X선 컴퓨터단층촬영(X-ray CT)을 활용한 콘크리트 내부 균열의 3차원 분석

콘크리트 내부의 균열은 표면에서 보이는 모습만으로 전체 형태를 판단하기 어렵습니다. 표면에서는 짧은 균열처럼 보여도 내부에서는 여러 방향으로 갈라져 있거나, 골재 주변을 따라 우회하면서 훨씬 복잡한 형태로 성장할 수 있습니다.

기존의 절단면 관찰이나 주사전자현미경은 특정 단면을 정밀하게 확인하는 데 유용하지만, 시료를 절단해야 하거나 2차원 정보만 얻는다는 한계가 있습니다.

이때 활용되는 기술이 X선 컴퓨터단층촬영(X-ray Computed Tomography, X-ray CT)입니다.

X-ray CT는 서로 다른 각도에서 촬영한 X선 투과영상을 컴퓨터로 재구성해 시료 내부의 공극과 골재, 균열 등을 3차원으로 관찰하는 기술입니다. 특히 마이크로 CT는 시멘트계 재료 내부의 공극구조와 균열을 비파괴적으로 분석하고, 동일한 시료를 반복 촬영해 손상진행을 추적할 수 있다는 장점이 있습니다.

X-ray CT는 어떤 원리로 내부를 볼까

X선은 재료를 통과하면서 일부가 흡수되고 일부가 투과됩니다.

이때 투과되는 정도는 재료의 밀도와 두께, 원자조성 등에 따라 달라집니다.

CT 장비에서는 시료를 회전시키면서 여러 각도에서 많은 X선 투과영상을 촬영합니다.

각 영상에는 시료 내부의 밀도 차이에 따른 정보가 담겨 있습니다.

컴퓨터는 이 데이터를 재구성해 시료 내부를 얇은 단면 영상으로 만들고, 이 단면들을 쌓아 올려 3차원 구조를 생성합니다.

즉,

X선 조사 → 여러 각도의 투과영상 촬영 → 단면 재구성 → 3차원 영상 생성

의 과정으로 이해할 수 있습니다.

의료용 CT와 마이크로 CT는 무엇이 다를까

기본 원리는 비슷하지만 분석하려는 대상과 해상도가 다릅니다.

의료용 CT는 인체 전체처럼 비교적 큰 대상을 빠르게 촬영하는 데 초점이 맞춰져 있습니다.

반면 마이크로 CT는 작은 시료를 대상으로 더 높은 공간해상도를 확보하는 데 유리합니다.

시멘트계 재료에서는 수 마이크로미터 수준의 픽셀 크기로 내부구조를 관찰할 수 있는 경우가 많지만 실제 해상도는 장비, 시료 크기, 촬영조건에 따라 달라집니다.

왜 콘크리트 균열은 3차원으로 봐야 할까

균열은 평면적인 선이 아닙니다.

실제 콘크리트 내부에서는 골재와 시멘트 페이스트, 계면전이영역을 따라 복잡하게 굽어지고 분기하며 서로 연결됩니다.

하나의 2차원 절단면만 보면 균열이 짧고 단순해 보이더라도, 다른 깊이에서는 넓은 균열면으로 이어질 수 있습니다.

특히 건조수축, 자기수축, 동결융해처럼 미세균열이 여러 방향으로 분포하는 손상은 2차원 영상만으로 전체 네트워크를 해석하기 어렵습니다.

3차원 영상기법을 비교한 연구에서도 시멘트계 재료의 미세균열은 본질적으로 복잡하고 다중스케일의 3차원 구조이기 때문에 3D 분석의 필요성이 강조됩니다.

콘크리트에서는 어떤 부분이 CT 영상에 보일까

CT 영상은 내부의 밀도 차이에 의해 명암이 달라집니다.

일반적으로 공극이나 균열처럼 밀도가 낮은 영역은 골재나 시멘트 고체상과 다른 회색값으로 나타납니다.

이를 이용하면 다음과 같은 정보를 분석할 수 있습니다.

