시멘트 페이스트의 전기전도도 변화로 수화반응과 응결을 추적하는 원리

시멘트에 물을 넣는 순간부터 내부에서는 여러 광물상이 용해되고 새로운 수화생성물이 만들어집니다. 처음에는 유동성이 있던 시멘트 페이스트가 시간이 지나면서 점차 굳어지는 것도 이러한 수화반응의 결과입니다.

일반적으로 시멘트 수화반응을 분석할 때는 등온열량계, X선 회절분석, 열중량분석, 전자현미경 등의 시험방법을 사용합니다. 그러나 이러한 방법 가운데 일부는 특정 시점의 시료를 채취해야 하거나 별도의 분석장비가 필요합니다.

전기전도도와 전기비저항 측정은 조금 다른 방식으로 접근합니다.

시멘트 페이스트 내부의 물에는 칼슘, 나트륨, 칼륨, 황산이온 등 다양한 이온이 존재합니다. 이 이온들이 이동하면서 전류가 흐를 수 있기 때문에 시간에 따른 전기적 특성을 측정하면 수화반응과 공극구조가 어떻게 변하는지를 간접적으로 추적할 수 있습니다.

실제로 전기비저항 또는 전기전도도 변화를 이용하면 초기 수화과정과 응결·경화단계를 연속적으로 관찰할 수 있다는 연구들이 보고되어 있습니다.

전기전도도와 전기비저항은 어떤 관계일까?

전기전도도는 재료 내부에서 전류가 얼마나 쉽게 흐르는지를 나타냅니다.

반대로 전기비저항은 전류가 흐르는 것을 얼마나 방해하는지를 나타냅니다.

두 값은 서로 역수 관계에 있습니다.

전도도가 높으면 전기비저항은 낮아지고, 전도도가 낮아지면 전기비저항은 높아집니다.

시멘트 페이스트에서는 주로 고체 입자 자체보다 공극 속에 존재하는 수용액과 이온 이동이 전기전도에 큰 영향을 줍니다. 시멘트계 재료의 초기 전기전도는 공극용액을 통한 이온 이동과 밀접하게 관련되어 있습니다.

따라서 수화가 진행되면서 이온 농도와 공극 연결성이 변화하면 전기전도도 역시 지속적으로 달라집니다.

물과 시멘트가 만나면 처음에는 전도도가 증가할 수 있다

시멘트 입자가 물과 접촉하면 클링커 광물이 빠르게 용해되기 시작합니다.

이 과정에서 칼슘이온과 수산화이온, 알칼리이온 등이 공극수 안으로 방출됩니다.

물이 단순한 순수한 상태일 때보다 이온 농도가 증가하면 전류를 운반할 수 있는 전하 운반체가 많아집니다.

이 때문에 배합 직후 초기 단계에서는 전기전도도가 증가하거나 높은 수준을 나타낼 수 있습니다.

초기 수화 연구에서도 시멘트 페이스트의 전도도가 처음 약간 증가하는 현상이 관찰됐으며, 이는 시멘트로부터 이온이 용출되면서 공극용액의 전도성이 증가하기 때문으로 해석됩니다.

하지만 이러한 상태가 계속 유지되는 것은 아닙니다.

수화가 진행되면 전기전도도는 왜 감소할까?

시간이 지나면서 C-S-H와 수산화칼슘을 비롯한 수화생성물이 형성되기 시작합니다.

수화생성물이 증가하면 시멘트 입자 사이의 빈 공간을 점차 채우게 됩니다.

처음에는 서로 연결되어 있던 물로 채워진 공극도 시간이 지나면서 좁아지고 연결성이 감소합니다.

전류가 이동하려면 이온이 이동할 수 있는 연속적인 통로가 필요합니다. 그러나 수화생성물이 증가하면서 이러한 통로가 점차 끊어지면 전기전도도는 낮아지고 전기비저항은 증가하게 됩니다.

초기 시멘트 페이스트를 대상으로 한 연구에서도 전기전도도의 뚜렷한 감소가 공극 연결성이 상실되는 과정과 관련된 것으로 보고됐습니다.

따라서 시간에 따른 전기전도도 변화는 단순한 이온 농도 변화뿐 아니라 시멘트 페이스트 내부의 미세구조 형성 과정까지 반영합니다.

전기적 변화로 시멘트 수화 단계를 구분할 수 있는 이유

시멘트 수화반응은 일정한 속도로 진행되지 않습니다.

배합 직후 빠른 초기반응이 나타난 뒤 반응속도가 낮아지는 유도기가 나타나고, 이후 수화가 다시 활발해지는 가속기를 거칩니다.

