저자장 핵자기공명(LF-NMR)으로 시멘트 페이스트의 공극수와 수화 진행을 분석하는 원리

시멘트에 물을 넣으면 수화반응이 시작되면서 물의 상태도 계속 달라집니다. 처음에는 시멘트 입자 사이를 채우고 있던 비교적 자유로운 물이 많지만, 시간이 지나면 일부는 수화반응에 소비되고 일부는 새롭게 만들어진 C-S-H와 미세공극 안에 구속됩니다.

따라서 시멘트 수화를 이해하려면 단순히 “물이 얼마나 남았는가”뿐 아니라 그 물이 어느 크기의 공극에 있고 얼마나 자유롭게 움직일 수 있는가를 함께 봐야 합니다.

이때 활용되는 기술이 저자장 핵자기공명(Low-Field Nuclear Magnetic Resonance, LF-NMR)입니다.

LF-NMR은 수소 원자핵의 자기적 거동을 이용해 시멘트계 재료 내부의 수분상태와 공극수 분포 변화를 비파괴적으로 추적하는 기술입니다. 최근 2026년 연구에서는 LF-NMR 신호를 이용해 시멘트 수화 중 공극수 체적이 시간에 따라 비선형적으로 감소하는 과정을 정량화하는 방법도 제안됐습니다.

저자장 핵자기공명은 어떤 원리일까

물에는 수소 원자핵이 많이 포함되어 있습니다.

수소 원자핵은 작은 자석처럼 행동하기 때문에 외부 자기장 안에 놓이면 특정한 방향으로 정렬하려는 성질을 보입니다.

여기에 고주파 신호를 가하면 수소 원자핵의 자화상태가 변하고, 신호를 끈 뒤에는 다시 원래 상태로 돌아갑니다.

LF-NMR 장비는 이때 원자핵이 원래 상태로 돌아가는 속도를 측정합니다.

이를 이완시간(Relaxation Time)이라고 합니다.

시멘트계 재료에서는 특히 수분 속 수소핵의 이완특성이 공극 크기와 표면과의 상호작용, 물의 이동성에 영향을 받기 때문에 내부 수분상태를 분석할 수 있습니다.

T1과 T2는 무엇인가

NMR에서는 대표적으로 두 종류의 이완시간을 사용합니다.

T1은 종방향 자화가 회복되는 시간을 나타냅니다.

T2는 서로 위상이 맞았던 수소핵 신호가 점차 흐트러지는 시간을 나타냅니다.

시멘트계 재료의 저자장 NMR 연구에서는 T2 분포가 자주 사용됩니다.

공극 안의 물이 넓은 공간에서 비교적 자유롭게 움직이면 이완시간이 상대적으로 길게 나타날 수 있습니다.

반대로 매우 작은 공극이나 수화물 표면 가까이에 구속된 물은 표면과 더 자주 상호작용하기 때문에 짧은 T2를 나타내는 경향이 있습니다.

왜 공극 크기와 T2가 연결될까

공극 속 물 분자는 계속 움직입니다.

큰 공극에서는 물이 고체 표면과 충돌하는 빈도가 상대적으로 낮습니다.

반대로 작은 공극에서는 물 분자가 벽면에 더 자주 접근합니다.

고체 표면과의 상호작용은 NMR 신호의 이완을 빠르게 만들 수 있습니다.

그래서 일정한 가정 아래에서는 T2가 짧을수록 작은 공극에 있는 수분, T2가 길수록 상대적으로 큰 공극에 있는 수분으로 해석할 수 있습니다.

다만 이것을 단순히

T2 값 = 공극 직경

으로 바로 바꾸면 안 됩니다.

표면 이완도와 광물조성, 자성 불순물 등의 영향을 함께 고려해야 합니다. 최근 LF-NMR 리뷰도 시멘트계 재료에서 이완시간과 공극구조를 연결하려면 표면 이완특성에 대한 보정과 주의가 필요하다고 강조합니다.

시멘트에 물을 넣은 직후에는 어떤 신호가 나타날까

혼합 직후에는 시멘트 입자 사이 공간을 많은 물이 채우고 있습니다.

