孟加拉国Naogaon产Barind红粘土的物理化学及热性能研究：作为陶瓷工业原料的潜在应用价值

《Next Materials》：Physico-chemical and thermal behavior of Barind red clay from Naogaon, Bangladesh: Implications for ceramic industries as a raw material

红黏土工业适用性研究：通过矿物学、化学和热力学分析，确认Bangladesh巴林德区Sapahar地区红黏土适合制造半熔化和熔化陶瓷砖，其化学成分以SiO?、Al?O?和Fe?O?为主，热稳定性达900℃，烧成温度800-1100℃时，线性收缩率0.05%-1.15%，密度1.77-2.21g/cm3，抗压强度1.35-7.22MPa，水吸收率4.31%-7.66%，孔隙率9.53%-13.58%，表明其陶瓷性能达标。

　　红土是一种在陶瓷工业中广泛应用的天然材料，其独特的矿物学和化学特性使其成为制造砖块、白陶、装饰瓷砖以及传统陶瓷制品的理想选择。在孟加拉国的Sapahar地区，一项针对红土的系统性研究揭示了其在工业陶瓷生产中的巨大潜力。该研究通过对红土样品进行一系列实验室测试，包括阿特伯格限分析、粒度分析、X射线衍射（XRD）、X射线荧光（XRF）、扫描电子显微镜（SEM）以及热重分析（TG），评估了红土在矿物学、地质学、陶瓷性能和可塑性方面的特性。研究结果表明，红土主要由伊利石、高岭石、蒙脱石和石英组成，化学成分以二氧化硅（SiO?）为主，占比在55.06%至57.73%之间，其次为三氧化二铝（Al?O?）和三氧化二铁（Fe?O?），分别为16.96%至18.89%和8.29%至10.15%。此外，样品中还含有少量的氧化钾（K?O）、二氧化钛（TiO?）以及其他微量氧化物，同时含有8.34%至9.99%的失重（LOI），这些特征都表明红土在陶瓷制造中具有良好的应用前景。

### 地质背景与资源潜力

Sapahar地区位于孟加拉国Naogaon县的西北部，属于更新世Barind地块的一部分。Barind地块是孟加拉盆地的重要地质构造，主要由富含红土的粘稠、斑驳的沉积物构成。红土作为该地区的资源，具有显著的经济价值。研究指出，Barind地块的红土储量约为314,317.17吨，覆盖面积达7728平方公里，红土层厚度约为18.288米。这些数据表明，红土资源丰富，具备进一步开发和利用的潜力。然而，目前这些资源尚未被充分利用，因此，研究其在陶瓷工业中的应用具有重要意义。

从地质角度来看，该地区的红土形成与更新世时期的沉积环境密切相关。红土的形成通常与气候条件、风化作用以及沉积过程有关。其颜色、质地和粘性均显示出良好的可塑性，这为陶瓷制造提供了必要的物理特性。红土的矿物学和化学特性决定了其在陶瓷工艺中的表现，而这些特性在本研究中得到了充分的分析。

### 材料与方法

为了评估红土的陶瓷性能，研究团队在2022年的旱季收集了红土样品。收集的红土样本主要基于其颜色和一致性，并通过两种标准贯入试验（SPT）钻孔取样，深度达到18米。这些样本在实验室中经过一系列处理，包括自然风干、手动研磨和筛分（250微米筛网），以确保样品的粒度适合后续分析和陶瓷试验。筛分后，样品的粒度分布显示其主要由粉砂（约81%）组成，其次是粘土（<10%）和砂（<9%），这表明红土具有适合陶瓷制造的物理特性。

矿物学分析采用XRD技术，通过扫描不同的2θ范围（5°至60°和5°至20°）来识别红土中的主要矿物成分。结果表明，红土中含有伊利石、高岭石、云母和石英等矿物，其中伊利石的含量较高，有助于提高红土的可塑性和陶瓷性能。化学成分分析则通过WDXRF光谱仪进行，结果显示红土主要由SiO?、Al?O?和Fe?O?构成，这三种成分在陶瓷生产中起着关键作用。其中，Fe?O?的高含量赋予红土特有的红色外观，同时提升了其机械强度和耐久性。而Al?O?则有助于提高陶瓷制品的耐热性和结构稳定性。

为了进一步评估红土的热行为，研究团队使用了热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）。这些分析揭示了红土在不同温度下的热响应，包括水分蒸发、脱水、脱羟基化和矿物分解等过程。通过热重曲线可以观察到红土在60°C至300°C之间主要经历脱水过程，而在300°C至700°C之间则发生高岭石的脱羟基化反应。此外，红土在800°C至1100°C之间的热稳定性也得到了验证，表明其在高温条件下能够保持结构完整性，适用于陶瓷烧制。

为了研究红土在陶瓷制造中的表现，研究团队通过不同温度（800°C、900°C、1000°C和1100°C）进行烧制实验。烧制过程中，红土样品表现出显著的收缩、密度增加和机械强度提升。同时，水吸收率和孔隙率则随着温度升高而降低，这表明红土在高温烧制后能够形成致密的陶瓷结构，从而提高其在工业应用中的性能。

