，提供了一种传感器阵列，其结合了至少第一和第二层的长度或条状导电土工合成材料的布置，其中一个或多个之间的电阻或电容的变化或更多的长度的或带在第一层和一个或多个长度的或条带在所述第二层可用于检测中的任何一个或一个改变多个：外部压力；应变；含水量；或温度。
[0010] 优选地，一个或两个的土工合成层由一个土工布。它们也可以由以下任何一种组成：土工膜；土工格栅土工网；地网；GCL；泡沫土土工格室；或
土工复合材料。
[0011] 优选地，第一或第二层中的至少一个由一定长度的导电土工合成材料构成，其在用于测量电阻或电容的
电压下与该层中的相邻长度电绝缘；电压远高于用于测量电阻或电容的电压。该
实施例允许传感器矩阵保持在土工膜的火花检查中充当电接地以及充当压力，应变，温度和/或水的传感器的能力。
[0012] 优选地，所述土工合成材料具有至少两个分离的
电路径被制造，所述电路径连接所述土工合成材料的每个长度的每个末端，并且其中，所述路径可以在所述土工合成材料的长度的一个末端电连接，从而可以测量电阻在土工合成材料相对端的两条电路径之间。
[0013] 优选地，在至少一个所述层中的土工合成材料的长度在每个相对的表面上具有不同的电阻。在一个实施例中，第一层的最高电导率的表面布置成最接近第二层的最高电导率的表面。
[0014] 在一个替代实施例中，第一层的最高
导电性的表面被布置在最远接近从第二最高导电性的表
面层。
[0015] 在另一替代实施例中，第一层的电导率最高的表面布置成最接近第二层的电导率最低的表面；并且其中第二层的电导率最高的表面被布置成与第一层的电导率最高的表面最接近。
[0016] 根据本发明的另一方面，提供了根据前述
权利要求中任一项所述的传感器阵列的用途，其中，在所述土工合成材料的每个所述长度的每个末端之间测量电阻。
[0017] 根据本发明的另一方面，提供了一种导电土工合成材料，其具有一个或多个电路径，该电路径在以下任意一个或多个变化时电阻和/或电容的变化：外部压力，应变，水的存在或温度。优选地，所述土工合成材料包含纺织品(和/或
纤维)，所述纺织品(和/或纤维)在纺织品和/或纤维上或之中掺入导电
碳或金属。优选地，导电碳主要是
石墨烯。
[0018] 所述土工合成材料可以是土工膜中的一种；土工格栅；一个geomesh；一个土工网；GCL；土工泡沫；一个土工格室；或土工复合材料。优选地，电导率由在土工合成材料上的含
石墨烯的涂层和/或构成土工合成材料的任何纤维提供，或由掺入包含土工合成材料的
聚合物中的石墨烯提供。
[0019] 石墨烯本质上是单个石墨层，并且可以通过许多途径形成，包括“
自上而下”的方法，例如机械或电化学剥落石墨，
石墨化学
氧化和剥落为氧化石墨烯，然后部分或完全还原石墨烯“
自下而上”的方法，例如从气体或等离子在底物或催化剂上生长。
[0020] 石墨烯的特性可以从几乎
原子上完美的
单层到两层，少层和多层石墨烯，一直到产生超大石墨的大量附聚物的多个层，一直变化。
[0021] 石墨烯具有高的纵横比，最终仅是一个原子层厚(小于一纳米)，并且在平面方向上通常为数百纳米至数百微米。因此，石墨烯被称为是二维(2D)材料。石墨烯是一种极好的电导体。
[0022] 土工合成材料的电导率区域可以
覆盖整个土工合成材料，并且在一个实施例中，可以覆盖除了土工合成材料的边缘是电绝缘的之外的整个土工合成材料。
[0023] 所述的土工合成可以掺入导电性的两个或更多个区域分开的一个或多个电绝缘的区域。优选地，当外部压力，应变，水含量或温度中的一种或多种发生变化时，至少一个导电区域经历电阻和/或电容的变化。
[0024] 优选地，在所述导电区域之间提供一个或多个特定的电连接，从而形成电路。有利地，电绝缘区域具有等于或大于每平方5000欧姆的电阻，并且电导率区域具有在每平方1和5000欧姆之间的电阻。优选地，所有土工合成材料的电导率足以允许对覆盖的土工膜中的孔进行电火花或
电弧检查。
[0025] 优选地，导电性由在土工合成材料的每一侧上包含石墨烯的涂层提供，并且其中每个所述涂层基本上彼此
