열중량분석(TGA)으로 콘크리트의 수화도와 탄산화 정도를 평가하는 방법

콘크리트는 굳은 뒤에도 내부에서 여러 화학적 변화가 계속됩니다. 시멘트와 물의 반응으로 수화생성물이 만들어지고, 외부에서 이산화탄소가 침투하면 수산화칼슘과 C-S-H 계열 수화물이 변화하면서 탄산화가 진행됩니다.

이러한 변화는 눈으로 직접 확인하기 어렵지만 콘크리트의 강도 발현과 장기 내구성, 철근 부식 위험에 중요한 영향을 미칩니다.

콘크리트 내부의 화학적 상태를 분석하는 대표적인 실험기술 가운데 하나가 열중량분석(Thermogravimetric Analysis, TGA)입니다.

TGA는 시료를 일정한 조건으로 가열하면서 질량이 얼마나 감소하는지를 측정합니다. 특정 수화물과 탄산염은 서로 다른 온도영역에서 탈수·탈수산화·탈탄산 반응을 일으키기 때문에 질량 감소량을 분석하면 수산화칼슘과 탄산칼슘 등의 함량을 추정하고 시멘트 수화와 탄산화 상태를 이해하는 데 활용할 수 있습니다.

열중량분석이란 무엇인가

열중량분석은 매우 작은 양의 분말시료를 정밀 저울이 장착된 장비에 넣고 온도를 일정한 속도로 높이면서 시료의 질량 변화를 연속적으로 기록하는 분석방법입니다.

가열과정에서 시료 내부의 물이 빠져나가거나 특정 화합물이 분해되면서 기체가 방출되면 시료의 질량이 감소합니다.

이 질량변화를 온도에 따라 나타낸 것이 TG 곡선입니다.

또 질량이 어느 온도에서 가장 빠르게 감소했는지를 보기 위해 TG 곡선을 미분한 DTG 곡선도 함께 사용합니다.

TG는 전체 질량감소량을 확인하기 좋고, DTG는 여러 열분해 반응이 어느 온도에서 일어나는지를 구분하는 데 도움이 됩니다.

콘크리트에서는 왜 질량이 감소할까

시멘트 페이스트에는 여러 종류의 수화생성물과 수분이 존재합니다.

온도가 올라가면 이들 성분이 서로 다른 온도영역에서 물이나 이산화탄소를 방출합니다.

대표적인 반응은 다음과 같습니다.

• 낮은 온도 영역: 자유수와 일부 흡착수의 제거
• 약 50~200℃ 부근: C-S-H, 에트린가이트, AFm 계열 등 여러 수화물의 탈수반응이 중첩
• 약 400~500℃: 수산화칼슘의 탈수산화
• 약 600~800℃ 부근: 탄산칼슘의 탈탄산

다만 실제 분해온도는 가열속도, 시료량, 분위기 가스, 결정성, 탄산칼슘의 형태 등에 따라 이동할 수 있습니다. 따라서 특정 온도를 절대적인 경계로 사용하기보다는 TG와 DTG 곡선을 함께 해석해야 합니다.

낮은 온도 영역에서는 무엇을 볼 수 있을까

대략 105℃ 이하에서는 주로 시료에 남아 있는 자유수와 쉽게 제거되는 수분이 감소합니다.

그보다 높은 온도영역에서는 C-S-H와 에트린가이트, AFm 계열 수화물 등에 포함된 결합수가 빠져나오기 시작합니다.

하지만 이 영역에서는 여러 수화물의 탈수반응이 서로 겹치기 때문에 특정 온도 구간의 질량감소량을 하나의 수화생성물 함량으로 바로 해석하기 어렵습니다.

특히 C-S-H는 구조가 복잡하고 결정성이 낮아 넓은 온도범위에 걸쳐 수분을 방출할 수 있습니다.

따라서 저온 영역은 개별 광물을 정확히 분리한다기보다 결합수량과 전체적인 수화생성물 변화를 파악하는 데 더 유용합니다.

