HSC與HPC——人達砼語

高強混凝土（HSC）

定義：一般把強度等級為C60及其以上的混凝土稱為高強混凝土（英文為High Strength Concrete，簡稱HSC），C100強度等級以上的混凝土稱為超高強混凝土（英文為Super High Strength Concrete，簡稱SHSC）。HSC是用水泥、砂、石原材料外加減水劑或同時外加粉煤灰、F礦粉、礦渣、硅粉等混合料，經常規工藝生產而獲得高強的混凝土。

高強混凝土的概念是隨著建築材料技術水平而發展變化的，早在上世紀80年代，人們認為強度等級達到或超過C50的混凝土即為高強混凝土，美國混凝土學會ACI提出以設計強度fc』超過6000psi(41MPa)的混凝土為高強混凝土，換算為我國邊長15cm立方體的強度約為52MPa，與C50大體相當。目前，大家廣為接受C60及以上的混凝土為高強混凝土。

需要說明，在我國，混凝土的強度級別曾長期使用標號R 來表述，後來改用強度等級C，計量單位也由過去的kg/cm2改為MPa。混凝土的強度等級或標號所指的都是具有一定保證率的標準尺寸立方體的抗壓強度，測定時的試件齡期為28天，並經標準養護和採用標準的載入方法。強度等級所用的標準試件邊長為15cm，取強度的保證率為95%；而標號所用的標準試件邊長為20cm，取強度保證率約85%。美國ACI混凝土強度以直徑6英寸、高度12英寸（大約為f15′30cm）圓柱體試件抗壓強度的特徵值表示，強度保證率也為95%。

混凝土強度等級、標號和ACI規範混凝土強度之間的近似關係如表1所示。

表1 混凝土強度不同表示值之間的近似關係

主要技術措施：高強混凝土要能大量推廣應用，需要採用常規的水泥、砂石作原材料，採用常規的生產工藝，主要技術措施是依靠外加高效減水劑，或同時外加一定數量的活性礦物材料，除此之外，還有其他多種途徑獲得高強混凝土，如在成型工藝上採用擠壓、振動加壓；在養護工藝上採用高壓蒸養；在骨料選擇上採用活性骨料以至金屬骨料；還有利用振動—真空技術將混凝土拌合料中多餘的水份吸去而提高混凝土強度的做法。但這些方法在製作工藝及設備上均非常規，有的僅使用於預製混凝土製品的生產。在實際生產過程中，需要因地制宜，採用經濟合理的技術措施進行生產。

主要特點：高強混凝土的重要特點是耐久、強度高、變形小，能適應現代工程結構向大跨、重載、高聳發展和承受惡劣環境條件的需要。採用高效減水劑生產製備的高強混凝土一般具有坍落度大和早強的性能，因而便於澆注和加快模板周轉速度。

高強混凝土的抗壓強度很高，能使鋼筋混凝土柱和拱殼等受壓構件的承載能力大幅度提高，而在相同的荷載下可使構件的截面減小。對於受彎構件，它能降低受壓區高度，提高構件延性，允許採用較高的配筋率，藉此來增加構件的抗彎承載能力或減小構件的截面高度。高強混凝土還由於變形較小，使構件的剛度得以提高，這對於某些由變形控制截面尺寸的梁板而言特別有利。對於預應力混凝土構件，則能從高強度獲得三重好處：可以施加更大的預應力、可以更早地施加預應力、因收縮徐變小而導致較低的預應力損失。

對於結構物來說，減小截面尺寸意味著降低結構自重，有利於結構向輕型化發展。當結構自重佔全部荷載的主要部分時，採用高強混凝土具有特殊的意義，且能減輕地基基礎的負擔。減小截面尺寸，對於房屋建築而言，意味著增加使用面積或有效空間；對於橋樑結構而言，意味著增加橋下凈空或降低兩岸路堤標高；對地下建築而言，意味著減少岩土開挖量。此外，在工程中同時使用不同強度混凝土，可以盡量統一構件尺寸，為劃一施工模板提供了條件。所有這些間接好處遠比節約結構本身的材料用量或降低造價更為重要。

高強混凝土材料緻密堅硬，抗滲抗凍性能均優於普通強度混凝土。所以露天的、遭受海水侵蝕的、受高速流體沖刷的或易遭碰撞損害的工程構築物，均宜採用高強混凝土。例如，高速鐵路橋樑需要很高的耐久性，採用高強混凝土材料十分重要。