이때 상당한 양의 수분은 비교적 큰 모세관 공간에 존재합니다.

따라서 NMR에서는 상대적으로 이동성이 높은 공극수 신호가 크게 나타날 수 있습니다.

수화가 시작되면 일부 물은 화학반응에 소비되고 일부는 점점 좁아지는 공극 속으로 이동합니다.

기존 LF-NMR 연구에서도 수화 초기에는 물이 주로 모세관 공간에 존재하다가 시간이 지나면서 더 작은 공극과 젤 공극 쪽으로 분포가 이동하는 것으로 관찰됐습니다.

수화가 진행되면 T2 분포는 어떻게 변할까

수화가 진행되면 C-S-H와 다른 수화생성물이 만들어집니다.

이 수화생성물은 시멘트 입자 사이 공간을 채우고 공극구조를 더 미세하게 만듭니다.

그 결과 자유롭게 움직이던 공극수가 줄어들고, 남아 있는 물도 더 작은 공간에 구속되는 경우가 많아집니다.

2023년 광물혼화재 시멘트 연구에서는 초기 수화 0~7일 동안 T2 분포가 전반적으로 더 짧은 이완시간 방향으로 이동했고, 이는 물이 더 작은 공극과 강한 구속상태에 분포하는 과정과 관련된 것으로 해석됐습니다.

T2 피크가 왼쪽으로 이동한다는 것은 무엇일까

T2 그래프에서 가로축의 짧은 시간 방향으로 피크가 이동한다면 물 분자의 이동성이 감소하고 있음을 의미할 수 있습니다.

시멘트 페이스트에서는 일반적으로 수화생성물이 증가하고 공극이 세분화되면서 물이 더 강하게 구속되는 방향으로 해석할 수 있습니다.

하지만 피크가 왼쪽으로 이동했다고 무조건 “강도가 증가했다”고 단정할 수는 없습니다.

NMR은 수분의 물리적 상태를 측정하는 기술이고 강도는 공극률, 수화물 연결성, 균열과 미세구조 등 여러 요소에 영향을 받기 때문입니다.

피크 면적은 무엇을 의미할까

NMR 스펙트럼의 신호세기나 적분 면적은 측정 가능한 수소핵의 양과 관련됩니다.

따라서 동일한 시험조건이라면 특정 공극수 상태에 존재하는 수분량의 상대적인 변화를 파악할 수 있습니다.

수화가 진행되면서 증발 가능한 물이 줄어들면 전체 수분 관련 신호도 변화합니다.

2013년 연구에서는 저자장 NMR을 이용해 서로 다른 물-시멘트비의 시멘트 페이스트에서 수화 중 수분량과 분포 변화를 추적했고, 자유도가 높은 물이 감소하면서 물의 상태가 지속적으로 변화하는 현상을 관찰했습니다.

자유수와 결합수는 NMR에서 어떻게 다를까

시멘트 내부의 물을 단순히 두 종류로 완전히 나누는 것은 어렵지만 개념적으로는 구분할 수 있습니다.

모세관 안에서 상대적으로 자유롭게 움직이는 물은 긴 이완특성을 보이는 경향이 있습니다.

반대로 수화물 표면 가까이에서 물리적으로 구속된 물은 더 짧은 이완특성을 보일 수 있습니다.

화학적으로 수화생성물 구조에 들어간 물은 이동성이 매우 낮아 일반적인 저자장 NMR 조건에서 공극수와 다르게 나타날 수 있습니다.

그래서 LF-NMR은 특히 증발 가능한 물과 물리적으로 구속된 수분의 변화를 추적하는 데 강점이 있습니다.

LF-NMR로 수화도를 계산할 수 있을까

조건에 따라 추정할 수 있습니다.

수화가 진행되면 자유수의 양이 감소하고 수화생성물에 관련된 물의 비율이 증가합니다.

따라서 초기 물량과 시간에 따른 NMR 신호 변화를 이용하면 수화 진행 정도를 추정하는 모델을 만들 수 있습니다.

2019년 연구에서는 저자장 NMR로 초기 수화 중 증발 가능한 물을 측정하고 이를 이용해 수화도와 gel/space ratio를 계산했습니다.

