桥梁、停车场等混凝土结构由于长期暴露在恶劣的环境下会导致钢筋腐蚀劣化，大大缩短结构的使用周期。采用钢筋环氧涂层、阴极保护、增加混凝土保护层厚度、聚合物混凝土覆盖层等防腐技术不具有成本优势或不是长期的解决方案。改造或替换均会产生大量不经济问题。纤维增强复合筋因其耐腐蚀、质量轻、抗拉强度高、刚度比大、良好的疲劳性能和电磁阻力成为普通钢筋的有效替代品[1-2]。文献[3-4]介绍了通过试验评价玄武岩复材(BFRP)筋与混凝土的黏结性能及抗拉强度性能的成果。结果表明：与玻璃纤维(GFRP)筋相比，BFRP筋与混凝土的黏结强度较好并具有较高的强度和较好的弹性性能。Issa通过6根BFRP筋无腹筋再生混凝土梁和6根BFRP筋有腹筋再生混凝土梁的抗剪性能研究[5]，认为：剪跨比相同时增加纵向钢筋配筋率可提高抗剪承载力，当纵向钢筋配筋率不变,剪跨比增大时,抗剪承载力减小。El-Sayed通过3根GFRP筋无腹筋混凝土梁、3根CFRP筋无腹筋混凝土梁和3根普通钢筋无腹筋混凝土梁的抗剪性能研究[6]，发现：FRP筋无腹筋混凝土梁抗剪承载力低于普通钢筋混凝土梁。Tureyen对以GFRP筋、芳纶纤维复材(AFRP)筋和两种不同屈服强度普通钢筋为影响因素的无腹筋混凝土梁的抗剪性能进行研究[7]，结果表明：在接受这些新材料作为结构混凝土主筋时应对复材纤维(FRP)筋为纵向加固筋构件的抗剪强度进行评估。
废弃混凝土是建筑垃圾的主要组成部分，利用再生混凝土作为粗骨料已经逐渐引起了大家的重视。已有研究表明：再生骨料经过严格配比设计和质量控制可以作为结构材料，再生混凝土构件可作为受力构件。目前没有相关标准涉及再生混凝土梁抗剪设计，为推广其应用，需要研究再生混凝土梁的力学性能。尽管再生粗骨料的性能与天然粗骨料有差异，但已经有学者研究了再生混凝土的可行性[8-11]。Choi等对10根再生混凝土梁抗剪性能的研究[12]表明：再生混凝土梁开裂、破坏模式与普通混凝土梁类似；再生混凝土梁的抗剪承载力略低。Gonazalez-Fonteboa等对8根梁进行抗剪性能试验(混凝土、再生混凝土取代率为50%),分析了配箍率、再生骨料粒径、混凝土强度的影响[13]，结果表明:开裂模式与普通混凝土略有不同。Choi对20根再生混凝土梁进行抗剪性能试验，分析配筋率(0.35%、0.83%、1.16%)、取代率(0%、30%、50%、100%)、再生骨料粒径和剪跨比(1.5、2.5、3.25)的影响[14]，结果表明：随着取代率和剪跨比的增大，再生混凝土梁的抗剪承载力降低，取代率小于50%的再生混凝土梁抗剪承载力可用现行的混凝土结构设计方法计算。
目前针对BFRP筋再生混凝土梁抗剪性能研究尚不充分。本研究通过足尺试验从考虑再生粗骨料取代率、剪跨比、配筋率三种因素研究BFRP筋再生混凝土梁抗剪性能,且与美国标准ACI 440.1R-15、中国标准GB 50608—2010、日本标准JSCE 1997、加拿大标准CSA.S 806-12进行比较[15-18]。
1 试验方案
1.1 试验设计
试验制作12根BFRP筋再生混凝土梁，试验梁没有配置横向钢筋。试验梁长为2 700 mm、宽为200 mm、高为300 mm，试验梁有效长度为2 100 mm,保护层厚度为30 mm。研究的主要变量为剪跨比(2.1、2.7、3.3)，再生粗骨料取代率(0、30%、60%、100%)和配筋率(1.21%、1.81%、2.42%)，表1为试验梁基本参数。试验采用5 000 kN液压试验机，采用四点加载方式，由长度为550，700，850 mm的分配梁实现。加载速率为(1.00±0.20)kN/s，直至试件梁破坏，停止加载。试验加载装置及配筋如图1所示。
表1 试验梁基本参数
Table 1 Basic parameters for test beams
编号截面尺寸/mm剪跨比配筋率ρ/%取代率γ/%极限荷载/kN破坏模式BF-1200×3002.11.210255剪压破坏BF-2200×3002.71.210117剪压破坏BF-3200×3003.31.210105斜拉破坏BF-4200×3002.11.810206剪压破坏BF-5200×3002.12.420289.8剪压破坏BF-6200×3002.11.2130248剪压破坏BF-7200×3002.11.2160218剪压破坏BF-8200×3002.11.21100192.8剪压破坏BF-9200×3002.71.21100105.4斜拉破坏BF-10200×3003.31.2110084剪压破坏BF-11200×3002.11.81100224剪压破坏BF-12200×3002.12.42100244.6剪压破坏
图1 试件详图
Fig.1 Details of test beams
1.2 试验梁参数及配合比
