在冬期施工過程中，當(dāng)平均溫度小于或等于５℃時，混凝土強度發(fā)展緩慢。當(dāng)氣溫在-1～-2℃時，如不采取有效保溫措施，新澆筑的混凝土有可能發(fā)生凍害，一旦受凍將給混凝土帶來很大的破壞，有可能給工程質(zhì)量造成事故。能使混凝土在負溫下硬化，并在規(guī)定時間內(nèi)達到足夠防凍強度的外加劑，稱為防凍劑。摻有防凍劑的混凝土可以在負溫下硬化而不需要加熱，最終能達到與常溫養(yǎng)護的混凝土相同的質(zhì)量水平。在冬季使用防凍劑，再加上良好的保溫養(yǎng)護是減輕混凝土早期病害及提高混凝土防凍效果切實有效的措施，可保證混凝土的耐久性及強度達到施工要求，保證混凝土工程質(zhì)量。因此，必須根據(jù)混凝土凍害的機理和規(guī)律，正確使用防凍劑，這對保證工程質(zhì)量具有十分重要的意義。
（一）防凍劑作用機理
混凝土防凍劑是冬季負溫條件下施工摻用的外加劑。摻用防凍劑能在規(guī)定溫度下，顯著降低混凝土的冰點，細化冰晶，使混凝土的液相不凍結(jié)或保持一定數(shù)量的液相水，保證水泥的水化作用，并在一定的時間內(nèi)獲得預(yù)期強度，混凝土在低溫下不至于凍脹而受損破壞。防凍劑在混凝土中的作用機理主要有以下幾種。
（1）冰晶畸變理論
純水在0℃結(jié)冰時，由于氫鍵的作用會導(dǎo)致水分子匯聚形成凍脹力很強的分子集合體。在水中加入防凍劑后，溫度降低到其冰點以下也會慢慢有冰析出，但水分子間的氫鍵由于受到防凍劑分子的干擾，會析出呈絮狀結(jié)構(gòu)、宏觀上非常柔軟、凍脹應(yīng)力顯著降低的細小冰晶。例如，NaNO2、Na2SO４、Ca（NO３）2等降低凍脹力的能力都很強。
（2）烏拉爾定律
防凍劑的濃度對降低混凝土拌合物中液相冰點有一定的作用，只有降低液相冰點，才能保證在負溫下條件下，混凝土有液態(tài)的水參與水泥水化。這是使用防凍劑的混凝土，在負溫條件下混凝土依然可以水化，提高混凝土強度。
（３）液灰比平衡理論
當(dāng)溫度降至混凝土中液相冰點時，含有防凍劑的混凝土拌合物也會逐漸開始析冰，在負溫環(huán)境下的液相，冰點隨著析冰濃度增大而降低，隨即在此負溫條件下達到冰液共存狀態(tài)，也就是新的動態(tài)平衡。此時，混凝土中的液態(tài)水可以保證水泥繼續(xù)進行水化，防凍劑濃度不變，液相濃度也不變，冰融化產(chǎn)生的水補充水泥水化需要的水，這也就是液灰比平衡。
（４）成熟度理論
溫度對水泥水化的影響極其顯著，配合比一定的混凝土，隨著養(yǎng)護溫度的降低，水泥水化速率變慢，混凝土強度的增長速率逐漸降低。因此，混凝土強度的發(fā)展不僅僅是養(yǎng)護時間有關(guān)，也與養(yǎng)護溫度有很大的關(guān)系。比如20℃時成熟度系數(shù)為1，而在-10℃時成熟度系數(shù)僅僅只有0.12。在冬期混凝土施工驗收時的混凝土成熟度按600℃·d計算，并規(guī)定不超過60d，對于很多不采取保溫措施的工程，即使超過60d依然難以達到規(guī)定600℃·d的成熟度，回彈檢測時常常強度偏低。
（二）防凍劑的成分
防凍劑和防凍組不是同一個概念，防凍劑是外加劑的一種，它由減水組分、防凍組分、引氣組分、有時還摻有早強組分等組成。其作用是使混凝土不僅在負溫下硬化，且使其最終能達到常溫養(yǎng)護的混凝土質(zhì)量水平。而防凍組分是指一種使混凝土拌合物在負溫環(huán)境下,免受凍害的化學(xué)物質(zhì)。在冬季混凝土工程施工中，為了避免混凝土遭受凍害，生產(chǎn)時常加入防凍劑來降低混凝土中液態(tài)水的冰點溫度，保證混凝土內(nèi)部有滿足水化的液態(tài)水存在，減輕由于低溫帶來的損害。目前應(yīng)用較廣的防凍劑大多是復(fù)合型防凍劑，具有坍落度損失小、減水率高、早期強度高、凝結(jié)時間適中等優(yōu)點，其主要成分包含防凍組分、減水劑、引氣劑等，各組分的百分含量隨使用地區(qū)的冬季氣溫變化特點而不同。
（1）防凍組分
