ジメチコン含有有機ケイ素化合物を用いた超軽量発泡コンクリートの性能最適化

より軽く、より賢い壁をつくる

現代の建物には、強さだけでなく軽さ、耐火性、そして室内の熱を保つ性能が求められます。超軽量発泡コンクリートはすでに低密度で優れた断熱性を備えていますが、要求の厳しい用途では強度不足や過剰な吸水が問題になることが多いです。本研究は、ジメチコンと呼ばれる一般的なシリコーン系成分が発泡コンクリートの微細な気泡をどう制御できるかを調べ、材料をより軽く、より強く、かつ水や厳しい気候に対して耐性を持たせる可能性を探ります。

なぜ気泡を持つコンクリートが重要か

発泡コンクリートは、セメント、砂、水、そして多数の気泡を含む泡を混ぜて作られます。気泡があることで材料は大幅に軽くなり、高層建築や省エネルギーの壁材として魅力的です。しかし、気泡が大きく不均一だと強度が低下し、水や塩類が浸入する経路が増えてしまいます。技術者が望むのは、空気充填コンクリートの利点—低重量、優れた断熱性、耐火性—を保ちながら、スポンジ状で脆い材料にならないバージョンです。

配合に加えたシリコーンの工夫

研究者らは、日常品にも広く使われるシリコーン化合物であるジメチコンを少量、超軽量発泡コンクリートに添加して試験しました。同じ目標密度を保ちながら、ジメチコン含有量をセメント重量の0.5％から2.5％まで変えた複数の配合を用意しました。ジメチコンを水に丁寧に分散させ、それを泡を多く含むセメント混合物に混ぜることで、気泡の生成と保持の仕方を変え、流動性、凝結時間、透水性、強度、熱伝達などにどのような影響が出るかを調べることが目的です。

微細な孔内で何が起きるか

詳しい試験の結果、ジメチコンは泡の安定化剤であると同時に撥水剤として機能することが示されました。混合水の表面張力を低下させることで、気泡が形成されやすくなり、大きな空洞に合体するのを防いで個々の泡が保たれます。顕微鏡写真や孔径測定からは、ジメチコンを添加したコンクリートに小さく整った孔が格段に増え、大きく連結した空隙は大幅に減ったことが明らかになりました。このように内部構造が精細化されることで、吸水や空気の通り抜けが遅くなり、塩化物イオンの浸透量が未処理のコンクリートに比べて最大で約3分の1低下しました。

より強く、より乾燥、そして軽量を維持

これらの微視的変化は性能面で意外なほど大きな向上をもたらしました。最適な投与量である約2％のジメチコン添加により、超軽量コンクリートの剛性と圧縮強度は2倍以上に、引張き裂き抵抗は3倍以上に改善されました。しかも乾燥密度は約450kg/m3前後で極めて軽いままでした。乾燥収縮は小さくなり、吸水量は有意に減り、総連通有孔率も低下しました。熱的性質にも変化が見られ、気泡ネットワークが締まり固体マトリックスが濃密になったため熱伝導率と熱拡散率はやや上昇しましたが、断熱材として適した範囲内にとどまりました。

最適化のポイント

全配合を比較した結果、約2％のジメチコンが最も良いバランスを示しました：超軽量性を保ちながら強度と耐久性を大きく高め、湿気や塩類の侵入に対する抵抗性を大きく改善します。より高い添加量ではわずかな追加効果しか得られず、作業性が低下し始めました。実務的には、比較的単純なシリコーン系添加剤を用いるだけで、脆弱な発泡コンクリートをより堅牢で撥水性がありつつ断熱性を維持する建材に変え得るため、省エネルギーで長寿命な壁材やその他の軽量構造部材への適用可能性が高まることを意味します。

引用: Othuman, M.A.O., Tobbala, D.E., Omar, R. et al. Performance optimization of ultra-lightweight foamed concrete using dimethicone-infused organosilicon compound. Sci Rep 16, 8108 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39334-5

キーワード: 発泡コンクリート, 軽量建材, シリコーン添加剤, 気泡構造, 断熱性