Field tests and load-displacement models of GFRP bars and steel bars for anti-floating anchors
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摘要: 玻璃纤维增强聚合物(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)锚杆是从非金属锚杆中发展出的新型复合材料锚杆，具有自重轻、抗拉强度高、造价低、抗腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强等优点。基于某中风化花岗岩场地的GFRP筋及钢筋抗浮锚杆的破坏性拉拔试验，对抗浮锚杆在拉拔过程中锚杆杆体及锚固体的位移进行测量，分析了不同材质、不同锚固长度的抗浮锚杆的承载性能及杆体、锚固体相对滑移量的差异，对比不同荷载-位移模型并获得了最适宜岩石抗浮锚杆的荷载-位移模型。试验结果表明：在中风化花岗岩中，相同锚固长度下的GFRP抗浮锚杆比钢筋抗浮锚杆的破坏荷载增加13%~14%，GFRP抗浮锚杆更易发生杆体拔出破坏，锚固系统仍有残余承载力未发挥，使用GFRP锚杆代替钢筋锚杆具有可行性；与锚固长度为4.5 m的GFRP抗浮锚杆相比，锚固长度为6.5 m的锚杆杆体相对于锚固体的滑移量更大，增大GFRP抗浮锚杆的锚固长度可有效增加其相对滑移量，但提升钢筋抗浮锚杆的锚固长度对其破坏形态无明显影响；双曲线函数及幂函数荷载-位移曲线模型与实测值吻合度较差，指-幂函数曲线模型对本次试验锚杆的破坏荷载预测精度最高，曲线整体走势较一致。Abstract: Glass fiber reinforced polymer (GFRP) anchor is a new type of composite anchor developed from non-metallic anchors. It has the advantages of light weight, high tensile strength, low cost, good corrosion resistance and strong electromagnetic interference resistance. Based on the destructive pull test of GFRP anchors and reinforced anti-floating anchor conducted on a medium-weathered granite site, the displacement of the anchor body and anchor solid during the drawing process of the anti-floating anchor was measured. The bearing capacity of anti-floating anchors with different materials and different anchoring lengths and the relative slip between anchor body and anchor were analyzed. The different load-displacement models were compared and the most suitable load-displacement model for rock anti-floating anchors was sought. The test results show that: In medium-weathered granite, the GFRP anti-floating anchors at the same anchoring length increase the failure load by 13% to 14% compared with the reinforced anti-floating anchors. GFRP anti-floating anchors are more prone to pull-out and failure of the anchor body, and the residual bearing capacity of the anchoring system is still not exerted. It is feasible to use GFRP anchors instead of steel anchors. Compared with the GFRP anti-floating anchor with an anchoring length of 4.5 m, the anchor body with an anchoring length of 6.5 m has a greater slippage relative to the anchor solid. Increasing the anchoring length of the GFRP anti-floating anchor can effectively increase its relative slip, and increasing the anchoring length has no obvious effect on the failure mode of the reinforced anti-floating anchor. The hyperbolic function and power function load-displacement curve models are in poor agreement with the measured values, while the finger-power function curve model has the highest accuracy in predicting the failure load of the anchors in this test, and the overall trend of the curve is more consistent.
