수은압입법(MIP)을 이용한 콘크리트 공극 크기 분포 분석의 원리와 한계

콘크리트는 겉보기에는 치밀한 고체처럼 보이지만 내부에는 나노미터에서 마이크로미터 이상까지 다양한 크기의 공극과 연결통로가 존재합니다.

이러한 공극구조는 물과 염화물, 이산화탄소 등 외부 물질이 콘크리트 내부로 이동하는 과정과 밀접하게 관련되어 있으며 강도와 내구성을 해석하는 데 중요한 재료 특성입니다.

콘크리트의 공극구조를 분석할 때 널리 사용되는 방법 가운데 하나가 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)입니다.

MIP는 수은이 고체 표면을 쉽게 적시지 않는 특성을 이용해 외부에서 압력을 가하면서 공극 내부로 수은을 침투시키고, 압력과 압입된 수은의 부피 관계로부터 접근 가능한 공극 입구의 크기 분포를 추정하는 방법입니다.

하지만 여기서 가장 중요한 점이 있습니다.

MIP에서 얻는 공극 크기는 실제 콘크리트 내부의 모든 공극 몸체 크기를 그대로 측정한 값이 아니라 수은이 통과한 공극 입구 또는 공극 목의 등가 크기에 가깝습니다. 따라서 결과를 실제 공극의 완전한 기하학적 크기 분포라고 해석해서는 안 됩니다.

콘크리트 공극구조는 왜 중요할까

굳은 콘크리트 내부에는 서로 다른 형태의 공극이 존재합니다.

시멘트 페이스트 내부의 미세공극부터 모세관 공극, 공기연행에 의해 형성된 공극, 재료분리나 다짐 불량으로 발생한 비교적 큰 공극까지 크기와 형상이 다양합니다.

중요한 것은 단순히 공극이 얼마나 많은가만이 아닙니다.

공극의 크기, 연결성, 굴곡도, 공극 입구의 크기와 공간적 분포가 물질 이동 특성에 함께 영향을 줍니다.

따라서 전체 공극률이 비슷한 두 콘크리트라도 공극 네트워크의 구조가 다르면 물이나 이온의 이동특성도 달라질 수 있습니다.

수은압입법의 기본 원리

수은은 일반적인 시멘트계 재료의 표면을 자연스럽게 적시는 액체가 아닙니다.

따라서 외부 압력 없이 수은을 시료에 접촉시켜도 매우 작은 공극 안으로 스스로 쉽게 들어가지 않습니다.

MIP 장비에서는 먼저 시료 주변에 수은을 채운 뒤 압력을 단계적으로 높입니다.

압력이 증가하면서 비교적 큰 입구를 가진 공극부터 수은이 침투하고 더 높은 압력이 가해지면 더 작은 입구를 가진 공극으로 수은이 들어갑니다.

이때 적용한 압력과 압입된 수은의 부피를 측정하면 공극구조에 관한 정보를 얻을 수 있습니다.

기본적인 관계는 워시번 방정식으로 설명됩니다. MIP에서는 일반적으로 공극을 원통형으로 가정하고 수은의 표면장력과 접촉각을 이용하여 압력을 등가 공극 직경으로 환산합니다.

압력이 높을수록 왜 작은 공극을 측정할까

큰 구멍에는 상대적으로 적은 압력만 가해도 수은이 들어갈 수 있습니다.

반대로 매우 좁은 공극 입구를 통과하려면 더 큰 압력이 필요합니다.

따라서 MIP에서는 기본적으로

낮은 압력 → 큰 공극 입구

높은 압력 → 작은 공극 입구

의 관계가 성립합니다.

장비의 최대·최소 압력에 따라 분석 가능한 공극 크기 범위가 결정되며, ASTM D4404에서 설명하는 수은압입법도 측정 가능한 범위가 장비의 압력범위에 의해 결정된다고 명시합니다. 해당 ASTM 규격 자체는 토양과 암석을 대상으로 하지만 MIP의 측정원리와 한계를 이해하는 데 참고할 수 있습니다.

