冬季施工时，当平均气温小于或等于5℃时，混凝土强度发展缓慢。当最低温度为-1 ~-2℃时，如果不采取有效的保温措施，新浇混凝土可能会冻结，给混凝土带来很大的破坏，并可能造成工程质量事故。能在负温下硬化混凝土，并在规定时间内达到足够抗冻强度的外加剂称为防冻剂。掺有防冻剂的混凝土可以在负温下硬化，无需加热，最终可以达到与常温养护的混凝土相同的质量水平。冬季使用防冻剂，加上良好的保温养护，是减少混凝土早期病害，提高混凝土抗冻效果的有效措施。 从而保证混凝土的耐久性和强度满足施工要求，保证混凝土工程质量。因此，必须根据混凝土冻害的机理和规律，正确使用防冻剂，这对保证工程质量具有重要意义。
(一)防冻剂的机理
混凝土防冻剂是冬季负温条件下施工使用的外加剂。添加防冻剂可以显著降低混凝土在规定温度下的冰点，细化冰晶，使混凝土的液相不冻结或保持一定量的液态水，保证水泥的水化，并在一定时间内获得预期的强度，使混凝土在低温下不会受到冻胀破坏。防冻剂在混凝土中的作用机理主要如下。
(1)冰晶扭曲理论
当纯水在0℃结冰时，水分子会因氢键而汇聚形成具有强大冻胀力的分子聚集体。在水中加入防冻剂后，当温度降至冰点以下时，冰会慢慢沉淀。但由于防冻剂分子的干扰，水分子之间的氢键会沉淀出絮状结构的细小冰晶，宏观上非常柔软，具有显著降低的冻胀应力。例如，NaNO2-2、Na _ 2SO _ 4、Ca (NO _ 3) _ 2具有很强的减小冻胀力的能力。
(2)乌拉尔法
防冻剂的浓度对降低混凝土拌合物中液相的冰点有一定的作用。只有降低液相的凝固点，才能保证混凝土在负温下有液态水参与水泥水化。这是使用防冻剂的混凝土，混凝土在负温下仍能水化，提高了混凝土的强度。
(3)液灰比平衡理论
当温度降至混凝土中液相的冰点时，含有防冻剂的混凝土拌合物会逐渐开始析冰。在负温环境下的液相中，冰点会随着冰浓度的增加而降低，然后在这种负温条件下实现冰与液体的共存，这是一种新的动态平衡。此时混凝土中的液态水可以保证水泥继续水化，防冻剂浓度不变，液相浓度不变。融冰产生的水补充了水泥水化所需的水，这就是液灰比平衡。
(4)成熟度理论
温度对水泥水化的影响极其显著。随着养护温度的降低，水泥水化速度变慢，混凝土强度增长速度逐渐降低。因此，混凝土强度的发展不仅与养护时间有关，还与养护温度有关。例如，20℃时的成熟度系数为1，而在-10℃时仅为0.12。冬季混凝土施工验收时的混凝土成熟度按600℃ d计算，并规定不超过60天。对于很多没有保温措施的工程，即使经过60天也仍然很难达到600℃ d的成熟度，回弹检测时往往强度较低。
(2)防冻液的成分
防冻液和防冻组不是一个概念。防冻剂是一种添加剂，由减水组分、防冻组分、引气组分组成，有时还含有早强组分。它的作用不仅是使混凝土在负温下硬化，而且使其最终达到常温养护混凝土的质量水平。防冻成分是指在负温环境下保护混凝土拌合物免受冻害的化学物质。在冬季混凝土施工中，为了防止混凝土冻害，常加入防冻剂，以降低混凝土中液态水的冰点温度，保证混凝土中满足水化的液态水的存在，减少低温带来的危害。目前广泛使用的防冻剂多为复合型防冻剂，具有坍落度损失小，减水率高， 早期强度高，凝结时间适中等。其主要成分包括防冻成分、减水剂、引气剂等。每种成分的百分含量随着使用地区冬季温度变化的特点而变化。
(1)防冻成分
其作用是破坏冰的结晶形态，降低水的液态凝固点，保持混凝土中水泥水化反应所需的液态水，避免对混凝土的冻害，尽快达到早期强度。防冻组分的使用首先可以降低水的冰点，保证混凝土的水化反应在负温下继续进行，如氯化钠、亚硝酸钠等。其次，还可以改变冰的晶格形态，降低冻胀应力，避免混凝土强度受损，如尿素、甲醇等。另外，有些防冻剂虽然不能降低混凝土中水的冰点，但可以直接与水泥发生反应，加速混凝土的凝结硬化，提高混凝土的早期强度，如氯化钙、碳酸钾等。
(2)早强组分
早强组分对混凝土的水化反应起催化作用，加速混凝土的凝结硬化，使其尽快达到抗冻临界强度，提高混凝土的抗冻性。同时，水泥的水化反应促进了结合水的生成，水化反应也能产生一定的水化热，从而减少混凝土的冻害。
(3)减水组分
减少混凝土用水量，消除冻胀内因，增强混凝土密实度。减水剂可以将水泥分散成更小的颗粒，改善混凝土内部的孔结构。吸附在水泥表面的减水剂可以释放包裹的水，使冰晶的粒径由大变小，降低混凝土冻结时的冻胀压力。水灰比直接影响混凝土的孔隙率和孔结构。水灰比较小时，硬化后的混凝土密度较高，混凝土中的可冻结自由水减少，因此抗冻性提高。随着水灰比的增大，不仅饱和水的总开口体积增大，而且平均孔径也增大，因此冻融过程中产生的冻胀压力和渗透压力也会更大， 混凝土的抗冻性也会降低。防冻剂中的减水成分可以减少拌合用水量，从而减少自由水总量，从根本上减少可冻结冰的含量，消除冻胀的内因。通过减水组分的分散，释放出包裹的水，消除劣质气泡，使粗冰晶转化为细冰晶，从而优化水泥的水化环境，降低冻胀压力。