수산화칼슘은 어떻게 분석할까

포틀랜다이트라고도 불리는 수산화칼슘 Ca(OH)₂는 포틀랜드 시멘트 수화과정에서 생성되는 대표적인 결정성 수화생성물입니다.

TGA에서는 일반적으로 약 400~500℃ 영역에서 수산화칼슘이 다음과 같이 분해됩니다.

수산화칼슘 → 산화칼슘 + 물

이때 방출되는 물 때문에 시료의 질량이 감소합니다.

이 질량 감소량과 분자량 관계를 이용하면 시료에 포함된 수산화칼슘량을 계산할 수 있습니다.

따라서 서로 다른 재령의 시료를 비교하면 수화반응에 따른 수산화칼슘 생성 변화를 추적할 수 있습니다.

수산화칼슘량이 많으면 수화도가 높다는 뜻일까

단순하게 그렇게 판단하면 안 됩니다.

보통 포틀랜드 시멘트만 사용한 경우에는 수화가 진행되면서 수산화칼슘이 증가하는 경향이 나타날 수 있습니다.

하지만 플라이애시, 메타카올린, 실리카흄과 같은 포졸란계 혼화재가 사용되면 상황이 달라집니다.

이러한 재료는 수화과정에서 생성된 수산화칼슘을 다시 소비하면서 추가적인 C-S-H 계열 수화물을 만들 수 있습니다.

따라서 수산화칼슘이 적다고 해서 반드시 수화가 덜 되었다고 볼 수 없습니다. 혼합결합재에서는 희석효과와 포졸란 반응이 함께 작용하기 때문에 수산화칼슘량은 배합과 재령을 함께 고려해 해석해야 합니다.

TGA로 수화도는 어떻게 평가할까

시멘트의 수화도는 최초 시멘트 가운데 얼마나 많은 부분이 수화반응에 참여했는지를 나타내는 개념입니다.

TGA에서는 일반적으로 화학적으로 결합된 물의 양을 이용해 수화 진행 정도를 간접적으로 평가할 수 있습니다.

수화반응이 진행될수록 C-S-H와 수산화칼슘, 에트린가이트 등 여러 수화물이 생성되고 이들에 포함된 결합수도 증가합니다.

따라서 일정 온도 범위의 질량 감소에서 자유수와 탄산염 분해 등 다른 요인을 보정한 뒤 결합수량을 계산하면 수화 정도를 추정할 수 있습니다.

다만 정확한 수화도 계산에는 사용한 시멘트의 조성, 비정질 성분, 혼화재, 탄산화 정도가 영향을 줍니다.

그래서 정밀한 연구에서는 TGA만으로 수화도를 판단하기보다 XRD-리트벨트 분석과 함께 미반응 클링커량을 확인하는 방식을 병행하기도 합니다.

탄산화는 어떤 반응일까

콘크리트의 탄산화는 대기 중 이산화탄소가 콘크리트 내부로 침투하면서 칼슘계 수화물과 반응하는 현상입니다.

대표적으로 수산화칼슘은 이산화탄소와 반응해 탄산칼슘을 생성합니다.

수산화칼슘 + 이산화탄소 → 탄산칼슘 + 물

탄산화가 진행되면 콘크리트의 높은 알칼리성이 점차 낮아집니다.

철근 위치까지 충분히 탄산화가 진행되면 철근을 보호하던 부동태 상태가 불안정해질 수 있으며, 수분과 산소가 존재하는 조건에서는 철근 부식 위험이 증가할 수 있습니다.

TGA로 탄산화를 어떻게 확인할까

탄산화 과정에서 만들어진 탄산칼슘은 높은 온도에서 분해됩니다.

대표적으로 안정한 방해석은 대체로 600~800℃ 전후의 영역에서 다음과 같이 분해됩니다.

탄산칼슘 → 산화칼슘 + 이산화탄소

이때 방출되는 이산화탄소 때문에 시료의 질량이 감소합니다.

