殘餘粘土是指凡粒徑多數小於2μm，主要由粘土礦物組成的土狀岩石，為細而分散的含多種含水鋁矽酸鹽礦物的混合體，其主要化學組成為SiO2、Al2O3和結晶水。
粘土礦物是由SiO4四面體組成的(Si2O5)n層和由鋁氧八面體組成的AlO(OH)2層相互以頂角聯接起來的層狀結構。
基本介紹
- 中文名：殘餘粘土
- 外文名：Residual clay
- 學科：土木工程
- 粒徑：多數小於2μm
- 組成：粘土礦物組成的土狀岩石
- 化學組成：SiO2、Al2O3和結晶水
粘土的成因與分類,粘土的組成,粘土的工藝性質,粘土的加熱變化,粘土在陶瓷生產中的作用,我國的粘土原料,
粘土的成因與分類
（一）粘土的成因
粘土是由富含長石等鋁矽酸鹽礦物的岩石經過風化作用或熱液蝕變作用而形成的。這類經風化或蝕變作用而生成粘土的岩石統稱為粘土的母岩。
母岩經風化作用而形成的粘土產於地表或不太深的風化殼以下；母岩經熱液蝕變作用而形成的粘土常產於地殼較深處。
風化作用類型有：1）機械的（物理的）；2）化學的；3）生物的。
熱液蝕變型：高溫岩漿冷凝結晶後，殘餘岩漿中含有大量的揮發分及水，溫度進一步降低時，水分則以液態存在，但其中溶有大量其它化合物。當這種熱液（水）作用於母岩時，會形成粘土礦床，這就稱為熱液蝕變型粘土礦，如衡陽界牌土。
（二）粘土的分類
1、按成因分類
1）原生粘土：又稱一次粘土，殘留粘土，是母岩風化崩解在原地殘留下來的粘土。特點：顆粒較粗，可塑性較差，耐火度高。
2）次生粘土：又稱二次粘土，沉積粘土，是由風化形成的粘土，經雨水河流的沖刷及有時外加風力的作用，遷移至盆地或其他地勢較低處沉積下來，而形成粘土層。特點：顆粒較細，可塑性較好，耐火度差 。
2、按可塑性分類
1）高可塑性粘土：軟質粘土。其分散度大，多呈疏鬆狀。如粘性土、膨潤土、木節土等。
2）低可塑性粘土：硬質粘土。其分散度小，多呈緻密塊狀。如葉蠟石、焦寶石、瓷石等。
3、按耐火度分類
1）耐火粘土：一般耐火粘土的耐火度在1580℃ 以上，較純，含雜質較少。
2）難熔粘土：其耐火度在1350~1580℃ ，含易熔雜質在10~15%。
3）易熔粘土：其耐火度在1380℃ 以下，含有大量的雜質。
4、按化學組成分類
1）富鋁粘土 ；2）貧鋁粘土。
（三）粘土的主要礦物類型
粘土礦物主要為高嶺石類（包括高嶺石、多水高嶺石等）、蒙脫石類（包括蒙脫石、葉蠟石等）和伊利石類（也稱水雲母）等等。
1、高嶺石類
因首先在江西景德鎮東部的高嶺村山頭發現，故國際上都把這種制瓷粘土稱為高嶺(Kaolin)土，其主要礦物成分是高嶺石(Kaolinite)和多水高嶺石。
高嶺石的化學式：Al2O3·2SiO2·2H2O
多水高嶺石： Al2O3·2SiO2 ·nH2O （n=4~6）
屬於高嶺石類的粘土礦物還有地(迪)開石(Dickite)、珍珠陶土(Nacrite)和多水高嶺石(埃洛石Hallysite，又稱敘永石，為我國四川敘永縣以盛產這種礦物為主的粘土而得名)等。
2、蒙脫石類
概述：蒙脫石（Montmorillonite）也是一種常見的粘土礦物，以蒙脫石為主要組成礦物的粘土稱為膨潤土（bentonite），一般呈白色、灰白色、粉紅色或淡黃色，被雜質污染時呈現其它顏色。其理論化學通式為： Al2O3·4SiO2 ·nH2O（n通常大於2）。其晶粒呈不規則細粒狀或鱗片狀。
特性：1）吸濕膨脹性：吸水後體積可膨脹20-30倍；2）離子交換性：在水中呈懸浮和凝膠狀，具有良好的陽離子交換特性。
3、伊利石類
伊利石是白雲母經強烈的化學風化作用而轉變為蒙脫石或高嶺石過程中的中間產物。
組成成分與白雲母(化學通式為K2O·3Al2O3·6SiO2 ·2H2O)相似，但比正常的白雲母多SiO2和H2O而少K2O。與高嶺石比較，伊利石含K2O較多而含H2O較少。
