《Buildings》：Aggregate Interlock Degradation to Shear Behaviour of FRP-Reinforced Recycled Aggregate Concrete Members: A Critical Review
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本综述批判性地考察了纤维增强聚合物（FRP）筋增强再生骨料混凝土（RAC）构件的剪切性能，特别关注骨料互锁退化在控制剪切传递机制和结构性能中所发挥的作用。再生混凝土骨料与FRP筋的日益普及带来了显著的环境与耐久性优势，然而，二者的组合使用从根本上改变了抵抗剪力
本综述批判性地考察了纤维增强聚合物（FRP）筋增强再生骨料混凝土（RAC）构件的剪切性能，特别关注骨料互锁退化在控制剪切传递机制和结构性能中所发挥的作用。再生混凝土骨料与FRP筋的日益普及带来了显著的环境与耐久性优势，然而，二者的组合使用从根本上改变了抵抗剪力的机制。基于遵循PRISMA方法的系统性文献综述，研究人员综合分析了七十篇经同行评审的研究，以评估再生骨料特性、FRP筋类型、界面粘结行为、骨料互锁退化、销栓作用、斜压杆行为、裂缝扩展、破坏模式、加固策略以及分析建模对FRP-RAC构件剪切响应的影响。所综述的研究一致表明一个显著的结构性趋势：再生骨料取代率的增加导致抗剪承载力降低、斜裂缝宽度增大以及破坏行为更趋于脆性。从机制层面而言，这一趋势被广泛归因于界面过渡区（ITZ）的弱化以及骨料互锁的退化。此外，FRP筋较低的横向刚度限制了销栓作用，这进一步加剧了所观察到的构件抗剪阻力下降。相反，钢纤维或混合纤维的掺入以及FRP加固体系的应用能够有效增强裂缝桥接、补偿骨料互锁的损失、延缓裂缝扩展，并恢复构件的抗剪承载力和延性。通过将材料特性与潜在的剪切传递机制相结合，本综述提供了对控制FRP-RAC构件剪切性能因素的全面理解，识别了现有研究空白，并指出了推进可持续耐久结构混凝土体系发展的未来研究方向。
论文主体内容总结
1. 引言
建筑工业是自然资源的最大消耗者之一，也是全球温室气体排放的主要贡献者。快速城市化、基础设施扩建以及老化基础设施的更换，大幅增加了对天然骨料的需求，同时产生了巨量建筑与拆除废弃物（CDW）。将拆除混凝土用作再生混凝土骨料（RCA）已成为节约自然资源、减少填埋处置、降低碳排放以及促进建筑领域循环经济原则的重要策略。再生骨料混凝土（RAC）因此成为最具前景的可持续建筑材料之一。然而，旧砂浆附着、孔隙率增加、微裂缝以及相对薄弱的界面过渡区（ITZ）导致其密度较低、吸水率较高、力学性能劣于传统天然骨料混凝土（NAC）。这些固有缺陷在承受剪切荷载的结构构件中尤为显著，因为荷载传递机制强烈依赖于骨料互锁、裂缝粗糙度、粘结性能以及混凝土基体的完整性。
与此同时，纤维增强聚合物（FRP）筋作为一种耐久的传统钢筋替代方案受到广泛关注。凭借其高抗拉强度、优异的耐腐蚀性、轻质特性以及电磁中性，玻璃（GFRP）、碳（CFRP）和玄武岩（BFRP）筋越来越多地应用于桥梁、海洋结构、交通基础设施以及腐蚀性化学环境中。将FRP筋与RAC相结合，为同时改善钢筋混凝土结构的环境可持续性和长期耐久性提供了诱人的机遇。然而，将FRP筋与再生骨料混凝土相结合引入了一系列独特的结构挑战。FRP筋相对较低的弹性模量和有限的横向刚度削弱了销栓作用并增加了裂缝宽度，而多孔的RAC基体削弱了骨料颗粒与水泥浆体之间的粘结。因此，骨料互锁的退化成为控制FRP-RAC构件剪切响应的关键因素之一。随着斜裂缝穿过弱化的再生骨料基体扩展，较光滑的断裂表面大幅降低了裂缝界面间的摩擦阻力。由此导致的骨料互锁损失随后改变了销栓作用的贡献，加速了斜压杆的软化，促进了更宽裂缝的发展，最终降低了抗剪承载力并导致日益脆性的破坏模式。
