用于水工耐磨损混凝土的掺合料有两类：一类是用于直接增强耐磨性的掺合料，这部分掺合料可以替代部分细骨料，常用的有钢屑、钢纤维、聚丙烯纤维等；另一类是用于增强混凝土的致密性和强度的掺合料，最常用的有粉煤灰、硅粉及细矿渣粉等。
（1）合成纤维。大量实验表明，在混凝土中加入少量的合成纤维对混凝土的强度变化不大，而对混凝土的抗拉强度、塑性收缩、抗渗抗冻性、抗冲击性、抗腐蚀性有明显的提高。
而关于纤维在水泥混凝土中的作用，可以做如下简要描述：在水泥混凝土中掺入一定量的纤维，当水泥凝固后，纤维在试件中呈三维乱向分布，能有效提高水泥混凝土构件的物理力学性能。在纤维增强的水泥混凝土复合材料中，纤维能减少水泥基体收缩而引发的微裂纹，在受荷初期能延缓和阻止基体中微裂纹的扩展并最终成为外荷载的主要承载者。
纤维对水泥混凝土中的影响主要有以下几种：
1）对水泥混凝土的抗冻性的影响。纤维可以吸收水泥固化或冷冻过程中形成的张力，从而延缓水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散，提高水泥混凝土的抗冻性。在混凝土中加入聚丙烯纤维，按混凝土抗冻试验方法，经25次反复冻融，无分层与龟裂等现象产生。
掺纤维混凝土抗冻性能的试验结果见表4.3，不同纤维抗冻融能力见图4.2。试验结果表明，掺入不同品种的纤维后，混凝土的抗冻等级可达到F300以上，满足工程设计要求。
表4.3 掺纤维混凝土抗冻性能的试验结果表（90d龄期）
图4.2 不同纤维抗冻融能力图
2）对水泥混凝土的抗渗性的影响。均匀乱向三维分布在混凝土中的大量纤维起了承托作用，降低了混凝土表面的泌水与集料的离析，使混凝土中直径约100nm左右的孔隙含量大大降低，极大地提高了混凝土抗渗防水能力。有试验表明，掺入聚丙烯纤维的混凝土经24h、1.3MPa水压作用，未出现渗漏；掺量为0.05%和0.1%（体积率）的聚丙烯纤维混凝土抗渗能力分别比素混凝土提高了40%和48%。
3）对水泥混凝土的抗裂性的影响。长期以来，混凝土出现裂缝被认为是一种正常的现象，并认为不影响其使用。当混凝土应力超过其强度时就出现裂缝。外力所产生应力而引起的裂缝可用提高混凝土铺砌面、板状结构的结构强度加以补偿。然而由混凝土本身收缩引起的内部应力长期以来是一个需加控制的问题。这类裂缝不可预见它们发生的种类、位置和机理，其绝大多数是由于干燥过程产生的收缩应力引起的内部裂缝。这些裂缝是混凝土浇筑后的第一个24h内形成。沉陷和收缩裂缝初期在一段时间内是无法观察到的，它们常在被表面抹光时表面愈合，或者只是不够宽而看不到，直到混凝土裂缝由于荷载使这些微裂隙薄弱面发展成可见裂缝。塑性收缩裂缝一般贯穿整个构件或板块，使混凝土达到其设计强度前就形成薄弱面而降低其整体性。
在水泥混凝土中掺入一定量的纤维，当水泥固化后，纤维在水泥净浆或混凝土砂浆中呈三维无规则分布，有效提高了水泥混凝土构件的各项性能指标。纤维在增强水泥混凝土复合材料中能够减少因水泥基体收缩而引起的微裂纹，在受荷载初期延缓与阻止基体中微裂纹的扩展并最终成为外荷载的主要承载者。纤维与水泥基材料充分混合，均匀地分布在水泥中，在水泥净浆或混凝土砂浆中形成多向分布的支撑体系，有助于减弱水泥或混凝土的塑性收缩及冷冻时的张力。在水泥混凝土收缩时，其收缩能量被高强度、低弹模的纤维所吸收，有效地增加了水泥混凝土的韧性，抑制其裂纹的产生和发展。
合成纤维是在混凝土中加入由聚丙烯制成的合成材料纤维丝，以增强塑性混凝土的抗拉能力，显著降低其塑性流动和收缩微裂纹。这种减少或消除塑性裂纹使混凝土获得其最佳的长期整体性。由聚丙烯制成的合成材料纤维丝是特为应用于混凝土而开发的产品，它被制成纤维束。当这种纤维束用量为0.9kg/m3加入混凝土拌和料时，经拌和使其打开并分散成无数单个纤维。这些纤维里各向均匀分布于整个混凝土，使混凝土得到辅助的加强，以防止收缩裂缝。在随处都有纤维的混凝土中，亦可最大限度减小在有强度状态下混凝土可能出现裂缝的宽度和长度。加入聚丙烯纤维的混凝土可减小其泌水率，增加塑性混凝土的延伸度，由此可成倍增加抗塑性沉陷裂缝的作用。