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随着工业的发展，大气环境受到了严重的影响，空气中正负离子的比例呈下降趋势，自然界所特有的离子平衡遭到了破坏，而负离子被称为“空气维生素”[1]，其目的是为了激活和强化人体的一些生理活动，促进合成和储存人体维生素。而电气石产生负氧离子的机制是其能使四周的水分子发生电离，导致邻近的水和氧分子上附着电子，最终成功实现净化周围环境的效果[2]。医学界公认负离子对人体具有活化细胞、消除疲劳、增强抗病能力、改善过敏体质等保健作用[3]。
随着负离子对人体的保健作用被广大消费者所了解，纺织品的负离子功能改性也逐渐引起研究者的关注。表面涂覆是目前获得负离子功能性纺织品的主要途径，将电气石、奇冰石、蛋白石等具备负离子释放性能的材料配制成负离子整理液，在纤维和织物的后加工工序中，利用整理技术将整理液直接附着在纺织品上，使其具有显著的“受激”后产生负离子的保健功能[4-6]。但这种方法制得的织物手感、透气性等性能下降，且功能单一。丁慧慧等[7]采用研磨的方法制备了超细电气石粉，发现在球料质量比为1∶3，玛瑙球填充率为80%且经湿磨15 h的条件下，粉体粒径和负离子发生量达到最佳，将其整理到棉织物上，测得其负离子发射量为
3756 个/cm3，并基于脑电反应(EEG)负离子服装穿着感受实验，验证了自制的负离子棉T恤能够加强人体舒适状态。程健[8]采用研磨改性的方法制备出稳定的电气石水性浆料，通过印花的方法将电气石附着在棉织物上，整理后的织物具有一定的负离子发射功能，断裂强度及耐磨性较整理前有所提高，但透湿等其他性能略有减小。Chen等[9]提出了一种“可穿戴的类森林微环境纺织品”，该纺织品基于螺旋纤维素-电气石复合纤维，具有优于纤维素和天然大纤维的机械强度。这种可穿戴的微环境不仅能产生约18625 个/cm3 的负氧离子，还能有效净化颗粒物。净化空气的负离子纺织品主要应用于电影院、交通工具内等人多密闭空间，主要包括室内纺织装饰面料、窗帘、地毯及座椅面料等，人们需要利用这类负离子纺织品来净化密闭空间内的空气[10-11]。尤其车内空气污染主要是由车内装饰材料引起，将负离子织物和自清洁织物结合起来，既可以净化车内空气，又可以减少车内清洁的工作量，做到了在防水、防尘的同时具备一定的保健功能[12]。在保证棉织物柔软特性的基础上，结合负离子和自清洁的优势，研究开发负离子自清洁织物，具有广阔的应用前景和重要的研究意义。疏水织物需要较低的表面能和较高的表面粗糙度，通过构建微纳米结构和改性处理，已经开发出各种具有疏水性的人工表面[13-18]。Wang等[19]制备了一种聚丙烯腈静电纺丝纳米纤维膜，并用水性氟化聚氨酯对其进行了改性，获得了高防水和透气性能，并且具有显著的超疏水性，其接触角为159°。然而，这些可以在生物体内积累、抗分解、具有较长生物半衰期的含氟疏水剂已在许多国家被禁止。此外，含氟聚合物与纳米纤维之间的弱相互作用力也限制了超疏水性能的长期稳定性。荷叶表面因具有微结构的绒毛和具有低表面能的蜡质颗粒，而呈现超疏水特性[20]。采用无氟物质进行改性处理并模拟荷叶表面仿生结构的设计成为目前获得疏水织物的常用方法，根据Wenzel模型，在疏水材料表面引入颗粒物质可以改变其表面粗糙度，能使原来疏水的材料变得更加疏水[21-22]。Gong等[23]基于操纵静电纺丝射流的相分离，将水性丙烯酸树脂均匀紧密地包裹在纤维膜表面，原位构建了微/纳米粗糙结构，形成了仿荷叶表面的微乳突结构，并结合涂层和交联处理，使膜具有稳定的低表面能。最终，所得膜具有超疏水性，水接触角约154°，具有良好的自清洁性能。
本文通过涂层整理技术，采用氨基改性聚硅氧烷(AMP)对棉织物进行无氟疏水整理，使棉织物由亲水变为疏水，同时在棉织物表面形成一层粘连结构，随后引入了电气石(TM)颗粒，仿生构筑了荷叶表面的微突结构，进一步提升其疏水性能，且具有一定的负离子释放性能。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
AMP(表面能为 20 J·m−2)，嘉善江南纺织材料有限公司；正己烷(C6H14，分析纯)、N, N-二甲基乙酰(DMAC，分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；棉织物(平纹，14.8 tex，110 × 90根/10 cm)，南通创舒纺织有限公司；TM (
10000 目，纯度98wt%)，灵寿县德航矿产品有限公司。1.2 实验方法
(1)配制无氟疏水整理液。采用正己烷作为溶剂，AMP为溶质，搅拌45 min，制备一定质量分数的疏水整理液。本次实验选用了5个浓度梯度的AMP进行配制疏水整理液，分别是0.5wt%、1wt%、2wt%、4wt%和8wt%。
(2)配制负离子整理液。使用DMAC作为溶剂，加入TM配制一定质量分数的负离子整理液，搅拌45 min，超声波振荡30 min至电气石粉末分散均匀。本次实验选用5种不同浓度的电气石粉末进行负离子整理液的配制，分别是1wt%、2wt%、4wt%、6wt%和8wt%。