질량 감소량과 탄산칼슘·이산화탄소의 분자량 관계를 이용하면 탄산칼슘 함량을 추정할 수 있습니다.

따라서 노출표면과 내부에서 깊이별로 시료를 채취해 탄산염 함량을 비교하면 탄산화 진행상태를 분석하는 데 활용할 수 있습니다.

탄산칼슘은 모두 같은 온도에서 분해될까

그렇지 않습니다.

콘크리트 탄산화 과정에서는 안정한 방해석뿐 아니라 바테라이트, 아라고나이트, 비정질 탄산칼슘 등 서로 다른 형태의 탄산염이 생성될 수 있습니다.

또 C-S-H가 탄산화되면서 만들어지는 탄산염은 비교적 낮은 온도에서 분해될 수도 있습니다.

최근 연구에서도 탄산화 시멘트계 재료에서 탄산염 분해가 약 300~800℃ 이상의 넓은 영역에 걸쳐 나타날 수 있으며, 탄산염의 결정구조와 주변 화학환경에 따라 분해거동이 달라질 수 있음이 보고되고 있습니다.

따라서 단순히 600~800℃ 질량감소만 모두 탄산칼슘이라고 계산하면 일부 탄산화 생성물을 놓칠 가능성이 있습니다.

탄산화 정도를 TGA 하나만으로 판단하기 어려운 이유

TGA는 탄산염 분석에 매우 유용하지만 몇 가지 주의해야 할 점이 있습니다.

가장 대표적인 문제가 원래 재료에 들어 있던 탄산칼슘과 탄산화로 새로 생성된 탄산칼슘의 구분입니다.

시멘트에 석회석 미분말이 포함되어 있거나 콘크리트에 석회암 골재가 사용됐다면 처음부터 많은 탄산칼슘이 존재할 수 있습니다.

이 탄산칼슘도 TGA에서는 가열하면 이산화탄소를 방출합니다.

따라서 탄산칼슘이 많이 측정됐다는 이유만으로 모두 대기 중 이산화탄소에 의해 탄산화된 것이라고 판단하면 안 됩니다.

콘크리트보다 시멘트 페이스트 분석이 쉬운 이유

실제 콘크리트는 시멘트 페이스트뿐 아니라 잔골재와 굵은골재를 포함합니다.

골재 중에는 석영이나 장석뿐 아니라 탄산칼슘을 주성분으로 하는 석회암이 포함될 수도 있습니다.

석회암 골재가 포함된 콘크리트를 그대로 분쇄해 TGA로 분석하면 골재에서 나온 탄산칼슘과 시멘트 페이스트의 탄산화로 형성된 탄산칼슘을 구분하기 어려워집니다.

따라서 수화와 탄산화를 정밀하게 연구하려면 가능한 경우 시멘트 페이스트 부분을 선별하거나 골재 영향을 별도로 보정해야 합니다.

TG 곡선과 DTG 곡선은 왜 함께 봐야 할까

TG 곡선은 온도가 올라갈수록 시료의 전체 질량이 어떻게 감소하는지를 보여줍니다.

하지만 여러 반응이 가까운 온도에서 발생하면 TG 곡선만으로 각각을 구분하기 어려울 수 있습니다.

DTG 곡선은 질량 감소 속도를 나타내기 때문에 특정 반응이 가장 활발하게 일어나는 온도에서 피크가 나타납니다.

따라서 다음과 같은 방식으로 두 그래프를 함께 해석하는 것이 좋습니다.

TG 곡선 → 전체 질량감소량 확인

DTG 곡선 → 각 열분해 반응의 온도영역 구분

특히 수산화칼슘과 탄산염 정량에서는 DTG 피크를 이용하면 질량감소 구간을 설정하는 데 도움이 됩니다.

시료 준비가 결과를 바꿀 수 있다

TGA는 시료량이 매우 적기 때문에 시료 준비가 특히 중요합니다.