试验梁混凝土设计强度等级为C40，胶凝材料为P·O 42.5水泥，天然粗骨料为碎石，再生粗骨料为实验室废弃试件破碎而成的废弃小料，满足最低质量要求，经测定试验的再生粗骨料吸水率为2.99%，密度为2.49 g/cm3，天然粗骨料粒径和再生粗骨料粒径均为5～20 mm，细骨料为2区中砂，粉煤灰质量等级为二级，减水剂为聚羧酸减水剂，含固量为20%、掺量为1.2%。试件配合比见表2。试验梁所有纵向BFRP筋直径均为20 mm,力学性能指标见表3。随着取代率增大,混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度、弹性模量不同，具体参数见表4。
2 试验结果与分析
2.1 荷载-挠度曲线
试件开裂前，随着荷载的增加,挠度增大，此时再生混凝土和BFRP筋变形较小,处于弹性阶段，试件开裂后，截面惯性矩减小导致挠度曲线斜率下降，继续加载，非线性明显,梁发生斜向剪切破坏。图2所示为试验梁的荷载-挠度曲线。
表2 混凝土配合比
Table 2 Mixture ratio of concrete kg/m3
混凝土强度等级沙子粗骨料水泥减水剂水粉煤灰C406241 0453652.00190155
表3 BFRP筋力学性能
Table 3 Mechanical properties of BFRP
纵筋类型直径/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa密度/(kg·m-3)BFRP筋201 25060.81.96
表4 不同再生粗骨料取代率下再生混凝土力学性能
Table 4 Mechanical properties of RAC with different recycled aggregate replacement ratio
再生粗骨料取代率/%立方体抗压强度/MPa劈裂抗拉强度/MPa轴心抗压强度/MPa弹性模量/MPa050.23.854822 7133048.33.744622 4626041.53.6539.222 00010040.03.483821 560
2.1.1 再生骨料取代率的影响
如图2a～e所示，保持其余参数不变，再生粗骨料取代率为0%与100%，对比BFRP筋普通混凝土梁和BFRP筋再生混凝土梁的挠度。结果表明，BFRP筋再生混凝土梁挠度均降低10%左右。由图2f可以看出，再生粗骨料取代率为0%、30%、60%、100%的BFRP筋混凝土梁，挠度随取代率的增大而减小。整体比较，除再生粗骨料取代率为100%时，挠度下降较大外，其余试验梁挠度与BFRP筋普通混凝土梁区别不大。
2.1.2 BFRP筋配筋率的影响
图3为试验梁BF-8、BF-11、BF-12的荷载-挠度曲线，通过改变试验梁纵筋配筋率从而研究其对挠度的影响。可知：试验梁未裂阶段，曲线基本呈直线，此时试验梁处于线弹性阶段，第一条裂缝出现后，曲线斜率变化但仍为直线，说明试验梁虽然开裂，底部混凝土由于骨料咬合引发桥接作用，但部分混凝土退出受力导致曲线斜率变小，试验梁的挠度变化加快；当底部混凝土完全退出工作，纵向受力筋承受试验梁的拉力，随着配筋率的提高试验梁刚度增大，即跨中挠度逐渐减小。
a—BF-1和BF-8；b—BF-2和BF-9；c—BF-3和BF-10;d—BF-4和BF-11;e—BF-5和BF-12；f—BF-1,BF-6～8。
图2 再生骨料取代率对梁荷载-挠度曲线的影响
Fig.2 Effect of replacement ratio of recycled aggregate on load-deflection curves of beams
图3 配筋率对梁荷载-挠度曲线的影响
Fig.3 Effect of reinforcement ratio of bFRP bars on load-deflection curves
2.1.3 剪跨比的影响
图4为试验梁BF-8、BF-9、BF-10的荷载-挠度曲线。通过改变试验梁剪跨比从而研究其对挠度的影响。从图中直观看出：随剪跨比的增大，最大跨中挠度减小，而相同荷载下随着剪跨比的增大挠度增大，这说明在同等条件下剪跨比大的试验梁更容易发生变形；试验梁在剪跨比小于2.5时受到拱作用影响，极限承载力相对较大，最大跨中挠度也相应较大。试验梁在剪跨比大于2.5时不受拱作用的影响，极限承载力相对较小，最大跨中挠度也相应较小。
图4 剪跨比对梁荷载-挠度曲线的影响
Fig.4 Effect of shear-span ratio on load-deflection curves of beams
2.2 裂缝扩展和破坏模式
2.2.1 剪跨比的影响