또 2026년에는 NMR 신호와 시료 체적을 이용해 수화과정의 공극수 체적을 정량적으로 계산하는 새로운 방법이 제안됐습니다.

하지만 NMR 신호만으로 모든 시멘트에 동일하게 적용되는 절대적인 수화도를 바로 얻을 수 있다고 보면 안 됩니다.

물-시멘트비가 다르면 NMR 결과도 달라질까

크게 달라질 수 있습니다.

물-시멘트비가 높으면 초기 모세관 공간과 자유수의 양이 많습니다.

따라서 수화가 어느 정도 진행된 뒤에도 비교적 큰 공극에 남아 있는 물이 더 많을 수 있습니다.

반대로 낮은 물-시멘트비에서는 물이 빠르게 소비되고 자기건조가 진행되면서 공극수 상태가 더 빨리 변할 수 있습니다.

기존 연구에서는 물-시멘트비 0.3, 0.4, 0.5의 시멘트 페이스트가 수화하면서 모세관수 감소속도에 상당한 차이를 보였습니다.

저물-결합재비 콘크리트에서는 왜 특히 유용할까

저물-결합재비의 고성능 콘크리트에서는 외부로 물이 빠져나가지 않더라도 시멘트 수화가 내부 물을 소비하면서 내부 상대습도가 낮아질 수 있습니다.

이를 자기건조라고 합니다.

이 과정에서는 모세관수의 감소와 젤 공극 내 수분의 상태변화가 중요합니다.

LF-NMR은 시료를 반복적으로 파괴하지 않고 수분상태를 추적할 수 있기 때문에 이러한 내부 수분변화를 연구하는 데 유용합니다.

다만 내부 상대습도를 직접 측정하는 센서와 LF-NMR은 측정하는 물리량이 다르므로 동일한 시험으로 취급해서는 안 됩니다.

수화 중 공극구조 변화도 볼 수 있을까

가능합니다.

T2 분포가 공극수와 고체 표면 사이 상호작용에 영향을 받기 때문에 시간에 따른 T2 변화를 이용해 공극구조의 상대적인 변화를 추적할 수 있습니다.

예를 들어 큰 공극에 존재하는 물 신호가 감소하고 짧은 T2 영역의 신호가 증가한다면 수화과정에서 공극구조가 더 미세해지는 방향으로 변화하고 있음을 시사할 수 있습니다.

2020년 연구에서는 LF-NMR을 이용해 블리딩이 서로 다른 시멘트 페이스트의 높이 방향 공극률과 공극구조 발달을 조사했습니다.

NMR로 측정한 공극분포가 MIP와 같은 것일까

같지 않습니다.

MIP는 압력을 이용해 수은을 공극 안으로 침투시키고 공극 입구 크기를 계산합니다.

LF-NMR은 공극 속 물 분자의 이완특성을 이용해 수분이 어떤 구속환경에 있는지 분석합니다.

따라서

MIP → 수은 침입과 공극 목 크기 중심

LF-NMR → 공극수의 이동성과 수분이 존재하는 환경 중심

이라고 구분하는 것이 좋습니다.

특히 LF-NMR은 시료를 고압 수은에 노출시키지 않고 동일한 시료를 반복 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.

반면 실제 공극 크기로 환산하려면 표면 이완계수 등에 대한 가정이 필요합니다.

NMR은 시료를 파괴하지 않을까

저자장 NMR의 큰 장점 가운데 하나가 비파괴·비침습 측정입니다.

시료를 장비에 넣고 반복적으로 수분 신호를 측정할 수 있기 때문에 동일한 페이스트의 수화진행을 시간순으로 관찰할 수 있습니다.

2021년 증기양생 연구에서도 LF-NMR을 비파괴적으로 반복 사용해 수분상태와 수화속도를 추적했습니다.

이는 일정 재령마다 새로운 시료를 파괴해야 하는 일부 분석법과 큰 차이가 있습니다.

시멘트 수화 중 같은 시료를 계속 측정할 수 있다는 장점

시멘트 수화는 시간에 따라 계속 변합니다.

