钢筋和混凝土的有机结合,完美发挥了两种不同材料的优点,使其广泛地应用于土木工程领域。但随着社会发展、经济水平的提高和城镇化的加快建设,人们对旧混凝土结构的拆除、改造和天然建筑石材的肆意开采,导致了大量的废弃混凝土安放不当和自然资源剧减,不仅造成了环境污染和耕地被侵占,同时严重地破坏了生态环境。为解决上述问题,国内外进行再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete,简称RAC)的研究和应用。大量学者 ^[1,2]对再生混凝土材料性能的研究表明,再生混凝土的各项性能较普通混凝土都要稍差一些,但仍可以通过对再生骨料清洗、筛选并加入适量的掺和料和外加剂使其性能得到改善。肖建庄等 ^[3]在考虑不同再生粗骨料取代率下进行再生混凝土梁抗剪试验,发现再生混凝土梁与普通混凝土梁的抗剪破坏过程相似,但是抗剪承载力有所不同,随再生粗骨料取代率的增大,其抗剪承载力减小; 并根据试验结果,提出了再生混凝土的抗剪承载力建议公式。倪天宇等 ^[4]通过试验得知,再生混凝土无腹筋梁的受力机理与破坏形式与传统混凝土梁无明显区别,抗剪承载力随再生粗骨料掺入量的提高呈现下降趋势,但影响不大。Choi等 ^[5]以剪跨比、配筋率、再生骨料取代率为变量对20根试验梁进行抗剪性能研究,结果发现,随着再生粗骨料取代率的增加,试验梁抗剪承载力逐渐降低。Mahdi Arezoumandi等 ^[6]对不同再生粗骨料取代率(0%,50%,100%)的混凝土梁进行抗剪试验研究,发现取代率100%的再生粗骨料混凝土梁抗剪承载力与普通混凝土梁相比降低了11%,但是取代率50%的再生粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁基本相似,将再生混凝土应用到实际工程是可行的。

　　 此外,传统的钢筋混凝土结构中,钢筋锈蚀导致混凝土结构使用年限和耐久性下降,同时带来了昂贵维修成本,不利于可持续发展目标。纤维增强复合材料筋(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP筋)具有耐腐蚀、绝缘、轻质、抗疲劳、抗拉强度高等特点 ^[7],能有效地解决钢筋锈蚀问题,将FRP筋代替传统的钢筋应用于混凝土结构中被认为有很大的发展潜力和应用前景。为了使FRP筋混凝土结构得以健康和快速地发展,并指导其在工程结构中的应用,人们对FRP筋混凝土结构进行了大量的研究,许多国家都颁布了FRP筋混凝土设计和施工规范,包括中国规范(GB 50608—2010) ^[8]、美国规范(ACI 440.1R-06) ^[9]、加拿大规范(CSA.S803-12) ^[10]、日本规范(JSCE 1997) ^[11]等。目前各规范给出的FRP筋混凝土梁抗剪设计计算方法大多是基于对传统的钢筋混凝土抗剪设计计算方法进行修正得到的,但是由于与钢筋相比,FRP筋轴向弹模低,横向刚度小,且完全线弹性,没有屈服点,粘结性能与钢筋相比也存在着差异,另外抗剪问题本身复杂性的存在,导致各规范计算的结果之间差别较大。大量的文献 ^[12,13]指出与其他现有的规范相比,采用加拿大规范(CSA.S803-12)计算方法计算的FRP筋混凝土梁抗剪承载力理论值与实测值相比精确度较高。

　　 对于FRP筋和再生混凝土,多数是单一的作为研究对象进行研究,将FRP筋与再生混凝土两种材料结合起来,是符合可持续发展的绿色化建筑的新尝试,运用于结构构件在国内外还鲜见报道。本文通过4根不同再生粗骨料取代率下的无腹筋玄武岩纤维增强复合材料筋(Basalt Fiber Reinforced Polymer,简称BFRP筋)混凝土梁抗剪试验,对无腹筋BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力与变形性能进行研究,并验证了加拿大规范(CSA.S803-12)抗剪承载力计算公式的适用性。

　　 本试验再生粗骨料来源于原混凝土强度为C30的废弃建筑物,粒径为5～20mm。胶凝材料采用42.5号普通硅酸盐水泥,细骨料采用属2区普通中砂,BFRP筋由江苏某新材料科技有限公司提供,性能指标见表1。为解决再生粗骨料内大量的水泥石本身的孔隙比较大,且内部存在破碎时产生大量裂纹引起吸水率比普通混凝土较大 ^[14]的问题,将本次试验的再生骨料预先用水浸泡饱和后,再进行表面风干处理。同时掺入适量的粉煤灰和减水率高达35%的高效减水剂来增加再生混凝土的和易性。混凝土配合比如表2所示。

　　 试验共制作4根梁,梁的尺寸为200×300×2 700,净跨为2 100mm,保护层厚度为30mm。试件配筋及构造如图1所示。试验梁以BF-A-B-C形式进行编号(表3),其中BF代表BFRP筋,A代表剪跨比(a/d),B代表纵筋配筋率(ρ_f),C代表再生粗骨料取代率(r),r=0时,为普通混凝土。

　　 试验严格按《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)进行。采用四点弯曲加载方式,由长度为1 000mm的刚性分配梁实现,试验加载示意图及测点布置见图2,3。试验采用分级加载形式,加载前,先采用荷载为开裂荷载60%的力进行预加载。试验主要测试内容:每级荷载停留9min,描绘裂缝扩展趋势并用裂缝测宽仪测量裂缝; 利用数据自动采集系统记录试验梁施加的荷载值、BFRP筋及混凝土应变值,利用百分表测得各测点挠度值。