如图5所示，试验梁BF-1、BF-2为剪压破坏，BF-3为斜拉破坏。可知：受剪开裂时，裂缝间的骨料都被剪断。当剪跨比小于3时，如试验梁BF-1、BF-2，其竖向裂缝首先在弯剪段边缘出现，剪跨区截面中部开裂和扩展，同时出现斜裂缝，随着荷载继续增加，斜裂缝趋于稳定，斜向裂缝扩展减小了受压区高度导致拱作用失效，受压区较小而不能抵抗应力作用导致剪压破坏；当剪跨比大于3时，如试验梁BF-3，其弯曲裂缝首先在跨中出现，斜裂缝出现在极限荷载的80%时，破坏过程相对剪压破坏更迅速，剪压区高度减小，且剪压区混凝土破坏，梁发生破坏。
a—BF-1; b—BF-2; c—BF-3。
图5 剪跨比对试验梁破坏形态的影响
Fig.5 The influence of shear span ration on failure modes of test beams
2.2.2 取代率的影响
如图6所示，试验梁随再生骨料取代率的增大，脆性越来越显著，这是因为再生骨料孔隙率大、内部缺陷多、截面砂浆密实度差，且随再生粗骨料取代率的增大，主斜裂缝边缘出现多支细小裂缝[19-20]。疏松的再生骨料在形成临界斜裂缝时更容易被拉断导致裂缝宽度变大，当再生骨料取代率增大时，纵向受拉BFRP筋对骨料的约束能力下降，销栓裂缝易形成并且纵向BFRP筋附近斜向裂缝明显。
a—BF6； b—BF7； c—BF8。
图6 取代率对试验梁破坏形态的影响
Fig.6 The influence of replacement rate on failure modes of test beams
2.3 抗剪承载力
2.3.1 剪跨比对抗剪承载力影响
图7中表示的是剪跨比不同且取代率γ不同(0%、100%)时BFRP筋混凝土梁的抗剪承载力。可知：当剪跨比提高28.6%、57.1%时，再生粗骨料取代率为0%的试验梁抗剪承载力下降54%和58%；再生粗骨料取代率为100%时的试验梁抗剪承载力下降45.5%和56.4%。结果表明，再生粗骨料取代率0%和100%的试验梁抗剪承载力均随剪跨比的增大而减小，抗剪性能类似，但BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力相对于BFRP筋普通混凝土梁抗剪承载力最大降低32.3%，最小降低10.3%，由此可知：BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力低于BFRP筋普通混凝土梁。
—γ=0%; 
—γ=100%。
图7 剪跨比对抗剪承载力影响
Fig.7 Effect of shear-span ratio on shear bearing capacity
2.3.2 取代率对抗剪承载力影响
图8表示的是再生粗骨料取代率为0、30%、60%、100%时BFRP筋混凝土梁的抗剪承载力。可知：当再生粗骨料取代率增大时(0、30%、60%、100%)，BFRP筋再生混凝土梁与BFRP筋普通混凝土梁相比，抗剪承载力分别下降了2.7%、14.5%、24.3%。原因在于再生粗骨料取代率的增加使再生骨料与砂浆的临界面更加复杂，内部初始损伤也随之增大[21]。这从表4也可看到，再生混凝土的抗压强度、抗拉强度相对较低，在拉应力和压应力的协同作用下使试验梁发生破坏。
图8 取代率对抗剪承载力影响
Fig.8 Effect of replacement ratio on shear bearing capacity
2.3.3 配筋率对抗剪承载力影响
图9表示的是配筋率ρ不同且取代率不同(0%、100%)时BFRP筋混凝土梁的抗剪承载力。可知：再生粗骨料取代率为100%的BFRP筋再生混凝土梁在配筋率提高49.6%、100%时，试验梁抗剪承载力提高了16.1%和26%；当配筋率为1.81%，再生粗骨料取代率为0%时，BFRP筋普通混凝土梁发生了锚固破坏，故不参与讨论，即BF-4分析原因！当配筋率为2.42%、再生粗骨料取代率为0%时，试验梁抗剪承载力提高了10%。结果表明，BFRP筋混凝土梁抗剪承载力随配筋率的增大而提高。
—γ=0%; 
—γ=100%。
图9 配筋率对抗剪承载力影响
Fig.9 Effect of BFRP reinforcement ratio on shear bearing capacity
3 抗剪承载力试验值与标准推荐式计算值比较
3.1 中国GB 50608—2010推荐式
Vc=0.86ftbwkd
(1)
其中
ρft=Aft/(bwd)
式中：ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；bw为截面宽度；d为截面有效高度；n为纵向FRP筋弹性模量Eft与混凝土弹性模量Ec的比值；ρft为纵向FRP筋的配筋率。
GB 50608—2018未考虑剪跨比因素。
3.2 加拿大CSA.S 806-12推荐式
(2)
其中 
式中：dv为有效剪切深度，取0.9d和0.72h中的较大值；λ为混凝土密度系数；φc为混凝土抗力系数；h为构件截面总高度；f ′c不应大于60 MPa。为了便于比较，所有的材料折减系数和安全系数，统一取值为1.0。
