随着人口增长和工业化进程加速，近年来，大气中二氧化碳气体浓度急剧上升，大大加剧了钢筋混凝土结构的碳化反应，导致钢筋的锈蚀速度加快。我国的城市轨道交通建设正在飞速发展，地铁环境下隧道管片混凝土承受着荷载与临空面的二氧化碳等因素作用，其中荷载包括来自水土压力、沉降荷载等形成的静力荷载和上部列车长期运行的振动荷载。因此荷载与碳化耦合作用下混凝土的损伤劣化过程问题是一个十分重要且迫切需要解决的难题。　　本文通过试验研究（砂浆碳化试验、混凝土碳化与静力荷载耦合试验和碳化与疲劳荷载耦合试验）建立了考虑荷载应力水平因素在内的碳化模型，同时为深入揭示荷载与碳化耦合作用下混凝土材料损伤劣化过程，借助于微观测试仪器XRD，MIP，TG-DSC，研究了不同龄期不同应力水平的情况下混凝土碳化过程微观结构的时变规律。主要研究内容和结果如下:　　(1)单一碳化时水泥砂浆的碳化深度时变规律。通过试验研究矿渣掺量为30％、40％、50％和60％水泥砂浆的碳化深度，分析其时变规律得出:当矿渣掺量为50％时，碳化深度值比其他掺量时小，深度值出现拐点，即为最优矿渣掺量。通过TG-DSC测试分析得出:碳化后氢氧化钙明显减少，但尚有少量残余，说明碳化反应过渡区是存在的;碳酸钙明显增加，其矿物形式中，方解石的增加量最为显著，同时生成少量的球霰石。　　(2)静力荷载作用下混凝土的碳化试验。主要研究了混凝土碳化深度和pH值的时变规律，并从微结构层面分析了应力水平下碳化反应机理，研究结果表明:与未加载的混凝土相比，受拉区的碳化深度变大，拉应力水平越大，碳化深度随之增大;受压区的碳化深度值变小，压应力水平越大，碳化深度逐渐减小。通过XRD和MIP测试混凝土碳化前后孔隙率的变化，分析得出:未加载混凝土孔隙率随加速碳化龄期延长逐渐下降，加载混凝土试件碳化反应前后其孔隙率均变大;未加载时，混凝土的孔表面积分形维数随碳化逐渐增加，而加载混凝土孔表面积分形维数是逐渐减小的，孔表面积分形维数的减小，表明其孔隙的曲折度减小了，导致二氧化碳气体的传输系数增加。　　(3)疲劳荷载作用下混凝土的碳化试验。研究混凝土疲劳过程中的应变发展规律，分析不同荷载水平作用下混凝土试件的疲劳寿命，并研究不同循环次数引起混凝土的疲劳损伤规律。通过试验测定各不同应力水平下混凝土的碳化深度值，分析得出:随着疲劳荷载拉应力水平的增加，混凝土的碳化深度随之增加;随着压应力水平的增加，混凝土的碳化深度值基本也呈增长趋势。　　(4)建立了考虑不同应力水平静力荷载下的碳化深度数学模型。根据二氧化碳气体的质量守恒定律，并基于牛荻涛的随机碳化模型，采用不同应力水平的混凝土碳化深度的试验数据建立了碳化深度数学模型。