(3)棉织物的功能整理
依次用乙醇和蒸馏水进行15 min的超声波清洗棉织物，放入80℃烘箱中烘干备用。将经过前处理的棉织物沿经向剪成30 cm×20 cm的布样，使其在涂布台上保持平整、方正。固定好布样后，将5 g整理液均匀且充分地涂覆在布样上。随后将处理后的布样从涂布台上取下，放入真空烘箱，在100℃的温度下焙烘30 min。疏水涂层完成后，可进行负离子涂层，操作步骤与前者相同。
1.3 测试表征
采用Phenom Pure台式扫描电子显微镜(上海复纳科学仪器有限公司)观察样品的表观形貌；采用Vextex 70型傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司)分析涂层整理后基团的伸缩振动变化；采用DSA-30型接触角测量仪(北京良山信诚科技有限公司)测试改性前后棉织物表面水接触角变化；采用YG 461 E型数字式织物透气量仪(赣州市淇竣电子有限公司)、YG 601型电脑式织物透湿仪(南通三思机电科技有限公司)测试样品整理前后的透通性变化；采用YG 065H型多功能织物强力仪(莱州市电子仪器有限公司)测试样品的力学性能；采用YG(B)022 D型自动织物硬挺度试验仪(温州大荣纺织仪器有限公司)测试样品的抗弯刚度；采用YB571-Ⅱ型预置式色牢度摩擦仪对样品进行干、湿摩擦；采用YG401 D-Ⅱ型织物平磨仪对样品进行平磨；采用Q-SUN Xe-1B型耐日晒色牢度仪(美国Q-Lab公司)对样品进行模拟日晒测试；采用负离子测试仪(DLY-6A232)测试样品的负离子释放性能。
2. 结果与讨论
2.1 AMP浓度的调控
2.1.1 表观形貌
首先通过扫描电镜观察棉织物及经过疏水整理的涂层织物的表面微观形貌，如图1所示。未经过整理的棉织物的纤维表面存在许多纤细沟槽，纤维局部表面棱角较尖锐。而经过4wt% AMP疏水改性后，由于AMP在棉织物表面形成了一层薄膜状粘连结构，使纱线褶皱消失，变得光滑、均匀，织物表面的粗糙度降低。
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图 1 经过4wt% 氨基改性聚硅氧烷(AMP)疏水改性前后棉织物的SEM图像对比：((a), (b))棉织物；((c), (d))经疏水整理后的棉织物Figure 1. Comparison of SEM images of cotton fabric before and after 4wt% amino-modified polysiloxane (AMP) hydrophobic modification: ((a), (b)) Cotton fabric; ((c), (d)) Cotton fabric after hydrophobic treatment2.1.2 表面润湿性和柔软度
为了研究AMP浓度对棉织物表面润湿性的影响，采用静态水滴进行表面接触角测试(图2(a))。由于棉纤维是多孔性结构的纤维素纤维，并且含有大量的羟基(—OH)而具有良好的吸水性，能够迅速与水分子结合，从而使水渗透进入纤维素的组织结构间[24-25]。未经过整理的棉织物表现出优异的亲水性，水接触角仅有 45.4°，且润湿性很强，表面的水滴在2 s之内即可润湿织物表面。当浓度为0.5wt%的AMP对棉织物进行疏水整理后，水接触角增大到134.6°。由于AMP表面张力小，在纱线的表面易于铺展成膜，改变了纱线形貌及表面性能，在一定程度上能够提高织物的疏水性能[26]。随着AMP浓度的提升，接触角逐渐增大，到4wt%浓度时，接触角达到了143.8°。当继续增加AMP浓度到8wt%时，接触角略有降低，为140.9°，表明通过AMP疏水改性引入的硅烷氧基过多，会导致水解后残留部分羟基，水接触角降低，织物疏水性有所降低[27]。
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图 2 不同浓度 AMP 疏水改性的棉织物的接触角(a)和抗弯刚度(b)WCA—Water contact angleFigure 2. Contact angle (a) and bending stiffness (b) of hydrophobic modified cotton fabrics with different concentrations of AMP对整理后的织物进行抗弯刚度测试，即织物抵抗其弯曲方向形状变化的能力，常用来评价织物的柔软程度，抗弯刚度越小，表明织物越柔软。氨基改性聚硅氧烷(AMP)浓度对整理好织物抗弯刚度的影响如图2(b)所示。未经过整理的棉织物抗弯刚度为243 mg·cm；当浓度为0.5wt%的AMP对棉织物进行疏水整理后，抗弯刚度急剧下降至169 mg·cm；而随着AMP浓度的进一步增加，织物的抗弯刚度在169~214 mg·cm范围内略有增加。结果表明相较于未整理的棉织物，整理后织物的抗弯刚度有所下降，柔软度有所提升。这主要是由于本文所用的AMP分子之间极性基团的相互作用，产生氨基硅油分子间交联，在织物表面形成膜层。由于氨基改性聚硅氧烷分子特有的柔性链结构，故此赋予织物较好的柔软性[28]。