尽管已有大量实验、数值和分析研究致力于理解FRP-RAC构件的剪切性能，但现有文献仍然高度碎片化。虽然已有若干综述论文总结了RAC的力学性能和FRP增强混凝土的结构性能，但相对较少的研究批判性地考察了再生骨料与FRP筋对剪切行为的组合效应。更重要的是，以往的综述很少建立材料尺度上骨料互锁退化与FRP-RAC构件结构响应之间的机制联系。因此，需要一项综合性综述，将再生骨料特性与粘结行为、骨料互锁、销栓作用、斜压杆行为、裂缝扩展、破坏机制以及当前设计方法统一纳入一个框架中。
2. 综述方法
系统文献检索和研究筛选过程遵循PRISMA指南进行。在Web of Science（WoS）核心合集和Scopus数据库中执行了全面检索，检索字段限定为标题、摘要和关键词。初始检索获得238条记录，自动数据库筛选排除59条不合规记录，剩余179条记录导出。合并后识别并移除63篇重复文章，得到116篇唯一文章。筛选阶段由两位独立评审员依据严格纳入标准评估文章。经过两阶段筛选，共排除46篇文章，最终数据集为70篇文章。由于检索字符串使用了宽泛术语，最终数据集固有地包含了缺乏内部FRP筋的纤维增强RAC研究。70篇保留文章被明确区分为两类：27篇核心研究（直接提供FRP增强和FRP加固RAC构件剪切、冲切、剪切引起的适用性或界面粘结-剪切行为的结构证据）和43篇支撑文献研究（研究不含FRP的分散结构纤维RAC、复合约束管或处于多轴压缩和扭转下的RAC）。
3. 文献计量分析
对70篇纳入文章进行了全球分布和主题焦点分析。中国作者单位占数据集的47.59%，其次是伊拉克（6.02%）、巴基斯坦（4.82%）、美国（4.22%）和越南（4.22%）。三字段图展示了作者国家、主要发表来源和主导研究关键词之间的关系。主要发表来源分析比较了发表量与学术影响力。期刊《Construction and Building Materials》在绝对引用次数上占主导地位（累计790次引用）。数据集内引用次数最高的十篇文章被报告，并明确提取了每年引用次数（CPY）以考虑发表年龄。
4. 内容分析
按照PRISMA流程图，纳入70篇最相关研究进行综述和内容分析。每项研究被明确标记为核心研究或支撑文献。每项研究根据其再生骨料取代率、结构纤维掺入、内部/外部FRP加固配置以及具体加载条件进行系统分类。
5. 再生骨料混凝土和FRP筋的材料特性
5.1 RCA的物理和形态特性
大颗粒再生粗骨料（RCA）的固有物理缺陷往往决定了RAC宏观力学性能的不足。与天然粗骨料（NCA）相比，RCA由于附着来自拆除混凝土的旧砂浆而持续表现出较低的密度和较高的孔隙率。吸水率增加3.45%，压碎指标增加8.9%，表明骨料结构更多孔且力学性能更弱。这些特性被广泛认为是导致需水量增加、界面过渡区弱化以及再生骨料混凝土力学和耐久性能降低的主要因素。将天然和废弃纤维引入再生基体时会出现进一步的物理复杂性。掺入椰壳纤维会引入高孔隙有机组分，对RAC的新拌性能产生负面影响。再生PET瓶和再生编织塑料麻袋（RWS）废弃物的掺入需要精细的配合比以避免在水泥基体内形成弱空隙。
5.2 RAC基体的力学性能