• 공극의 크기와 분포
• 공극의 연결성
• 골재의 위치와 형상
• 섬유의 배열
• 균열의 위치와 방향
• 균열의 연결상태
• 손상 전후의 미세구조 변화

X-ray CT는 시멘트계 재료에서 공극의 3차원 형상과 연결성뿐 아니라 균열과 열화 진행을 추적하는 데 폭넓게 사용되고 있습니다.

균열은 CT 영상에서 어떻게 찾을까

CT 촬영이 끝났다고 자동으로 균열이 완벽하게 분리되는 것은 아닙니다.

원래 영상에는 골재와 페이스트, 공극, 균열이 서로 다른 회색값으로 존재합니다.

이 가운데 분석대상만 분리하는 과정을 영상 분할 또는 세그멘테이션이라고 합니다.

가장 단순한 방법은 회색값 임계값을 정해 균열과 고체영역을 구분하는 것입니다.

하지만 콘크리트에서는 작은 균열과 공극의 회색값이 비슷하게 나타날 수 있고, 영상 잡음과 부분체적효과 때문에 경계가 흐려질 수 있습니다.

따라서 균열분석의 정확도는 촬영 자체만큼이나 영상처리 과정에 크게 좌우됩니다.

임계값 설정이 왜 중요할까

CT 영상에서 특정 회색값 이하를 공극이나 균열로 지정하면 3차원 균열망을 만들 수 있습니다.

문제는 임계값을 조금만 바꿔도 검출되는 균열량이 크게 달라질 수 있다는 점입니다.

임계값이 너무 낮으면 실제 균열 일부가 사라질 수 있고, 너무 높으면 영상 잡음이나 시멘트 페이스트의 어두운 영역까지 균열로 분류될 수 있습니다.

따라서 서로 다른 시료를 비교할 때는 동일하거나 검증된 분할기준을 사용해야 합니다.

마이크로 CT 연구에서도 위상구분을 위한 임계값 설정이 결과에 중요한 영향을 주는 핵심 단계로 지적됩니다.

해상도보다 작은 균열은 어떻게 될까

CT의 가장 중요한 한계 가운데 하나입니다.

장비의 해상도보다 작은 균열은 명확하게 보이지 않을 수 있습니다.

예를 들어 균열 폭이 매우 작아 하나의 복셀보다 훨씬 작다면 균열이 주변 고체와 평균화되어 영상에서 희미해질 수 있습니다.

따라서 CT 영상에 균열이 보이지 않는다고 해서 내부에 미세균열이 전혀 없다고 판단해서는 안 됩니다.

마이크로 CT는 측정 가능한 해상도보다 큰 구조에 강하며, 나노미터 수준의 젤 공극이나 매우 미세한 균열은 다른 분석법이 필요할 수 있습니다.

시료를 작게 만들면 해상도가 좋아지는 이유

일반적으로 마이크로 CT에서는 시료가 작을수록 더 높은 공간해상도를 확보하기 쉽습니다.

시료를 검출기 가까이 배치하고 확대배율을 높일 수 있기 때문입니다.

하지만 시료가 너무 작아지면 전체 콘크리트를 대표하기 어려워집니다.

콘크리트는 굵은골재와 모르타르, 계면전이영역이 함께 존재하는 불균질 재료이기 때문에 작은 시료 하나만 분석하면 골재 분포에 따라 결과가 크게 달라질 수 있습니다.

결국 해상도와 대표성 사이에는 항상 절충관계가 존재합니다.

균열 폭도 CT로 측정할 수 있을까

가능하지만 조건이 있습니다.

균열 폭이 CT의 공간해상도보다 충분히 크고 경계가 명확하면 각 위치의 균열 폭과 체적을 계산할 수 있습니다.

3차원 데이터에서는 균열의 면적, 체적, 방향성과 연결성도 분석할 수 있습니다.

최근 콘크리트 손상연구에서는 CT 영상에서 균열의 두께와 면적, 프랙탈 차원 등을 정량화하는 방법도 적용되고 있습니다.