因此，结合电镜与接触角测试结果，确定最佳AMP浓度为4wt%进行后续实验，即采用经过4wt%的AMP疏水整理后的棉织物作为基布，进行负离子整理得到疏水-负离子复合涂层织物。
2.2 TM浓度的调控
2.2.1 表观形貌
TM的浓度对复合涂层织物的表观形貌具有显著影响，通过加入不同浓度的TM配制成负离子整理液，对获得的复合涂层织物进行扫描电镜测试。观察图3对比发现，复合涂层织物表面存在大量颗粒，这是由于AMP形成了一层粘连结构，可以更好地将电气石颗粒附着在棉纱上，使棉纱的粗糙度有所提升。且在TM浓度处于较低水平时，随着浓度的升高，附着率也相应增加。但在TM浓度为6wt%、8wt%时出现了部分大型颗粒，这是由于电气石在浓度高时会出现团聚现象，影响了其附着的均匀性。此外，为了表征整理后织物的荷叶仿生结构，也对荷叶表面的微突结构和4wt% TM整理后棉织物表面颗粒的粒径分布做了测试，如图S2所示。荷叶表面微突结构粒径在4~13 μm范围内波动，平均值为7.4 μm左右；TM颗粒粒径主要分布在1~8.5 μm之间，平均值约为3.0 μm。虽然粒径大小与荷叶表面不一致，但已成功在棉织物表面构筑了仿荷叶结构。
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图 3 不同浓度的电气石(TM)复合整理后棉织物的SEM图像：(a) 1 wt%；(b) 2wt%；(c) 4wt%；(d) 6wt%；(e) 8wt%Figure 3. SEM images of cotton fabric with different concentrations of tourmaline (TM) composite finishing: (a) 1wt%; (b) 2wt%; (c) 4wt%; (d) 6wt%; (e) 8wt%2.2.2 力学性能
对复合涂层织物进行力学性能测试，探究电气石浓度对其力学性能的影响，结果如图4所示。AMP无氟疏水改性使棉织物表面拥有较低的表面能，其在织物表面形成的粘连结构使棉纤维间结合力变强，纱线受力后滑移困难，断裂强力为179.9 N，断裂伸长率较低为9.83%。电气石颗粒的引入使棉织物表面涂层膜不连续，涂层膜的强力受到破坏，当电气石浓度为1wt%时，断裂强力下降至148.4 N。随着TM浓度的增高，断裂强力不断增大，是由于电气石具有较高的硬度，在体系中起到了一定的补强作用。当电气石浓度到达4wt%时，断裂强力提升到175.6 N。随着TM浓度进一步增加到8wt%时，TM颗粒在织物中的团聚现象明显增多，内部应力不集中造成薄弱环节[29]，使织物的断裂强力大幅下降至137.9 N。但是TM浓度的变化对织物断裂伸长率的影响不大，随着TM浓度的增加，织物的断裂伸长率在11%~15%范围内波动。
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图 4 不同电气石浓度复合整理后棉织物的力学性能Figure 4. Mechanical properties of cotton fabric after composite finishing with different tourmaline concentration2.2.3 红外光谱分析
为了观察涂层对棉织物的影响，对棉织物、经过疏水整理的棉织物及经过疏水-负离子整理的复合涂层织物进行结构表征，对红外谱图进行对比分析(图5)。棉纤维的官能团主要是羟基(—OH)和纤维素酯基(—OCOCH3)，羟基的峰出现在
3300 ~3400 cm−1的位置。经过AMP疏水整理后的棉织物在798 cm−1、1260 cm−1处出现新峰，其中798 cm−1处的峰为Si—C键伸缩振动，1260 cm−1为Si—CH3中C—H的弯曲振动吸收峰，说明AMP成功涂覆在棉织物上[30]。观察经过复合涂层整理后的棉织物谱图，发现这两处峰的强度明显增大，这是由于电气石中同样含有Si元素，并且其中1260 cm−1处也是B—O的吸收峰，与AMP能够产生协同效应，使谱图中峰值增大。而在经过复合涂层整理后，3300 ~3400 cm-1处的峰值有所降低，结合以上谱图分析，可以看出经过疏水整理后AMP成功在棉织物表面构筑了一层疏水膜，在负离子整理后电气石也成功附着在棉织物表面。2.2.4 透通性和润湿性
为了更好地探究TM的质量分数对于棉织物透通性的影响，故对其透气量、透湿量进行了测定，如图6(a)所示。总体上，随着TM浓度的升高，样品的透湿量及透气量均呈先增大后减小的趋势。经过负离子整理后，在低浓度时附着的电气石粒径不足以影响纤维间的孔隙，并且纱线表面会有极小的凸起，这些凸起能够增大纤维的比表面积，从而使水分通过纤维表面扩散的能力增强，对空气的拦截效果变差[31-33]。因此随着TM浓度从1wt% 增加到4wt%，透气量由369.8 mm/s增加到434.2 mm/s；透湿量由
