当碳化深度超过钢筋保护层时，会对混凝土结构耐久性及安全性产生严重威胁，其后果可从钢筋腐蚀、结构性能退化、耐久性失效三个层面分析，具体如下：

一、钢筋脱钝与腐蚀加速

1. ‌钝化膜破坏机制‌
   钢筋表面钝化膜（γ-Fe₂O₃）在pH＞11.5时稳定存在，当碳化前沿pH值降至9.5以下时，钝化膜开始溶解，钢筋进入活性腐蚀状态。碳化深度超过保护层厚度（通常15-30mm）时，钢筋表面pH值可降至8.5-9.0，腐蚀电流密度从0.01μA/cm²（钝化状态）急剧升至0.1-1.0μA/cm²（腐蚀状态）。

2. ‌氯离子协同侵蚀‌
   碳化区域混凝土孔隙溶液pH值降低，对Cl⁻的吸附能力减弱，导致自由Cl⁻浓度增加。当碳化深度超过保护层时，钢筋表面Cl⁻浓度可达0.4%-0.6%（混凝土质量比），远超临界值0.2%，加速去极化反应：
   $\text{Fe}\to {\text{Fe}}^{2+}+2e^{-}$Fe→Fe2++2e−
   ${\text{Fe}}^{2+}+2{\text{Cl}}^{-}\to {\text{FeCl}}_2$Fe2++2Cl−→FeCl2
   ${\text{FeCl}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}\to {\text{Fe(OH)}}_2+2\text{HCl}$FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl
   最终生成红褐色铁锈（体积膨胀3-4倍），导致混凝土开裂。

二、结构性能退化

1. ‌承载力衰减‌
   钢筋腐蚀导致截面面积损失，当腐蚀率达5%时，梁构件抗弯承载力下降10%-15%；腐蚀率达10%时，承载力下降25%-30%。碳化深度超过保护层后，3-5年内钢筋腐蚀率可达5%-8%，显著影响结构安全。

2. ‌刚度损失‌
   钢筋与混凝土间粘结性能退化，当碳化深度超过保护层时，粘结强度下降30%-40%。试验表明，腐蚀钢筋与混凝土的粘结应力-滑移曲线峰值降低，滑移量增加2-3倍，导致结构变形增大。

3. ‌稳定性风险‌
   轴压构件中，碳化引起的混凝土强度降低（碳化后混凝土抗压强度下降5%-15%）与钢筋腐蚀导致的P-Δ效应叠加，可能引发结构失稳。当碳化深度超过保护层厚度50%时，构件稳定系数降低20%-25%。

三、耐久性失效与维修成本

1. ‌裂缝扩展机制‌
   钢筋锈蚀产物体积膨胀导致混凝土保护层开裂，裂缝宽度与钢筋腐蚀量呈线性关系：
   $w=0.03\mathrm{\Delta }d$w=0.03Δd
   其中，$w$w为裂缝宽度（mm），$\mathrm{\Delta }d$Δd为钢筋直径损失量（mm）。当碳化深度超过保护层时，3年内裂缝宽度可达0.2-0.3mm，5年内扩展至0.5mm以上，加速水分和Cl⁻侵入。

2. ‌碳化-腐蚀循环‌
   碳化深度超过保护层后，形成“碳化→钢筋腐蚀→裂缝扩展→CO₂和Cl⁻加速渗透”的恶性循环。模型预测表明，在工业污染环境下，结构使用寿命从设计100年缩短至30-50年。

3. ‌维修成本激增‌
   当碳化深度超过保护层时，维修需采用阻锈剂注射、碳纤维布加固或局部置换混凝土等措施，单位面积维修成本达200-500元/m²，是预防性涂层维护（30-50元/m²）的4-10倍。

四、典型工程案例分析

工程类型

保护层厚度

碳化深度（年）

钢筋腐蚀率

维修方案

成本（万元）

‌结论‌：碳化深度超过钢筋保护层厚度后，会引发钢筋脱钝、腐蚀加速、结构性能退化和耐久性失效，导致维修成本激增和使用寿命缩短。需通过控制混凝土碳化速率（如采用低水胶比、掺入矿物掺合料）、增加保护层厚度或施加表面防护层等措施，确保碳化前沿在设计使用年限内不突破保护层。