MIP에서 얻는 대표적인 결과

MIP 분석에서는 일반적으로 누적 수은압입량과 미분 공극분포를 확인합니다.

누적 압입곡선은 압력이 증가하면서 시료 안으로 들어간 수은의 전체 부피가 얼마나 증가하는지를 보여줍니다.

미분 공극분포곡선은 어느 등가 공극 입구 크기 영역에서 수은 압입량이 크게 증가했는지를 보여줍니다.

이를 통해 시료 간에 다음과 같은 특성을 비교할 수 있습니다.

• 수은이 접근할 수 있는 전체 공극량
• 공극 입구 크기의 분포
• 임계 또는 문턱 공극 크기
• 배합이나 재령에 따른 공극구조 변화
• 혼화재 사용에 따른 공극 미세화 경향

그러나 이러한 결과는 어디까지나 MIP가 접근할 수 있는 공극 네트워크의 특성이라는 점을 기억해야 합니다.

임계 공극 크기란 무엇인가

MIP 곡선을 보면 어느 압력 이상에서 수은 압입량이 갑자기 증가하는 구간이 나타날 수 있습니다.

이와 관련해 흔히 임계 공극 크기 또는 문턱 공극 크기라는 개념을 사용합니다.

이 값은 수은이 시료 내부의 연결된 공극 네트워크로 본격적으로 진입할 수 있게 되는 공극 목의 대표적인 크기를 나타내는 지표로 활용될 수 있습니다.

하지만 이를 콘크리트 내부에서 가장 많은 공극의 실제 크기와 동일한 값으로 보는 것은 주의해야 합니다.

시멘트계 재료에서는 공극 몸체와 공극 입구의 크기가 크게 다르고 복잡하게 연결되어 있기 때문입니다.

잉크병 효과란 무엇인가

MIP를 해석할 때 가장 중요한 한계 가운데 하나가 잉크병 효과입니다.

예를 들어 내부에는 큰 공간이 있지만 그 공간으로 들어가는 입구가 매우 좁은 공극을 생각해 볼 수 있습니다.

수은은 먼저 좁은 입구를 통과해야 큰 공간으로 들어갈 수 있습니다.

따라서 MIP는 내부의 넓은 공극 부피까지도 좁은 입구의 크기에 해당하는 공극으로 기록할 수 있습니다.

결과적으로 실제보다 작은 공극이 많은 것처럼 보일 수 있습니다.

ASTM의 수은압입법 설명에서도 큰 내부 공극이 작은 입구를 통해서만 연결된 경우 전체 내부 공극부피가 작은 입구 크기로 기록될 수 있음을 명확히 지적합니다.

공극 몸체와 공극 목을 구분해야 한다

콘크리트 내부의 공극은 단순한 원통형 관들의 집합이 아닙니다.

넓은 공극 공간이 매우 좁은 통로로 연결되기도 하고 여러 공극이 복잡하게 분기되기도 합니다.

MIP에서 수은의 진입을 결정하는 것은 대개 접근통로 가운데 가장 좁은 부분입니다.

따라서 MIP 결과를 설명할 때 단순히 “10nm 공극이 몇 퍼센트 존재한다”고 말하기보다는 약 10nm의 입구를 통해 접근되는 공극부피가 크게 나타났다고 해석하는 것이 더 엄밀합니다.

시멘트계 재료에서 MIP가 실제 공극 크기 분포를 그대로 재현하지 못한다는 비판이 제기되는 가장 중요한 이유도 이러한 접근성 문제입니다.

폐쇄공극은 측정할 수 있을까

측정할 수 없습니다.

MIP에서 수은은 시료 외부에서 내부로 들어갑니다.

따라서 외부와 전혀 연결되지 않은 완전 폐쇄공극에는 수은이 접근할 수 없습니다.

MIP로 얻는 총 공극률은 재료 내부에 존재하는 모든 공극을 포함한 절대적인 총공극률이 아니라 수은이 접근할 수 있는 공극의 부피입니다.

이 점은 MIP 결과를 다른 공극률 측정법과 비교할 때 특히 중요합니다.