RAC的抗压和抗拉性能对结构纤维的掺入高度敏感。钢纤维的特定形态和体积分数是优化RAC抗压强度的主要控制变量。在单轴循环压缩下，再生钢纤维（RSF）的掺入已证明能显著改善自密实RAC的应力-应变行为。即使在使用100%再生混凝土骨料的自密实混凝土（SCC）配方中，虽然纯抗压强度可能下降约7.8%，但钢纤维的掺入成功补偿了这种固有的力学损失。与对照配合比相比，所有纤维增强混凝土在劈裂抗拉强度方面均表现出显著改善。钢纤维，特别是5D型，由于其高刚度、优异的粘结特性和跨微裂缝的高效应力传递而提供了最大的增强效果。5D钢纤维与合成纤维的混合组合产生了最高的劈裂抗拉强度，表明存在协同效应。在更复杂的应力状态下，如三轴压缩，钢纤维体积分数显著影响高强混凝土的应力-应变包络面。在组合压剪应力状态下，钢纤维的掺入显著提高了再生混凝土的剪切强度和剪切韧性。
5.3 FRP与RAC之间的界面粘结行为
FRP光滑表面与高孔隙、砂浆包裹的再生骨料之间的界面相互作用是FRP-RAC构件结构实施的关键障碍。单搭接剪切试验表明，当近表面嵌入式（NSM）CFRP板粘结到RAC基体上时，与常规普通重混凝土（NWC）相比，RAC表现出明显较低的粘结阻力。NSM GFRP筋在RAC中的粘结-滑移行为已在单调和循环荷载下得到深入研究。与NAC对照相比，RAC试件始终表现出较低的极限粘结能力和改变的滑移运动学；在单调荷载下，RAC基体的平均极限拔出荷载比天然混凝土基线低14.4%。这种界面阻力的降低从根本上与再生基体的微观结构缺陷有关。
6. FRP-RAC构件的基本剪切传递机制
6.1 骨料互锁的退化
在传统钢筋混凝土中，斜裂缝间的剪力传递很大程度上依赖于骨料互锁。然而，在FRP-RAC构件中，这一机制遭受严重破坏。附着在再生骨料上的旧残余砂浆形成了薄弱的界面过渡区（ITZ）。当裂缝在RAC中扩展时，它们往往直接穿过较弱的再生骨料而非绕过它们蜿蜒前行，形成了更光滑的断裂面，导致摩擦阻力损失。更准确地说，RCA特性和FRP引起的裂缝运动学共同改变了骨料互锁的调动。在深梁等结构关键构件中，RCA取代导致的骨料互锁损失可能引发脆性对角劈裂破坏。直接剪切（推出）试验证实，将钢纤维体积含量逐步增加至2%可直接抵抗剪切滑动面，大幅恢复再生混合料的剪切强度和剪切韧性。钢纤维体积分数达2.0%时，与素RAC相比，直接剪切强度提高了117%。
6.2 销栓作用的损失
第二种主要剪切传递机制——销栓作用，因传统钢筋被FRP替代而显著改变。FRP筋具有较高的纵向抗拉强度，但横向刚度较低、横向剪切强度较低、弹性模量较钢低。因此，当斜剪裂缝穿过纵向钢筋时，FRP筋通常提供比传统可屈服钢筋更低且对裂缝宽度更敏感的销栓贡献。在RAC梁中，内部GFRP箍筋能有效抵抗主要剪力并补偿纵向销栓阻力降低，但其较低的轴向刚度仍导致比传统横向钢箍筋明显更宽的斜裂缝。
6.3 斜压杆的软化
随着斜剪裂缝因骨料互锁和销栓作用的损失而加宽，剩余剪力传递机制取决于构件几何形状。在细长构件中，未开裂的弯曲受压区必须承担残余剪力；在深梁中，荷载通过斜压杆直接传递至支座。在两种机制中，RAC基体的高孔隙率和力学性能较差导致压杆在复杂双轴应力场下过早软化。在FRP-RAC深梁中，再生骨料的固有弱点加速了腹板压碎和斜压破坏，破坏荷载显著低于天然骨料混凝土。
6.4 裂缝运动学与剪切-摩擦
由于残余砂浆周围复杂的内部开裂路径，理解RAC中的裂缝扩展需要先进的运动学监测。声发射（AE）和数字图像相关（DIC）技术被广泛用于追踪这些机制。在循环荷载下，AE和DIC连续监测损伤演化和裂缝时空特征，揭示纤维如何在宏观剪切破坏前桥接微裂缝。DIC证实合成纤维和钢纤维在100%再生骨料自密实混凝土中有效约束裂缝扩展，促进更均匀的剪切应变分布。AE参数的移动平均值，特别是RA值和平均频率（AF），被用于稳健地表征聚丙烯纤维增强RAC中的特定开裂模式。
7. 实验研究与比较剪切性能
7.1 再生骨料取代率的影响