5279 g/(m2·24 h)增加到5428 g/(m2·24 h)，说明在一定程度上，TM颗粒的附着能够使棉织物的透通性得到改善。随着TM颗粒浓度从4wt%增加到8wt%时，织物的透气和透湿量出现下降的趋势，主要是由于TM颗粒浓度过大时，会堵塞棉纤维间的缝隙，纱线间孔隙减小，因此空气的流动性变差，导致样品的透湿量和透气量均有所下降。当TM浓度为8wt%时，透气量为294.9 mm/s，透湿量为5271 g/(m2·24 h)。![]()
图 6 不同种类的电气石二层整理后棉织物的性能：(a)透气量和透湿量；(b)接触角；(c)性能展示Figure 6. Performance of pure cotton fabric treated with two layers of different types of electrical stones: (a) Breathability and moisture permeability; (b) Contact angle; (c) Performance display水接触角测试结果如图6(b)所示。前文提到经过4 wt%的AMP疏水整理后的棉织物接触角为143.8°，引入TM进行复合涂层后接触角略有降低，为139.0°，这是由于TM具有亲水性表面，极性大，容易与空气中的水分子发生反应，这也是其产生负离子的机制[34]。Wenzel模型中提到，通过改变材料表面粗糙度，可以使原本疏水的材料变得更加疏水，即在经过疏水整理后的棉织物上继续引入电气石颗粒，随着表面粗糙度的增加，疏水性会继续提升。随着TM浓度的增加，接触角呈上升趋势，当TM浓度达到8wt%时，接触角为150.3°。结合电镜结果，为避免电气石团聚现象对织物表面产生影响，采用TM浓度为4wt%的复合涂层织物进行性能测试，选取水、果汁、牛奶、可乐4种常见液体进行测试防水防污性能，如图6(c)所示，表示该样品防水防污性能良好。
2.2.5 负离子释放量
参照GB/T 30128—2013《纺织品 负离子发生量的检测和评价》[35]，在测试仓中使用空气离子测量仪，测定试样与试样本身相互摩擦时在单位体积空间内激发出负离子的个数。测得负离子释放量如图7所示，未经改性棉织物的负离子释放量为84个/cm3，进行负离子整理后，复合涂层织物的负离子释放量大幅增加，TM浓度为1wt%时负离子释放量为978个/cm3，这表明附着的电气石颗粒赋予了棉织物优良的负离子释放性能。随着电气石含量的增加，复合涂层织物的负离子释放量逐渐增大，初始阶段增加速率较快，但当TM浓度达到一定量时，负离子释放量的增势减缓。TM浓度为6wt%、8wt%时负离子释放量分别为
1722 个/cm3、1790 个/cm3，与浓度为4wt%时相比增量较小。![]()
图 7 整理前后棉织物的负离子释放量a. Pure cotton fabric; b. 4wt% AMP; c. 4wt% AMP+1wt% TM; d. 4wt% AMP+2wt% TM; e. 4wt% AMP+4wt% TM; f. 4wt% AMP+6wt% TM; g. 4wt% AMP+8wt% TMFigure 7. Negative ion released of pure cotton fabric before and after finishing标准规定织物每立方厘米所能释放的负离子量≥
1000 个，即可认为该样品的负离子释放量达到了较高水平，本实验所制得的复合涂层织物达到了这一标准，表明该织物具有良好的负离子释放能力。结合其他各项性能结果，TM浓度为4wt%时制得的复合涂层织物未出现电气石颗粒的团聚现象，对于几种常见液体的隔绝效果表现良好，透通性最优，说明本实验成功制备了既能疏水又具备一定负离子释放能力的复合涂层织物，各项性能表现良好。2.3 复合涂层的耐久性测试
2.3.1 润湿性能的耐久性
选择经过4wt% AMP+4wt% TM整理后的棉织物进行不同次数的干、湿摩擦，在电镜下观察样品的表观形貌变化，并且对其接触角进行了测试，用以表征整理后棉织物的耐久性能。
如图8(a)~图8(d)所示，随着干摩擦次数从10次增加到50次，改性后织物纤维表面上的颗粒突起逐渐减少，转移到纤维间隙中，纤维间的颗粒逐渐增多，纤维间变得致密。此外，接触角保留在140.5°~143.8°之间，而未经过摩擦织物的接触角为145.8°，说明经过干摩擦之后，棉织物表面附着的电气石颗粒有所损耗，但依旧保持较好的疏水性能。