4、水鋁英石
是一種非晶質的含水矽酸鋁，它的結構可能是由矽氧四面體和金屬離子配位八面體任意排列而成，沒有任何對稱性。
它與其它粘土礦物的區別是它能在鹽酸中溶解。而其它結晶質的粘土礦物不溶解於鹽酸，但溶解於硫酸。
它在自然界中並不常見，往往少量地包含在其它粘土中。
圖1粘土的組成
（一）礦物組成
為便於研究粘土的礦物組成，根據其性質和數量可分成兩大類，即粘土礦物和雜質礦物。
粘土礦物的種類和性質已如前所述，主要為高嶺石類、蒙脫石類和伊利石類，以及較少見的水鋁英石等。
除此之外，在粘土形成過程中，常由於岩石風化未完全，或由於其它因素而混入一些非粘土礦物和有機物質，這些物質我們統稱為雜質礦物。雜質礦物通常以細小晶粒極其集合體分散於粘土中，常會影響甚至決定粘土的工藝性能。
雜質礦物的類別及其影響：
1）石英和母岩殘渣。這些雜質一般以較粗顆粒混在粘土中，對粘土的可塑性和乾燥後強度產生很大影響。工廠多採用淘洗法除去粗顆粒雜質。
2）碳酸鹽及硫酸鹽類。細顆粒的碳酸鹽分布在粘土中對其影響不大，碳酸鹽在高溫下可分解出CaO、MgO，起熔劑作用，能降低陶瓷的燒成溫度。較多的硫酸鹽在氧化氣氛中容易引起坯泡。
3）鐵和鈦的化合物。這類雜質礦物能使坯體呈色，降低粘土的耐火度，也會嚴重影響製品的介電性能、化學穩定性等。
4）有機雜質。粘土中存在少量的有機雜質，可以增加粘土的可塑性和泥漿的流動性，但有機物質過多時也可能會造成瓷器表面起泡與針孔。
（二）化學組成
由於粘土中的主要粘土礦物都是含水的鋁矽酸鹽，因此其主要化學成分為SiO2、Al2O3、 H2O。此外，還有少量的鹼金屬氧化物K2O、Na2O、以及鹼土金屬氧化物CaO、 MgO 、以及Fe2O3 、TiO2等。
一般粘土原料的化學分析如包括以上九個項目，即已滿足生產上的參考需要。在上述九個項目中化合水一項一般不作直接測定。而已燒失量的形式測定。
（三）顆粒組成
是指粘土中含有不同大小顆粒的質量分數。
為什麼粘土中的細顆粒愈多愈好？由於細顆粒的比表面積大，其表面能也大，因此粘土中的細顆粒愈多時，則其可塑性愈強，乾燥收縮大，乾後強度高，在燒成時也易於燒結，燒後的氣孔率也小，有利於成品的力學強度、白度和半透明度的提高。
此外，粘土的顆粒形狀和結晶程度也會影響其工藝性質。片狀結構比桿狀結構的顆粒堆積緻密，塑性大、強度高；結晶程度差的顆粒可塑性也大。
測定粘土原料顆粒大小的方法很多，有用顯微鏡、水簸法、渾濁計法、吸附法等。最簡單和最普通的方法是篩分析（0.06mm以上）與沉降法（1~50um）。
粘土的工藝性質
粘土是陶瓷工業的主要原料，其性質對陶瓷的生產有很大的影響，因此掌握粘土的性質，尤其是工藝性質是穩定陶瓷生產的基本條件。粘土的工藝性質主要取決於粘土的礦物組成、化學組成與顆粒組成，其礦物組成是基本因素。
如膨潤土主要是蒙脫石礦物，由於其礦物類型及細顆粒含量較多，表現出粘性強，成形水分高，收縮大，燒結溫度低等特性；蘇州高嶺土由於其含有大量桿狀結構外形的高嶺石，因而可塑性低，乾燥氣孔率高，乾燥強度低，燒成收縮大，泥漿流動時的含水量多，且呈強烈觸變性等特性。
（1）可塑性
（2） 結合性
（3）離子交換性
（4） 觸變性
（5）乾燥收縮與燒成收縮
（6）燒結性能
（7）耐火度
（一）可塑性
1、概念：可塑性是指粘土與適量的水結合後所形成的泥團，在外力作用下產生變形但不開裂。當外力去掉後仍保持其形狀不變的能力。
該定義包括兩個含義：
一是施加的外力必須大於泥團的屈服值，當外力去掉後泥團內部的引力和斥力達到新的平衡以保持其形變；
二是在產生形變數不出現開裂。
2、影響粘土可塑性的因素