콘크리트 전체에서 작은 시료 하나만 채취하면 해당 위치의 특성만 반영될 수 있습니다.

따라서 구조물 상태를 평가할 때는 분석 목적에 맞게 채취위치를 선정해야 합니다.

탄산화를 조사한다면 표면에서 일정 깊이별로 시료를 채취하는 방법이 유용합니다.

또 시료를 분쇄한 뒤 장시간 공기 중에 노출하면 분석 전에 추가 탄산화가 발생할 수 있습니다.

따라서 채취와 보관, 수화정지, 건조, 분쇄방법을 일정하게 관리해야 시료 간 결과를 비교할 수 있습니다.

분석 조건도 결과에 영향을 준다

TGA 결과는 재료 자체의 특성뿐 아니라 시험조건에 따라서도 달라질 수 있습니다.

대표적인 영향요인은 다음과 같습니다.

• 가열속도
• 시료량
• 분말 입도
• 질소 또는 공기와 같은 분위기 가스
• 시료팬의 종류
• 최고 가열온도
• 시료의 사전 건조방법

가열속도가 달라지면 DTG 피크의 위치가 이동할 수 있고, 시료량이 지나치게 많으면 온도 균일성이 떨어질 수도 있습니다.

따라서 서로 다른 시료를 비교할 때는 가능한 한 동일한 시험조건을 적용해야 합니다.

XRD와 TGA를 함께 사용하면 좋은 이유

XRD와 TGA는 서로 다른 정보를 제공합니다.

XRD는 결정구조를 이용해 어떤 결정상이 존재하는지 확인하는 데 강합니다.

TGA는 특정 수화물이나 탄산염이 열분해하면서 발생하는 질량변화를 이용합니다.

예를 들어 XRD에서 수산화칼슘 피크를 확인하고 TGA에서 400~500℃ 영역의 탈수산화 질량감소를 함께 분석하면 결과의 신뢰도를 높일 수 있습니다.

실제로 수화 시멘트의 상조성을 평가하는 연구에서는 정량 XRD와 TGA를 결합해 사용하는 방법이 활용됩니다.

포졸란 반응 평가에도 활용할 수 있다

플라이애시, 실리카흄, 메타카올린 등 포졸란성 재료는 시멘트 수화로 생성된 수산화칼슘과 반응합니다.

따라서 기준 시멘트 페이스트와 혼화재를 사용한 시료의 수산화칼슘 함량을 비교하면 포졸란 반응을 평가하는 데 도움을 받을 수 있습니다.

하지만 수산화칼슘 감소량에는 단순한 시멘트량 감소에 따른 희석효과도 포함될 수 있습니다.

따라서 포졸란 반응성을 판단할 때는 단순히 수산화칼슘량만 비교하지 말고 결합재량과 재령, 배합조건을 함께 고려해야 합니다.

현장 탄산화 깊이 시험과 TGA의 차이

실제 구조물에서 탄산화 깊이를 빠르게 확인할 때는 페놀프탈레인 용액을 이용한 방법이 널리 사용됩니다.

이 방법은 콘크리트 파단면의 pH 변화를 이용해 탄산화된 영역을 현장에서 비교적 쉽게 확인할 수 있다는 장점이 있습니다.

반면 TGA는 채취한 시료의 탄산염과 수화물 함량을 분석해 화학조성 변화를 보다 정밀하게 평가하는 실험실 분석법입니다.

따라서 두 방법은 목적이 다릅니다.

현장시험으로 탄산화 깊이를 파악하고 필요한 구간의 시료를 채취해 TGA와 XRD 등의 정밀분석을 실시하는 방식이 효과적입니다.

TGA만으로 구조물 안전성을 판단할 수 있을까

TGA는 구조물의 화학적 상태를 평가하는 분석기술이지 구조적 안전성을 직접 판정하는 시험은 아닙니다.

