콘크리트는 양생과정에서 pH 12~13의 고 알칼리성 환경이 된다. 알칼리성 환경에 의해 콘크리트 내부 철근의 표면에 치밀한 부동태 피막을 형성하고 있기 때문에 부식과 열화에서 보호될 수 있지만 여러 가지 유해요인에 의해 부동태 피막이 파괴되어 부식이 진행 된다[4]. 철근콘크리트의 재질향상을 위해선 콘크리트 구성요소의 비율을 외부인자의 침입이 어렵도록 피복두께를 고려하여 투과성이 낮은 조직을 만들어야 한다. 특히 콘크리트의 조성 중 물과 시멘트의 비율이 중요하다. 콘크리트 표준시방서에는 해수환경 중에서 해수, 대기 그리고 조수간만의 차가 발생하는 비말대 등에서의 물시멘트비를 다르게 적용하고 있다[5]. 이는 일반적으로 사용하는 물시멘트비보다 시멘트의 비율을 더 높여서 철근과의 접착성을 뛰어나게 하고 공극이 적은 조밀한 콘크리트 조직을 형성시키기 위한 것이다.

콘크리트 내부의 염소이온이 일정 농도를 초과하면 콘크리트의 중성화가 발생하지 않은 환경에서도 보호피막이 파괴되어 철근의 부식이 촉진된다. 또한 콘크리트 배합 시 바닷모래가 혼입되거나 동절기 제설제로 사용되는 염화칼슘 등은 철근의 부식을 촉진하는 요소로 내구성 및 안전 측면에서 여러 가지 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 방식도장을 입힌 철근을 사용할 수 있다. 에폭시는 철근과의 접착성 및 내식성이 우수하고 시공이 편리하여 많이 이용되고 있다. 이러한 에폭시 피복방법은 내식성은 뛰어나나 굽힘 가공성이나 콘크리트와의 밀착성이 떨어지기 때문에 역학적 성능을 고려해야 하며, 피복에 국부적인 손상이 발생했을 때에는 손상부위에 집중적으로 공식을 일으킬 우려가 있기 때문에 엄격한 품질관리와 시공관리가 필요하다[6].

금속피복으로는 도장, 도금, 클래드 용접(clad welding), 물리/화학 증착법 및 용사법이 있다. 코팅재료로 사용되는 금속에는 아연과 알루미늄, 그리고 아연과 알루미늄 합금이 있는데 이 금속들은 철근보다 이온화 경향이 큰 활성금속이기 때문에 철근을 보호하는 희생양극으로 작용하여 철근의 부식을 억제한다. 최근에는 아연 및 알루미늄의 용사코팅이 적용되기도 한다. 용사코팅은 철근모재에 부착되는 피막의 형성속도가 빠른 장점이 있다. 그러나 금속피복의 경우 내식성은 물론, 구조물의 내구성과 환경 등을 고려하여 코팅재료, 시공방법, 도막두께 등을 신중하게 결정해야 한다[7]. 최근에는 부식성 및 강도를 고려하여 스테인리스 강재를 이용한 철근을 사용하기도 한다.

일반적인 패칭(patching)은 가장 값이 싸고 시공시간이 빠르며, 널리 사용되는 보수공법으로서 염화물의 침입 및 탄산화 등으로 부식 손상된 콘크리트를 제거한 후 그 부분을 새로운 콘크리트나 몰탈(mortar)로 채우는 보편화된 공법이다. 패칭은 보수 후 기존의 구조물과 부착부(패칭부) 사이의 재질차로 인한 인장하중의 변화로 인해 균열이 발생할 가능성이 높아지며, 전기화학적으로 조성이 다른 상태이기 때문에 새로 패칭한 콘크리트와 몰탈 부분은 음극(cathode)이 되고 염화물이 남아있는 주위의 철근은 양극(anode)되어 갈바닉 부식(galvanic corrosion)이 발생할 수 있다. 최근에는 보수기술과 재료의 발달로 많이 개선되었으나 부식과 패칭 보수의 반복되는 문제는 아직도 해결되지 않고 있다.

염화물이나 이산화탄소에 의해 열화, 부식된 콘크리트에는 코팅과 실링이 필요하다. 또한 건축물의 미적 가치를 높이는데 사용되기도 한다. 실링재를 통하여 공극의 크기가 줄어들어 물의 기체입자는 출입할 수 있으나, 이산화탄소와 같은 미립자는 통과할 수가 없게 된다. 염화물과 같은 경우에도 실링재와 비슷한 재질의 코팅재가 사용되어 콘크리트의 공극에 막을 형성하여 액체는 통과하지 못하고 기체만 투과하게 된다. 그러나 코팅막은 본래 콘크리트의 공극에 수분이 있을 경우 이로 인한 부식이 발생할 수 있으며, 방수막 역시 외부충격에 의해 파손될 우려가 있기 때문에 사용 시 주의해야 한다.

새로 건설되거나 패칭 보수된 콘크리트 교량의 교각(pile)에 일반적으로 FRP 자켓(fiber reinforced plastic jacket)이나 케이스(case)를 씌우는 작업을 통해서 부식의 속도를 지연시키거나 구조적인 용량, 강도를 높일 수 있다. 이 방법으로 표면에서의 부식인자 침입을 방지할 수는 있으나 FRP 자켓이나 케이스 내부의 모세관현상에 의해 수중의 해수가 내부의 콘크리트 공극을 타고 흡수되어 올라오며, 조수간만의 차로 인해 수면부에서 건습이 반복될 경우 보수하기 전과 비교하여 부식경향은 크게 변하지 않는다. 그러나 자켓 및 케이싱 방법을 음극방식과 함께 적용될 시 자켓이나 케이스 내부에 충분한 전해질이 채워져 오히려 전기전도성이 증가하므로 우수한 방식효과를 나타낼 수 있게 된다[8].