1）固相的性質：主要是指固體物料類型、顆粒形狀、顆粒大小及粒度分布、顆粒的離子交換能力等。一般說來固體分散相的顆粒愈小，分散度愈高，比表面積愈大，可塑性就愈好；對於具有層狀結構的粘土礦物呈薄片狀顆粒要比呈桿狀顆粒，或呈稜角狀顆粒的具有更好的可塑性；此外，粘土礦物的離子交換能力較大者，其可塑性也較高。
2）液相的性質：主要是指液相對固相的浸潤能力和液相的粘度。對粘土顆粒具有較大浸潤能力的液相，其與粘土拌和後就呈較高的可塑性。此類液體粘度越大，其可塑性也就越高。
3）固相與液相的相對數量
當粘土中加入的水量不多時，粘土還難以形成可塑狀態，容易散碎，只有水量加入到一定程度，粘土才形成具有可塑狀態的泥團，這時泥團的含水量稱為塑限含水量。
若繼續在泥團中加入水分，泥團的可塑性會逐漸增高，直至泥團能自行流動變形，此時的含水量稱為液限含水量。
但在生產中適合於成形的泥團，其含水量一般都在塑限含水量與液限含水量之間，此時泥團的含水量稱為工作泥團的可塑水量。
各種粘土的可塑水量很不一致，可塑性大的粘土所需可塑水量也愈多：
高可塑性粘土 ： 可塑水量達28%~40%
中可塑性粘土： 可塑水量達20%~28%
低可塑性粘土：可塑水量達15%~20%
3、粘土可塑性的測定方法
1）可塑性指數：是指粘土的液限含水率與塑限含水率之差。它表示粘土能形成可塑泥團的水分變化範圍。指數越大則成形水分範圍大，成形時不易受周圍環境濕度及模具的影響，即成形性能好。
2）可塑性指標：指在工作水分下，粘土泥團受外力作用最初出現裂紋時應力與應變的乘積，同時還應測定泥團的相應含水率。可塑性指標也反應了粘土泥團的成形性能的好壞，但要注意相應的含水率。若相應含水率大，則工作水分多，乾燥過程易變形、開裂。
3）根據可塑指數或可塑指標分類：
強可塑性粘土 指數>15或指標>3.6
中可塑性粘土 指數7~15或指標2.5~3.6
弱可塑性粘土 指數1~7或指標<2.5
非可塑性粘土 指數<1
4、提高坯料可塑性的措施
1）將坯料原礦進行淘洗，除去所夾雜的非可塑性物料，或進行長期風化。
2）將浸潤了的粘土或坯料長期陳腐。
3）將泥料進行真空處理，並多次練泥。
4）摻用少量的強可塑性粘土。
5）添加糊精、膠體SiO2 、羧甲基纖維素等膠體物質。
5、降低坯料可塑性的措施
1）加入非可塑性粘土，如石英、瘠性粘土、熟瓷粉等。
2）將部分粘土預先煅燒。
（二）結合性
1、概念：指粘土能粘結一定細度的瘠性物料，形成可塑泥團並有一定乾燥強度的性能。
2、結合力的測定
在工程上要直接測定分離粘土質點所需的力比較困難，生產上常用測定由粘土製作的生坯的抗折強度來間接測定粘土的結合力。
在實驗中通常以能夠形成可塑泥團時所加入標準石英砂（顆粒組成為：0.25~0.15mm占70%，0.15~0.09mm占30%）的數量及乾後抗折強度來反映。
加砂量可達50%時為結合力強的粘土； 加砂量達25%~50%時為結合力中等的粘土； 加砂量在20%以下時為結合力弱的粘土。
（三）離子交換性
1、概念：粘土顆粒帶有電荷，其來源是其表面層的斷鍵和晶格內部被取代的離子，因此必須吸附其它異號離子來補償其電價，粘土的這種性質稱為離子交換性。
2、交換容量：表示離子交換的能力，它是100g乾粘土所吸附能夠交換的陽離子或陰離子的量。單位為微摩爾﹒10/克(mol﹒10/g)。
影響離子交換容量的因素：
1）粘土礦物的種類。
2）粘土中有機物含量和粘土礦物的結晶程度。
3）吸附的離子種類。粘土吸附陽離子的能力比陰離子要大。而粘土吸附陽離子的種類不同，其交換容量也不同。
（四）觸變性
1、概念：粘土泥漿或可塑泥團受到振動或攪拌時，粘度會降低而流動性增加，靜置後逐漸恢復原狀。此外，泥料放置一段時間後，在維持原有水分的情況下也會出現變稠和固化現象，這種性質統稱為觸變性。
