碳化反应会引起混凝土保护层的中性化,导致内部钢筋腐蚀,严重影响服役寿命,造成巨大经济损失和资源浪费。现有研究通常基于试验结果定性分析碳化深度的变化规律,实际工程中混凝土结构处于荷载和碳化耦合的腐蚀环境,但国内外对此缺乏足够重视,在受荷混凝土碳化理论模型、细观模拟方面的研究和应用成果明显不足。因此,开展相关研究对于准确预测混凝土碳化深度、减少工程修复、提高建筑结构服役寿命具有重要意义。本论文针对无损且定量表征受荷混凝土损伤演变规律研究、荷载对介质传输性能影响机理研究、考虑荷载的混凝土碳化理论模型和细观尺度下受荷混凝土碳化数值模拟研究的不完善等问题开展了研究。主要内容和创新性成果如下:1.基于数值模拟和XCT两种分析方法,揭示了受荷混凝土内部损伤演变规律。根据混凝土力学试验结果和基于混规本构关系的模拟试算结果,获得了能准确描述损伤状态和荷载-位移曲线,并兼顾裂缝宽度与传输性能关系的混凝土各相CDPM模型参数和单轴受荷数值模拟参数。通过数值模拟和XCT分析得到了混凝土受荷全过程中损伤因子分布和缺陷分布的变化规律,实现了受荷混凝土损伤在大尺度、整体性定量表征的突破,首次发现了荷载同时引起微结构形变和微裂缝扩展且二者存在相互影响,为本荷载对传输系数影响的研究提供理论支持。2.提出了考虑荷载、环境和结构因素影响的介质传输系数计算方法。基于荷载作用下混凝土的碳化试验结果和带裂缝混凝土传输性能的研究成果,确定了以荷载水平和损伤因子表征的传输性能影响系数的计算公式,在此基础上结合环境因素（湿度和温度）和结构因素（由水化和碳化进程决定）的影响系数,首次提出了水分、CO2等介质在混凝土中传输系数的计算方法,该计算公式综合考虑微结构形变和微裂缝扩展的影响,能有效覆盖混凝土受荷全过程。3.建立了碳化理论模型用于受荷混凝土碳化深度的预测,并验证了其准确性。利用修正的介质传输系数优化了扩散传输方程,建立了考虑荷载的碳化模型LTH-CM。确定了其中传输参数（Dh、Dc、n、α0、ζ、χ和α1）和反应参数（vc、Er和m）的取值范围,得到了上述参数和模拟参数（边界条件、计算容差和网格尺寸）对碳化深度和碳化产物分布的影响规律,确定了模型的参数敏感性。通过模拟结果与碳化试验（450天干空室碳化、3年大气环境碳化、2%和20%CO2加速碳化,RILEM TC CCC受荷混凝土加速碳化比对试验）结果对比,和与Saetta、Han等模型预测值对比,验证了LTH-CM模型的准确性和适用性。4.建立了多软件联合模拟的计算平台,实现了细观尺度下应用LTH-CM模型预测混凝土碳化深度,并开展了大量应用研究证明模型广泛的适用性。通过JAVA和Python编程完成了不同有限元软件间网格、结果（主应力及损伤）文件的传递,同时通过增加节点数据等方法解决了文件传递引入计算误差、结果精度下降的问题,实现对受荷混凝土碳化深度的高效和准确预测。利用建立的计算平台,研究了细观结构（粗骨料分布、形状及含量,界面过渡区及宽度,表面裂缝尺寸）、碳化维度（单向及双向碳化）、受荷状态（单轴拉伸和压缩全过程）对碳化深度、半碳化区宽度、不均匀碳化程度的影响规律,展示了LTH-CM模型宽广的应用范围。