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图 8 不同摩擦次数后4wt% AMP+4wt% TM样品的电镜和接触角：(a)干摩10次；(b)干摩20次；(c)干摩30次；(d)干摩50次；(e)湿摩10次；(f)湿摩20次；(g)湿摩30次；(h)湿摩50次Figure 8. Electron microscopy and contact angle of 4wt% AMP+4wt% TM sample after different friction times: (a) Dry rubbing 10 times; (b) Dry grinding 20 times; (c) Dry grinding 30 times; (d) Dry grinding 50 times; (e) Wet grinding 10 times; (f) Wet grinding 20 times; (g) Wet grinding 30 times; (h) Wet grinding 50 times如图8(e)~图8(h)所示，在湿摩擦10次后，电镜图片表明纤维表面的颗粒损耗较小，接触角为131.5°。随着湿摩擦次数从10次增加到50次，改性后织物表面纤维上的颗粒突起逐渐减少，但并没有转移到纤维间隙中，主要是由于电气石(TM)具有亲水性表面，极性大，容易与测试过程中湿摩擦头中的水分子发生反应。而且随着湿摩擦次数的增加，纤维表面形成的AMP疏水层受到破坏，纤维间变得疏松，接触角逐渐下降。当湿摩擦50次后，接触角降至105.8°，但接触角相比起未经过摩擦的145.8°，仍然保留了70%的疏水性，表明织物表面仍然具有一定的疏水效果。
此外，将试样放在氙灯加速老化试验箱下进行模拟日光照射，将样品置于设定的光照强度下进行测试，日晒时长8 h。经过4wt% AMP+4wt% TM整理的棉织物接触角为145.8°，日晒后接触角为146.1°，如表S1所示，结果表明日晒后织物的疏水性能基本保持不变。
2.3.2 负离子释放性能的耐久性
在此基础上，经过上述对干、湿摩擦后样品的电镜和接触角结果分析，对经过4wt% AMP+4wt% TM整理的棉织物进行平磨20次，并测试其接触角和负离子释放量，用以表征其耐磨性能(表1)。平磨20次后，接触角为132.3°，与平磨前相比有所下降，是由于平磨后电气石颗粒从纤维表面转移至纤维间的缝隙中，织物表面粗糙度下降。但负离子释放量略有增加，达到
2108 个/cm3，是由于颗粒转移至纤维间缝隙后分布变得更均匀、密实，因此拥有了更高的负离子释放水平。表 1 平磨20次后样品的接触角、负离子释放量Table 1. Contact angle and negative ion released of the sample after 20 times of flat grindingSample WCA/(°) Negative ion rleased/
(ions·cm−3)4wt% AMP+4wt% TM 132.3 ± 4.1 2108 ± 118Notes: The samples in the table are cotton fabrics finished by the 4wt% AMP+4wt% TM composite coating. After plain grinding for 20 times, different tests were carried out. Negative ion released is the number of negative ions excited by the sample per unit volume space. 综上所述，经过无氟疏水-负离子整理的棉织物具有一定的耐久性。在涂层牢度方面，干摩擦对其影响较小，湿摩擦后AMP构筑的疏水层被破坏，但仍具有疏水效果；经过日晒处理后润湿性无较大变化。平磨20次后接触角和负离子释放量仍达到较高水平。
3. 结 论
(1)本文采用氨基改性聚硅氧烷对棉织物进行无氟疏水整理，在棉织物表面能够形成一层粘连结构，织物表面平整，手感柔软。随着氨基改性聚硅氧烷(AMP)浓度的增加，接触角逐渐增大，当AMP浓度为4wt%时，接触角达到了143.8°。继续增加AMP浓度到8wt%时，接触角略有降低。因此采用经过4wt%的AMP疏水整理后的棉织物作为基布，进行负离子整理得到疏水-负离子复合涂层织物。
(2)引入电气石颗粒后，仿生构筑了荷叶表面的微突结构，使棉织物获得超疏水性，大大提高了其接触角，并获得了负离子释放性能。当电气石浓度为4wt%时，经过疏水-负离子复合涂层整理后的棉织物接触角达到145.8°，透湿量为
5428 g/(m2·24 h)，透气量为434.2 mm/s，断裂强力为175.6 N，负离子释放量为1640 个/cm3。当电气石浓度为8wt%时，测得接触角达到150.3°、负离子释放量为1790 个/cm3，使其具有一定的自清洁性能且负离子释放量达到了较高水平。(3)整理后棉织物仍保持柔软的特性，疏水性得到大幅提升，且具备了负离子释放性能，其他各项性能表现良好，经过干摩擦50次后仍然具有较高的接触角，平磨20次后负离子释放量有所提升，为
2108 个/cm3，在拥有功能性的同时提升了服用性，对汽车内饰的实际应用具有积极意义。附录：