实验研究一致强调RCA含量与抗剪承载力之间的反比关系。取代率从0%到100%的测试证实，较高的RCA掺入大幅降低力学性能并引发过早的脆性剪切破坏。在各自匹配的对照系列中，无箍筋钢筋梁在100% RCA取代时极限抗剪承载力降低10.2%至18.0%，而BFRP筋梁系列在100% RCA取代时降低28.0%，未加固双向平板在75% RCA取代时冲切承载力降低18.2%。将橡胶屑与RCA结合会加剧抗剪承载力损失。冲切承载力随RCA取代增加呈线性下降。数值分析证实，BFRP筋梁在RCA取代从30%增至100%时抗剪承载力下降10%至28%。通过精确的参数工程，仅掺入0.5%体积分数的钢纤维即可使纯RAC基体的极限抗剪强度比传统未增强NAC高5%。
7.2 FRP配筋率和筋类型的影响
FRP筋类型的选择涉及弹性刚度与适用性之间的严格权衡。GFRP筋与高孔隙RAC配合使用时，剪切引起的挠度大幅增加，占总结构挠度的25%。BFRP和CFRP筋虽然提供更高的抗拉阈值，但在剪切关键深梁中仍导致较钢筋大幅降低的峰前刚度，最终导致高度脆性的对角劈裂破坏。GFRP筋纵向配筋在含高含量RCA的梁中，其较低弹性模量加剧了特定挠度机制。将GFRP垂直布置为横向箍筋已被证明是100% RCA配合比的有效干预措施，直接跨越剪切破坏面抵抗极限荷载，但代价是更大的适用性裂缝宽度。近表面嵌入式（NSM）FRP筋已被证明是恢复纤维增强RAC板冲切承载力的有效干预措施。
7.3 缓解策略：添加纤维的作用
纤维混杂是抵消RCA取代固有抗剪强度降低的主要缓解策略。不锈钢纤维（SSF）与外部CFRP U型条带的结合是恢复RAC梁抗剪承载力的高效混合加固方法。0.5%体积分数的玄武岩纤维（BF）可完全恢复含30%至60% RCA的BFRP筋梁的抗剪承载力，而1.5% BF分数可恢复100% RCA配合比中高达93%的承载力。在无箍筋的纯100%再生粗骨料SCC基体中，0.75%体积分数的各种纤维使峰值荷载能力相对素RAC对照提高23.44%至64.48%。钢纤维的掺入使纵向配筋复合RAC梁即使在完全无横向腹筋的情况下也能实现满意的剪切性能，将深RAC梁的破坏从脆性对角劈裂转变为更延性的剪压破坏。外部粘结CFRP板已被实验和数值验证为恢复结构缺陷RAC梁整体剪切性能的稳健技术。比较研究揭示了FRP加固应用于劣质RAC梁时产生比标准NAC梁更高比例承载力增益的新型交互机制。
7.4 横向钢筋和轴向荷载的影响
外部约束和轴向荷载提供的约束作用从根本上改变了RAC的剪切和压缩行为。随着剪跨比增加，极限抗剪阻力呈明显下降趋势，而整体弯曲承载力同时上升。FRP-钢复合管夹层再生骨料混凝土在轴向压缩下大幅提高承载力和结构延性。在空心弯曲梁中，混合FRP-RAC-钢空心截面从内钢管和外FRP套筒提供足够的约束压力，基本抵消100%再生骨料的力学缺陷。在耦合压剪和压扭荷载下，轴向荷载和内部钢纤维的同时施加显著提高极限承载力。
8. 破坏模式、裂缝行为与峰后响应
8.1 破坏模式分类
FRP-RAC构件的破坏模式本质上比传统混凝土更脆。传统梁通过斜拉破坏，而FRP-RAC构件常因压杆软化而表现出突然的腹板压碎或混凝土剪压破坏。在无传统箍筋的构件中，纤维类型的掺入主动决定破坏分类：纯合成纤维梁可能仍经历单一主斜裂缝的关键扩展，而含3D或5D钢纤维的梁表现出高度多裂缝扩展。3D纤维梁最终发生剪弯破坏，而5D纤维梁获得足够的抗剪阻力完全发生弯曲破坏。在无箍筋深梁中，RAC构件发生剧烈的对角劈裂破坏，但高体积钢纤维的引入将其转变为更可预测的延性剪压破坏。
8.2 裂缝扩展与宽度发展
