混凝土碳化作用是指空氣中的二氧化碳(CO2)滲透到混凝土內部，與其中的鹼性物質（主要是氫氧化鈣Ca(OH)2）發生化學反應，生成碳酸鹽（如碳酸鈣CaCO3）和水，從而導致混凝土的鹼性降低的過程。
碳化作用也被稱為中性化，是一種化學腐蝕現象。在水泥水化過程中，會生成大量的氫氧化鈣，使混凝土孔隙中充滿飽和的氫氧化鈣溶液，其pH值可以達到12.6至13，這種高鹼性環境可以在鋼筋表面形成一層鈍化膜，防止鋼筋鏽蝕。
然而，隨著碳化深度的增加，混凝土的pH值降低，當低於10時，鋼筋表面的鈍化膜會破壞，導致鋼筋鏽蝕。鏽蝕的鋼筋體積膨脹，會造成混凝土保護層開裂或剝落，進而加速混凝土的進一步碳化。碳化還會引起混凝土的收縮，導致表面產生拉應力，可能產生微細裂縫，從而降低混凝土的抗折強度。
雖然碳化可以增強混凝土內部的緻密性和抗壓強度，但總體上，碳化對混凝土的耐久性和結構安全性有不利影響。