하지만 매우 얇은 균열의 폭은 실제보다 두껍거나 얇게 계산될 수 있으므로 장비 해상도와 영상분할 조건을 함께 제시하는 것이 중요합니다.

균열의 연결성을 확인할 수 있다는 것이 왜 중요할까

같은 균열 체적을 가진 두 콘크리트라도 균열이 서로 분리되어 있는지, 하나의 연속된 통로로 연결되어 있는지에 따라 성능은 달라질 수 있습니다.

연결된 균열망은 물과 염화물 같은 외부 물질이 이동할 수 있는 빠른 경로가 될 수 있습니다.

X-ray CT는 이러한 균열의 공간적 연결성을 직접 3차원으로 확인할 수 있다는 점에서 2차원 현미경 관찰보다 큰 장점을 가집니다.

CT는 공극과 균열의 단순한 양뿐 아니라 형상과 공간분포, 연결성까지 분석할 수 있습니다.

골재 주변 균열도 확인할 수 있을까

콘크리트 균열은 골재를 관통하기도 하지만 골재와 모르타르 사이의 계면전이영역을 따라 우회하기도 합니다.

CT에서는 골재와 주변 모르타르의 밀도 차이가 충분하면 골재 위치와 균열의 관계를 함께 볼 수 있습니다.

이를 통해 균열이 골재를 따라 성장하는지, 모르타르 내부를 통과하는지, 기존 공극과 연결되는지를 분석할 수 있습니다.

이는 압축하중이나 동결융해에 따른 손상 메커니즘을 이해하는 데 유용합니다.

압축시험 중 균열 성장도 볼 수 있을까

가능합니다.

특수한 소형 하중장치를 CT 내부에 설치하면 시료에 하중을 가하면서 여러 단계에서 CT 촬영을 수행할 수 있습니다.

이를 인시투 CT 또는 시간경과 CT라고 부릅니다.

하중 전 영상을 촬영하고, 일정 하중을 가한 뒤 다시 촬영하면 어떤 위치에서 균열이 시작되고 어떻게 연결되는지 시간순으로 비교할 수 있습니다.

최근 연구에서도 동결융해 전후 콘크리트를 압축하면서 인시투 CT를 이용해 균열 두께와 면적, 손상진행을 3차원으로 분석했습니다.

반복 촬영의 가장 큰 장점

일반적인 현미경 분석은 시료를 절단하면 동일한 내부구조를 다시 원래 상태에서 관찰하기 어렵습니다.

하지만 X-ray CT는 시료를 파괴하지 않고 촬영할 수 있기 때문에 같은 시료를 시간순으로 반복 분석할 수 있습니다.

예를 들어

손상 전 → 하중 후 → 추가하중 후 → 파괴 직전

과 같이 촬영하면 균열의 생성과 성장경로를 직접 비교할 수 있습니다.

이러한 시간경과 분석은 기계적 손상뿐 아니라 침출, 알칼리-실리카 반응 등 화학적 열화를 추적하는 데도 활용됩니다.

디지털 체적 상관법(DVC)이란 무엇인가

X-ray CT의 활용을 한 단계 더 확장하는 방법이 디지털 체적 상관법(Digital Volume Correlation, DVC)입니다.

DVC는 하중 전후의 3차원 CT 영상을 비교하여 시료 내부의 변위와 변형률 분포를 계산하는 방법입니다.

2차원 이미지의 디지털 영상상관법이 표면 변형을 추적한다면, DVC는 내부 체적 전체의 변형을 계산한다는 차이가 있습니다.

이를 이용하면 눈에 보이는 균열이 형성되기 전 어느 영역에 변형이 집중되는지도 분석할 수 있습니다.

최근 연구에서는 DVC의 변형률 정보를 CT 영상의 균열분할에 함께 사용해 잡음과 가짜 균열을 줄이는 방법도 제안되고 있습니다.