FRP-RAC构件中斜裂缝的发展不仅预示即将发生的破坏，还显著影响适用性。由于FRP筋弹性模量低于钢筋，裂缝宽度增长更快。在高含量RAC的GFRP筋和钢纤维梁中，剪切开裂引起的特定挠度极为显著，占总结构挠度的25%。在FRP增强高含量RAC板条板中，剪切引起的挠度在斜裂缝起始后主导适用性行为。
8.3 延性与脆性指数
RAC的固有脆性可在结构体系层面被工程化消除。对地震损伤复合RAC剪力墙进行CFRP和超高强钢（UHSS）加固修复的研究评估了损伤控制。通过准静态循环加载至1%漂移比，报告最大残余漂移为0.185%，残余裂缝宽度限制在0.03 mm，证明了修复方案在限定侧向漂移限值下限制损伤和恢复刚度的能力。
9. 解析模型与设计规范预测
9.1 设计规范挑战
当前国际规范对FRP-RAC构件极限抗剪强度和适用性极限状态的预测仍具挑战性。ACI 440.1R-15、CSA S806-12和JSCE指南等主要FRP增强混凝土设计方法基于完全由NAC推导的经验标定计算混凝土剪力贡献。由于RAC具有较弱的ITZ并在开裂时产生更光滑的断裂面，其骨料互锁贡献严重退化。现行FRP设计规范缺乏明确修正系数来考虑这种微观结构退化，可能导致对无箍筋RAC构件混凝土剪力贡献的高估。此外，现行设计规定在计算FRP增强梁总挠度时通常忽略剪切裂缝引起的变形，而研究表明这些机制占总结构挠度的25%。评估纤维增强无箍筋RAC时，ACI 318-19规范产生平均试验-预测比为1.33的保守低估，fib Model Code 2010产生1.15至1.46的比值，而RILEM TC 162-TDF模型对该数据集提供最准确的预测，比值介于0.94至1.10之间。
9.2 数值建模的进展
有限元分析（FEA）已成为捕捉剪切行为的关键工具。稳健的FEA研究必须针对独立实验数据集验证数值输出并报告明确误差范围。BFRP筋梁的三维非线性模型在针对四个大比例物理试验验证时，平均数值-试验比为1.05，标准差0.07，变异系数6.5%。在剪切界面尺度，100% RCA Z型推出试件的三维实体元模拟捕捉了破坏前的主要剪切面开裂，极限剪切强度预测在物理试验的5%以内。在结构构件尺度，GFRP增强100% RAC预制板条板的CDP本构模型准确追踪了支座附近主斜剪裂缝的起始，中跨挠度预测在斜剪开裂起始和极限荷载时均在实验测量值的5%以内。机器学习（ML）验证要求针对训练集外的未见数据测试算法以量化误差并防止过拟合。级联前馈人工神经网络（ANN）在预测侧粘CFRP板加固纤维RAC梁抗剪承载力方面表现出优越的预测精度。
10. 耐久性考虑与长期劣化
10.1 环境暴露的影响
RAC结构的耐久性受多孔再生基体对环境暴露的脆弱性控制。100%再生骨料附着的残余砂浆使混凝土高度渗透，增加对氯离子渗透和冻融损伤的敏感性。盐冻融循环暴露导致钢纤维增强RAC梁的剪切性能严重退化。有机天然纤维的引入加剧基体孔隙率并显著增加快速氯离子渗透性和吸水率。相反，合成纤维的掺入已被证明能限制内部流动路径，保持中等渗透性等级。钢纤维虽然通过桥接微裂缝降低初始渗透性，但其在循环盐冻融条件下自身的腐蚀脆弱性随时间加速微观结构劣化。
10.2 长期粘结劣化
在RAC中，较高的毛细孔隙率和更密集的微裂缝网络使侵蚀性介质快速穿透混凝土保护层。当内部钢筋腐蚀时，膨胀性腐蚀产物的形成引发巨大内部拉应力。由于RAC的ITZ微观结构薄弱，这些膨胀力容易克服再生基体的局部抗拉能力，导致严重纵向开裂、保护层剥落和机械互锁的完全破坏。FRP筋不产生膨胀性腐蚀副产物，其长期退化由水分扩散、树脂基体塑化以及持续应力下纤维的碱性水解控制。目前缺乏明确评估FRP抗拉强度保持率、FRP-RAC界面粘结退化或类似环境暴露下残余抗剪阻力的长期实验证据。未来研究必须明确识别所使用的具体纤维和树脂体系，定义暴露条件。