### 结果与讨论

通过阿特伯格限分析，研究团队评估了红土的可塑性。结果显示，红土的液限（Liquid Limit）和塑限（Plastic Limit）分别在37.89%至46.92%和18.01%至23.28%之间变化，塑性指数（Plasticity Index）则在18.07%至25.46%之间。这些数值表明红土具有中等可塑性，适合用于陶瓷制造，尤其是需要一定塑性的砖块和装饰瓷砖。此外，红土的粒度分布也支持其作为陶瓷原料的适用性，因为粉砂的高含量有助于改善烧结过程中材料的均匀性和致密性。

在烧制过程中，红土样品表现出不同的物理和机械性能。随着烧制温度的升高，线性收缩率从0.05%增加到1.15%，而体积密度从1.77 g/cm3增加到2.21 g/cm3，这表明红土在高温下具有良好的致密化能力。与此同时，抗压强度（UCS）从1.35 MPa显著提升至7.22 MPa，说明红土在高温烧制后能够形成更加坚固的结构。水吸收率和孔隙率则从7.66%和13.58%分别下降到4.31%和9.53%，进一步证明红土在烧制后能够有效减少孔隙和水分吸收，从而提高其在潮湿环境下的适用性。

扫描电子显微镜（SEM）分析显示，红土在不同烧制温度下的表面结构发生了显著变化。在800°C时，红土表面粗糙且多孔，呈现出颗粒松散的状态；而在1100°C时，红土表面变得光滑且致密，几乎无孔隙。这一变化趋势表明，随着烧制温度的升高，红土逐渐进入烧结阶段，形成更加紧密的结构。这种结构变化不仅影响了红土的外观，还对其机械性能和耐久性产生了积极影响。

此外，热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）揭示了红土在烧制过程中的热行为。从TGA曲线可以看出，红土在60°C至300°C之间主要失去结合水和吸附水，而在300°C至700°C之间则发生高岭石的脱羟基化反应。这一过程有助于提高红土的致密性和机械强度。同时，DSC曲线显示，红土在550°C至650°C之间发生了α-石英向β-石英的相变，这一过程对红土的热稳定性具有重要意义。

### 红土的工业应用潜力

研究结果表明，Sapahar地区的红土具有良好的工业应用潜力，特别是在陶瓷瓷砖的制造方面。红土的化学成分和矿物学特性使其在烧制过程中能够形成稳定的结构，从而满足工业陶瓷对机械强度、耐热性和防水性能的要求。此外，红土的高Fe?O?含量不仅赋予其独特的红色外观，还提高了其在高温下的机械性能和耐久性。相比之下，低CaO含量有助于减少烧制过程中的过度收缩，从而提高红土的加工性能。

从烧制实验的结果来看，红土在800°C至1100°C之间的性能变化趋势表明，其在高温下能够形成致密的陶瓷结构。随着温度的升高，红土的线性收缩率、体积密度和抗压强度均显著增加，而水吸收率和孔隙率则相应降低。这些变化趋势与陶瓷工业的标准相符，表明红土在烧制过程中能够达到理想的致密化和强化效果。此外，红土的热稳定性也得到了验证，其在1100°C时仍能保持结构完整性，这对于制造高温下的陶瓷产品至关重要。

### 研究意义与未来展望

本研究的意义在于，它为孟加拉国陶瓷工业提供了一种本地化的原料选择。目前，孟加拉国的陶瓷工业主要依赖于从中国、印度、新西兰和德国等国家进口原材料，这不仅增加了生产成本，还对国家的资源自给能力构成挑战。通过本研究，Sapahar地区的红土被证明是制造陶瓷瓷砖的优质原料，这为减少对进口材料的依赖提供了可行的解决方案。

然而，尽管本研究在实验室规模上验证了红土的陶瓷性能，但其在实际工业条件下的表现仍需进一步研究。未来的工作应包括扩大实验规模，进行工业级测试，并评估红土在长期使用中的耐久性和稳定性。此外，研究还应探讨红土与其他原料混合后的性能变化，以及如何通过添加助剂来进一步提高其机械强度和耐水性。这些研究将有助于推动红土在陶瓷工业中的广泛应用，并促进孟加拉国陶瓷产业的可持续发展。

### 结论

综上所述，Sapahar地区的红土在矿物学、化学和热行为方面均表现出良好的陶瓷性能。其高可塑性、适宜的化学成分和良好的热稳定性使其成为制造陶瓷瓷砖的理想材料。研究结果表明，红土在烧制过程中能够形成致密且坚固的结构，从而满足工业陶瓷对机械强度、耐热性和防水性能的要求。尽管本研究主要基于实验室条件，但其结果为红土在陶瓷工业中的应用提供了重要的理论依据和实践指导。

为了进一步推动红土在陶瓷工业中的应用，未来的研究应聚焦于工业规模的实验验证，以确保其在实际生产中的性能稳定性。同时，还需要探索红土与其他材料的混合可能性，以及如何通过技术手段优化其性能。此外，红土在陶瓷工业中的潜在应用不仅限于瓷砖制造，还可能包括其他类型的陶瓷产品，如陶器、建筑装饰材料等。因此，本研究为孟加拉国陶瓷工业的发展提供了新的方向和机遇，有助于提升其在国际市场中的竞争力，并促进当地资源的高效利用。