1시간 시료와 6시간 시료를 각각 따로 만들면 두 시료 사이에 미세한 배합이나 공극 차이가 존재할 수 있습니다.

LF-NMR에서는 하나의 시료를 여러 시간대에 반복 측정할 수 있습니다.

따라서

혼합 직후 → 수시간 후 → 1일 → 수일 후

와 같이 같은 시료의 변화를 추적하기에 좋습니다.

이러한 시간연속성이 LF-NMR의 가장 큰 장점 가운데 하나입니다.

증기양생 콘크리트 연구에도 사용할 수 있을까

가능합니다.

증기양생에서는 높은 온도로 시멘트 수화가 빠르게 진행됩니다.

이 과정에서 자유수 감소와 미세공극 형성속도도 일반 양생과 달라질 수 있습니다.

2021년 연구에서는 증기양생 중 시멘트 페이스트의 자유수 변화와 수화 kinetics를 LF-NMR로 분석했으며, T2가 수화과정에서 크게 감소하고 수분이 더 작은 공극환경으로 이동하는 특성이 관찰됐습니다.

따라서 프리캐스트 콘크리트처럼 증기양생을 사용하는 재료의 초기 수화분석에도 활용할 수 있습니다.

광물혼화재의 효과도 비교할 수 있을까

가능합니다.

플라이애시와 슬래그, 실리카흄을 넣으면 시멘트 수화와 공극구조 발달속도가 달라집니다.

LF-NMR을 사용하면 서로 다른 배합에서 T2 분포와 수분량이 시간에 따라 어떻게 달라지는지를 비교할 수 있습니다.

2023년 연구에서는 플라이애시와 실리카흄, 슬래그를 사용한 시멘트계 재료의 0~7일 초기 수화를 LF-NMR로 분석하고 공극률 및 역학성능과 비교했습니다.

다만 혼화재 종류별로 물과 표면의 상호작용도 달라질 수 있어 T2를 단순하게 공극크기로만 해석해서는 안 됩니다.

촉진제 효과도 볼 수 있을까

볼 수 있습니다.

촉진제는 수화 유도기를 단축시키고 반응을 빠르게 진행시킬 수 있습니다.

2023년 연구에서는 질산칼슘을 넣은 시멘트 페이스트와 기준 시료를 저자장 NMR로 비교한 결과, 촉진제가 유도기를 단축시키고 모세관공극의 표면적 변화속도에도 영향을 주는 현상을 확인했습니다.

따라서 LF-NMR은 단순히 공극을 측정하는 장비를 넘어 혼화제가 수화와 수분상태에 미치는 영향을 시간에 따라 분석하는 도구로 활용할 수 있습니다.

고성능 감수제도 영향을 줄까

고성능 감수제는 시멘트 입자의 분산상태와 수화속도에 영향을 줄 수 있습니다.

일부 PCE계 감수제는 시멘트 표면에 흡착하면서 초기 수화가 지연되는 현상을 나타낼 수 있습니다.

2026년 탄소계 시멘트 연구에서도 초유동화제 사용량에 따른 수화지연과 공극구조 세분화가 LF-NMR로 관찰됐습니다.

따라서 동일한 물-결합재비라도 혼화제 종류와 사용량이 달라지면 NMR 수분분포와 이완시간이 달라질 수 있습니다.

탄산화 과정도 NMR로 볼 수 있을까

최근에는 이러한 연구도 진행되고 있습니다.

탄산화가 진행되면 C-S-H와 기타 수화물이 변화하면서 물이 소비되거나 다시 방출될 수 있고 공극구조도 달라질 수 있습니다.

2025년 탄산화 혼합 시멘트 연구에서는 LF-NMR을 이용해 탄산화 과정에서 수분 신호와 T2 분포의 동적인 변화를 관찰했습니다. 연구에서는 탄산화 혼합이 초기 수화에 영향을 주고 공극구조 변화도 유발할 수 있음을 보고했습니다.

즉 LF-NMR은 수화뿐 아니라 화학반응에 따른 수분 재분배를 추적하는 데도 활용될 수 있습니다.

백색시멘트를 사용하는 연구가 있는 이유

일반 포틀랜드 시멘트에는 철과 같은 상자성 성분이 포함될 수 있습니다.