(4)引气组分
引气剂是引入微细气泡，吸收冰晶形成过程中产生的冻胀应力，减少混凝土冻胀过程中的裂缝扩展，降低混凝土的冻胀力。含气量的增加还可以增加混凝土的内部润滑性，改善混凝土的和易性，从而改善混凝土的内部结构。微细气泡可以切割混凝土中的有害孔隙，提高混凝土的耐久性。
(5)复合防冻剂
为了克服单一早强剂的缺点，充分发挥各自的特点，通常将三乙醇胺、硫酸钠、氯化钙、氯化钠、石膏等添加剂进行复合，形成复合早强剂，有时会产生叠加效应，大大提高效果。
常用的公式有:
0.02% ~ 0.05%三乙醇胺+0.5%氯化钠；
三乙醇胺0.02% ~ 0.05%+氯化钠0.3% ~ 0.5%+亚硝酸钠1% ~ 2%；
三乙醇胺0.02% ~ 0.05%+石膏2%+亚硝酸钠1% ~ 2%；
1% ~ 1.5%硫酸钠+1% ~ 3%亚硝酸钠+0.3% ~ 0.5%氯化钙+0.3% ~ 0.5%氯化钠；
硫酸钠0.5% ~ 1.5%，氯化钠0.3% ~ 0.5%；
硫酸钠1% ~ 1.5%，亚硝酸钠1%；
0.5% ~ 1.5%硫酸钠+0.05%三乙醇胺；
1% ~ 1.5%硫酸钠+0.03% ~ 0.05%三乙醇胺+2%石膏；
氯化钙0.3% ~ 0.5%，亚硝酸钠1%。
三乙醇胺结合其他早强剂就是一个非常典型的例子。目前也有资料介绍三乙醇胺和硫氰酸钠联合使用，硫氰酸钠的促凝效果远好于三乙醇胺。但硫氰酸钠一般不与氯化钠混合使用，会加重氯化钠的腐蚀。
(三)防冻剂配制过程中的注意事项
防冻液的配制不是简单地将几种不同的成分混合在一起。各种成分的作用是叠加还是相互抵消，要通过实验来验证。同时，应根据混凝土的原材料、配合比和技术要求，充分考虑各组分对混凝土性能的影响。
(1)复配时用水量不宜过高，容易造成防冻减水剂自身冻结；
(2)注意早期无机盐和防冻组分的掺量，防止过量掺量降低减水率、坍落度保持能力以及对混凝土后期强度和耐久性的影响；
(3)选择合适的无机盐防冻剂和早强组分，避免低温下结晶沉淀，堵塞管道，影响混凝土生产；
(4)使用有机物作为防冻组分时，掺量不宜过大，以免影响混凝土后期强度；
(5)控制防冻剂中的氯离子含量和碱含量，防止影响混凝土的耐久性。氯盐的用量不应大于拌和用水量的7%;亚硝酸钠、亚硝酸钙、硝酸钠和硝酸钙的含量不得大于水泥重量的5%；尿素的用量不应大于水泥重量的4%;碳酸钾的用量不应大于水泥重量的10%。
(4)防冻剂的含量
a=Ct(水灰比)I dt(1)
式中:a——防冻剂含量(%)；
Ct——温度t时防冻液的质量分数(%)；
dt——原始水溶液的密度(g/cm3)；
I——产生的冰量(%)；
w/c-混凝土的水灰比。
从防冻剂含量的公式来看，很多计算参数不容易确定，增加了计算的难度和不准确性。有关人员发现，当混凝土中防冻剂水溶液的冻结量I达到40% ~ 50%时，不会对混凝土的强度产生不利影响。例如，根据1 = 50%通过公式(1)计算冻结量。在混凝土确定的负温条件下，防冻剂含量为:
a = 0.5Ct公吨(重量/重量)dt(2)
(5)掺防冻剂的混凝土需要保温养护吗？
一些建筑工人认为，混凝土中加入的防冻剂具有防冻能力，不需要维护。从以上防冻剂的作用机理分析，施工中进行保温养护是必要的，也是必须的。要减少混凝土冻害的根源，必须使混凝土尽快达到临界强度。根据国家标准，在冻结前，冬季负温浇筑的混凝土不得低于“掺硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的混凝土设计强度标准的30%和掺矿渣硅酸盐水泥的混凝土设计强度标准的40%。当掺有防冻剂的混凝土的温度下降到防冻剂的规定温度以下时，其强度不应达到3.5 ~ 5.0 MPa”。即当混凝土达到一定的强度值时 (临界强度)，可以有一定的抵抗强度。低温不会对混凝土造成破坏，温度正常后强度会上升到设计强度。
因此，在冬季混凝土施工过程中，使用防冻剂后仍应采取其他冬季施工措施，如温室法、综合蓄热法等。
在每日-5℃ ~+5℃正负温度交替的条件下，可采用早强剂或早强剂减水剂，混凝土浇筑后，可采用塑料薄膜+草袋或其他替代品覆盖养护；当日气温为-5℃ ~-10℃时，可采用规定温度为-5℃的防冻剂，混凝土浇筑后，可采用塑料薄膜+两层草袋或其他替代品覆盖养护；当最低温度为-15℃时，应采用规定温度为-15℃的防冻剂，混凝土浇筑后应及时采取保温措施进行混凝土养护。
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