但是高強混凝土也有不利條件和不足之處。首先是對各種原材料有嚴格要求，並非所有場合都能獲得合適的水泥和骨料；其次是生產施工的每個環節都需要仔細規劃和檢查，並非所有預拌廠和施工現場都具有相應的質量管理水平。在沒有現成的預拌混凝土可以供應的情況下，當工地自行配製高強混凝土時，需要經過專門的試驗和人員培訓。

高強混凝土的質量特別容易受到生產、運輸、澆注和養護過程中環境因素的影響，尤其是過高的氣溫、遠距離運輸以及水化熱等問題需要引起重視。

在材料性能上，高強混凝土的缺點是延性較普通強度混凝土差，素混凝土的延性隨著混凝土強度增加而降低。但是，材料的延性與配筋構件或結構的延性並不等同，通過適當的配筋構造措施，用高強混凝土製作的構件或結構的延性一樣可以滿足設計要求。此外，高強混凝土的抗拉強度和抗剪強度雖然也隨混凝土抗壓強度的增長而增加，但抗拉或抗剪強度與抗壓強度的比值卻會隨之降低，所以在討論高強混凝土的力學性能時，如果只用單軸抗壓強度一個指標，並按低強混凝土中的概念進行推論，有時就會出錯。

高強混凝土出現以後，已在國內外工程中不斷應用。在我國較早採用高強混凝土的橋樑工程實例之一是湘桂複線紅水河斜拉橋。它是湘桂鐵路柳州—黎塘跨越紅水河的第二座鐵路橋(又稱Ⅱ線橋)，主跨96m，全長409.1m。1981年建成，是我國鐵路上第一座，世界鐵路上第四座具有現代先進技術水平的預應力混凝土斜拉橋。斜拉橋樑和塔設計的混凝土為500級(計量單位為kg/cm2)，施工按600級配製。其配合比為1(水泥)：1.45(河沙)：2.18(碎石)，水灰比為0.34。摻用外加劑FDN為水泥用量的（6~7.5）‰，摻用三乙醇胺殘渣為水泥用量的0.4‰。使混凝土達到緩凝、早強、高強及和易性好等效果。

紅水河斜拉橋混凝土實測強度如表2所示，28天平均強度達到70.9MPa。

表2 紅水河斜拉橋混凝土強度試驗值

圖1 採用高強混凝土建造的紅水河鐵路斜拉橋

高性能混凝土（HPC）

定義：高性能混凝土（英文名High Performance Concrete，簡稱HPC）是一種新型高技術混凝土，採用常規材料和工藝生產，具有混凝土結構所要求的各項力學性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土。

需要指出的是：高性能混凝土以耐久性作為設計的主要指標，針對不同用途要求，對下列性能重點予以保證：耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩定性和經濟性。為此，高性能混凝土在配製上的特點是採用低水膠比，選用優質原材料，且必須摻加足夠數量的摻合料（礦物細摻料）和高效外加劑。由定義可知，高性能混凝土明確提出了對耐久性和工作性等的要求，可以認為高性能混凝土是高強混凝土的進一步完善。

主要特點：1990年5月美國國家標準與技術研究院（NIST）和美國混凝土協會（ACI）首次提出高性能混凝土的概念。美國的工程技術人員認為：高性能混凝土是一種易於澆注、搗實、不離析，能長期保持高強、韌性與體積穩定性，在嚴酷環境下使用壽命長的混凝土。美國混凝土協會認為：此種混凝土並不一定需要很高的混凝土抗壓強度，但仍需達到55MPa以上，需要具有很高的抗化學腐蝕性或其他一些性能。

日本工程技術人員則認為，高性能混凝土是一種具有高填充能力的混凝土，在新拌階段不需要振搗就能完善澆注；在水化、硬化的早期階段很少產生有水化熱或干縮等因素而形成的裂縫；在硬化後具有足夠的強度和耐久性。

加拿大的工程技術人員認為，高性能混凝土是一種具有高彈性模量、高密度、低滲透性和高抗腐蝕能力的混凝土。

綜合各國對高性能混凝土的要求，可以認為，高性能混凝土具有高抗滲性（高耐久性的關鍵性能）；高體積穩定性（低干縮、低徐變、低溫度變形和高彈性模量）；適當的高抗壓強度；良好的施工性（高流動性、高粘聚性、自密實性）。

通過研究與實踐，高性能混凝土可以具有以下一些特性：

自密實性：高性能混凝土的用水量較低，流動性好，抗離析能力強，從而具有較優異的填充性。因此，配合恰當的大流動性高性能混凝土有較好的自密實性。

體積穩定性：高性能混凝土的體積穩定性較高，表現為具有高彈性模量、低收縮與徐變、低溫度變形。普通混凝土的彈性模量為20~25GPa，採用適宜的材料與配合比的高性能混凝土，其彈性模量可達40~50GPa。採用高彈性模量、高強度的粗集料並降低混凝土中水泥漿體的含量，選用合理的配合比配製的高性能混凝土，90天齡期的干縮值低於0.04%。