其作用是破壞冰的晶形，降低水的液相冰點，保持混凝土內(nèi)部存在水泥水化反應(yīng)所需要的液態(tài)水，避免混凝土遭受凍害，盡快達到早期強度。使用防凍組分首先可以降低水的冰點，保證混凝土在負溫下的水化反應(yīng)繼續(xù)進行，如氯化鈉、等；其次也可以使冰的晶格形態(tài)發(fā)生變化，降低凍脹應(yīng)力，避免混凝土強度受到損害，如尿素、甲醇等。此外，有些防凍劑雖然無法降低混凝土中水的冰點，卻可以直接與水泥發(fā)生水化反應(yīng)加快混凝土的凝結(jié)硬化，提高混凝土早期強度，如氯化鈣、碳酸鉀等。
（2）早強組分
早強組分在混凝土水化反應(yīng)中起催化作用，加速混凝土的凝結(jié)硬化，使其盡快達到抗凍臨界強度，提高混凝土的抗凍能力。同時，由于水泥水化反應(yīng)的進行，促進結(jié)合水的產(chǎn)生，水化反應(yīng)也能產(chǎn)生一定量的水化熱，減輕混凝土凍害。早強組分種類：硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物、硫氰酸鈉等
（3）減水組分
減少混凝土的用水量，消除凍脹內(nèi)因，增強混凝土密實度。減水劑能將水泥分散為更小的顆粒，改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。減水劑吸附在水泥表面可以釋放包裹水，使冰晶粒度由大變小，減小結(jié)冰時的對混凝土產(chǎn)生的脹凍壓力。水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結(jié)構(gòu)。水灰比較小時，混凝土硬化后密實度高，存在于混凝土內(nèi)部的可凍游離水減少，抗凍性能提高。隨水灰比的增加，不僅飽和水的開孔總體積增加，而且平均孔徑也增加，在凍融過程中產(chǎn)生的凍脹壓力和滲透壓力就大，混凝土的抗凍性就會降低。防凍劑中的減水組分，可以減少拌和用水量，從而減少游離水總量，從根本上減少可凍冰的含量，消除凍脹內(nèi)因。通過減水組分的分散作用，釋放包裹水，消除劣質(zhì)水泡，使粗大冰晶轉(zhuǎn)化為細小冰晶，優(yōu)化水泥水化環(huán)境，減輕凍脹壓力。
（4）引氣組分
引氣劑是引入的細小氣泡，吸收冰晶形成過程中產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力，減輕混凝土凍脹時的裂紋擴展，降低對混凝土凍脹力。含氣量的增加還可以增加混凝土內(nèi)部潤滑性，改善混凝土和易性，進而改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。細小氣泡可以切割混凝土內(nèi)的有害孔道，提高混凝土的耐久性。
（5）復(fù)合防凍劑
為了克服單一早強劑存在的不足，發(fā)揮各自的特點，通常將三乙醇胺、硫酸鈉、氯化鈣、氯化鈉、石膏及其他外加劑復(fù)配組成復(fù)合早強劑，有時產(chǎn)生疊加效應(yīng)，使效果大大改善。
常用的配方有：
三乙醇胺0.02%～0.05%＋氯化鈉0.5%；
三乙醇胺0.02%～0.05%＋氯化鈉0.3%～0.5%＋1%～2%；
三乙醇胺0.02%～0.05%＋生石膏2%＋1%～2%；
硫酸鈉1%～1.5%＋1%～3%＋氯化鈣0.3%～0.5%＋氯化鈉0.3%～0.5%；
硫酸鈉0.5%～1.5%＋氯化鈉0.3%～0.5%；
硫酸鈉1%～1.5%＋1%；
硫酸鈉0.5%～1.5%＋三乙醇胺0.05%；
硫酸鈉1%～1.5%＋三乙醇胺0.03%～0.05%＋石膏2%；
氯化鈣0.3%～0.5%＋1%。
三乙醇胺復(fù)合其他早強劑是非常典型的例子，現(xiàn)在也有資料介紹三乙醇胺與硫氰酸鈉、與硫氰酸鈉復(fù)合使用，而且硫氰酸鈉的促凝效果也遠勝過三乙醇胺。但硫氰酸鈉一般不與氯化鈉復(fù)合使用，這樣會加劇氯化鈉的銹蝕性。
舉例1（－15℃，摻量2%）：聚羧酸減水劑（40%）、三萜皂甙（0.6%）、三丁酯（0.05%）、（2%）、乙二醇（2%）、（0.5%）、剩余為水。
舉例2：聚羧酸減水劑（200～230kg）、硫氰酸鈉（20～22kg）、三萜皂甙（5kg）、羥基亞乙基二磷酸鹽（10～12kg）、乙二醇（60～70kg），剩余為水。
舉例3（－15℃，摻量3%）：聚羧酸減水劑（15%～20%）、三乙醇胺（1%～1.2%）、乙二醇（4%～7%）、硫酸鈉（3%～6%）、羧甲基纖維素鈉（0.9%～1.2%），剩余為水。
