高强混凝土（HSC）
定义：一般把强度等级为C60及其以上的混凝土称为高强混凝土（英文为High Strength Concrete，简称HSC），C100强度等级以上的混凝土称为超高强混凝土（英文为Super High Strength Concrete，简称SHSC）。HSC是用水泥、砂、石原材料外加减水剂或同时外加粉煤灰、F矿粉、矿渣、硅粉等混合料，经常规工艺生产而获得高强的混凝土。
高强混凝土的概念是随着建筑材料技术水平而发展变化的，早在上世纪80年代，人们认为强度等级达到或超过C50的混凝土即为高强混凝土，美国混凝土学会ACI提出以设计强度fc’超过6000psi(41MPa)的混凝土为高强混凝土，换算为我国边长15cm立方体的强度约为52MPa，与C50大体相当。目前，大家广为接受C60及以上的混凝土为高强混凝土。
需要说明，在我国，混凝土的强度级别曾长期使用标号R 来表述，后来改用强度等级C，计量单位也由过去的kg/cm2改为MPa。混凝土的强度等级或标号所指的都是具有一定保证率的标准尺寸立方体的抗压强度，测定时的试件龄期为28天，并经标准养护和采用标准的加载方法。强度等级所用的标准试件边长为15cm，取强度的保证率为95%；而标号所用的标准试件边长为20cm，取强度保证率约85%。美国ACI混凝土强度以直径6英寸、高度12英寸（大约为f15′30cm）圆柱体试件抗压强度的特征值表示，强度保证率也为95%。
混凝土强度等级、标号和ACI规范混凝土强度之间的近似关系如表1所示。
表1 混凝土强度不同表示值之间的近似关系
主要技术措施：高强混凝土要能大量推广应用，需要采用常规的水泥、砂石作原材料，采用常规的生产工艺，主要技术措施是依靠外加高效减水剂，或同时外加一定数量的活性矿物材料，除此之外，还有其他多种途径获得高强混凝土，如在成型工艺上采用挤压、振动加压；在养护工艺上采用高压蒸养；在骨料选择上采用活性骨料以至金属骨料；还有利用振动—真空技术将混凝土拌合料中多余的水份吸去而提高混凝土强度的做法。但这些方法在制作工艺及设备上均非常规，有的仅使用于预制混凝土制品的生产。在实际生产过程中，需要因地制宜，采用经济合理的技术措施进行生产。
主要特点：高强混凝土的重要特点是耐久、强度高、变形小，能适应现代工程结构向大跨、重载、高耸发展和承受恶劣环境条件的需要。采用高效减水剂生产制备的高强混凝土一般具有坍落度大和早强的性能，因而便于浇注和加快模板周转速度。
高强混凝土的抗压强度很高，能使钢筋混凝土柱和拱壳等受压构件的承载能力大幅度提高，而在相同的荷载下可使构件的截面减小。对于受弯构件，它能降低受压区高度，提高构件延性，允许采用较高的配筋率，借此来增加构件的抗弯承载能力或减小构件的截面高度。高强混凝土还由于变形较小，使构件的刚度得以提高，这对于某些由变形控制截面尺寸的梁板而言特别有利。对于预应力混凝土构件，则能从高强度获得三重好处：可以施加更大的预应力、可以更早地施加预应力、因收缩徐变小而导致较低的预应力损失。
对于结构物来说，减小截面尺寸意味着降低结构自重，有利于结构向轻型化发展。当结构自重占全部荷载的主要部分时，采用高强混凝土具有特殊的意义，且能减轻地基基础的负担。减小截面尺寸，对于房屋建筑而言，意味着增加使用面积或有效空间；对于桥梁结构而言，意味着增加桥下净空或降低两岸路堤标高；对地下建筑而言，意味着减少岩土开挖量。此外，在工程中同时使用不同强度混凝土，可以尽量统一构件尺寸，为划一施工模板提供了条件。所有这些间接好处远比节约结构本身的材料用量或降低造价更为重要。
高强混凝土材料致密坚硬，抗渗抗冻性能均优于普通强度混凝土。所以露天的、遭受海水侵蚀的、受高速流体冲刷的或易遭碰撞损害的工程构筑物，均宜采用高强混凝土。例如，高速铁路桥梁需要很高的耐久性，采用高强混凝土材料十分重要。
但是高强混凝土也有不利条件和不足之处。首先是对各种原材料有严格要求，并非所有场合都能获得合适的水泥和骨料；其次是生产施工的每个环节都需要仔细规划和检查，并非所有预拌厂和施工现场都具有相应的质量管理水平。在没有现成的预拌混凝土可以供应的情况下，当工地自行配制高强混凝土时，需要经过专门的试验和人员培训。