전기적 특성도 이 과정에 따라 변화합니다.

초기에는 시멘트 광물이 용해되면서 공극수의 이온 농도가 증가합니다.

이후 수화생성물이 본격적으로 형성되면서 입자 사이의 구조가 만들어지고, 연결되어 있던 공극수 통로가 줄어들기 시작합니다.

결국 시간-전기비저항 곡선이나 시간-전기전도도 곡선을 분석하면 단순히 하나의 값을 보는 것보다 수화가 어느 단계까지 진행됐는지를 파악하기 쉬워집니다.

전기비저항 곡선과 그 변화율을 이용해 초기 수화단계를 구분할 수 있다는 연구결과도 보고되어 있습니다.

응결시간도 전기적 변화로 추정할 수 있을까?

시멘트 페이스트의 응결시간은 일반적으로 비카트 침 시험과 같은 방법으로 평가합니다.

하지만 전기비저항이나 전도도를 연속적으로 측정하면 응결이 진행되는 과정도 추적할 수 있습니다.

수화생성물이 증가하면서 입자 사이에 연결된 고체구조가 형성되기 시작하면 페이스트의 유동성이 크게 감소합니다.

동시에 물이 연결되어 있던 공극구조에도 변화가 나타나기 때문에 전기비저항 곡선의 기울기 역시 변합니다.

2020년 발표된 연구에서는 비접촉식 전기비저항 측정으로 시멘트 페이스트의 응결과 경화 특성을 분석했으며, 비카트 시험과 수화열 및 미세구조 관찰 결과와 비교적 잘 대응하는 것으로 나타났습니다.

다만 특정 전기비저항 값 하나를 모든 시멘트 배합의 초결 또는 종결시간으로 적용할 수 있는 것은 아닙니다.

배합조건에 따라 곡선 자체가 달라질 수 있기 때문입니다.

전기전도도 곡선에서 중요한 것은 절대값보다 변화 패턴이다

전기전도도 시험에서 단순히 특정 시점의 수치만 보는 것은 충분하지 않습니다.

예를 들어 A 배합의 전기비저항이 B 배합보다 높다고 해서 무조건 A 배합의 수화가 더 빠르다고 판단하기 어렵습니다.

전기적 특성에는 여러 요소가 동시에 영향을 줍니다.

대표적으로 다음과 같은 조건이 있습니다.

• 물-시멘트비
• 시멘트 종류
• 알칼리 함량
• 광물질 혼화재
• 화학혼화제
• 온도
• 공극률
• 공극 연결성
• 공극용액의 이온 농도

따라서 전기전도도법에서는 초기값, 증가 또는 감소 시점, 곡선의 기울기와 변화율 등을 함께 보는 것이 중요합니다.

물-시멘트비가 달라지면 결과도 달라진다

물-시멘트비는 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다.

물의 양이 많아지면 이온이 이동할 수 있는 액상 통로가 증가하고 전체 공극구조도 달라집니다.

따라서 동일한 재령에서도 물-시멘트비가 다른 페이스트는 서로 다른 전기비저항을 나타낼 수 있습니다.

실험 연구에서는 일정한 재령에서 물-시멘트비와 시멘트 페이스트의 체적 전기비저항 사이에 일정한 상관관계가 나타나는 것으로 보고됐습니다. 다만 이를 실제 물-시멘트비 추정에 이용하려면 해당 재료와 배합을 대상으로 한 보정이 필요합니다.

즉 전기적 특성은 물-시멘트비에 매우 민감하지만 단일 범용식으로 모든 콘크리트에 적용하기는 어렵습니다.

플라이애시와 슬래그 같은 혼화재도 영향을 준다

시멘트 일부를 플라이애시나 고로슬래그 미분말과 같은 혼화재로 치환하면 공극수의 화학조성과 수화속도가 달라집니다.

따라서 전기전도도 곡선도 일반 포틀랜드 시멘트와 다르게 나타날 수 있습니다.

특히 초기 반응이 느린 혼화재가 많이 사용되면 수화생성물이 형성되는 속도와 공극구조 변화도 달라질 수 있습니다.

광물질 혼화재의 종류와 함량, 물-결합재비에 따라 시멘트 페이스트의 전기전도 특성이 달라진다는 연구도 보고되어 있습니다.

따라서 혼합시멘트나 혼합결합재를 분석할 때에는 기준 시멘트와 직접 비교하는 방식이 유용합니다.

고성능 감수제와 지연제도 곡선을 바꿀 수 있다

화학혼화제는 시멘트 수화속도와 입자 분산상태에 영향을 줍니다.