（三）防凍劑的復(fù)配過程中的注意事項
防凍劑的復(fù)配不是簡單地將幾種不同組分混合在一起，應(yīng)當(dāng)通過實驗驗證各種成分復(fù)合后的效果是疊加還是相互抵消，同時應(yīng)該根據(jù)混凝土原材料、配合比、技術(shù)要求等情況，充分考慮各組分對混凝土性能的影響。
（1）復(fù)配時用水量不能過高，容易造成防凍減水劑劑自身結(jié)冰；
（2）注意早期和防凍組分中無機鹽用量，防止用量過大造成減水率降低、保坍能力下降以及對混凝土后期強度和耐久性的影響；
（3）選用合適的無機鹽類防凍、早強組分，避免在低溫狀態(tài)下結(jié)晶沉淀，堵塞管路，影響混凝土生產(chǎn)；
（4）使用有機物作為防凍組分時，摻量不宜過大，避免影響到混凝土的后期強度；
（5）控制好防凍劑中的氯離子含量和堿含量，防止對混凝土的耐久性造成影響。氯鹽類摻量不得大于拌和水用量的7%；、亞硝酸鈣、硝酸鈉、硝酸鈣摻量均不得大于水泥重量的5%； 尿素的摻量不得大于水泥重量的4%；碳酸鉀摻量不得大于水泥重量的10%。
（四）防凍劑的摻量
如何恰當(dāng)準(zhǔn)確地確定防凍劑的摻量，防凍劑使用過程中十分關(guān)注的同題。從實際應(yīng)用來看，混凝土防凍劑的摻量受水泥品種、用量、水灰比、溫度、減水劑品質(zhì)及用量、養(yǎng)護條件、工程部位、形狀及模板等影響。這些中水灰比、溫度、結(jié)構(gòu)件表面系數(shù)等與防凍劑摻量成正比，而水泥用量、減水劑減少用水量等與防凍劑摻量成反比。有采取以水灰比為基礎(chǔ)的說法，認為混凝土的抗凍能力與液體和灰量有關(guān)，相對應(yīng)的防凍劑摻量計算為：
a＝Ct·（W/C）·I·dt （1）
式中：a——防凍劑摻量（%）；
Ct——溫度t時防凍劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；
dt——原始水溶液密度（g/cm3）；
I——生成的冰量（%）；
W/C——混凝土的水灰比。
從防凍劑摻量的公式看出，許多計算參數(shù)不容易確定，增加了計算的難度和不準(zhǔn)確性。有關(guān)人員研究發(fā)現(xiàn)混凝土中防凍劑水溶液結(jié)冰量I達到40%～50％時，對混凝土強度不會產(chǎn)生不良影響，如結(jié)冰量按1=50％由式（1）計算在混凝土確定的負溫條件下防凍劑摻量為：
a=0.5Ct·（W/C）·dt （2）
（五）摻加防凍劑后的混凝土需不需要保溫養(yǎng)護
有施工人員認為，混凝土中已經(jīng)添加的防凍劑，已經(jīng)具有防凍能力不需要養(yǎng)護也沒事。從上文對防凍劑的作用機理分析來看，施工過程中進行保溫養(yǎng)護是必要的也是必須的。盡早使混凝土達到臨界強度才時，減少混凝土凍害的根本。依照國家規(guī)范，冬季負溫度條件下澆筑的混凝土在受凍前，混凝土不得低于“硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥拌制的混凝土為設(shè)計混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)的30%、礦渣硅酸鹽水泥拌制的混凝土為設(shè)計混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)的40%，在摻用防凍劑的混凝土當(dāng)溫度降到防凍劑的規(guī)定溫度以下時，其強度不應(yīng)低干3.5～5.0MPa”，即混凝土達到某一個強度值（臨界強度），就可以具有一定的抵抗強度.低溫不會再對混凝土造成損害，氣溫正常后強度會升高到設(shè)計強度。
因此，在冬期混凝土工程施工過程中，使用防凍劑后依然應(yīng)采用其它冬季施工措施，如暖棚法、綜合蓄熱法等。
在日氣溫-5℃～+5℃正負溫交替條件下，可使用早強劑或早強減水劑，混凝土澆筑后采用覆蓋塑料薄膜+一層草袋或其它代用品覆蓋養(yǎng)護；日氣溫-5℃～-10℃時，可采用規(guī)定溫度為-5℃的防凍劑，混凝土澆筑后采用覆蓋塑料薄膜+兩層草袋或其它代用品覆蓋養(yǎng)護；氣溫為-15℃時，采用規(guī)定溫度為-15℃的防凍劑，混凝土澆筑后及時采用保溫措施進行混凝土養(yǎng)護。
