抗碳化性能是水泥基材料耐久性方面的主要性能之一。碳化过程中水泥基材料内部温度、湿度、孔隙、可碳化物质都会发生相应的物理化学变化以及相互作用。定量化表征水泥基材料的热-湿-碳化耦合作用规律,对全面理解水泥基材料的抗碳化性能,预测碳化深度,有十分重要的意义。本论文围绕这一科学问题进行了如下的研究工作：(1)采用酚酞测定法、热重分析法(TGA)、X射线物相分析法、红外光谱法和碳酸钙定量分析法来评价混凝土碳化程度,并对试验结果进行定性与定量的比较,综合分析多种混凝土碳化评价方法的优缺点以及适用性。(2)基于水泥颗粒粒径分布函数,引入周期性边界条件,将生成的水泥颗粒从大到小逐一分布到立方体模拟单元中。考虑水泥矿物组分、水泥颗粒粒径分布曲线、水灰比对水泥水化的影响,引入相应的三个量化参数改进了目前的三维球形水泥水化模型,较先前在参数规定的数值范围中通过经验选取更为科学。并采用改进的水泥水化模型从微观结构与水化产物角度分析了水泥水化的全过程。通过计算机模拟重构水泥石内部微观结构,对水化产物和孔隙结构进行了分析,并采用水化放热法、热重分析法、压汞法对水泥水化模型的模拟结果进行了验证。(3)基于多孔介质多场耦合基本理论,考虑水泥基材料的碳化机理,结合水泥水化模型得到的碳化初始状态下可碳化物质的含量、孔隙率、饱和度等参数,建立了水泥基材料碳化理论模型。该模型全面考虑水泥基材料中气、液、固各相物质之间的转换,并引入碳化产物体积膨胀导致的孔隙结构变化以及温湿度与碳化之间的相互影响,建立了满足在局部坐标下的质量平衡、化学平衡、离子平衡和多孔介质理论的水泥基材料碳化控制方程组。(4)基于水泥水化模型,同时考虑CH与CSH的碳化,对净浆内部不同深度处的碳酸钙含量变化进行了理论与试验研究,获得了不同水灰比情况下试件各测点的碳酸钙含量随时间的发展变化情况,其结果与模型模拟结果吻合较好,验证了数值模型的可靠性。(5)在净浆的碳化理论模型基础上,考虑了骨料稀释效应、边界效应以及界面效应建立砂浆和混凝土的碳化模型。对砂浆、混凝土内部不同深度处的碳酸钙含量变化进行了试验研究,获得了不同水灰比、不同碳化龄期情况下试件各测点的碳酸钙含量变化情况。并通过对模型求解,对比分析了试验结果与模型结果。在理论模型基础上进一步分析了环境温湿度、二氧化碳浓度等对碳化性能的影响,以及碳化对水泥基材料孔隙变化的影响。