Оптимизация характеристик ультралёгкого вспененного бетона с использованием органосиликонового соединения, содержащего диметикон

Строительство с более лёгкими и умными стенами

Современным зданиям нужны стены, которые не только прочны, но и лёгки, безопасны при пожаре и хорошо сохраняют тепло внутри. Ультралёгкий вспененный бетон уже обеспечивает низкий вес и отличную теплоизоляцию, однако часто оказывается слишком слабым и чрезмерно впитывающим воду для ответственных применений. В этом исследовании изучается, как распространённый силиконовый компонент диметикон может регулировать крошечные воздушные пузыри во вспененном бетоне, чтобы он стал одновременно легче и прочнее, а также лучше противостоял воде и суровым атмосферным воздействиям.

Почему пористый бетон важен

Вспененный бетон получают смешиванием цемента, песка, воды и пены, наполненной воздушными пузырьками. Пузырьки делают материал значительно легче, что привлекательно для высотных зданий и энергоэффективных ограждающих конструкций. Однако при больших и неравномерных по размеру пузырях бетон теряет прочность и образует пути, по которым проникают вода и соли. Инженерам нужен вариант, сохраняющий преимущества воздуха в структуре — низкий вес, хорошую теплоизоляцию, огнестойкость — но при этом не превращающийся в хрупкую губку.

Силиконовая корректировка рецептуры

Исследователи испытали добавление небольших количеств диметикона, силиконового соединения, широко используемого в повседневной продукции, в состав ультралёгкого вспененного бетона. Они приготовили несколько смесей с одинаковой целевой плотностью, но разным содержанием диметикона — от 0,5% до 2,5% от массы цемента. Тщательно диспергируя диметикон в воде и затем вводя его в цементную смесь с высокой долей пены, они стремились изменить формирование и стабилизацию пузырьков и изучить, как это повлияет на реологию, сроки схватывания, водопроницаемость, прочность и теплопередачу.

Что происходит внутри крошечных пор

Детальные испытания показали, что диметикон одновременно действует как стабилизатор пены и как водоотталкивающий агент. Он снижает поверхностное натяжение воды в смеси, помогая пузырькам формироваться легче и оставаться раздельными, а не сливаться в большие полости. Микроскопические изображения и измерения пор показали, что при добавлении диметикона бетон содержит намного больше мелких, правильно сформированных пор и существенно меньше крупных, связанных полостей. Такая упорядоченная внутренняя структура уменьшила скорость впитывания воды и воздушной проницаемости, а также сократила проникновение вредных хлоридов примерно на одну треть по сравнению с необработанным бетоном.

Прочнее, суше, но по-прежнему лёгкий

Эти изменения на микроуровне привели к заметному росту эксплуатационных характеристик. При оптимальной дозировке, около 2% диметикона, ультралёгкий бетон более чем вдвое увеличил модуль упругости и прочность на сжатие и более чем в три раза повысил сопротивление растрескиванию при растяжении, оставаясь при этом крайне лёгким — с сухой плотностью около 450 килограммов на кубический метр. Материал меньше давал усадку при сушке, значительно меньше впитывал воду и показал более низкую общую связанную пористость. Тепловые свойства тоже изменились: поскольку сеть пор стала плотнее, а твёрдая матрица — более компактной, теплопроводность и температурная диффузия слегка возросли, но остались в пределах, подходящих для теплоизоляционных материалов.

Поиск оптимального соотношения

Сравнение всех смесей показало, что около 2% диметикона обеспечивает наилучший баланс: сохраняется ультралёгкий характер бетона при значительном повышении прочности и долговечности и существенном улучшении сопротивляемости влаге и проникновению солей. Большие дозы давали лишь незначительное дополнительное улучшение и начинали ухудшать удобоукладываемость. Практически это означает, что относительно простая силиконовая добавка может превратить хрупкий вспененный бетон в более прочный, отталкивающий воду и при этом сохраняющий хорошие теплоизоляционные свойства строительный материал, делая его более пригодным для энергоэффективных долговечных стен и других лёгких конструктивных элементов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: вспененный бетон, лёгкие строительные материалы, силиконовые добавки, структура пор, теплоизоляция