高强混凝土的质量特别容易受到生产、运输、浇注和养护过程中环境因素的影响，尤其是过高的气温、远距离运输以及水化热等问题需要引起重视。
在材料性能上，高强混凝土的缺点是延性较普通强度混凝土差，素混凝土的延性随着混凝土强度增加而降低。但是，材料的延性与配筋构件或结构的延性并不等同，通过适当的配筋构造措施，用高强混凝土制作的构件或结构的延性一样可以满足设计要求。此外，高强混凝土的抗拉强度和抗剪强度虽然也随混凝土抗压强度的增长而增加，但抗拉或抗剪强度与抗压强度的比值却会随之降低，所以在讨论高强混凝土的力学性能时，如果只用单轴抗压强度一个指标，并按低强混凝土中的概念进行推论，有时就会出错。
高强混凝土出现以后，已在国内外工程中不断应用。在我国较早采用高强混凝土的桥梁工程实例之一是湘桂复线红水河斜拉桥。它是湘桂铁路柳州—黎塘跨越红水河的第二座铁路桥(又称Ⅱ线桥)，主跨96m，全长409.1m。1981年建成，是我国铁路上第一座，世界铁路上第四座具有现代先进技术水平的预应力混凝土斜拉桥。斜拉桥梁和塔设计的混凝土为500级(计量单位为kg/cm2)，施工按600级配制。其配合比为1(水泥)：1.45(河沙)：2.18(碎石)，水灰比为0.34。掺用外加剂FDN为水泥用量的（6~7.5）‰，掺用三乙醇胺残渣为水泥用量的0.4‰。使混凝土达到缓凝、早强、高强及和易性好等效果。
红水河斜拉桥混凝土实测强度如表2所示，28天平均强度达到70.9MPa。
表2 红水河斜拉桥混凝土强度试验值
图1 采用高强混凝土建造的红水河铁路斜拉桥
高性能混凝土（HPC）
定义：高性能混凝土（英文名High Performance Concrete，简称HPC）是一种新型高技术混凝土，采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求的各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。
需要指出的是：高性能混凝土以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配制上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的掺合料（矿物细掺料）和高效外加剂。由定义可知，高性能混凝土明确提出了对耐久性和工作性等的要求，可以认为高性能混凝土是高强混凝土的进一步完善。
主要特点：1990年5月美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国混凝土协会（ACI）首次提出高性能混凝土的概念。美国的工程技术人员认为：高性能混凝土是一种易于浇注、捣实、不离析，能长期保持高强、韧性与体积稳定性，在严酷环境下使用寿命长的混凝土。美国混凝土协会认为：此种混凝土并不一定需要很高的混凝土抗压强度，但仍需达到55MPa以上，需要具有很高的抗化学腐蚀性或其他一些性能。
日本工程技术人员则认为，高性能混凝土是一种具有高填充能力的混凝土，在新拌阶段不需要振捣就能完善浇注；在水化、硬化的早期阶段很少产生有水化热或干缩等因素而形成的裂缝；在硬化后具有足够的强度和耐久性。
加拿大的工程技术人员认为，高性能混凝土是一种具有高弹性模量、高密度、低渗透性和高抗腐蚀能力的混凝土。
综合各国对高性能混凝土的要求，可以认为，高性能混凝土具有高抗渗性（高耐久性的关键性能）；高体积稳定性（低干缩、低徐变、低温度变形和高弹性模量）；适当的高抗压强度；良好的施工性（高流动性、高粘聚性、自密实性）。
通过研究与实践，高性能混凝土可以具有以下一些特性：
自密实性：高性能混凝土的用水量较低，流动性好，抗离析能力强，从而具有较优异的填充性。因此，配合恰当的大流动性高性能混凝土有较好的自密实性。
