混凝土结构是当前应用最普遍的结构形式之一,其耐久性的研究一直以来受到国内外研究人员的重视。混凝土的碳化是影响耐久性的一个重要因素,对碳化过程的展开研究,掌握其产生原因、发展规律,有利于我们从本质上解决混凝土的碳化问题,从而提高结构物的耐久性和安全性。本文通过开展混凝土箱梁的快速碳化试验,对箱梁的碳化规律进行了研究;定制了弯曲加载装置,研究了箱梁在弯曲荷载作用下的碳化规律,并通过有限元软件对箱梁进行数值模拟计算,验证了数值计算方法的有效性。本文的主要研究内容如下:(1)结合碳化的化学反应过程,利用扩散定律等相关理论,推导及建立了反映混凝土碳化的微分方程;从使用范围、适用条件等方面介绍和对比分析了各类碳化深度预测模型;利用模糊理论的分析方法,研究了自然环境下的混凝土结构物碳化规律,得出其计算模型。(2)进行了考虑碳化时间、CO2浓度等条件的快速碳化试验。箱梁模型外角部的反应速率最大,约为内角部的2倍。当CO2浓度增大为2倍时,随着反应时间的不同,碳化深度最大可增至1.22倍,而碳化反应时间增加为2倍时,随着浓度的变化,碳化深度最大增至1.34倍。说明在不考虑荷载作用的箱梁快速碳化实验中,碳化反应时间相对于CO2浓度对碳化深度的影响更大。(3)通过定制加载装置,确定加载等级,开展了弯曲荷载作用下的箱梁快速碳化试验研究,研究应力水平对混凝土碳化深度的影响。箱梁所受荷载水平较高时,压应力对碳化的抑制作用较为明显,即压应力越大,碳化速率越小;拉应力对碳化的促进作用随着拉应力的增加而增大,即拉应力越大,碳化速率增加越快;通过对荷载作用下的箱梁碳化深度数据进行分析,对其进行数值拟合,得出应力作用下的混凝土碳化深度计算模型。(4)论证了ANSYS热传导求解与混凝土碳化过程的相似性,利用数值模拟求解混凝土的碳化问题。数值模拟计算结果反映了拉、压应力对碳化的促进和抑制作用,所得出的影响曲线趋势基本与试验结果相同。在压应力作用时,数值模拟在所得结果在各个工况下均略大于试验值,通过计算二者的偏差最大为12%,在拉应力作用的情况下,数值模拟结果与试验结果较为吻合。对实际工程中的一座箱梁桥进行了数值计算,并对其碳化深度进行了预测。