부식억제제란 부식의 속도를 저하시키는 물질로서 부식을 발생시키는 양극반응 또는 음극반응 중 한쪽의 반응을 감소시키거나 양측 모두의 반응을 감소시키기 위해 사용된다.

화학작용과 기능에 대해 분류하면 크롬산염, 아초산염, 폴리인산염, 중탄산염과 같은 무기(無機)억제제와 알콜 혼합제, 에틸렌 글리콜 용액, 윤활제, 페인트계, 디클로로에탄과 같은 유기(有機)억제제로 나눌 수 있고, 일반적으로 아질산소다(NaNO₂), 크롬산칼륨(KCrO₃), 안식향산소다(C₆H₅COONa), 아질산칼슘(Ca(NO₂)₂) 등이 사용되고 있다[9].

양극억제제의 경우 크롬산이온(CrO₄²-) 혹은 질산이온(NO²-)등을 포함한 물질로 음극반응을 촉진하여 양극에 높은 전류밀도를 가하므로 부동태 피막을 생성시켜 부식을 억제한다. 음극억제제의 경우 중성용액의 음극반응을 일으키는 산소를 제거하거나 이동을 억제하여 부식을 감소시킨다. 하지만 수소의 환원반응을 막을 수 없기 때문에 수소취화의 우려로 거의 사용되고 있지 않다[10]. 이러한 부식억제제는 초기 배합 시에 혼화제로 사용되는 경우와 구조물의 표면에 도포하는 형태로 구분할 수 있는데, 구조물의 이력과 사용조건, 그리고 부식의 형태에 맞추어 적절하게 적용한다[11].

외부전원법(impressed current cathodic protection, ICCP)은 외부 전원장치로부터 강제로 방식전류를 철근으로 배류하는 음극방식법이다. 외부전원법은 Figure 1과 같이 방식하고자 하는 철 구조물을 외부전원장치의 (-)극과 연결하고, (-)극에서 (+)극으로 방식전류를 흐르게 하기 위한 직류전원을 얻기 위해 교류를 직류로 변환하는 정류기(rectifier)를 설치하여 양극을 (+)극에 연결하여 회로를 형성한다[2].

Figure 1: 
Schematic drawing of impressed current cathodic protection

양극에서는 산화반응을 통해 전자를 방출하여 음극의 산화반응을 억제하는 역할을 하는데, 장기간 안정된 전류를 공급해야 하기 때문에 소모성이 적은 금속이나 특수 표면처리 된 금속을 사용한다. 통상 티타늄(Ti), 나이오비움(Nb) 등이 많이 사용된다. 또한 구조물의 구조와 방식전류의 분포에 따라 리본형, 메쉬형, 분리형 등 다양한 형태의 양극이 적용된다[12].

과방식에 의해 철의 전위가 -950 mV/SCE 이하가 되면 수소 환원 반응이 활성화되어 수소기체가 발생하게 되는데 이때 수소분자가 철의 입계 또는 결함사이 공간에서 결합하여 수소기체가 발생하여 터질 경우 순간응력으로 인해 철의 취성파괴가 일어날 수 있으므로, 특히 프리스트레스(prestressed) 콘크리트 등 장력을 가진 콘크리트구조물에서는 이점을 유의해야 한다[13].

희생양극법(sacrificial anode cathodic protection ; SACP)은 방식하고자 하는 철 구조물보다 부식성 즉, 이온화 경향이 큰 금속의 양극을 전해질 환경에 설치하고, 전기적 연결을 통해 방식전류를 가해주는 음극방식법이다. 이 양극은 용해되어 소모되고 이온의 용해 시 발생한 전자가 음극인 철로 이동하여 철의 산화반응을 억제하는 역할을 하게 된다.

일반적으로 철의 방식을 위한 희생양극으로는 알루미늄(Al), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 등이 사용되고 있으며, 방식 환경과 반응생성물에 따라 적합한 재료를 선택하여 적용하게 된다.

Figure 2는 콘크리트구조물에 적용된 희생양극법을 나타낸 것이다. 콘크리트 표면에 설치된 희생양극을 철근과 전기적 연결을 함으로써 두 금속간의 전위차에 의해 전류가 자발적으로 공급된다[2]. 희생양극법은 철 구조물과의 전기적 연결로 전자의 흐름이 확보됨과 동시에 전해질 환경에서 이온의 이동이 원활하게 이루어지며, 소모된 희생양극은 교체할 수 있기 때문에 훨씬 효율적이라 할 수 있다. 그러나 방식에 필요한 구동력(driving force)이 작아 방식효과가 국부적이고, 소모되는 아연을 교체할 수 없는 단점이 있다. 비저항이 적은 해수환경에서는 벌크(bulk) 또는 망(mesh) 형태의 희생양극을 매달아 사용하는 기본적인 방법 이외에도 콘크리트표면에 희생양극을 열원으로 고압 용사하는 방법이 사용되기도 한다[14].

Figure 2: 
Schematic drawing of sacrificial anode cathodic protection