이러한 성분은 국부적인 자기장 불균일을 만들어 NMR 신호의 T2를 빠르게 감소시키거나 피크를 넓힐 수 있습니다.

2020년 연구에서는 이러한 영향을 줄이기 위해 철 함량이 낮은 백색시멘트를 사용해 나노재료가 수화와 수분이동에 미치는 영향을 분석했습니다.

따라서 LF-NMR 결과를 비교할 때는 시멘트 종류와 자성 불순물 함량도 고려해야 합니다.

자성 불순물이 왜 문제가 될까

NMR은 자기장을 이용하는 기술입니다.

시료 속에 상자성 이온이 많으면 주변 자기장이 균일하지 않게 되고 수소핵의 신호가 빠르게 사라질 수 있습니다.

그 결과 실제 공극구조 변화와 자성 성분의 영향을 구분하기 어려워질 수 있습니다.

따라서 서로 다른 시멘트의 T2 값을 단순하게 비교하면 오류가 발생할 수 있습니다.

이것이 LF-NMR에서 장비조건뿐 아니라 시멘트의 화학조성 자체도 중요한 이유입니다.

온도가 달라지면 결과도 달라질까

그렇습니다.

물 분자의 운동성은 온도에 영향을 받습니다.

또 시멘트 수화속도 자체도 온도에 따라 달라집니다.

따라서 서로 다른 시료를 비교할 때는 측정온도를 동일하게 관리해야 합니다.

특히 고온증기양생 시료와 일반양생 시료를 비교할 경우 NMR 측정 시점과 시료온도를 표준화하지 않으면 단순 비교하기 어렵습니다.

시료가 마르면 NMR 신호도 달라질까

당연히 달라집니다.

LF-NMR은 주로 수분 속 수소핵 신호를 측정하기 때문에 건조가 진행되면 측정 가능한 수분량이 감소합니다.

또 남아 있는 물이 더 작은 공극이나 표면 가까이에 집중되면서 이완시간 분포도 달라집니다.

따라서 건조한 시료와 포화시료의 T2 분포를 바로 비교할 때는 수분함량 차이를 함께 고려해야 합니다.

NMR로 실제 콘크리트 전체도 측정할 수 있을까

이론적으로 시멘트계 재료에 활용할 수 있지만 실험에서는 페이스트나 모르타르, 작은 콘크리트 시료를 사용하는 경우가 많습니다.

굵은골재가 포함되면 시료가 불균질해지고 장비의 측정영역과 자성특성의 영향도 커질 수 있습니다.

따라서 LF-NMR은 대형 구조물 전체를 현장에서 스캔하는 일반적인 비파괴시험보다는 실험실에서 시멘트계 재료의 수분과 공극구조를 정밀하게 연구하는 기술로 이해하는 것이 적절합니다.

MRI와 NMR은 같은 것일까

기본 물리원리는 같습니다.

둘 다 원자핵의 자기공명 현상을 이용합니다.

하지만 일반적인 저자장 NMR relaxometry는 시료의 전체 신호와 T1·T2 이완시간을 분석하는 데 초점을 둡니다.

MRI는 자기장 구배를 이용해 신호가 발생하는 위치까지 영상으로 만드는 기술입니다.

따라서

LF-NMR → 수분상태와 이완분포 분석

MRI → 수분의 공간적 위치를 영상화

라고 이해하면 쉽습니다.

MIP와 X-ray CT, LF-NMR을 함께 쓰면 좋은 이유

각 시험은 서로 다른 정보를 제공합니다.

MIP는 연결된 공극의 공극목 크기 분포에 강점이 있습니다.

X-ray CT는 해상도 이상 크기의 공극과 균열을 3차원 영상으로 볼 수 있습니다.

LF-NMR은 공극 안에 실제로 존재하는 물이 얼마나 자유롭고 어디에 구속돼 있는지를 보여줍니다.

따라서

MIP → 공극 입구

X-ray CT → 3차원 공극·균열 형상

LF-NMR → 공극수 상태

를 함께 사용하면 콘크리트 공극구조를 훨씬 입체적으로 해석할 수 있습니다.