电隔离。在一个实施方案中，所述涂层以连续长度施加在的第一侧的土工合成和作为不连续的涂层中的周期性图案上的第二侧的土工合成。
[0026] 优选地，所述不连续涂层被布置为使得当所述土工合成材料以相邻的平行长度布置时，可以在与所述土工合成材料的长度的取向方向垂直的方向上通过所述周期性涂层产生一个或多个连续的电路径。。
[0027] 导电土工织物提供了一种方法，通过该方法可以对土工膜阻隔衬里进行电检查。PCT
专利申请PCT/AU2017/050091描述了这种导电土工布，而PCT专利申请PCT/AU2017/
050322描述了在土工合成粘土衬里中使用导电土工布。这些现有技术的项目描述了在大坝，水库，储罐或垃圾填埋场注满水或废物之前如何进行检查。为了随时间监视这种系统的完整性，需要不同的技术。
[0028] 如PCT专利申请PCT/AU2017/050091中所述，可以将土工织物制成导电的。
[0029] 石墨烯是一种可使土工合成材料导电的方法。其他方法包括向土工合成材料中添加其他导电物质。这些导电材料可以作为土工合成材料上的涂层或包括或包含在土工合成材料中的纤维上的涂层存在。它们可以是金属纤维或其他导电物质，例如
碳纤维。在某些情况下，纤维的添加剂可能会使它们导电。
[0030] 使用保持其有益特性(例如孔隙率，强度，抗渗透性和缓冲性)的土工织物通常是有利的，但是存在非纺织导电层可用于感测的潜在情况。
[0031] 现在将参考
附图通过特定的非限制性示例来描述本发明的优选实施例。
附图说明
[0032] 图1是根据本发明的一个实施例的一段长度的导电土工布的示意图。
[0033] 图2是根据本发明的替代实施例的一段长度的导电土工布的示意图。
[0034] 图3示出了根据本发明的导电土工布的导电部分的几种可能的布置。
[0035] 图4示出了根据本发明的长度的涂覆的土工织物的导电部分的几种可能的布置。
具体实施方式
[0036] 在岩土工程领域(例如，土木工程)中的感测涵盖了广泛的要求，从超高价值资产(如
桥梁和
混凝土大坝)的超高价值监控，到废物沉积或漏水温度的测量，再到道路的测量和铁路监控。高价值的测量通常被称为“结构健康监测”。很少有具有成本效益的选项可用于低价值资产的大规模监控，因为传感器的安装和监控成本可能占资产价值的很大比例。
[0037] 已经证明，使用土工织物制成的低成本，大面积传感器是可靠且具有成本效益的。然而，这种在较长时间范围内的感测是困难的。本发明允许导电土工合成材料的阵列用作大面积传感器，具有在土工和建筑环境中使用所需的
精度和精确度。
[0038] 图1是两层土工布长度阵列的示意图。第一土工布长度的第一层与第二土工布长度的第二层成直
角放置。第一和第二长度包括在一侧上涂覆有导电涂层的非织造土工织物。涂层不能覆盖土工织物长度的所有宽度，而留有电绝缘的边缘。
[0039] 每层中的土工织物长度以间隔示出，但是应当理解，如果相邻的土工织物长度在用于测量电阻和/或电容的电压下保持彼此电绝缘，则不必进行间隔。每层中的土工织物长度与任何其他层中的土工织物长度基本上电隔离。示出的电阻是由连接到每个长度的每个端部的电路(Vn)测量的，其中Vn代表测量电路V1，V2，V3，Va，Vb的每个，Vc...Vn)。在这种布置中，每个长度都对压力，应变，水或温度做出响应。可以通过比较第一层中的哪些长度给出响应和第二层中的哪些长度给出响应来确定引起电
阻变化的原因的
位置。所确定的长度的交点是电阻变化的位置。
[0040] 在其他情况下，每个长度在暴露于应变，压力，水或温度时可能会发生电容变化。在这种情况下，测量电路可能会不同，但是位置的概念是相同的，每个长度都是一个独立的传感器，并且通过交叉引用响应来实现位置。
[0041] 详细地，在图1中，以如下方式布置第一长度的导电土工织物(1)的第一层，使得每一长度的土工织物的导电部分与第一层中的相邻长度的土工织物电隔离。然后将第二长度的导电土工织物(2)层放置在第一层的顶部上，相对于第一层在垂直方向上定向，也保持与第二层中相邻长度的电绝缘。