试验室做了混凝土平板法抗裂试件的试验结果见表4.4，混凝土平板法试件的开裂参数见表4.5，混凝土的平板抗裂见图4.3，混凝土平板开裂最大裂缝宽度随时间的变化曲线见图4.4。
表4.4 混凝土平板法抗裂试件的试验结果表
表4.5 混凝土平板法试件的开裂参数表
图4.3 混凝土的平板抗裂
图4.4 混凝土平板开裂最大裂缝宽度随时间的变化曲线图
4）对水泥混凝土的耐磨性能的影响。众所周知，物体的尖端在外力的作用下容易被破坏，而物体的破坏总是从其最薄弱的环节开始，慢慢扩展。混凝土构件的裂缝就如同构件的尖端和最薄弱环节，混凝土构件在水冲刷外力磨损作用下的破坏总是从裂隙处开始的，且裂隙越大越容易被破坏。合成纤维掺入后，减少了混凝土构件的薄弱环节的形成。所以，合成纤维掺入到混凝土中对混凝土中对混凝土的抗冲刷耐磨性有很大的提高。
试验室掺纤维混凝土抗冲磨强度试验结果见表4.6，纤维品种对硅粉混凝土抗冲磨强度的影响见图4.5。试验结果表明，掺入纤维可提高混凝土各龄期的抗冲磨强度，提高幅度有10%～16%，不同纤维之间的差异不明显。
表4.6 试验室掺纤维混凝土抗冲磨强度试验结果表（水下钢球法）
图4.5 纤维品种对硅粉混凝土抗冲磨强度的影响图
5）对水泥混凝土的抗冲击性的影响。纤维作为增强材料，可以抑制水泥混凝土中微裂纹的产生，提高水泥混凝土的韧性、抗冲击性。美国哥伦比亚大学所做的抗冲击试验表明：在钢筋混凝土中加入0.5%的纤维，其抗冲击能力明显提高。研究中发现，由于水泥基材自身具有多相、多组分、多尺度层次的非均质特性，通常一种纤维很难达到预期的增强增韧效果，将高弹模和低弹性模量、大尺度和小尺度的纤维混杂，使其在水泥基材不同结构和性能层次上发挥作用，从而达到同时增强增韧的目的。纤维的掺入使混凝土的抗冲击性得到了很大的提高，且随着纤维量的增加而提高。(www.xing528.com)
6）对水泥混凝土强度影响。2010年9月做了不同纤维种类对混凝土力学性能影响的实验（见表4.7和表4.8）。
表4.7 纤维混凝土的抗压强度与劈拉强度表
表4.8 纤维混凝土的抗拉强度与极限拉伸值表
与基准混凝土相比，混凝土中掺入纤维，纤维混凝土的抗压强度变化很小。由于在混凝土中掺入的纤维量较少，且纤维在混凝土中的物理、化学性质较稳定，不会改变混凝土的物理、化学性能，少量的掺入量也不会对混凝土的抗压强度产生较大的影响。
混凝土抗拉强度主要检验其韧性。材料的韧性反映材料在破坏时吸收能量的能力。虽然在混凝土中掺入少量的纤维，由于纤维组织结构为纤维化网状，与混凝土基体的黏结强度较高，当应力自基体传递给合成纤维时，纤维因变形而消耗能量，使混凝土构件达到初裂时的荷载及宏观变形增大。另外，因合成纤维具有良好的延伸性，极限变形值很大，混凝土一经开裂，聚丙烯纤维跨接在裂纹的表面，阻止裂纹的迅速扩展。只有当（弯）应力大于合成纤维与基体的黏结强度或大于纤维的抗拉强度时纤维才可能被拔出或拉断。但在受拉（弯）断裂时，聚丙烯纤维将提高混凝土的断裂韧性。所以，纤维混凝土的抗拉（弯）强度明显提高。
7）对水泥混凝土的抗爆裂能力的影响。混凝土抗爆裂能力是反映混凝土构件，在遭受突然强大冲击和爆炸等条件下，混凝土构件的破损情况。合成纤维本身具有较高的抗拉强度，且掺入混凝土后能均匀分布在水泥混凝土中，由于合成纤维直径小，单位体积中的纤维数量多，这样纤维在混凝土中形成了三维乱向支撑网，使混凝土构件保证了良好的整体性，合成纤维在混凝土中起到了很好的配筋作用，在混凝土受爆破时，这些配筋有效减少了混凝土构件破碎几率。另外合成纤维掺入到混凝土中提高了混凝土的韧性，合成纤维在混凝土中的荷载传递特征又能极大地减少混凝土构件遭受爆破时产生的应力集中现象。
