防冻剂在混凝土中的作用机理主要有以下几种。

（1）冰晶畸变理论

纯水在0℃结冰时，由于氢键的作用会导致水分子汇聚形成冻胀力很强的分子集合体。在水中加入防冻剂后，温度降低到其冰点以下也会慢慢慢慢有冰析出，但水分子间的氢键由于受到防冻剂分子的干扰，会析出呈絮状结构、宏观上非常柔软、冻胀应力显著降低的细小冰晶。例如，NaNO2、Na2SO４、Ca（NO３）2等降低冻胀力的能力都很强。

（2）乌拉尔定律

防冻剂的浓度对降低混凝土拌合物中液相冰点有一定的作用，只有降低液相冰点，才能保证在负温下条件下，混凝土有液态的水参与水泥水化。这是使用防冻剂的混凝土，在负温条件下混凝土依然可以水化，提高混凝土强度。

（３）液灰比平衡理论

当温度降至混凝土中液相冰点时，含有防冻剂的混凝土拌合物也会逐渐开始析冰，在负温环境下的液相，冰点随着析冰浓度增大而降低，随即在此负温条件下达到冰液共存状态，也就是新的动态平衡。此时，混凝土中的液态水可以保证水泥继续进行水化，防冻剂浓度不变，液相浓度也不变，冰融化产生的水补充水泥水化需要的水，这也就是液灰比平衡。

（４）成熟度理论

温度对水泥水化的影响极其显著，配合比一定的混凝土，随着养护温度的降低，水泥水化速率变慢，混凝土强度的增长速率逐渐降低。因此，混凝土强度的发展不仅仅是养护时间有关，也与养护温度有很大的关系。比如20℃时成熟度系数为1，而在-10℃时成熟度系数仅仅只有0.12。在冬期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60d，对于很多不采取保温措施的工程，即使超过60d依然难以达到规定600℃·d的成熟度，回弹检测时常常强度偏低。