[0042] 一定长度的土工织物在土工织物的一侧上涂覆有导电层。布置第一层中的长度，使得土工织物的导电面与第二层中的长度的电绝缘面直接
接触。当发生环境变化(例如施加压力)时，每层中的一个或多个长度会发生电阻变化。
[0043] 在突出显示的公共区域(3)中施加压力导致土工布(1)的第一长度的阻力发生变化，并且土工布(2)的第二长度的阻力发生变化。电阻的这些变化可以通过伏安计测量。在图1中，第一伏安表(V3)和第二伏安表(Va)将显示电阻变化。交叉参考测得的电压可以将公共区域(3)识别为施加压力变化的位置。如果已知土工布的长度的布置，则可以确定压力变化的位置。
[0044] 由于压缩或应变或温度或水含量，图1中所示的土工合成材料将类似地经历电阻的变化。
[0045] 图2是类似于图1中所述的土工织物长度阵列的示意图，除了导电表面被布置成彼此面对。图2展示了一系列长度的土工布，其本身并未经历较大的阻力变化，但在连接响应区域(23)，土工布的第一长度(21)和土工布的第二长度(22)之间的阻力)在压力，应变，温度或水含量变化时发生变化。面积(23)中电阻的变化导致通过土工织物的第一长度(21)和土工织物的第二长度(22)制成的电路的电阻变化。电阻可以通过伏安计(V)进行监控，伏安计可以永久连接，但更合理的方法是使用
开关(S1)和开关(Sa)接通以创建电路。这样的交换系统可以监视许多长度的土工织物，尤其是在自动化的情况下。
[0046] 在图2中，各层的排列方式使第一层中的长度与第二层中的长度电接触。当应变，压力，水含量或温度发生变化时，第一层中至少一个长度和第二层中至少一个长度之间的电阻和/或电容改变。电阻和/或电容的变化是通过将第一长度连接到第二长度的电路来测量的。在这种情况下，测量电路显示为连接到测量设备(V)的一系列开关(Sn)。在这种布置中，传感器是每一层中至少一个长度之间的相互作用。取决于用于制造长度的材料的性质，可以以许多导电率布置来配置长度。
[0047] 图1和图2所示的布置的许多排列是可能的。这些包括使用土工合成材料的各种组合，例如其中第一层由一定长度的土工布组成，而第二层由一定长度的土工布组成。在其它实施方案中，第一层可以由任一长度的：土工格栅或GCL或土工膜或土工网格或土工网或土工泡沫或土工格室或土工合成材料；和第二层可以由一个或土工格栅或GCL或土工膜中任一项的或土工网格或土工网或土工泡沫或土工格室或土工合成材料。
[0048] 图3示出了上述测量电路的长度的导电部分和相关的连接点的几种可能的替代布置。每种构造都有其优缺点，这取决于长度材料的性质，用于形成导电性的工艺以及施加阵列的环境。涂层土工织物的示例用于说明，非导电土工织物以浅灰色表示，而导电涂层则以深灰色显示。
[0049] 图4示出了涂覆的土工织物的长度的导电部分的几种可能的替代布置。在某些情况下，导电涂层覆盖土工织物的所有宽度。在其他实施例中，将非导电区域留给分开的导电部分，这些导电部分用于创建电路，该电路可以允许更容易地测试电阻和/或电容的变化。
[0050] 在另一个实施例中，导电土工合成材料层可以被第三土工合成材料层隔开，该第三层土工合成材料基本上是电绝缘体，但是当经受压力，应变，水分变化或温度变化。
[0051] 在一些实施例中，测量电路的电阻，在其他实施例中，其是电路的电容或电感。
[0052] 在替代实施例中，土工织物的长度在两侧都是导电的，同时保持两侧之间的电绝缘。当受到压缩时，两个导电侧之间的间隔减小，并且电容增大。另外，当两侧中的每一个的至少一部分接近另一侧时，两侧之间的电阻可以减小。
[0053] 为了最大化可以被监视的区域，期望最小化对环境条件的变化不敏感的区域。为此，层中一定长度的土工合成材料的导电区域之间的电绝缘空间应最小化。此外，除了作为传感器之外，土工合成材料还能够执行至少一项附加功能。土工合成材料的长度之间的较大空间通常会降低该附加功能(例如，缓冲或过滤或隔离属性)的有效性。
[0054] 在将导电的土工合成层中的至少一层用于电空穴检测(火花或电弧检查)的情况下，不导电的区域是不期望的。然而，为了使传感器阵列有效地工作，阵列中的每个元件必须彼此电隔离。电洞检测不需要高电导率，因此可以使标称电绝缘区域的电导率降低，并且仍然保持足够电绝缘的传感阵列。
