混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一，进入二十一世纪以来，由于计算机技术的发展，混凝土结构的耐久性研究进入了一个崭新的阶段。碳化造成的混凝土结构碱度降低是引发钢筋锈蚀的主要原因，钢筋锈蚀一方面使自身受力截面减小，一方面造成混凝土结构保护层开裂、钢筋与混凝土的黏结力降低，从而影响混凝土结构的耐久性。CO₂在混凝土结构中的扩散是混凝土碳化反应过程的真实写照，混凝土结构的弱碱性和孔隙性是混凝土碳化反应过程得以进行的理论基础和物质条件。本文根据混凝土碳化反应过程机理，按照反应过程中碳元素质量守恒原来推导了混凝土碳化过程的控制方程，并利用有限元分析方法，对混凝土结构碳化过程控制方程做数值分析，分别计算了CO₂系数扩散矩阵、碳化反应矩阵和形函数矩阵，得到了有限元数值求解的基本方法。本文分析了碳化反应过程中CO₂的扩散与热传导过程中热量的传递的相似性，利用大型通用有限元分析软件ANSYS的热分析模块对挡土墙的混凝土碳化过程进行了数值模拟，并采用快速碳化实验进行了对比分析。另外，对影响CO₂扩散速度和混凝土碳化反应速度的温度、湿度、CO₂浓度及承载力等因素做了敏感性分析。本文对新混凝土表面覆盖和调整配合比两种防碳化方法进行实验研究，并利用混凝土碳化过程的仿真模拟方法对采用表面覆盖防碳化方法的新混凝土进行仿真模拟，获得了该情况下混凝土碳化反应的规律。本文工作表明，通过对混凝土碳化过程控制方程的理论研究和对CO₂在混凝土中扩散的数值分析，能够实现对新混凝土碳化过程的仿真模拟，对混凝土结构耐久性的研究提供了重要的补充。