強度：高性能混凝土不一定過分強調其強度，但在實踐中，屬於高性能範疇的混凝土，其抗壓強度已超過200MPa。28d平均強度介於100~120MPa的高性能混凝土，已在工程中應用。高性能混凝土抗拉強度與抗壓強度值相較高強混凝土有明顯增加，高性能混凝土的早期強度發展加快，而後期強度的增長率卻低於普通強度混凝土。

水化熱：由於高性能混凝土的水灰比較低，會較早終止水化反應，因此，水化熱相應降低。

收縮和徐變：高性能混凝土的總收縮量與其強度成反比，強度越高總收縮量越小。但高性能混凝土的早期收縮率，隨著早期強度的提高而增大。相對濕度和環境溫度，仍然是影響高性能混凝土收縮性能的兩個主要因素。高性能混凝土的徐變變形顯著低於普通混凝土，高性能混凝土與普通強度混凝土相比較，高性能混凝土的徐變總量（基本徐變與乾燥徐變之和）有顯著減少。在徐變總量中，乾燥徐變值的減少更為顯著，基本徐變僅略有一些降低。而乾燥徐變與基本徐變的比值，則隨著混凝土強度的增加而降低。

耐久性：高性能混凝土除通常的抗凍性、抗滲性明顯高於普通混凝土之外，高性能混凝土的氯離子滲透率明顯低於普通混凝土。高性能混凝土由於具有較高的密實性和抗滲性，因此，其抗化學腐蝕性能顯著優於普通強度混凝土。

耐火性：高性能混凝土在高溫作用下，會產生爆裂、剝落。由於混凝土的高密實度使自由水不易很快地從毛細孔中排出，受高溫時其內部形成的蒸汽壓力幾乎可達到飽和蒸汽壓力。在300°C溫度下，蒸汽壓力可達8MPa，而在350°C溫度下，蒸汽壓力可達17MPa，這樣的內部壓力可使混凝土中產生5MPa拉伸應力，使混凝土發生爆炸性剝蝕和脫落。因此高性能混凝土的耐高溫性能是一個值得重視的問題。為克服這一性能缺陷，可在高性能和高強度混凝土中摻入有機纖維，在高溫下混凝土中的纖維能熔解、揮發，形成許多連通的孔隙，使高溫作用產生的蒸汽壓力得以釋放，從而改善高性能混凝土的耐高溫性能。

概括而言，高性能混凝土就是能更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求的混凝土，能延長混凝土結構的使用年限，降低工程造價。

主要技術措施：高性能混凝土是由高強混凝土發展而來的，對混凝土技術性能的要求比高強混凝土更多、更廣泛。配製高性能混凝土的技術路線主要是在混凝土中同時摻入高效減水劑和礦物外加劑。這裡的礦物外加劑是具有高比表面積的微粉輔助膠凝材料，例如：硅灰、磨細礦渣微粉、超細粉煤灰等，它是利用微粉填隙作用形成細觀的緊密體系，並且改善界面結構，提高界面粘結強度。

高性能混凝土的配合比應根據原材料品質、設計強度等級、耐久性以及施工工藝對工作性能的要求，通過計算、試配、調整等步驟確定。進行配合比設計時應符合下列規定：

1、對不同強度等級混凝土的膠凝材料總量應進行控制，C40以下不宜大於400kg/m3；C40 ~ C50不宜大於450kg/m3；C60及以上的非泵送混凝土不宜大於500kg/m3，泵送混凝土不宜大於530kg/m3；配有鋼筋的混凝土結構，在不同環境條件下其最大水膠比和單方混凝土中膠凝材料的最小用量應符合設計要求。

2、混凝土中宜適量摻加優質的粉煤灰、磨細礦渣粉或硅灰等礦物摻合料，用以提高其耐久性，改善其施工性能和抗裂性能，其摻量應根據混凝土的性能要求通過試驗確定。

3、對耐久性有較高要求的混凝土結構，試配時應進行混凝土和膠凝材料抗裂性能的對比試驗，並從中優選抗裂性能良好的混凝土原材料和配合比。

4、混凝土中宜適量摻加外加劑，且應選用質量可靠、穩定的多功能複合外加劑。

5、凍融環境下的混凝土宜採用引氣混凝土。凍融環境作用等級D級及以上的混凝土必須摻用引氣劑，並應滿足相應強度等級中最大水膠比和膠凝材料最小用量的要求；對處於其他環境作用等級的混凝土，亦可通過摻加引氣劑提高其耐久性。混凝土抗凍性的耐久性指數應符合相關標準、規範的規定。引氣混凝土的適宜含氣量和氣泡間距係數應符合規定。