[0055] 例如，使用电弧或火花电孔检测测试根据标ASTM D6747-15和ASTM D7852-13可以很容易地使用进行土工合成材料与电片材(特别是土工膜和土工织物)更大的电阻高于每平方5000欧姆，在某些情况下，每平方大于100,000欧姆。
[0056] 使用相对高的电导率的区域作为传感器和相对低的导电性的区域的有源元件作为相邻的有源区之间的电分离可以允许根据标准统一的电孔检测ASTM D6747-15和ASTM D7852-13以及允许作为上文所述的阵列传感器进行操作。
[0057] 电阻可以多种方式报告。对于薄板中的导电，通常使用单位“欧姆/平方”(“Ohm/sq”或“Ohm/□”)，并称为“薄层电阻”。该单元具有实际优势，因为它反映了所需的结果，而与所测量的材料的构造方式无关。例如，两片电导体可以具有不同的
电阻率，但是如果以不同的厚度存在，则可以给出相同的期望的片电阻。薄层电阻通常被施加到均匀的厚度的
薄膜，但也可以施加到导体的非均匀片材，如土工布或土工格栅或GCL或土工膜或土工网格或土工网或土工泡沫或土工格室或土工合成材料本文所述。
[0058] 电学测量依赖于电导率以形成电路。足够的电导率取决于导电路径的大小和长度以及导
电介质的电导率。变量的组合提供了可以有效进行测量的广泛范围。需要将测量方法调整到所需的结果和条件。这使得土工合成材料的电导率也可以针对所需的应用和测量方法进行定制。在某些情况下，导电土工合成材料的电导率可能会非常低，例如测量电压高，电阻变化大且电路路径短时。
[0059] 存在各种形式的石墨烯。理想的石墨烯是纯碳，是石墨烯家族中最好的电导体，也是迄今为止发现的最好的导体之一。它没有
缺陷和其他化学功能，例如氧气。
[0060] 氧化石墨烯(GO)是作为电绝缘体的石墨烯的高度氧化形式。中间物种可以通过各种描述来引用，例如部分还原的氧化石墨烯(prGO)或官能化的石墨烯，其中各种化学基团连接到石墨烯的边缘和/或基面。该功能允许定制石墨烯的电和物理特性，例如，使其更容易掺入材料(例如塑料)之中或之上以形成复合材料。
[0061] 杂原子的掺入，其中碳原子被其他原子如氮和其他共价键合的原子替代，也可以用于定制石墨烯的性质。石墨烯也可以有各种尺寸，无论是单层石墨烯还是多层。已经使用了各种术语来描述结构排列，并且在标准化术语方面进行了一些尝试。不管用什么术语，这些石墨烯的单层和多层结构都具有有用的导电性，从而提高了此处所述的聚合物，纤维和纺织品的性能。除非另外详细说明和描述其性质，否则石墨烯的这些各种排列在本文中被概括为“石墨烯”。从导电到电绝缘的连续氧化层意味着可以使用多种形式的石墨烯作为导电体，甚至导电性差的石墨烯也可以达到目的，尤其是在其其他性能使其很受欢迎的情况下。
[0062] 石墨烯可以通过许多途径生产，包括：
阳极键合；碳
纳米管裂解；化学剥落化学合成
化学气相沉积；电化学剥离电化学插层；在碳化
硅上生长；液相剥离微机械切割
微波去角质分子束
外延光剥落；金属沉淀；以及热剥落。这些路线中的一些路线产生了以下材料：化学转化的石墨烯；多层石墨烯走；石墨烯氧化石墨烯石墨烯纳米薄片；石墨烯纳米片；石墨烯
纳米带石墨烯纳米片；石墨纳米片；石墨纳米片；石墨纳米片；氧化石墨
液晶氧化石墨烯；LCGO；多层石墨烯部分还原的氧化石墨烯；部分还原的氧化石墨；prGO；政府组织；还原氧化石墨烯；还原的氧化石墨。
[0063] 可以通过多种方法将石墨烯掺入土工织物或土工格栅或GCL或土工膜或土工网或土工网或土工泡沫或土工泡沫或土工复合物中或之上，但是在每种情况下，土工合成材料的性质都会影响掺入方法。
[0064] 石墨烯用于使纤维和纺织品导电的用途将取决于纤维化学，石墨烯化学，石墨烯形状以及用于将石墨烯掺入到纤维中或纤维上的过程以及形成纺织品的过程。优选的方法包括在形成纤维之前将石墨烯混合到聚合物中。然而，也可以用石墨烯涂覆纤维或纺织品以制成导电纺织品。
[0065] 石墨烯可以粉末形式或分散体形式存在于