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S1 棉织物表面水滴渗透过程S1. Diagram of water droplet penetration on the surface of cotton fabric![]()
S2 荷叶表面(a)与整理后织物表面(b)的颗粒物质粒径分布S2. Distribution of the particle size on the surface structure of the lotus leaf (a) and the finished fabric (b)S1 不同样品经过日晒测试后的接触角S1. Contact angles of different samples after sun exposure testsSample WCA/(°) 4wt% AMP 142.3±5.1 4wt% AMP+4wt% TM 146.1±8.3 -
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图 6 抗浮锚杆上拔过程中锚固体受力示意图
Figure 6. Schematic diagram of anchorage body force in the process of anti-floating anchor pulling up
P—Uplift load of the anti-floating anchor rod; Fc—Interaction force between the anti-floating anchor rod and the mortar; Fc’—Interaction force between the mortar and the soil
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图 7 抗浮锚杆锚固体荷载-位移曲线
Figure 7. Load-displacement curves of anti-floating anchor anchorage body
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图 8 抗浮锚杆杆体、锚固体荷载-位移差曲线
Figure 8. Load-displacement difference curves of anchorage body and rod body of anti-floating anchor
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图 9 抗浮锚杆荷载-位移(Q-s)曲线模型对比
Figure 9. Comparison of load-displacement (Q-s) curve models of anti-floating anchors
表 1 试验锚杆主要力学参数
Table 1 Main mechanical parameters of test bolt
Anchor material Tensile capacity/kN Tensile strength/MPa Shear strength/MPa Elastic modulus/GPa GFRP 416 675 150 41 Rebar 351 570 277 210 Note: GFRP—Glass fiber reinforced ploymer. 
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表 2 抗浮锚杆试验参数
Table 2 Anti-floating anchor test parameters
Anchor number Anchor rod diameter/mm Total length of anchor rod/mm Length of anchoring section/mm GFRP6.5-1 28 8000 6500 GFRP6.5-2 28 8000 6500 GFRP6.5-3 28 8000 6500 GFRP4.5-1 28 6000 4500 GFRP4.5-2 28 6000 4500 GFRP4.5-3 28 6000 4500 S6.5-1 28 8000 6500 S6.5-2 28 8000 6500 S6.5-3 28 8000 6500 S4.5-1 28 6000 4500 S4.5-2 28 6000 4500 S4.5-3 28 6000 4500 Notes: GFRP6.5—GFRP anti-floating anchors with an anchorage length of 6.5 m; GFRP4.5—GFRP anti-floating anchors with an anchorage length of 4.5 m; S—Steel bar.