6、對混凝土中總鹼含量的控制，應符合相關規定。

7、混凝土的坍落度宜根據施工工藝的要求確定，條件允許時宜選用低坍落度的混凝土施工。

原材料技術要求：

水泥：水泥應選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。需要控制水泥中的C3A含量、細度、鹼含量和氯離子含量。水泥中的C3A含量高、細度高，比表面積就會增大，混凝土的用水就會增加，從而造成混凝土坍落度損失過快，有時甚至會出現急凝和假凝現象，這不僅會影響混凝土的外觀質量，同時也將直接影響其耐久性，為了更好地達到各項指標，水泥的存放時間以3天為宜。

礦物摻和料：礦物摻和料對混凝土具有減水、活化、緻密、潤滑、填充等作用，它能延緩水泥水化過程中水化粒子的凝聚，減輕坍落度損失。礦物摻合料選用品質穩定的產品，礦物摻合料的品種宜為粉煤灰、磨細粉煤灰、礦渣粉或硅灰。

外加劑：外加劑與水泥的適應性、減水率、流動性、含氣量、摻量都將影響混凝土的工作性，高速鐵路外加劑宜採用聚羧酸系列產品，其技術指標主要關注減水率、硫酸鈉含量、鹼含量、氯離子含量和含氣量。

細骨料：含泥量、泥塊含量也是影響高性能混凝土各項技術指標的重要原因之一，含泥量、泥塊含量過高，不僅能降低混凝土強度，同時易造成內部結構的毛細通道不能有效地阻止有害物質的侵蝕。對於高速鐵路工程來說，細骨料應選用處於級配區的中粗河砂，砂的細度模數要求為2.3~3.0。

粗骨料：粗骨料宜選用二級配、三級配碎石，保持良好的級配能增加混凝土強度。在選擇粗骨料時，一定要控制大骨料的含量，大骨料的含量超標，將直接影響保護層外側混凝土的質量，會導致混凝土的表面出現乾裂紋，影響表觀質量。碎石粒徑宜為5mm~20mm，最大粒徑不應超過25mm，級配良好，對壓碎指標、針片狀含量、含泥量和骨料水溶性氯化物摺合氯離子含量等加以控制。

在我國「天路」建設中，針對青藏高原多年凍土區惡劣的自然環境條件特點, 提出了青藏鐵路橋隧結構高性能混凝土的力學性能和長期耐久性能指標, 通過研究開發，成功應用了適宜於低溫施工、抗凍抗滲能力強、耐硫酸鹽腐蝕和抗氯離子滲透性好、耐風蝕磨耗率小的高性能混凝土。

該鐵路線上具有代表性的橋樑工程有拉薩河大橋，位於拉薩市境內，距青藏鐵路終點拉薩站約2公里。拉薩河大橋的橋式結構為：(5-3×32.7)m預應力混凝土連續箱梁+(36+72+108+72+36)m鋼管混凝土拱連續梁+(1-3×32.7)m預應力混凝土連續箱梁,共23孔,全長928.85m。線路等級為單線Ⅰ級標準，客車最高行車速度120km/h，地震基本烈度8度。在大橋的設計中既考慮了人文景觀，更考慮了橋樑結構的耐久性控制。

圖2 青藏鐵路拉薩河大橋

高性能混凝土已在國內外土木工程中廣泛應用，在國際橋樑工程建設中，如日本明石海峽大橋的1號錨碇(1A)、2號和3號橋墩(2P、3P)均採用了高性能混凝土。

圖3 日本明石海峽大橋

結語

高強混凝土和高性能混凝土是混凝土材料在不同發展階段提出的，隨著人們對結構耐久性的重視，以及節能環保、可持續發展理念的不斷深入，高性能混凝土的設計理念逐漸深入人心，只要精心設計、精心施工、加強管養、及時維護，利用高性能混凝土建造的結構能達到預期的設計使用壽命。

鳴謝：本文參考了陳肇元等著《高強混凝土及其應用》、吳中偉等著《高性能混凝土》以及其他學者的學術論文，限於篇幅，恕不一一列出，謹此一併致謝！

作者簡介：趙人達，博士，教授，博士生導師，現為北京茅以升科技教育基金會橋樑委員會副主任、中國公路學會橋樑和結構工程分會常務理事、中國土木工程學會計算機應用分會理事、國際橋樑及結構工程協會（IABSE）會員等，主要從事混凝土、鋼—混凝土組合橋樑結構的教學與研究。