CT 영상만으로 미세균열을 완벽하게 분리할 수 있을까

쉽지 않습니다.

아주 작은 균열은 영상의 잡음이나 공극과 구별하기 어렵습니다.

또 균열 폭이 해상도에 가까우면 균열이 끊어져 보일 수 있습니다.

2025년 연구에서도 CT 영상만 이용한 미세균열 분할에서는 잡음과 회색값 불균일성, 매우 작은 균열 복셀 때문에 균열의 연속성과 완전성이 떨어질 수 있다는 문제가 지적되었습니다.

따라서 최근에는 DVC 변형률 정보와 영상처리, 머신러닝 등을 함께 활용해 균열 검출 정확도를 높이려는 연구가 진행되고 있습니다.

인공지능은 CT 분석에 어떻게 사용될까

CT를 촬영하면 수백 장에서 수천 장의 단면영상이 생성될 수 있습니다.

이를 사람이 하나씩 확인하는 것은 매우 어렵습니다.

최근에는 딥러닝을 이용해 균열과 공극, 골재를 자동 분할하고 3차원 구조를 생성하는 연구가 늘고 있습니다.

실제로 2025년 동결융해 콘크리트 연구에서는 딥러닝을 이용해 CT 영상에서 균열을 추출하고 두께와 면적, 프랙탈 특성을 분석했습니다.

다만 인공지능 결과 역시 학습데이터와 분할기준에 영향을 받기 때문에 원본영상과 물리적 의미를 함께 검토해야 합니다.

X-ray CT와 SEM은 어떤 차이가 있을까

SEM은 매우 높은 배율로 시멘트 페이스트의 미세구조를 관찰할 수 있습니다.

하지만 일반적으로 절단하고 연마한 2차원 표면을 관찰합니다.

반면 X-ray CT는 해상도는 상대적으로 제한적일 수 있지만 시료 내부를 파괴하지 않고 3차원으로 볼 수 있습니다.

따라서

SEM → 매우 작은 영역의 정밀 2차원 관찰

X-ray CT → 내부 전체의 3차원 구조 관찰

이라는 차이가 있습니다.

두 방법은 경쟁관계라기보다 서로 보완적으로 활용하는 것이 좋습니다.

X-ray CT와 MIP는 무엇이 다를까

수은압입법은 압력을 이용해 수은을 연결공극으로 밀어 넣고 공극 입구 크기 분포를 계산합니다.

반면 X-ray CT는 내부 공극과 균열을 영상으로 직접 재구성합니다.

MIP는 작은 공극 영역의 정량적 분포분석에 강점이 있지만 잉크병 효과와 접근성의 영향을 받습니다.

CT는 3차원 형상과 연결성을 직접 볼 수 있지만 해상도 이하의 미세공극은 측정하기 어렵습니다.

따라서 두 방법을 함께 사용하면 작은 공극분포와 큰 공극·균열의 공간적 구조를 서로 보완할 수 있습니다.

CT로 측정한 공극률이 실제 공극률보다 낮게 나올 수 있는 이유

CT는 해상도보다 작은 공극을 볼 수 없습니다.

시멘트 페이스트에는 나노미터 크기의 젤 공극과 작은 모세관 공극이 많습니다.

이 중 상당수는 일반적인 마이크로 CT 해상도보다 작습니다.

따라서 CT에서 계산한 공극률은 실제 전체 공극률보다 낮게 나타날 수 있습니다.

μCT 기반 시멘트 페이스트 분석연구에서도 해상도 한계로 미세구조와 공극률이 과소평가될 수 있음이 보고되었습니다.

금속 철근이 있으면 촬영이 어려울까

철근처럼 밀도가 높은 재료가 포함되면 X선 흡수가 크게 증가하면서 영상에 줄무늬나 금속 인공물이 나타날 수 있습니다.

이러한 아티팩트는 철근 주변의 작은 균열을 분석하는 데 방해가 될 수 있습니다.

따라서 철근콘크리트 시료에서는 촬영에너지와 필터, 시료 크기, 재구성 조건을 적절히 선택해야 합니다.