体积稳定性：高性能混凝土的体积稳定性较高，表现为具有高弹性模量、低收缩与徐变、低温度变形。普通混凝土的弹性模量为20~25GPa，采用适宜的材料与配合比的高性能混凝土，其弹性模量可达40~50GPa。采用高弹性模量、高强度的粗集料并降低混凝土中水泥浆体的含量，选用合理的配合比配制的高性能混凝土，90天龄期的干缩值低于0.04%。
强度：高性能混凝土不一定过分强调其强度，但在实践中，属于高性能范畴的混凝土，其抗压强度已超过200MPa。28d平均强度介于100~120MPa的高性能混凝土，已在工程中应用。高性能混凝土抗拉强度与抗压强度值相较高强混凝土有明显增加，高性能混凝土的早期强度发展加快，而后期强度的增长率却低于普通强度混凝土。
水化热：由于高性能混凝土的水灰比较低，会较早终止水化反应，因此，水化热相应降低。
收缩和徐变：高性能混凝土的总收缩量与其强度成反比，强度越高总收缩量越小。但高性能混凝土的早期收缩率，随着早期强度的提高而增大。相对湿度和环境温度，仍然是影响高性能混凝土收缩性能的两个主要因素。高性能混凝土的徐变变形显著低于普通混凝土，高性能混凝土与普通强度混凝土相比较，高性能混凝土的徐变总量（基本徐变与干燥徐变之和）有显著减少。在徐变总量中，干燥徐变值的减少更为显著，基本徐变仅略有一些降低。而干燥徐变与基本徐变的比值，则随着混凝土强度的增加而降低。
耐久性：高性能混凝土除通常的抗冻性、抗渗性明显高于普通混凝土之外，高性能混凝土的氯离子渗透率明显低于普通混凝土。高性能混凝土由于具有较高的密实性和抗渗性，因此，其抗化学腐蚀性能显著优于普通强度混凝土。
耐火性：高性能混凝土在高温作用下，会产生爆裂、剥落。由于混凝土的高密实度使自由水不易很快地从毛细孔中排出，受高温时其内部形成的蒸汽压力几乎可达到饱和蒸汽压力。在300°C温度下，蒸汽压力可达8MPa，而在350°C温度下，蒸汽压力可达17MPa，这样的内部压力可使混凝土中产生5MPa拉伸应力，使混凝土发生爆炸性剥蚀和脱落。因此高性能混凝土的耐高温性能是一个值得重视的问题。为克服这一性能缺陷，可在高性能和高强度混凝土中掺入有机纤维，在高温下混凝土中的纤维能熔解、挥发，形成许多连通的孔隙，使高温作用产生的蒸汽压力得以释放，从而改善高性能混凝土的耐高温性能。
概括而言，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。
主要技术措施：高性能混凝土是由高强混凝土发展而来的，对混凝土技术性能的要求比高强混凝土更多、更广泛。配制高性能混凝土的技术路线主要是在混凝土中同时掺入高效减水剂和矿物外加剂。这里的矿物外加剂是具有高比表面积的微粉辅助胶凝材料，例如：硅灰、磨细矿渣微粉、超细粉煤灰等，它是利用微粉填隙作用形成细观的紧密体系，并且改善界面结构，提高界面粘结强度。
高性能混凝土的配合比应根据原材料品质、设计强度等级、耐久性以及施工工艺对工作性能的要求，通过计算、试配、调整等步骤确定。进行配合比设计时应符合下列规定：
1、对不同强度等级混凝土的胶凝材料总量应进行控制，C40以下不宜大于400kg/m3；C40 ~ C50不宜大于450kg/m3；C60及以上的非泵送混凝土不宜大于500kg/m3，泵送混凝土不宜大于530kg/m3；配有钢筋的混凝土结构，在不同环境条件下其最大水胶比和单方混凝土中胶凝材料的最小用量应符合设计要求。
2、混凝土中宜适量掺加优质的粉煤灰、磨细矿渣粉或硅灰等矿物掺合料，用以提高其耐久性，改善其施工性能和抗裂性能，其掺量应根据混凝土的性能要求通过试验确定。
3、对耐久性有较高要求的混凝土结构，试配时应进行混凝土和胶凝材料抗裂性能的对比试验，并从中优选抗裂性能良好的混凝土原材料和配合比。
4、混凝土中宜适量掺加外加剂，且应选用质量可靠、稳定的多功能复合外加剂。
5、冻融环境下的混凝土宜采用引气混凝土。冻融环境作用等级D级及以上的混凝土必须掺用引气剂，并应满足相应强度等级中最大水胶比和胶凝材料最小用量的要求；对处于其他环境作用等级的混凝土，亦可通过掺加引气剂提高其耐久性。混凝土抗冻性的耐久性指数应符合相关标准、规范的规定。引气混凝土的适宜含气量和气泡间距系数应符合规定。