TGA 결과에서 탄산화가 확인됐다고 해서 바로 구조물이 위험하다는 의미도 아니며, 반대로 탄산화가 적다고 해서 모든 구조적 문제가 없다는 의미도 아닙니다.

실제 안전성과 내구성을 평가하려면 필요에 따라 다음 자료를 함께 검토해야 합니다.

• 탄산화 깊이
• 철근 피복두께
• 철근 부식상태
• 염화물 함량
• 균열과 박리
• 콘크리트 강도
• 구조물 환경조건

TGA는 이 가운데 재료의 화학적 변화에 대한 근거를 제공하는 분석방법이라고 이해하는 것이 정확합니다.

TGA 분석 결과의 대표성이 중요한 이유

TGA 분석에는 일반적으로 소량의 시료가 사용됩니다.

이 점은 높은 정밀도를 확보하는 데 유리하지만 실제 구조물 전체를 대표하는 데에는 한계가 있습니다.

예를 들어 한쪽 벽은 빗물과 이산화탄소에 많이 노출되고 반대쪽은 실내에 위치해 있다면 탄산화 상태가 크게 다를 수 있습니다.

따라서 구조물을 평가하려면 손상이 의심되는 위치뿐 아니라 비교할 수 있는 정상 위치에서도 시료를 채취하는 것이 좋습니다.

깊이별 시료를 분석하면 표면에서 내부 방향으로 탄산화 생성물이 어떻게 변화하는지도 비교할 수 있습니다.

열중량분석의 주요 장점

TGA의 장점은 적은 양의 시료로 수화물과 탄산염의 열분해 거동을 정량적으로 분석할 수 있다는 점입니다.

대표적인 활용 분야는 다음과 같습니다.

• 수산화칼슘 함량 분석
• 결합수량 평가
• 시멘트 수화 진행 평가
• 포졸란 반응 분석
• 탄산칼슘 함량 분석
• 탄산화 연구
• 혼합결합재 반응성 비교
• XRD 분석결과의 보완

특히 XRD와 조합하면 결정상 정보와 열분해 정보를 함께 확보할 수 있다는 장점이 있습니다.

열중량분석의 한계

TGA 역시 모든 수화생성물을 완벽하게 분리하는 방법은 아닙니다.

낮은 온도 영역에서는 C-S-H와 에트린가이트, AFm 등 여러 수화물의 탈수반응이 겹칠 수 있습니다.

탄산화 시료에서도 일부 탄산염의 분해와 수산화칼슘 탈수산화 영역이 부분적으로 중첩될 수 있습니다. 탄산화된 시멘트계 재료에서는 특히 약 450~600℃ 영역의 반응을 분리하는 것이 쉽지 않다는 연구결과도 있습니다.

따라서 정밀한 정량분석에서는 XRD, FTIR 또는 질량분석기와 결합한 TG-MS 등 보완적인 분석법을 활용할 수 있습니다. 2026년 연구에서도 다양한 탄산염을 구분하고 정량하기 위해 TG와 질량분석을 결합하는 방법이 제시됐습니다.

마무리

열중량분석은 콘크리트와 시멘트계 재료를 일정한 속도로 가열하면서 발생하는 질량 감소를 이용해 내부의 수화물과 탄산염 상태를 분석하는 기술입니다.

특히 약 400~500℃ 영역에서 나타나는 수산화칼슘의 탈수산화와 높은 온도영역에서 나타나는 탄산칼슘의 탈탄산 반응은 시멘트 수화와 탄산화 연구에서 중요한 정보를 제공합니다.

하지만 수산화칼슘 함량 하나만으로 수화도를 단정하거나, 탄산칼슘 함량을 모두 탄산화 결과로 해석해서는 안 됩니다.

혼화재의 포졸란 반응과 석회석 혼입, 골재 종류, 시료 준비 및 시험조건이 결과에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

따라서 TGA는 XRD와 탄산화 깊이 조사, 재료분석 등을 함께 활용할 때 더욱 신뢰도 높은 정보를 제공할 수 있습니다.