필요하면 관심영역을 작게 채취해 분석하거나 영상 보정기법을 사용할 수 있습니다.

시료 준비가 거의 필요 없다는 말은 완전히 맞을까

X-ray CT는 절단·연마 없이 내부를 관찰할 수 있다는 큰 장점이 있습니다.

실제로 일반적인 마이크로 CT는 별도의 복잡한 표면 준비 없이 시료를 촬영할 수 있습니다.

하지만 정량분석을 위해서는 시료 크기와 형상을 적절하게 맞추고 움직이지 않도록 고정해야 합니다.

또 원하는 해상도를 얻기 위해서는 관심영역을 포함하는 적절한 크기의 시료를 선택해야 합니다.

따라서 “아무 준비 없이 그대로 촬영하면 된다”기보다는 연마는 필요 없지만 촬영목적에 맞는 시료 설계가 중요하다고 보는 것이 정확합니다.

X-ray CT의 가장 큰 장점

X-ray CT의 가장 큰 장점은 내부구조를 파괴하지 않고 3차원으로 볼 수 있다는 것입니다.

특히 균열의 공간적 형상과 연결성, 골재와의 관계를 분석할 수 있습니다.

동일한 시료를 여러 번 촬영할 수 있기 때문에 균열의 생성과 성장을 추적하는 데도 매우 유용합니다.

공극과 균열처럼 공간적인 연결성이 중요한 재료특성을 분석할 때 CT가 강점을 가지는 이유입니다.

X-ray CT의 가장 큰 한계

가장 큰 한계는 해상도입니다.

시료 크기가 커질수록 일반적으로 해상도를 높이기 어렵고, 해상도보다 작은 공극과 균열은 정확히 관찰할 수 없습니다.

또 영상분할 기준에 따라 공극률이나 균열체적 계산값이 달라질 수 있습니다.

촬영과 재구성, 3차원 영상분석에 상당한 데이터 처리시간이 필요하고 장비와 분석 소프트웨어도 전문적입니다.

따라서 CT 영상이 실제 미세구조 전체를 그대로 보여준다고 생각해서는 안 됩니다.

X-ray CT 결과를 해석할 때 반드시 확인해야 할 조건

서로 다른 CT 결과를 비교할 때는 최소한 다음 조건을 확인해야 합니다.

• 복셀 또는 픽셀 크기
• 실제 공간해상도
• 시료 크기
• X선 에너지
• 재구성 조건
• 영상 필터링 방식
• 임계값과 세그멘테이션 방법

이 조건이 다르면 같은 콘크리트라도 계산되는 균열량이나 공극률이 달라질 수 있습니다.

따라서 CT 연구에서는 예쁜 3차원 영상보다 어떤 조건으로 영상을 만들었는가가 훨씬 중요합니다.

마무리

X-ray CT는 콘크리트 내부의 공극과 균열을 파괴하지 않고 3차원으로 관찰할 수 있는 강력한 재료분석기술입니다.

여러 방향에서 얻은 X선 투과영상을 재구성하면 균열의 길이와 체적뿐 아니라 방향, 연결성, 골재와의 관계까지 분석할 수 있습니다.

특히 동일한 시료를 반복 촬영하면 균열 발생 전 → 미세균열 생성 → 균열 성장 → 파괴 과정을 시간순으로 추적할 수 있다는 것이 큰 장점입니다.

그러나 CT 영상은 해상도보다 작은 균열을 볼 수 없고, 영상분할 방법에 따라 결과가 달라질 수 있습니다. 따라서 X-ray CT는 내부 균열의 완전한 복사본이라기보다 주어진 공간해상도 안에서 3차원 구조를 관찰하는 분석도구로 이해해야 합니다.

최근에는 CT 영상과 DVC, 딥러닝을 결합해 단순한 균열 시각화를 넘어 내부 변형률과 균열성장까지 함께 분석하는 방향으로 발전하고 있습니다.