　　 试验梁均发生明显的剪压破坏,所有试验梁随着荷载的增加,在破坏过程中发出清脆的劈裂声,首先在纯弯区的跨中附近出现竖直向上的裂缝,荷载继续增加,竖直裂缝演变成弯曲裂缝,同时在剪弯区的支座附近出现了一条向加载板延伸的较宽斜裂缝。最终,纯弯曲的弯曲裂缝高度稳定在梁高约3/4处不再增加,较宽斜裂缝形成一条与水平方向成约45°倾斜角的临界斜裂缝,当荷载接近梁的极限抗剪承载力时,临界斜裂缝迅速向加载板下发展并贯穿,加载板下剪压区的混凝土被压碎,试验梁发生破坏,最终破坏形态见图4。就裂缝的扩展规律而言,无腹筋BFRP筋普通混凝土梁和无腹筋BFRP筋再生混凝土梁没有本质的区别。不过从试验梁裂缝的数量和宽度的观测结果分析可知,无腹筋BFRP筋普通混凝土梁和无腹筋BFRP筋再生混凝土梁相比裂缝数量较少,宽度较小。对于无腹筋BFRP筋再生混凝土梁,随着再生粗骨料取代率的增大,其裂缝数量增加,斜裂缝的平均宽度稍有增大(表3)。

　　 荷载-跨中挠度曲线见图5。从加载开始到第一条裂缝的出现,荷载-挠度曲线呈线性关系,试验梁开裂后,曲线进入非线性阶段。从图5可以看出,相同荷载作用下,无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的挠度要比无腹筋BFRP筋普通混凝土梁大,且随着再生粗骨料取代率的增加,无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的挠度有进一步增大的趋势,但是增加的幅度有所降低,说明无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的挠度随着再生粗骨料的取代率的增加而有所增大。

　　 试验梁的跨中BFRP筋和跨中混凝土应变见图6。荷载-应变曲线变化与荷载-挠度变化基本相似,荷载加载初期应变变化很小,荷载-应变呈线性关系,随着裂缝出现,进入非线性阶段。从图6可以看出,相同荷载作用下,无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的跨中混凝土应变要比无腹筋BFRP筋普通混凝土梁大,说明无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的抗弯刚度与无腹筋BFRP筋普通混凝土梁相比要小,但是再生粗骨料取代率为30%,60%,100%下的无腹筋BFRP筋再生混凝土梁跨中混凝土应变相差并不是很大。试验梁破坏时的混凝土应变范围为1 200～2 000με,小于混凝土理论破坏应变3 000με,这是因为试验梁均为剪切破坏。

　　 加拿大规范(CSA.S803-12)中给出的FRP筋混凝土梁抗剪承载力计算式为:

　　 $\begin{array}{l}V{}_{\text{c}}=0.05k{}_{\text{a}}k{}_{\text{m}}k{}_{\text{r}}k{}_{\text{s}}(f{}_{\text{c}}){}^{1/3}bd{}_{\text{v}}\\ 1.0\le k{}_{\text{a}}=2.5V{}_{\text{u}}h{}_0/{\rm M}{}_{\text{u}}\le 2.5\\ k{}_{\text{m}}=\sqrt{V{}_{\text{u}}h{}_0/{\rm M}{}_{\text{u}}}\\ k{}_{\text{r}}=1+(E{}_{\text{f}l}\rho {}_{\text{f}l}){}^{1/3}\\ k{}_{\text{s}}=750/(450+h{}_0)\le 1.0\\ 0.11\sqrt{f{}_{\text{c}}}bd{}_{\text{v}}\le V{}_{\text{c}}\le 0.2\sqrt{f{}_{\text{c}}}bd{}_{\text{v}}\end{array}$

　　 式中:f_c为混凝土的轴心抗压强度设计值; b为截面宽度; d_v为有效剪切高度,可简单取d_v=0.9h₀,其中,h₀为截面有效高度; M_u为截面弯矩; V_u为截面剪力(当梁受集中力作用时,M_u/V_uh₀=a/d); ρ_fl为受力纵筋的配筋率,ρ_fl=A_fl/bh₀,其中,A_fl为受力纵筋的截面面积; E_fl为受力纵筋的弹性模量; k_s为尺寸效应影响系数; k_a为拱效应影响系数; k_m为截面弯矩影响系数; k_r为纵筋刚度影响系数。

　　 将抗剪承载力试验值V_exp与按加拿大规范(CSA.S806-12)计算的理论值V_pred进行比较,结果见表4。因加拿大规范(CSA.S806-12)并未考虑再生混凝土与普通混凝土的差别,由表4可知,抗剪承载力试验值与理论计算值相比相关不大,且平均比值接近1,稳定性较好,表明加拿大规范(CSA.S806-12)对无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的抗剪承载力计算具有适用性。

　　 (1)无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的受剪破坏均属于典型的剪压破坏。

　　 (2)相同荷载作用下,无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的跨中纵筋应变与BFRP筋普通混凝土梁相比要大,说明无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的抗弯刚度与普通BFRP筋混凝土梁相比有所减小。相同荷载作用下,无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的挠度随再生粗骨料取代率的增加而增大。

　　 (3)随再生粗骨料取代率的增加,无腹筋BFRP筋再生混凝土梁的裂缝数量和斜裂缝平均宽度均有增大,抗剪承载力降低。

　　 (4)按照加拿大规范(CSA.S806-12)计算的抗剪承载力理论值与试验值较吻合,稳定性较好,对无腹筋BFRP筋再生混凝土梁抗剪承载力计算具有适用性。