콘크리트 공극률과 강도의 관계

일반적으로 콘크리트에서 공극이 증가하면 유효 하중전달 면적이 감소하고 결함이 증가해 강도가 낮아지는 경향이 있습니다.

하지만 MIP 결과 하나만으로 압축강도를 직접 계산하는 것은 적절하지 않습니다.

콘크리트의 강도에는 물-결합재비, 골재, 계면전이영역, 수화도, 균열, 양생조건 등 여러 요인이 함께 작용하기 때문입니다.

따라서 MIP는 공극구조 변화가 강도 변화에 어떤 영향을 주었는지를 설명하는 미세구조 분석자료로 활용하는 것이 좋습니다.

공극구조와 투수성은 어떤 관계가 있을까

물이나 염화물과 같은 물질이 콘크리트 내부로 이동하려면 서로 연결된 통로가 필요합니다.

그래서 공극의 전체 부피뿐 아니라 연결성, 공극 목의 크기, 굴곡도가 이동성에 중요한 영향을 미칩니다.

MIP는 공극 입구 크기와 압입특성을 통해 이러한 구조에 대한 일부 정보를 제공하지만 공극 네트워크의 실제 3차원 연결성을 직접 촬영하는 방법은 아닙니다.

따라서 MIP 결과만으로 투수계수를 정확하게 예측하거나 “공극이 작아졌으므로 투수성도 반드시 같은 비율로 감소했다”고 결론내리는 것은 주의해야 합니다.

MIP 분석에 사용되는 접촉각이나 표면장력 등의 가정과 보정값에 따라서도 공극률과 문턱 공극 크기, 분포곡선의 형태가 달라질 수 있습니다.

혼화재를 사용하면 MIP 결과는 어떻게 변할까

플라이애시, 고로슬래그 미분말, 실리카흄과 같은 혼화재는 장기적인 수화와 포졸란 반응 등을 통해 시멘트 페이스트의 공극구조를 변화시킬 수 있습니다.

배합과 재령에 따라 비교적 큰 모세관 공극이 감소하고 공극구조가 미세화되는 결과가 나타날 수 있습니다.

MIP에서는 이러한 변화가 공극 입구 크기 분포의 변화로 나타날 수 있습니다.

하지만 반응성 혼화재가 포함된 시멘트계 재료에서는 복잡한 공극 연결구조와 잉크병 효과가 더욱 크게 나타날 수도 있다는 연구결과가 있습니다. 따라서 단순히 분포곡선이 미세공극 쪽으로 이동했다는 이유만으로 구조 전체가 동일한 방식으로 치밀해졌다고 단정해서는 안 됩니다.

공극 크기 분포곡선이 이동했다는 말은 어떻게 해석해야 할까

MIP 결과에서 흔히 “공극분포가 작은 크기 방향으로 이동했다”는 표현을 사용합니다.

하지만 그래프의 가로축을 어떻게 배치했는지에 따라 작은 공극이 왼쪽에 있을 수도 있고 오른쪽에 있을 수도 있습니다.

따라서 곡선이 왼쪽으로 이동했다 = 공극이 작아졌다고 고정적으로 설명하는 것은 적절하지 않습니다.

그래프를 해석할 때는 반드시 가로축의 공극 직경 값과 단위를 확인해야 합니다.

더 정확한 표현은 공극 입구 분포가 더 작은 등가 직경 영역으로 이동했다라고 설명하는 것입니다.

시료 건조가 왜 중요한 문제일까

MIP 분석 전에 콘크리트 내부의 물을 제거해야 합니다.

공극에 물이 남아 있으면 수은이 정상적으로 침투하지 못하기 때문입니다.

그러나 건조과정 자체가 시멘트계 재료의 미세구조에 영향을 줄 수 있습니다.

특히 높은 온도로 강하게 건조하면 C-S-H와 같은 수화생성물의 구조와 미세공극이 변할 가능성이 있습니다.

따라서 진공건조, 용매치환, 동결건조 등 다양한 전처리방법이 사용되며 연구 목적에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다.