（2）粉煤灰。粉煤灰在水泥混凝土中主要可起到三个基本效应，即形态效应、火山灰效应（活性效应）和微集料效应。控制这三个基本效应向有利方面发展，即可利废为宝、改善混凝土的性能。
1）形态效应。粉煤灰的形态效应，主要是指粉煤灰的颗粒形貌、粗细、表面粗糙程度等特征在混凝土中的效应。粉煤灰微珠颗粒可以起到滚珠的作用，降低混凝土拌和的内摩擦力而提高流动性。优质粉煤灰的需水量小于水泥，因而可起到减水或提高流动性的作用。粉煤灰的密度小于水泥，因而等量替代水泥后可增加浆体的体积，从而改善了对粗细集料的润滑程度，也有利于提高混凝土拌和物的流动性。此外，还可提高混凝土的均质性、黏聚性和保水性。劣质粉煤灰由于含有较多不规则的多孔颗粒和未燃尽的碳，而导致需水量增加和保水性变差，对混凝土带来负面效应。
2）火山灰效应（活性效应）。粉煤灰属于活性矿物掺合料。粉煤灰中含有的玻璃态的氧化硅和氧化铝属于活性氧化硅和活性氧化铝，它们可以与水泥水化生成的氢氧化钙和水发生水化反应（该水化反应亦称二次反应），生成具有水硬性特点的水化硅酸钙、水化铝酸钙等，并填充于毛细孔隙内。这些水化产物同样具有强度，特别是水化硅酸钙，该水化反应在28d时较弱，特别是在7d以内，而在28d以后逐步明显。粉煤灰的细度越大，即颗粒越小，活性越高，水化反应能力越高；温度越高水化反应能力越强，强度增长越快。当温度低于5℃时该水化反应基本停止，强度发展缓慢。
火山灰效应可以提高混凝土以后的强度，以后的强度要高于不掺粉煤灰的混凝土，且龄期越长该差异越大。因而对早期承载能力要求不大的工程可利用其60d、90d、180d时的强度。
3）微集料效应。粉煤灰微珠具有极高的强度，其填充在水泥颗粒间的空隙，既减少了毛细孔隙，又起到了微骨架作用。随水化的不断进行，粉煤灰的水化产物与未水化的粉煤灰内核的黏结力不断提高，这也有利于提高粉煤灰的微集料效应。
除上述三个基本效应外，粉煤灰还有许多其他效应，如免疫效应（抑制碱集料反应效应、提高耐腐蚀性效应等）、减热效应（降温升效应）、泵送效应等，不过这些效应都离不开上述三个基本效应。
掺加适量的优质粉煤灰后，混凝土的许多重要性能得到明显的改善：
A.混凝土拌和料和易性得到改善。掺加适量的粉煤灰可以改善混凝土拌和料的流动性、黏聚性和保水性，使混凝土拌和料易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失。
B.混凝土的温升降低。掺加粉煤灰后可减少水泥用量，且粉煤灰水化放热量很少，从而减少了水化放热量，因此施工时混凝土的温升降低，可明显减少温度裂缝，这对大体积混凝土工程特别有利。
C.混凝土的耐久性提高。由于二次水化作用，混凝土的密实度提高，界面结构得到改善，同时，由于二次反应使得易受腐蚀的氢氧化钙数量降低，因此掺加粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性等。同时，由于粉煤灰比表面积巨大，吸附能力强，因而，粉煤灰颗粒可以吸附水泥中的碱，并与碱发生反应而消耗其数量。游离碱数量的减少可以抑制或减少碱集料反应。通常30%的粉煤灰掺量即可避免碱集料反应。
D.变形减小。粉煤灰混凝土的徐变低于普通混凝土。粉煤灰的减水效应使得粉煤灰混凝土的干缩及早期塑性干裂与普通混凝土基本一致或略低，但劣质粉煤灰会增加混凝土的干缩。
E.耐磨性提高。粉煤灰的强度和硬度较高，因而粉煤灰混凝土的耐磨性优于普通混凝土，但混凝土养护不良会导致耐磨性降低。
F.成本降低。掺加粉煤灰在等强度等级的条件下，可以减少水泥用量约10%～15%，因而可降低混凝土的成本。
（3）硅粉。
