在自然条件下，由于普通波特兰水泥（OPC）基材料在使用中长期暴露在地下水或雨水的渗透下而被侵蚀，如果水中含有CO₂，在微孔水中的碱会被碳酸中和使混凝土产生碳化，即混凝土的中性化，是由空气、土壤或是地下水中的酸性物质进入混凝土中，与其中的Ca(OH)₂发生化学反应，使混凝土中的PH值下降的过程。混凝土碳化是导致钢筋脱钝锈蚀的基本前提条件，是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要因素。在正常的大气环境下，CO₂与混凝土中的碱性物质相互作用是一个很复杂的物理化学过程。由于混凝土是一个多孔体，在其内部存在大小不同的毛细管、孔隙、气泡、甚至缺陷，空气中的CO₂气体渗透到混凝土的孔隙中，与孔隙中的可碳化物质发生化学反应。可碳化物质是在水泥水化过程中产生的，主要有氢氧化钙(Ca(OH)₂)，此外还有水化硅酸钙(CaO·2SiO₂·3H₂O)，未发生水化的硅酸三钙和硅酸二钙在有水分的条件下也能参与碳化反应。在酸侵蚀的过程中，会导致基本的胶凝相的溶解和次生相的析出。在这些复杂的反应中，Ca²⁺离子是形成次生矿物的必须组分，例如碳酸钙（CaCO₃）、钙矾石（Ca₆Al₂S₃O₁₈·32H₂O）和石膏（CaSO₄）。Ca²⁺离子主要是存在于微孔溶液中，在水泥基体中也会以氢氧化钙的形式存在，此外还会通过C-S-H(C-S-H俗称水化硅酸钙，有时也称为托勃莫来石凝胶，这里使用连字符是为了表明它不是一个很确定的化合物；C/S之比在1.5-2.0之间时，其结构水含量变化更大，C-S-H的形貌为从结晶差的纤维状到网状。另外，本文采用的水泥化学符号含义如下：C = CaO；S = SiO₂； A = Al₂O₃； F= Fe₂O₃； = SO₃； H = H₂O； CH = Ca(OH)₂； C₃S = Ca₃SiO₅等)^[3]。

二氧化碳溶于水中形成碳酸.

由于碳酸的作用，微孔溶液中的钙会析出，氢氧化钙会溶解，反应体系的pH值会降低：

随着反应的继续进行，氢氧化钙的含量越来越少，Ca²⁺离子主要通过C-S-H凝胶的脱钙作用产生：

为了使水泥组分充分的溶解，充足的水分是必须的。溶解后形成的Ca²⁺离子能迅速的与CO₃^2-离子反应生成稳定的碳酸钙，并以晶体的形态析出。

水是碳化过程中很重要的副产物，它在CO₂气体渗透和溶解中扮演着重要的角色。氢氧化钙是水泥水化的重要产物，而且是碳化过程中生成水的主要原料。

自然条件下的碳化对混凝土结构的耐久性有很大的影响。一般来说，pH值大于10.5的环境对钢筋能起着很好的保护作用，同时水泥在混凝土水化中提供了一个很高的碱性介质环境（pH值约为13），而碳化使得这种碱性环境遭到破坏，使钢筋暴露在易腐蚀的低碱度环境中^[4]。