GSA.S 806-12基于修正压力场理论，考虑因素较全面，但需根据试验实际参数进行取值。
3.3 美国ACI 440.1R-15推荐式
(3)
其中
式中：f ′c为混凝土轴心抗压强度设计值。
ACI 440.1R-15通过修正轴向刚度得到，而算式中仍未考虑剪跨比因素。
3.4 日本JSCE 1997
Vc=βdβpβnfvcdbw/γ1
(4)
其中 fvcd=0.2(fc)1/3≤0.72 MPa
βd=(1 000/d)1/4≤1.5
βp(100ρftEft/Es)1/3≤1.5
式中：γ1为安全系数，取1.0；Es为钢筋的弹性模量。
JSCE 1997未考虑剪跨比同时也忽略了素混凝土的抗剪性能。
3.5 结果分析
表5为本次试验实测值与GB 50608—2010、CSA.S 806-12、ACI 440.1R-15、JSCE 1997推荐算式计算值的比较，由于本标准推荐算式中均不考虑取代率，故试验梁BF-6、BF-7不参与比较。
从表5可知：BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力计算值相比BFRP筋普通混凝土梁抗剪承载力计算值更接近实测值;ACI 440.1R-15计算值最保守;GB 50608—2010、JSCE 1997次之;而CSA.S 806-12在计算BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力时吻合度更好并具有安全度。
表5 试验结果与各国规范计算值比较
Table 5 Comparison of test results with nationally calculated value
编号Vexp/kN不同标准的Vexp/VpredGB 50608—2010ACI 440.1R-15CSA.S 806-12JSCE 1997BF-12553.304.121.823.46BF-21171.521.891.131.59BF-31051.361.701.121.42BF-42062.242.801.302.44BF-5289.82.803.491.683.12BF-62482.763.361.802.84BF-72182.122.641.662.56BF-8192.82.703.281.492.75BF-9105.41.481.791.101.50BF-10841.181.431.031.20BF-112242.643.211.532.79BF-12244.62.563.101.532.77
注: Vpred为抗剪承载力预测值；Vexp为抗剪承载力试验值。
4 结束语
通过12根BFRP筋混凝土梁抗剪性能试验，分析试验梁的裂缝扩展和破坏模式以及不同再生粗骨料取代率、不同剪跨比和不同BFRP筋配筋率对试验梁抗剪承载力的影响，得到以下结论：
1)BFRP筋混凝土梁主要发生两种剪切破坏。其中9根试验梁发生剪压破坏，2根试验梁发生斜拉破坏。
2)BFRP筋混凝土梁与BFRP筋普通混凝土梁挠度随BFRP配筋率和剪跨比的增大均减小，当再生粗骨料取代率为30%、60%时，BFRP筋再生混凝土梁挠度与BFRP筋普通混凝土梁差别不大。
3)当剪跨比提高时，BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力与BFRP筋普通混凝土梁抗剪承载力下降40%～60%；当配筋率提高时，BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力与BFRP筋普通混凝土梁抗剪承载力上升10%～30%；当再生粗骨料取代率提高时，BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力与BFRP筋普通混凝土梁抗剪承载力下降0%～25%;且BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力低于BFRP筋普通混凝土梁。
4)ACI 440.1R-15计算值最保守，GB 50608—2010、JSCE 1997次之，而CSA.S 806-12在计算BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力时吻合度更好并具有安全度。
[1] MAR A, CLADERA A, OLLER E, et al. Shear Design of FRP Reinforced Concrete Beams Without Transverse Reinforcement[J]. Composites Part B: Engineering, 2014, 57: 228-241.