특히 지연제는 초기 수화반응을 늦추고 응결시간을 연장할 수 있기 때문에 전기적 변화가 나타나는 시점도 뒤로 이동할 수 있습니다.

고성능 감수제 역시 종류와 사용량에 따라 입자 분산과 수화반응에 영향을 줄 수 있습니다.

전기적 측정방법을 이용하면 이러한 혼화제에 따른 응결과 구조형성 과정의 차이를 연속적으로 비교할 수 있다는 장점이 있습니다.

이는 단순히 최종 응결시간만 측정하는 시험과 다른 점입니다.

등온열량계와는 무엇이 다를까?

이미 노바노트에서는 등온열량계를 이용해 시멘트 수화반응의 발열속도를 분석하는 원리를 다룬 적이 있습니다.

등온열량계는 수화반응에서 발생하는 열을 측정합니다.

전기전도도 또는 전기비저항 측정은 공극용액 속 이온 이동과 공극구조의 연결성 변화를 관찰합니다.

즉 같은 수화반응을 관찰하더라도 바라보는 대상이 다릅니다.

등온열량계는 반응속도와 발열량에 민감하고, 전기적 측정은 이온 이동과 미세구조 연결성 변화에 민감합니다.

이 때문에 두 시험을 함께 사용하면 수화반응의 화학적 변화와 구조적 변화를 더욱 입체적으로 해석할 수 있습니다. 실제 연구에서도 전기비저항과 등온열량 측정을 함께 사용해 초기 수화과정을 분석한 사례가 있습니다.

LF-NMR과 비교하면 무엇을 알 수 있을까?

저자장 핵자기공명(LF-NMR)은 시멘트 페이스트 내부의 수분 상태와 공극수 변화를 관찰하는 데 유용합니다.

반면 전기전도도 측정은 물의 양 자체보다는 그 물을 통해 이온이 얼마나 쉽게 이동할 수 있는지에 더 민감합니다.

따라서 두 시험은 서로 대체하는 관계라기보다 서로 다른 정보를 제공합니다.

LF-NMR은 수분분포와 수분상태에 대한 정보를 제공하고, 전기적 측정은 이온 이동경로와 공극 연결성 변화를 파악하는 데 도움이 됩니다.

접촉식 측정과 비접촉식 측정의 차이

전기전도도를 측정하는 방법에는 전극을 시멘트 페이스트에 직접 접촉시키는 방식과 비접촉 방식이 있습니다.

전극을 직접 접촉시키면 측정구성이 비교적 간단하지만 전극과 페이스트 사이에서 분극현상이 발생할 수 있습니다.

특히 낮은 주파수에서는 전극-시료 계면에서 나타나는 분극의 영향을 고려해야 합니다. 초기 시멘트 페이스트의 전기적 특성을 분석한 연구에서도 낮은 주파수 영역에서 전극 계면 분극의 영향이 관찰됐습니다.

비접촉식 전기비저항 측정은 이러한 전극 접촉 문제를 줄일 수 있고, 시간에 따른 변화를 연속적으로 측정하기에 유리합니다.

전기전도도 측정의 가장 큰 장점은 연속 관찰이다

XRD나 TGA처럼 특정 시점에 시료를 채취해 분석하는 방법은 해당 시점의 상태를 자세히 파악하는 데 매우 유용합니다.

그러나 같은 시료의 변화를 몇 분 또는 몇 시간 간격으로 계속 관찰하기는 어렵습니다.

전기전도도나 전기비저항 측정은 하나의 시료를 대상으로 시간에 따른 변화를 연속적으로 기록할 수 있습니다.

따라서 다음과 같은 변화를 관찰하는 데 적합합니다.

배합 직후의 이온 용출, 유도기, 수화반응 가속, 응결, 공극 연결성 감소, 초기 경화과정을 하나의 연속된 곡선으로 볼 수 있습니다.

전기적 측정이 초기 수화와 미세구조 발달을 비파괴적으로 연속 모니터링할 수 있는 방법으로 연구되는 이유도 여기에 있습니다.

전기전도도만으로 수화도를 정확하게 구할 수 있을까?

전기비저항이 높아졌다고 해서 이를 곧바로 특정 수화도 값으로 환산해서는 안 됩니다.

전기적 특성에는 공극률뿐 아니라 포화도, 공극용액의 이온 조성, 공극 연결성 등이 동시에 영향을 미칩니다.