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表 3 试验结果统计
Table 3 Test results statistics
Anchor number Anchor length/m Failure load/kN Maximum rod lift/mm Anchor solid limit lift/mm Destruction form GFRP4.5-1 4.5 381 17.03 12.67 Shear slip failure GFRP4.5-2 4.5 394 15.21 11.47 Disconnect failure GFRP4.5-3 4.5 375 16.74 11.35 Shear slip failure GFRP6.5-1 6.5 412 14.89 12.25 Disconnect failure GFRP6.5-2 6.5 387 18.26 13.27 Shear slip failure GFRP6.5-3 6.5 398 15.16 12.45 Disconnect failure S4.5-1 4.5 320 58.05 15.89 Shear slip failure S4.5-2 4.5 331 13.21 8.47 Disconnect failure S4.5-3 4.5 323 12.28 8.13 Disconnect failure S6.5-1 6.5 362 15.09 11.67 Disconnect failure S6.5-2 6.5 342 15.39 12.16 Disconnect failure S6.5-3 6.5 339 10.49 7.58 Disconnect failure
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表 4 抗浮锚杆各Q-s模型极限承载力计算精度
Table 4 Calculation accuracy of ultimate bearing capacity of each Q-s models of anti-floating anchors
Anchor
numberMeasured
ultimate
bearing
capacity/kNHyperbolic function
modelExponential function
modelPower function
modelExponential-power
function modelPredictive
value/kNRelative
error/%Predictive
value/kNRelative
error/%Predictive
value/kNRelative
error/%Predictive
value/kNRelative
error/%GFRP4.5-1 360 278.23 −22.71 313.99 −12.78 227.57 −36.79 359.07 −0.26 GFRP4.5-2 360 262.85 −26.99 296.55 −17.63 164.16 −54.40 361.07 0.30 GFRP4.5-3 360 290.05 −19.43 328.15 −8.85 244.42 −32.11 333.78 −7.28 GFRP6.5-1 400 298.83 −25.29 337.03 −15.74 212.65 −46.84 400.46 0.11 GFRP6.5-2 360 289.59 −19.56 329.96 −8.34 248.10 −31.08 338.92 −5.86 GFRP6.5-3 360 279.14 −22.46 315.20 −12.44 236.94 −34.18 361.56 0.43 S4.5-2 320 284.07 −11.23 316.87 −0.98 279.69 −12.60 316.57 −1.07 S4.5-3 320 274.58 −14.19 312.61 −2.31 243.22 −23.99 317.41 −0.81 S6.5-1 320 322.31 0.72 358.41 12.00 264.35 −17.39 343.00 7.19 S6.5-2 360 265.38 −26.28 305.39 −15.17 202.11 −43.86 315.21 −12.44 S6.5-3 320 273.44 −14.55 313.01 −2.18 217.35 −32.08 319.78 −0.07
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表 5 抗浮锚杆各Q-s模型计算参数
Table 5 Calculation parameters of each Q-s models of anti-floating anchors
Anchor
numberHyperbolic function
model αExponential function
model β/mm−1Power function
model Ki/(kN·mm−1)Exponential-power function model a b k GFRP4.5-1 4.0254 −0.1454 34.4828 0.0023 −0.0729 −0.9053 GFRP4.5-2 5.6219 −0.1141 20.6718 0.2949 −0.0660 186.4119 GFRP4.5-3 4.0374 −0.1449 49.3827 0.2360 3.8378 −0.9430 GFRP6.5-1 5.0408 −0.1242 32.1285 −0.0224 −0.0673 0.3136 GFRP6.5-2 4.4397 −0.1360 47.6191 0.2325 1.0623 −0.8018 GFRP6.5-3 4.3914 −0.1374 49.3827 0.0031 −0.0664 −0.9239 S4.5-2 1.6707 −0.3502 173.9130 0.4572 1.8488 −0.8234 S4.5-3 2.0314 −0.3069 91.9540 0.4843 0.0940 0.4394 S6.5-1 1.7642 −0.3595 72.7273 0.1578 0.0407 −0.7045 S6.5-2 3.1663 −0.2006 38.2775 0.3956 110.2263 −0.9961 S6.5-3 1.7852 −0.3648 70.1754 0.8980 0.2717 1.2221 Note: a, b, k—Parameters to be fitted.
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