2、在生產中一般希望泥料有一定觸變性。泥料觸變性過小時，成形後生坯的強度不夠，影響脫模與修坯的質量。觸變性過大時，在管道輸送過程中會帶來不便，成形後生坯也易變形。因此控制泥料的觸變性，對滿足生產需要，提高生產效率和產品品質有重要意義。
3、影響粘土的觸變性的因素：粘土的礦物組成、粒度大小與形狀、水分含量、使用電解質種類與用量、以及泥料（包括泥漿）的溫度等。
礦物顆粒愈細，活性邊表面愈多，愈易呈觸變性；
球狀顆粒不易顯示觸變性；
觸變效應與吸附離子及吸附離子的水化密切相關。粘土吸附的陽離子其價數愈小或價數相同而離子半徑愈小者，其觸變效應愈大。
含水量大的泥漿，不易形成觸變結構，反之易形成觸變結構而呈觸變現象。
溫度升高，粘土質點的熱運動劇烈，使粘土顆粒間的聯繫力減弱，不易建立觸變結構，從而使觸變現象減弱。
4、粘土泥料的觸變性的測定
以厚化度（或稠化度）來表示。厚化度以泥料的粘度變化之比或剪下應力變化的百分數來表示。
1）泥漿的厚化度是泥漿放置30min和30s後其相應粘度之比。即
泥漿厚化度=t30min /t30s
式中：t30min 為100ml泥漿放置30min後，由恩式粘度計中流出的時間；t30s 為100ml泥漿放置30min後，由恩式粘度計中流出的時間。
2）可塑泥團的厚化度為放置一定時間後，球體或圓錐體壓入泥團達一定深度時剪下強度增加的百分數。
泥團厚化度 = (Fn-F0)/ F0×100%
式中： F0 ----泥團開始承受的負荷，N；Fn ----經過一定時間後， 球體或錐體壓入相同深度時泥團承受的負荷，N。
（五）乾燥收縮和燒成收縮
1、概念：粘土泥料乾燥時，因包圍在粘土顆粒間的水分蒸發，顆粒相互靠攏引起體積收縮，稱為乾燥收縮。
粘土泥料在煅燒時，由於發生一系列的物理化學變化（如脫水作用、分解作用、莫來石的生成、易熔雜質的熔化，以及這些熔化物充滿質點間空隙等等），引起粘土再度收縮，稱為燒成收縮。
這兩種收縮構成粘土泥料的總收縮。
2、收縮測定是以直線長度或體積大小的變化來表示。為了方便起見，可將體積收縮近似等於直線收縮的3倍，但有6%~9%的誤差。
（六）燒結溫度與燒結範圍
1、概念：
粘土在煅燒過程中，溫度超過900℃以上時，低熔物開始出現，低熔物液相填充在未熔顆粒之間的空隙中，並由其表面張力的作用，將未熔顆粒進一步靠近，使體積急劇收縮，氣孔率下降，密度提高。這種體積開始劇烈變化的溫度稱為開始燒結溫度（T1）。
隨著溫度的繼續升高，粘土的氣孔率不斷降低，收縮不斷增大，當其密度達到最大狀態時（一般以吸水率等於或小於5%為標誌），稱為完全燒結，相應於此時的溫度叫燒結溫度（T2）。
從完全燒結開始，溫度繼續上升，會出現一個穩定階段，體積密度和收縮等不發生顯著變化。持續一段時間後，由於粘土中的液相不斷增多，以致於不能維持粘土原有的形狀而變形，同時也會發生一系列高溫化學反應，使粘土試樣的氣孔率反而增大，出現膨脹。出現這種情況的最低溫度稱為軟化溫度（ T3 ）。
通常把燒結溫度到軟化溫度之間粘土試樣處於相對穩定階段的溫度範圍稱為燒結範圍（ T2 ~T3）。
燒結範圍的大小取決於粘土中熔劑礦物的種類和數量。優質高嶺土可達200℃，伊利石類粘土僅為50～80℃。陶瓷生產中通常要求粘土具有100～150℃以上或更寬的燒結範圍。
燒成溫度範圍取決於液相量的生成速度和液相粘度隨溫度變化的幅度。若粘土中含有的熔劑雜質數量多，液相量增加速率大，而液相粘度隨溫度的升高下降的幅度大，其燒結溫度範圍較窄。純耐火粘土的燒結溫度範圍為250℃，低鈣泥灰岩僅20～30℃。
燒結範圍愈寬，陶瓷製品的燒成操作愈容易掌握，也愈容易得到煅燒均勻的製品。