특히 초기 24시간 동안에는 수화반응과 함께 미세구조와 포화상태가 빠르게 변화합니다. 이러한 복합적인 영향 때문에 초기 전기비저항을 단순한 하나의 변수로 설명하기 어렵다는 연구도 있습니다.

따라서 정확한 수화도 분석이 필요하다면 등온열량, XRD, TGA 등의 결과와 함께 해석하는 것이 좋습니다.

현장에서 활용할 수 있는 가능성

전기적 측정기술의 장점 가운데 하나는 센서를 이용한 연속계측 가능성입니다.

향후 콘크리트 구조물에 센서를 매립하거나 현장에서 전기적 변화를 측정하면 초기 수화와 응결상태를 실시간으로 판단하는 데 활용할 가능성이 있습니다.

특히 대량 콘크리트 타설이나 프리캐스트 생산처럼 응결과 초기강도 발현 시점을 정확히 파악해야 하는 작업에서는 실시간 모니터링 기술의 가치가 커질 수 있습니다.

다만 실험실에서 얻은 관계식을 현장 콘크리트에 그대로 적용해서는 안 됩니다.

골재와 혼화재, 온도, 수분조건이 달라지면 전기적 특성도 크게 달라지기 때문에 현장별 보정이 필요합니다.

전기비저항 내구성 시험과 혼동하면 안 되는 이유

노바노트에서 기존에 다룬 콘크리트 전기비저항 시험은 주로 경화된 콘크리트의 이온 이동성과 철근부식 위험, 내구성을 평가하는 내용이었습니다.

이번에 다룬 초기 시멘트 페이스트의 전기전도도 측정은 목적이 다릅니다.

경화 콘크리트에서는 치밀한 공극구조와 수분상태를 통해 장기 내구성을 판단하는 데 전기비저항이 활용될 수 있습니다.

반면 초기 시멘트 페이스트에서는 수화반응에 따른 이온 농도와 공극 연결성 변화를 추적하여 응결과 경화과정을 파악하는 것이 핵심입니다.

같은 전기적 특성을 측정하더라도 재령과 목적에 따라 해석방법이 달라져야 합니다.

자주 묻는 질문

시멘트 페이스트의 전기전도도는 왜 시간에 따라 달라지나요?

시멘트가 물과 반응하면서 공극수의 이온 농도가 변하고 수화생성물이 형성되면서 공극 연결성이 감소하기 때문입니다. 초기에는 이온 용출로 전도도가 높아질 수 있지만 수화가 진행되면서 전류 이동경로가 줄어드는 방향으로 변합니다.

전기전도도로 초결과 종결시간을 정확하게 알 수 있나요?

전기적 변화와 응결시간 사이에는 상관관계가 있지만 모든 배합에 동일한 기준값을 적용할 수는 없습니다. 사용 시멘트와 물-결합재비, 혼화제 등에 따른 보정이 필요합니다.

전기전도도와 전기비저항은 다른 시험인가요?

표현하는 방향은 반대지만 밀접한 관계가 있습니다. 전기전도도가 높을수록 전기비저항은 낮고, 전도도가 낮을수록 전기비저항은 높습니다.

등온열량계보다 좋은 시험인가요?

어느 하나가 더 좋다고 보기는 어렵습니다. 등온열량계는 수화반응의 발열을 측정하고 전기적 시험은 이온 이동과 공극 연결성 변화를 관찰합니다. 두 방법을 함께 사용하면 보다 다양한 정보를 얻을 수 있습니다.

전기비저항이 높으면 수화가 많이 진행된 것인가요?

일반적으로 수화가 진행되고 공극 연결성이 낮아지면 전기비저항이 증가하는 경향이 있지만 비저항만으로 수화도를 직접 결정해서는 안 됩니다. 수분상태와 이온 농도 등 다른 변수도 영향을 줍니다.

마무리

시멘트 페이스트의 수화반응은 단순히 강도가 증가하는 과정이 아닙니다.

시멘트 광물이 용해되면서 공극수의 이온 농도가 변하고, 수화생성물이 형성되면서 입자 사이에 새로운 고체구조가 만들어집니다. 동시에 물로 연결돼 있던 공극 통로도 점차 변화합니다.

전기전도도와 전기비저항 측정은 이러한 변화를 이온 이동이라는 관점에서 관찰하는 방법입니다.

특히 하나의 시료를 대상으로 배합 직후부터 응결과 초기 경화까지 연속적으로 측정할 수 있다는 점이 큰 장점입니다.

따라서 전기적 측정은 등온열량계, XRD, TGA, LF-NMR과 함께 활용할 경우 시멘트 수화과정을 더욱 입체적으로 분석하는 도구가 될 수 있습니다.