6、对混凝土中总碱含量的控制，应符合相关规定。
7、混凝土的坍落度宜根据施工工艺的要求确定，条件允许时宜选用低坍落度的混凝土施工。
原材料技术要求：
水泥：水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。需要控制水泥中的C3A含量、细度、碱含量和氯离子含量。水泥中的C3A含量高、细度高，比表面积就会增大，混凝土的用水就会增加，从而造成混凝土坍落度损失过快，有时甚至会出现急凝和假凝现象，这不仅会影响混凝土的外观质量，同时也将直接影响其耐久性，为了更好地达到各项指标，水泥的存放时间以3天为宜。
矿物掺和料：矿物掺和料对混凝土具有减水、活化、致密、润滑、填充等作用，它能延缓水泥水化过程中水化粒子的凝聚，减轻坍落度损失。矿物掺合料选用品质稳定的产品，矿物掺合料的品种宜为粉煤灰、磨细粉煤灰、矿渣粉或硅灰。
外加剂：外加剂与水泥的适应性、减水率、流动性、含气量、掺量都将影响混凝土的工作性，高速铁路外加剂宜采用聚羧酸系列产品，其技术指标主要关注减水率、硫酸钠含量、碱含量、氯离子含量和含气量。
细骨料：含泥量、泥块含量也是影响高性能混凝土各项技术指标的重要原因之一，含泥量、泥块含量过高，不仅能降低混凝土强度，同时易造成内部结构的毛细通道不能有效地阻止有害物质的侵蚀。对于高速铁路工程来说，细骨料应选用处于级配区的中粗河砂，砂的细度模数要求为2.3~3.0。
粗骨料：粗骨料宜选用二级配、三级配碎石，保持良好的级配能增加混凝土强度。在选择粗骨料时，一定要控制大骨料的含量，大骨料的含量超标，将直接影响保护层外侧混凝土的质量，会导致混凝土的表面出现干裂纹，影响表观质量。碎石粒径宜为5mm~20mm，最大粒径不应超过25mm，级配良好，对压碎指标、针片状含量、含泥量和骨料水溶性氯化物折合氯离子含量等加以控制。
在我国“天路”建设中，针对青藏高原多年冻土区恶劣的自然环境条件特点, 提出了青藏铁路桥隧结构高性能混凝土的力学性能和长期耐久性能指标, 通过研究开发，成功应用了适宜于低温施工、抗冻抗渗能力强、耐硫酸盐腐蚀和抗氯离子渗透性好、耐风蚀磨耗率小的高性能混凝土。
该铁路线上具有代表性的桥梁工程有拉萨河大桥，位于拉萨市境内，距青藏铁路终点拉萨站约2公里。拉萨河大桥的桥式结构为：(5-3×32.7)m预应力混凝土连续箱梁 (36 72 108 72 36)m钢管混凝土拱连续梁 (1-3×32.7)m预应力混凝土连续箱梁,共23孔,全长928.85m。线路等级为单线Ⅰ级标准，客车最高行车速度120km/h，地震基本烈度8度。在大桥的设计中既考虑了人文景观，更考虑了桥梁结构的耐久性控制。
图2 青藏铁路拉萨河大桥
高性能混凝土已在国内外土木工程中广泛应用，在国际桥梁工程建设中，如日本明石海峡大桥的1号锚碇(1A)、2号和3号桥墩(2P、3P)均采用了高性能混凝土。
图3 日本明石海峡大桥
结语
高强混凝土和高性能混凝土是混凝土材料在不同发展阶段提出的，随着人们对结构耐久性的重视，以及节能环保、可持续发展理念的不断深入，高性能混凝土的设计理念逐渐深入人心，只要精心设计、精心施工、加强管养、及时维护，利用高性能混凝土建造的结构能达到预期的设计使用寿命。
鸣谢：本文参考了陈肇元等著《高强混凝土及其应用》、吴中伟等著《高性能混凝土》以及其他学者的学术论文，限于篇幅，恕不一一列出，谨此一并致谢！
作者简介：赵人达，博士，教授，博士生导师，现为北京茅以升科技教育基金会桥梁委员会副主任、中国公路学会桥梁和结构工程分会常务理事、中国土木工程学会计算机应用分会理事、国际桥梁及结构工程协会（IABSE）会员等，主要从事混凝土、钢—混凝土组合桥梁结构的教学与研究。
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