粘土的燒結溫度和燒結溫度範圍通常採用實驗方法確定，也可用粘土化學成分進行估算。
2、生產中常用吸水率來反映原料的燒結程度。一般要求粘土原料燒後的吸水率<5%。
（七）耐火度
1、概念：耐火度是指材料在高溫作用下達到特定軟化程度時的溫度。它反映了材料抵抗高溫作用的性能。
2、粘土的耐火度主要取決於其化學組成。
Al2O3含量高其耐火度就高，鹼類氧化物能降低粘土的耐火度。通常可根據粘土原料中的Al2O3/SiO2比值來判斷耐火度，比值愈大，耐火度愈高，燒結範圍愈寬。
3、耐火度的測定——三角錐法：是將一定細度的原料製成一截頭三角錐（高30mm，下底邊長8mm，上頂邊長2mm），在高溫電爐中以一定的升溫速度加熱，當錐內復相體系因重力作用而變形以致頂端軟化彎倒至錐底平面時的溫度，即是試樣的耐火度。
粘土的加熱變化
粘土是陶瓷的主要原料，陶瓷在燒成過程中所發生的一系列物理和化學變化，是在粘土加熱變化的基礎上進行的，因此粘土的加熱變化是陶瓷製品燒成的基本理論基礎。研究粘土的加熱變化對確定陶瓷製品的燒成溫度具有很重要的意義。
粘土在加熱時發生一系列的化學變化，與此同時也發生相應的物理變化，如體積的膨脹與收縮、氣孔率的降低與增高、失去部分質量、吸熱與放熱等。
粘土在加熱過程中的變化包括兩個階段：脫水階段與脫水後產物的繼續轉化階段。
（一）脫水階段
粘土乾燥後，繼續加熱，首先出現的是脫水，其中最主要的是結構水的排出。
以高嶺土的加熱脫水為例，其脫水的過程如下：
100~110℃ 濕存水（大氣吸附水）與自由水的排出。
110~400℃ 其它礦物雜質帶入水的排出。
400~450℃ 結構水開始緩慢排除。
450~550℃ 結構水快速排出。
550~800℃ 脫水緩慢下來，到800℃ 時排水近於停滯。
800~1000℃ 殘餘的水排出完畢。
粘土脫水後均變為脫水產物，高嶺石類粘土脫水後生成偏高嶺石，反應式如下：
Al2O3·2SiO2·2H2O = Al2O3·2SiO2+2H2O （1）
（二）脫水後產物繼續轉化階段
溫度繼續升高，粘土脫水後的產物可繼續轉化，偏高嶺石由925 ℃開始轉化為由（ AlO6）和（SiO4 ）構成的尖晶石型新的結構物，其反應式如下：
2[Al2O3·2SiO2] = 2Al2O3·3SiO2+SiO2 （2）
鋁矽尖晶石結構儘管其結構較偏高嶺石結構穩定。但其結構中空位較多，因而它也很不穩定的，繼續加熱時，1050℃開始，就會轉化成熱力學穩定的莫來石而分離出方石英：
3(2Al2O3·3SiO2) = 2(3Al2O3·2SiO2) + 5SiO2 （3）
各種粘土礦物在高溫下都能生成莫來石晶體，莫來石是一種針狀或細柱狀晶體，化學組成寫作3Al2O3·2SiO2 ，熔融溫度1810℃，熔融後分解為剛玉和石英玻璃。它本身機械強度高、熱穩定性好、化學穩定性強，能賦予陶瓷製品許多良好的性能。
粘土在陶瓷生產中的作用
（1）粘土的可塑性是陶瓷坯泥賴以成形的基礎。
（2）粘土使注漿泥料與釉料具有懸浮性與穩定性。
（3）粘土一般呈細分散顆粒，同時具有結合性。
（4）粘土是陶瓷坯體燒結時的主體。
（5）粘土是形成陶器主體結構和瓷器中莫來石晶體的主要來源。
我國的粘土原料
我國粘土礦產資源豐富，開採歷史悠久，但正規開採的大型礦山少，礦產的深加工少，距標準化原料仍然有很大的距離。
現有200多個高嶺土礦點，總儲量約為32500萬噸，其中儲量在2000萬噸以上的有3處。目前幾個主要礦山年產高嶺土原礦僅30萬噸左右，加上地方開採的礦山，估計總量也不會超過50萬噸。而國際高嶺土產量約為1700萬噸。
隨著陶瓷工業、造紙工業與其他工業的發展，對高嶺土的需求量將越來越大，迅速發展我國以高嶺土為主的粘土工業，已是當務之急。