공극분석 방법에 대한 리뷰에서도 MIP 결과는 시료의 사전 건조방법에 영향을 받을 수 있음을 중요하게 다룹니다.

높은 압력이 시료 자체를 변화시킬 수도 있다

매우 작은 공극에 수은을 밀어 넣으려면 높은 압력이 필요합니다.

이 압력이 취약한 미세구조에 작용하면 원래 존재하던 공극구조가 압축되거나 변화할 가능성이 있습니다.

따라서 고압 영역에서 얻은 결과를 해석할 때는 수은이 단순히 기존 공극을 채운 것인지, 압력이 시료 구조에 영향을 주었는지 고려해야 합니다.

ASTM의 MIP 설명에서도 높은 압력이 시료의 공극형상을 일시적 또는 영구적으로 변화시킬 가능성을 명시하고 있습니다.

시료 크기도 결과에 영향을 줄 수 있다

MIP 분석에서는 일반적으로 콘크리트나 시멘트 페이스트의 작은 조각을 사용합니다.

시료를 지나치게 잘게 부수면 원래 내부에 존재하지 않았던 새로운 파단면이 만들어집니다.

또 여러 조각을 함께 넣으면 조각과 조각 사이의 빈 공간이 실제 재료 내부의 공극처럼 측정될 가능성도 있습니다.

ASTM에서도 다수의 파편을 사용한 시료에서는 파편 사이 공간과 실제 내부 공극이 비슷한 크기를 가지면 MIP가 이를 구분하기 어렵다고 설명합니다.

따라서 시료 크기와 형태, 충전방법을 일정하게 관리해야 서로 다른 배합의 결과를 신뢰성 있게 비교할 수 있습니다.

수은 배출곡선도 중요한 정보를 준다

압력을 높이면서 수은을 집어넣은 뒤 다시 압력을 낮추면 수은이 모두 빠져나오지 않습니다.

압입곡선과 배출곡선 사이에 차이가 나타나는 현상을 히스테리시스라고 합니다.

이 현상에는 잉크병 형태의 공극구조와 접촉각 차이, 수은 포획 등이 영향을 줍니다.

따라서 압입곡선뿐 아니라 배출과 재압입 거동을 분석하면 복잡한 공극구조에 관한 추가적인 정보를 얻을 수 있습니다.

최근에는 압입·배출 반복 MIP를 이용해 시멘트계 재료의 잉크병 효과와 공극구조를 보다 정밀하게 평가하려는 연구도 진행되고 있습니다.

MIP는 공극의 실제 형태를 보여주는 시험일까

아닙니다.

MIP는 수은의 압력과 압입량을 이용해 공극 특성을 간접적으로 계산하는 분석방법입니다.

따라서 공극이 구형인지 길쭉한 균열형인지, 공극들이 공간적으로 어떻게 연결되어 있는지를 직접 보여주지는 않습니다.

공극의 실제 형태를 확인하려면 주사전자현미경이나 X선 컴퓨터단층촬영과 같은 영상기법이 도움이 될 수 있습니다.

SEM과 함께 사용하면 무엇이 좋아질까

주사전자현미경과 후방산란전자 영상은 시멘트 페이스트의 미세구조를 직접 관찰하는 데 유용합니다.

MIP가 공극 입구 크기의 분포에 대한 정량정보를 제공한다면 SEM/BSE는 공극과 미반응 입자, 수화생성물 등을 영상으로 확인하는 데 도움이 됩니다.

다만 2차원 이미지를 이용하는 분석도 전체 3차원 공극 네트워크를 완전히 대표하지는 못합니다.

따라서 두 방법을 함께 사용하면 서로 다른 장점과 한계를 보완할 수 있습니다.

기체흡착법과 MIP의 차이

질소나 다른 기체를 이용한 흡착분석은 특히 매우 작은 미세공극과 비표면적을 평가하는 데 활용됩니다.

MIP는 상대적으로 넓은 공극범위를 분석할 수 있다는 장점이 있지만 고압과 잉크병 효과의 영향을 받습니다.