流体中，以促进石墨烯在聚合物中的分散。涂覆石墨烯优选来自石墨烯在流体中的分散体。将石墨烯掺入聚合物中的方法可以包括：石墨烯的熔融复合到聚合物中；聚合物与石墨烯的原位聚合，以及溶液混合。无论使用哪种技术，都希望石墨烯被充分分散以在石墨烯最少的情况下实现导电性。
[0066] 在某些情况下，需要添加剂以减少石墨烯和聚合物的相分离。
[0067] 一个优选实施例是其中土工合成传感器包括包括石墨烯的纤维。纤维可以由聚合物的粒料或粉末通过熔融挤出形成。石墨烯以分散在载体聚合物中的浓缩形式添加到熔融挤出物中，该载体聚合物可以与本体聚合物相同或可以不同。在熔融挤出过程中将浓缩形式的石墨烯聚合物分散体混合并稀释，以在纤维中获得所需浓度的石墨烯。
[0068] 在另一个实施方案中，将石墨烯的浓缩形式分散在流体中，例如：油，
溶剂或水。纺织品可以完全由导电纤维形成，或者部分地由导电纤维并且部分地由非导电纤维形成。
[0069] 在另一个实施方案中，纺织品包含金属纤维。
[0070] 在另一个实施方案中，用石墨烯或包含石墨烯的混合物涂覆土工合成材料。
[0071] 在另一个实施例中，土工合成材料包含涂覆有导电物质例如石墨烯或金属或其他导电碳的纤维。
[0072] 实例1：在土工布的导电涂层通过刮刀涂布来制备石墨烯的n个
丙烯酸分散体施加到约190gsm(克小号每平方米)的商业
无纺布，针刺聚酯土工布。在12000平方米的土工布的一侧涂上20gsm(干重)的分散体。涂覆的土工织物在在线
支架或烘箱中在150℃下干燥2分钟。
[0073] 干燥的石墨烯含量等于5gsm。干涂土工布的导电面的薄层电阻为每平方1000欧姆。未涂覆的一面是电绝缘体。
[0074] 四长度的涂覆的土工织物的第一层布置在电绝缘表面上。每个长度约为11厘米宽乘40厘米长。长度平行放置，导电面朝上，每个长度的边缘重叠1厘米。四个长度的第二层放置在第一层的顶部，长度与第一层的长度成直角排列。第二层也被铺设成边缘重叠并且导电表面朝上。将一根
导线连接到每个长度的一端。
[0075] 用万用表测量长度的每个组合之间的电阻，发现在所使用的仪器上电阻是无法测量的(即有效地电绝缘)。当在第一层中的第二长度和第二层中的第二长度的交点处向阵列施加水时，随着水量的增加，两个长度之间的电阻减小。
[0076] 通过在两层之间产生电连接的水来测量水的存在。随着水散布在各层上，形成了进一步的电连接，并且测量了第一层的长度与第二层的长度之间的电阻的另外减小，从而允许
定位水的存在并测量水的扩散速率。
[0077] 实例2：使用实施例1的装置来测量压力对阵列的影响。在第一层中的每个长度与第二层中的每个长度之间的电容经测量为大约0.07纳米法拉(nF)。当将250克重物(直径8厘米)放置在阵列上时，施加重物的每层长度之间的电容增加到大约0.10nF。
[0078] 当将重物施加到阵列上使得每层中的两个或更多个长度受到压力时，电容的增加较低，例如增加到0.09nF，其中将重物施加到阵列中的两个长度的交点。第一层，但第二层只有一个长度。
[0079] 当在第一层中的两个长度和第二层中的两个长度的交点上施加重量时，观察到电容增加为0.08nF。
[0080] 发现上述电容变化是可再现的。
[0081] 土工合成胶结复合垫(GCCM)是具有广泛的岩土工程应用的一类土工合成材料。它们是柔软的混凝土浸渍织物，在水合作用时会硬化，形成薄，耐用，防水和耐火的混凝土层。
[0082] GCCM通常由包含高
早期强度混凝土混合物的三维纤维基质组成。一个表面上的PVC背衬具有防水功能，内部纤维基质可防止裂纹扩展并在设置后提供抗拉加固。与传统混凝土相比，这使GCCM具有许多优势，包括安装速度和后勤优势。
[0083] 这是可能将传感器作为描述的以上按照本发明作为GCCM的外层为提供一种探测泄漏，损伤，存在与不存在水等的手段。
[0084] 本领域技术人员将认识到，上述实施例仅仅是如何实现本发明构思的几个示例。将理解的是，可以构想其他实施例，尽管它们的细节不同，但是仍然落入相同的发明构思内并且表示相同的发明。