등온열량계와 LF-NMR은 무엇이 다를까

앞서 다룬 등온열량계와도 목적이 다릅니다.

등온열량계는 수화반응에서 발생하는 열을 측정합니다.

LF-NMR은 수화 과정에서 변화하는 물의 상태와 분포를 측정합니다.

따라서

등온열량계 → 반응속도와 발열

LF-NMR → 공극수량과 물의 구속상태

를 보는 기술입니다.

두 방법을 동시에 사용하면 수화반응이 빨라지는 시점에 공극수가 어떻게 감소하고 작은 공극으로 이동하는지 연결해서 분석할 수 있습니다.

XRD와 함께 사용하면 무엇을 알 수 있을까

LF-NMR만으로는 어떤 결정성 수화물이 만들어졌는지 정확하게 알기 어렵습니다.

반면 XRD는 포틀랜다이트와 에트린가이트 등 결정성 수화물을 확인할 수 있습니다.

따라서 같은 재령에서

NMR → 수분상태 변화

XRD → 결정상 변화

를 함께 분석하면 수화반응을 더 정확하게 해석할 수 있습니다.

TGA와도 보완관계가 있을까

있습니다.

TGA는 경화된 시료를 가열하면서 결합수와 포틀랜다이트, 탄산염 등의 질량변화를 분석합니다.

LF-NMR은 시료를 파괴하지 않고 수화 중 공극수 상태를 시간에 따라 반복 측정합니다.

따라서

LF-NMR → 살아있는 수화과정의 수분 변화

TGA → 특정 재령의 화학적 결합수와 상 변화

로 역할을 나눌 수 있습니다.

LF-NMR의 가장 큰 장점

가장 큰 장점은 수분 자체를 탐침으로 사용하면서 동일한 시료를 반복 측정할 수 있다는 점입니다.

시료를 말리거나 수은을 주입하지 않아도 공극수의 변화와 수화진행을 분석할 수 있습니다.

특히 초기재령에는 수분상태가 빠르게 변하기 때문에 시간별 변화를 계속 추적할 수 있다는 점이 매우 중요합니다.

또 최근에는 단순 상대비교에서 나아가 공극수량을 보다 정량적으로 계산하려는 분석기법도 발전하고 있습니다.

LF-NMR의 한계

LF-NMR 결과는 단순하지 않습니다.

T2는 공극 크기뿐 아니라 표면 이완도와 광물조성, 자성 불순물, 온도와 수분상태 등에 영향을 받습니다.

따라서 T2 피크 하나를 보고 특정 크기의 공극이라고 단정해서는 안 됩니다.

또 서로 다른 시멘트 종류에서는 표면특성이 달라 같은 공극크기라도 다른 이완시간을 나타낼 수 있습니다.

공극크기를 정량적으로 계산하려면 별도의 표면 이완계수나 보정모델이 필요할 수 있습니다.

마무리

저자장 핵자기공명은 시멘트계 재료 안의 물에 포함된 수소 원자핵의 이완특성을 측정해 공극수량과 수분 이동성, 공극환경의 변화를 추적하는 분석기술입니다.

시멘트 수화가 진행되면 자유롭게 움직이던 모세관수가 감소하고 수분은 더 작은 공극과 수화생성물 주변에 구속됩니다.

이 변화는 NMR에서

긴 T2 영역 감소 → 짧은 T2 영역으로 분포 이동 → 공극수량 감소 → 수화 및 공극구조 변화

와 같은 형태로 관찰될 수 있습니다.

특히 LF-NMR은 시료를 파괴하지 않고 동일한 시멘트 페이스트를 여러 재령에 걸쳐 반복 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.

하지만 T2를 공극 크기와 직접 동일시해서는 안 되며 시멘트 조성과 자성 불순물, 측정온도와 표면 이완특성을 함께 고려해야 합니다.

결국 LF-NMR은 “콘크리트 안에 물이 얼마나 있는가”만 보는 장비가 아니라, 그 물이 얼마나 자유로운지, 어떤 공극환경에 놓여 있으며 수화가 진행되면서 그 상태가 어떻게 변하는지를 읽는 기술입니다.