기체흡착법 역시 흡착모델과 시료 전처리 등의 영향을 받기 때문에 어느 하나가 절대적으로 우수한 방법이라고 볼 수 없습니다.

분석하려는 공극 크기 영역과 연구 목적에 따라 방법을 선택하거나 여러 분석방법을 함께 사용하는 것이 효과적입니다.

X선 CT와 비교하면 무엇이 다를까

X선 컴퓨터단층촬영은 시료 내부를 훼손하지 않고 3차원 영상으로 재구성할 수 있다는 장점이 있습니다.

이를 이용하면 비교적 큰 공극과 균열의 공간적 연결성을 직접 관찰할 수 있습니다.

하지만 장비의 해상도보다 작은 미세공극은 검출하기 어렵습니다.

따라서 MIP는 작은 공극 입구의 정량분석, X선 CT는 비교적 큰 공극과 균열의 3차원 구조 분석에 각각 강점이 있다고 볼 수 있습니다.

MIP 결과를 비교할 때 반드시 확인해야 할 조건

두 연구나 두 콘크리트의 MIP 데이터를 비교하려면 시험조건부터 확인해야 합니다.

특히 다음 조건이 다르면 결과를 직접 비교하기 어려울 수 있습니다.

• 시료 크기와 채취 위치
• 건조 또는 수화정지 방법
• 수은 접촉각
• 수은 표면장력
• 최대 압력
• 압력 증가방식
• 공극 직경 계산조건

MIP 결과가 분석조건과 보정 가정에 상당한 영향을 받을 수 있다는 연구가 오래전부터 지적돼 왔습니다.

수은을 사용하기 때문에 안전관리가 중요하다

수은은 유해한 물질입니다.

따라서 MIP는 일반 현장에서 간단히 실시할 수 있는 시험이 아니라 적절한 장비와 환기, 수은 회수 및 폐기 체계를 갖춘 전문 분석시설에서 수행해야 합니다.

ASTM에서도 수은의 유해성을 명확히 경고하고 있으며 시험기관이 관련 안전 및 환경 규정을 준수하도록 요구합니다.

MIP의 가장 큰 장점과 가장 큰 한계

MIP의 가장 큰 장점은 비교적 넓은 공극 크기 영역에서 수은 압입량과 공극 입구 크기 분포를 정량적으로 비교할 수 있다는 점입니다.

특히 재령, 물-결합재비, 혼화재, 양생방법이 달라졌을 때 미세구조가 어떻게 변화하는지 비교하는 연구에 유용합니다.

반면 가장 큰 한계는 측정값을 실제 공극 몸체의 크기 분포로 그대로 해석할 수 없다는 점입니다.

잉크병 효과와 접근성, 폐쇄공극, 시료 전처리, 고압에 의한 구조변화 등이 모두 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

시멘트계 재료에서 이러한 문제가 특히 중요하다는 지적이 지속적으로 제기되어 왔습니다.

마무리

수은압입법은 콘크리트와 시멘트계 재료의 공극구조를 비교하고 미세구조 변화를 분석하는 데 오랫동안 활용되어 온 방법입니다.

압력이 증가할수록 더 작은 공극 입구로 수은이 침투한다는 원리를 이용하여 공극 부피와 등가 공극 입구 크기의 분포를 계산할 수 있습니다.

그러나 MIP 결과를 실제 콘크리트 내부에 존재하는 모든 공극의 크기와 형태를 그대로 보여주는 지도라고 생각해서는 안 됩니다.

특히 잉크병 효과, 폐쇄공극, 공극 접근성, 시료 건조, 높은 압력의 영향을 반드시 고려해야 합니다.

따라서 MIP는 단독으로 결론을 내리는 시험이라기보다 SEM/BSE, 기체흡착, X선 CT 등 다른 미세구조 분석기술과 함께 사용할 때 더욱 신뢰성 있는 해석이 가능합니다.

결국 MIP에서 중요한 것은 단순한 공극률 숫자가 아니라 어떤 조건으로 측정했고, 수은이 어떤 공극 입구를 통해 어디까지 접근했는지를 이해한 뒤 결과를 해석하는 것입니다.