[2] EL-SAYED A, EL-SALAKAWY E, BENMOKRANE B. Shear Strength of One-Way Concrete Slabs Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Composite Bars[J]. Journal of Composites for Construction, 2005, 9(2): 147-157.
[3] ADHIKARI S. Mechanical Properties and Flexural Applications of Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) Bars[D].Akron：University of Akron, 2009.
[4] OVITIGALA T. Structural Behavior of Concrete Beams Reinforced with Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) Bars[D].Chicago: University of Illinois, 2012.
[5] ISSA M A, OVITIGALA T, IBRAHIM M. Shear Behavior of Basalt Fiber Reinforced Concrete Beams with and Without Basalt FRP Stirrups[J]. Journal of Composites for Construction, 2015, 20(4).DOI:10.1061/(ASCE)cc.1943-5614.0000638.
[6] EL-SAYED A K, EL-SALAKAWY E F, BENMOKRANE B. Shear Strength of FRP-Reinforced Concrete Beams Without Transverse Reinforcement[J]. ACI Structural Journal, 2006, 103(2): 235-243.
[7] TUREYEN A K, FROSCH R J. Shear Tests of FRP-Reinforced Concrete Beams Without Stirrups[J]. Structural Journal, 2002, 99(4): 427-434.
[8] RAHAL K N, ALREFAEI Y T. Shear Strength of Recycled Aggregate Concrete Beams Containing Stirrups[J]. Construction and Building Materials, 2018, 191: 866-876.
[9] SILVA R V, de BRITO J, DHIR R K. Properties and Composition of Recycled Aggregates from Construction and Demolition Waste Suitable for Concrete Production[J]. Construction and Building Materials, 2014, 65: 201-217.
[10] KNAACK A M, KURAMA Y C. Behavior of Reinforced Concrete Beams with Recycled Concrete Coarse Aggregates[J]. Journal of Structural Engineering, 2014, 141(3):1-12.
[11] RAHAL K. Mechanical Properties of Concrete with Recycled Coarse Aggregate[J]. Building and Environment, 2007, 42(1): 407-415.
[12] CHOI W C, YUN H D. Shear Strength of Reinforced Recycled Aggregate Concrete Beams Without Shear Reinforcements[J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2017, 23(1): 76-84.
[13] GONZALEZ-FONTEBOA B, MARTINEZ-ABELLA F. Shear Strength of Recycled Concrete Beams[J]. Construction and Building Materials, 2007, 21(4): 887-893.
[14] CHOI H B, YI C K, CHO H H, et al. Experimental Study on the Shear Strength of Recycled Aggregate Concrete Beams[J]. Magazine of Concrete Research, 2010, 62(2): 103-114.
[15] ACI Committee. Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars：ACI 440.1R-15[S]. Farmington Hills: ACI Committee, 2015.
[16] 中华人民共和国住房和城乡建设部.纤维增强复合材料建设工程应用技术规范：GB 50608—2010[S]. 北京: 中国计划出版社, 2011.
[17] Japan Society of Civil Engineers. Recommendations for Design and Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reiforced Material[S]. Tokyo: Japan Society of Civil Engineers, 1997.
[18] Canadian Standards Association. Design and Construction of Buildings Components with Fiber reinforced Polymers：CSA S806-12[S]. Toronto: Canadian Standards Association, 2012.
[19] 杨智硕,张晔芝,叶梅新,等.超高强玄武岩纤维混凝土力学性能研究[J].建筑科学,2018,34(11):94-98.
[20] 梁超锋,何佳俊,肖建庄,等.再生骨料混凝土梁的阻尼性能及其机理分析[J].同济大学学报(自然科学版),2018,46(6):737-743，750.
[21] 刘超,白国良,张玉,等.再生混凝土梁斜裂缝宽度试验研究[J]. 建筑结构学报, 2016(增刊2):20-27.