在评价钢筋混凝土的耐久性性能时,一个重要的指标即为混凝土自身的抗碳化性能。随着碳化反应的发生,混凝土内部的碱度会逐渐下降,这会引起钢筋表面脱钝、加速钢筋的锈蚀,并最终导致建筑物的提前失效。从上个世纪开始,随着工业化进程加速和人口爆炸性增长,全球范围内的大气温度和CO₂浓度均有显著上升,这进一步加快了建筑物碳化的速度,从而提升了研究混凝土碳化问题的必要性和紧迫性。为了弄清混凝土碳化的机理,本文将一种新的材料表征方法——扩展X射线衰减测试方法（XRAM）,引入到水泥基材料表征中来。在明确了XRAM在水泥基材料表征方面的可行性和适用范围以后,本文采用该方法研究了经历不同碳化预处理方案后,水泥基材料在加速碳化过程中,内部物相、微结构以及水分分布的演变规律,从而得出了最适宜实验室的碳化预处理方案。在此基础上,本文还通过XRAM研究了粉煤灰替代部分水泥后,水泥基材料在碳化过程中的微结构演变模式,从而探究了粉煤灰替代条件下,水泥基材料的碳化机理。此外,本文还通过开展加速碳化试验,测试了纤维素纤维的引入对水泥基材料碳化行为的影响。再结合XRAM的结果和加速碳化试验的结果,本文完善了一种考虑全球气候变化的碳化深度预测模型,并采用该模型预测了部分国内城市（北京、南京、广州、济南）的建筑物到2100年的碳化深度。本研究得到的主要结论如下:1)本文以一种两相材料为例,建立了扩展X射线衰减方法（XRAM）,并基于该方法重构了材料的界面过渡区。本方法得出界面过渡区的宽度为60微米,其平均孔隙率为0.423。界面过渡区比硬化水泥浆体的孔隙率高36%。2)通过引入医学领域的增强造影方法,本研究对水泥基复合材料内部的物相进行了区分。同时,本研究提出了一种改良的扩展X射线衰减测试方法（XRAM）,得出了水泥基复合材料局部孔隙率的空间分布。基于局部孔隙率或者基于局部砂子体积分数,均可得到,砂浆的代表单元体积约为最大砂子粒径的3到4倍,且代表单元体积受到配合比设计的影响。3)评估了预处理方案对加速碳化试验的影响。本研究表明:与水养的试样相比,标准养护的试样在干燥后有更小程度的损伤。同时,相比烘箱干燥,湿度平衡的试样内部有更为均匀的水分分布,且试样在后续碳化过程中,内部的湿度波动程度更小。此外,本文证实,实际碳化处的湿度,要高于实验室设计的碳化湿度。4)研究了粉煤灰替代部分水泥后,碳化对试样微结构的影响。研究表明,粉煤灰部分替代水泥后,在加速碳化过程中,试样内部半径在3纳米以下的孔的数目有显著增加。同时,基于一维即时孔隙率曲线,本文证实,在粉煤灰部分替代水泥后,加速碳化过程是一个扩散主导的过程。5)研究了纤维掺加对水泥基材料碳化速率的影响。结果表明,纤维掺加水泥基材料的碳化过程,仍是一个扩散主导的过程。0.3%的纤维掺量不会对水泥基材料的微结构产生显著影响,其碳化行为与无纤维试验组相近,而0.6%的纤维掺量可显著劣化水泥基材料的微结构,从而引起碳化加速。在50%的湿度水平下,本文证实,0.3%纤维组因为纤维良好的阻裂作用,其碳化速率低于无纤维组。根据拟合结果,本文得出,无纤维组的最适宜碳化湿度约为50%,而0.3%纤维组的最适宜碳化湿度约为57%。6)在考虑气候变化前提下,本文采用改进的碳化深度预测模型,预测了国内部分城市建筑物到2100年的碳化深度。结果表明,人口密集以及化石燃料的使用,会对城市建筑物的碳化产生显著的加速作用。在不掺加纤维的条件下,如果不控制气候恶化,到2100年,南京、济南、广州建筑物的预测碳化深度分别为50毫米,57毫米,40毫米,而北京建筑物的预测碳化深度在2080年即可达到60毫米。而如果引入阻裂纤维,北京建筑物碳化深度达到60毫米的时间点预测可以推后约8年,相应的,济南市在2100年的预测碳化深度,也由57毫米下降到52毫米（考虑不控制气候恶化的情形）。