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新制备出来的混凝土碱性比较强，pH值可达12~13，能保护内部的钢筋不受腐蚀的影响。这种碱性的主要成分是由水泥在进行水合作用时所产生的碱性物质，主要是氢氧化钙。经过一段时间后，空气中CO 2 渗透到混凝土内部，与碱性物质发生化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱性降低，并且造成建筑材料退化的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：
水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土孔隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的铁氧化物，能够有效防止铁的锈蚀，因此称为钝化膜。
混凝土的碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但碳化反应使混凝土的碱性降低，当碳化深度超过混凝土的保护层时，在水和空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。当然，碳化正面穿透混凝土的速度是不断下降的。首先，CO 2 气体必须进一步渗入混凝土。其次，混凝土继续发生水合反应，并随着时间而变得更加致密，透水性下降。最后，碳化本身还降低了混凝土的透水性，一方面是因为碳酸盐在现有孔隙中沉淀，另一方面是因为碳化反应会释放水，可能促进水泥的水化反应。
碳化反应的另一个不容忽视的问题是它会造成钙的流失，这主要是CO 2 溶于水后生成碳酸，然后与碳化反应的产物碳酸钙继续发生反应，生成可溶于水的碳酸氢钙。但这个反应也是可逆的，一旦溶液中CO 2 的浓度不够了，反应可能逆向进行，出现碳酸钙的沉淀。
通常，人们以为碳化过程主要是氢氧化钙参与反应，但最近的一些研究发现，当氢氧化钙消耗完毕时，混凝土里面的水合硅酸钙，甚至钙矾石也可能会参与碳化反应 [44] 。而且一般认为氢氧化钙的碳化，会引起一定的膨胀，使得混凝土的孔隙率降低，这也是一般的碳化还能提高混凝土耐久性的原因；但水合硅酸钙的碳化却会产生收缩，使得混凝土的孔隙率升高，对其耐久性不利。这也说明碳化反应对于不同的混凝土的影响可能是不一样的，例如对于氢氧化钙含量较低的混凝土，碳化对混凝土的力学性能可能会有负面影响。
由于碳化反应都是从混凝土表面开始，并逐步进展到其内部，因此，检验混凝土的碳化程度通常都需要获取其截面，并在表面喷洒含酚酞的乙醇溶液。在碳化的区域，溶液颜色不变，而在碱性区域会呈现粉红色。这也是在对混凝土进行劣化程度判断时常用的手段。但是，在pH值大于9的时候，酚酞就会呈现红色，因此混凝土从最初始的pH值（大于11）开始发生碳化，酚酞可能检测不到碳化的存在，只有当混凝土保护层完全碳化并且pH值小于9的情况下，才能够通过这个办法准确知道碳化深度。
当碳化到达钢筋表面的时候，钢筋表面的钝化层逐渐消失，这时水和氧气共同作用可能会使得钢筋发生腐蚀，在典型的大气环境下，如果环境非常潮湿，钢筋的腐蚀反应会非常迅速，而如果周围的相对湿度比较低，钢筋的腐蚀可以是比较缓慢的。因此，对于在一些室内环境或者半封闭条件下的钢筋混凝土结构，即使混凝土完全碳化，钢筋的腐蚀仍然不会太明显，一旦因为某些因素，有大量的水渗至混凝土之中，腐蚀速率就会加快。
影响混凝土碳化速度的因素是多方面的 [45] 。首先，影响较大的是水泥品种，因不同的水泥中所含硅酸钙和铝酸钙的量不同，在硅酸盐水泥中，钙的含量较大，能够反应的CO 2 量也就更大；其次，影响混凝土碳化主要还与周围介质中CO 2 的浓度高低及湿度大小有关，在干燥和饱水条件下，碳化反应几乎终止，所以这是除水泥品种影响因素以外的一个非常重要的原因，而在湿度为50%~70%时，碳化的速率可能是最为迅速的；再者，在渗透水经过的混凝土时，钙的溶出速度还将决定于水中是否存在影响Ca（OH） 2 溶解度的物质，如水中含有Na 2 SO 4 及少量Mg 2+ 时，石灰的溶解度就会增加，如水中含有Ca（HCO 3 ） 2 的Mg（HCO 3 ） 2 溶液对抵抗溶出侵蚀十分有利，因为它们在混凝土表面形成一种碳化保护层。另外，混凝土的水灰比、渗透系数、透水量、混凝土附近水流速度、结构尺寸及养护方法与混凝土的碳化都有密切的关系。