1）提高混凝土强度，改善泌水。新拌混凝土内部，由于泌水使得混凝土内部产生大量毛细孔，导致混凝土强度下降。加入硅粉后，由于硅粉的比表面积较大，混凝土内部的大量毛细水被硅粉所约束，减少了混凝土内部的泌水，提高了水泥浆与骨料及钢筋的黏结。并且由于硅粉的火山灰反应，改变了混凝土内部的孔结构，使混凝土的强度大幅度提高。研究表明，掺入占水泥质量5%～10%的硅粉（水灰比控制在0.2～0.3，掺入高效减水剂），混凝土的抗压强度可达80～120MPa。掺水泥质量20%硅粉的混凝土28d强度可提高5%～35%。但随着硅粉掺量的增加，强度增加将变得越来越不明显，这可能是由于需水量增加的缘故。因此，掺硅粉的混凝土必须与高效减水剂同时使用，才可以起到既节约水泥，又提高强度的双重效果。
硅粉混凝土的弹性模量随着硅粉掺量的增加和水胶比的减少而增加。这是由于减少了骨料和水泥石过渡区的孔隙率，使得混凝土的总刚度增大。
2）改善混凝土干缩与徐变。由混凝土的徐变机理可知，混凝土内部的毛细水与凝胶水的迁移是影响混凝土徐变的原因之一。由于硅粉的加入减少了混凝土内部的毛细水，因而也使得混凝土的徐变减少。如高强混凝土的徐变约为基础混凝土的59%。同样，由于硅粉的掺入，毛细管孔结构细化水分蒸发减少。因此，硅粉混凝土的后期干缩减少，但早期干缩增大。适当延长潮湿养护时间或将硅粉配成浆剂后使用，有利于减少早期干缩。
3）增加混凝土质密度。混凝土中掺入硅粉增加了起反应的硅含量，在电镜下观察，掺硅粉混凝土的水泥石空隙中有晶体生长。另外，硅粉颗粒很细小，均匀地填充了混凝土微孔。国外用水泥注入法测定，无论哪种养护条件，掺硅粉的混凝土水泥石微孔容积均明显减少。
4）抗碱骨料反应。碱集料反应必须具备三个条件：①混凝土中的集料具有活性；②混凝土中含有一定量可溶性碱；③有一定的湿度。排除这三个条件中的任何一个都可达到控制碱集料反应的目的。加入硅粉可减少混凝土的碱骨料反应，因为硅粉粒子改善了水泥胶结材料的密封性能，减少了水分子通过浆体的运动速度，使得碱膨胀反应所需的水分减少。同时，由于硅粉的分散度较大，增大了SiO2的溶解度，也使得水泥浆体中的碱离子的浓度相对减少。另外，在有硅粉参加时所形成的水化硅酸钙的钙硅比值较低，增加了凝胶的稳定性。这些都使得混凝土抗碱骨料反应的能力增强。
5）硅粉对混凝土抗磨蚀性的影响。硅粉对于改善混凝土的抗磨蚀较之提高混凝土的强度，其效果更加明显。这是因为，加入硅粉后减少了混凝土的泌水和离析，提高了水泥浆体与骨料黏结强度从而使得混凝土的耐磨性也得以提高。据有关资料，粉混凝土的抗磨蚀性与同水泥用量而不掺硅粉的混凝土相比，其抗冲磨能力提高1倍左右，抗空蚀能力提高3倍以上。
6）改善混凝土泌水性能和抗冻性。在浇灌混凝土之后，往往产生水从混凝土中分离出来的现象，即在表层形成水膜，也称之为浮浆，使上层混凝土分布不均匀，影响建筑质量。国外研究证明，硅粉掺入量即取代率愈多，混凝土材料愈难以离析和泌水，当取代率达20%～30%时，将该混凝土直接放入自来水中也不易产生离析。由于硅粉对混凝土离析和泌水性能的改善，使掺硅粉混凝土可以运用到海港、隧道等水下工程。混凝土的抗冻性取决于混凝土的孔结构、水灰比、原料、水饱和度、养护条件以及外部环境等诸多因素。水胶比在0.4～0.6时，在没有引气的情况下，不管掺与不掺硅粉，混凝土的抗冻性均较差。而在引气的情况下，硅粉混凝土的抗冻性得到了极大的改善。
大量的试验研究和工程实践表明：在混凝土中掺入一定量的硅粉，不仅可以有效地改善混凝土的物理力学性能，满足某些特殊工程的要求，还可以减少环境污染，硅粉已成为水利工程、交通工程、海港工程、建筑工程等行业的重要掺合料，成为现代高性能混凝土的关键组分，在工程建设领域发挥着越来越重要的作用。
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