哈萨克斯坦阿拉木图地区多相黏土基陶瓷的相演变、致密化与力学性能研究

《Ceramics》：Phase Evolution, Densification, and Mechanical Performance of a Multiphase Clay-Based Ceramic from the Almaty Region, Kazakhstan

　　

摘要专业翻译 本研究对哈萨克斯坦阿拉木图地区Koksay（K-Cl）、Shemolgan（S-Cl）和Uzynagash（U-Cl）矿床的天然黏土进行了比较性评估，并随后对K-Cl的烧成行为进行了详细研究。研究人员对原料的物理与技术性能、粒度分布及化学组成进行了表征。三种黏土表现出相似的氧化物组成，以SiO2（62.81–63.41 wt.%）、Al2O3（13.57–13.77 wt.%）及较高的CaO含量（10.38–10.94 wt.%）为主。基于原料筛选的综合结果，研究人员选取K-Cl在1050、1100和1150 °C下进行烧成。在1050和1100 °C下仅发生有限的致密化。在1150 °C下烧成使烧成密度提高至2221 kg/m3，线性收缩率达10.10%，抗压强度达54.21 MPa，而吸水率降至3.9%。X射线衍射（XRD）分析揭示了晶相组合的显著重组，包括1100至1150 °C之间钙铁辉石（hedenbergite）相对含量从28%增至50%。扫描电子显微镜–能谱分析（SEM–EDS）观察表明，在较高烧成温度下形成了更为致密的微观结构。总体而言，研究结果表明K-Cl作为致密烧成建筑陶瓷的本地原料具有应用潜力，并确定1100–1150 °C为进一步优化烧成条件的有前景的温度区间。

论文解读文章

一、研究背景与研究意义

天然黏土因其储量丰富、成本低廉、可塑性好以及烧成后能够形成耐久结构等优点，被广泛用于传统陶瓷和建筑制品领域。然而，天然黏土矿床本质上具有非均质性，通常含有高岭石、伊利石、蒙脱石（蒙脱石）等黏土矿物，并伴生石英、长石、碳酸盐及含铁矿物。因此，仅凭单一指标无法评估其陶瓷应用适宜性，而需要对化学与矿物组成、粒度分布及热行为进行综合评价。

目前研究存在的主要问题在于：天然黏土的烧成行为强烈依赖于矿物组成、颗粒特征和化学组成，且从有限致密化向强烈致密化的转变可能发生在较窄的温度区间内。然而，仅凭块体化学组成无法预测天然黏土的技术行为，因为粒度分布、可塑性、成型需水量和矿物学特征是相互关联的。在相同条件下对多种天然黏土进行筛选，并将其与高温相演变、微观结构和工程性能相关联的比较研究仍然有限。

因此，本研究在相同表征条件下对哈萨克斯坦阿拉木图地区Koksay、Shemolgan和Uzynagash三个矿床的天然黏土进行比较评估，并基于筛选结果选取K-Cl在1050、1100和1150 °C下进行详细烧成研究。本研究的独特贡献在于对致密化、收缩率、吸水率、抗压强度、晶相演变和微观结构发展进行综合分析，从而识别所研究的富钙黏土体系中从有限烧结向强烈烧结转变的临界区间。

二、主要关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：利用X射线荧光光谱（XRF）测定原料及烧成样品的氧化物等效化学组成；采用激光粒度分析仪测定粒度分布，以D10、D50和D90特征粒径表征颗粒特征；按照相关标准测定液限、塑限、塑性指数及成型含水率；利用Le Chatelier比重瓶测定真密度，采用透气法测定比表面积，通过煅烧质量差计算烧失量（LOI）；使用液压机在3 kN压实载荷下制备圆柱形试样，并在1050、1100和1150 °C下以5 °C/min的升温速率烧成，保温1小时；采用X射线衍射（XRD）结合HighScore Plus软件和ICDD PDF-2数据库进行物相鉴定与半定量分析；利用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）观察微观结构演变和元素分布。样本来自哈萨克斯坦阿拉木图地区的Koksay（K-Cl）、Shemolgan（S-Cl）和Uzynagash（U-Cl）三个矿床。

三、研究结果

3.1 原料的物理、技术与粒度特征

三种黏土的真密度相近，介于2630至2680 kg/m³之间。S-Cl具有最高的比表面积（481 m²/kg）、最高的塑性指数（13.3%）和最高的成型含水率需求。K-Cl表现出最低的塑性指数（11.5%）和成型含水率（12.7%），有利于减少干燥过程中需去除的水量。K-Cl的烧失量仅为4.2%，低于U-Cl的6.5%和S-Cl的7.3%。粒度分析表明，K-Cl粒度分布相对最粗，D10、D50和D90分别为0.990、4.829和43.002 μm；U-Cl粒度最细，对应值为0.772、3.487和40.404 μm；S-Cl居中。K-Cl较粗的粒度分布与其最低的塑性指数和成型含水率需求相一致。

3.2 原料的化学组成

三种黏土的氧化物等效化学组成高度相似。SiO₂为主要组分，约占62.8–63.4 wt.%，Al₂O₃为13.6–13.8 wt.%，SiO₂/Al₂O₃比值约为4.6。CaO含量较高，为10.38–10.94 wt.%，MgO和K₂O分别约为3.6–4.0 wt.%和2.4 wt.%，三者合计约16.4–17.2 wt.%。Fe₂O₃含量为4.88–4.94 wt.%。较高的CaO含量有利于形成含钙高温物相，CaO、MgO和K₂O可促进助熔反应和液相辅助致密化。由于三种黏土块体化学组成差异有限，其技术行为的差异不能仅由总氧化物组成解释，K-Cl的选取基于综合技术特征而非化学组成。

3.3 烧成过程中的质量、密度与尺寸演变

在1050和1100 °C烧成后，密度从干燥态的约1879–1887 kg/m³分别降至1646和1660 kg/m³，线性收缩率仅为0.79%和0.99%，表明致密化有限。在1150 °C下，尽管烧成质量与1100 °C相当，线性收缩率急剧增至10.10%，烧成密度达2221 kg/m³。密度的显著增加反映了大幅的体积收缩而非残余质量的差异。试样外观在1150 °C下呈现明显的尺寸收缩和更深的颜色，与定量结果一致。1100至1150 °C之间线性收缩率的急剧增加表明向更强烧结机制的转变，可能涉及液相形成促进的黏性流动辅助致密化和孔隙闭合。

3.4 吸水率与抗压强度

抗压强度随烧成温度显著提高：1050 °C时为10.21 MPa，1100 °C时为16.88 MPa，1150 °C时达54.21 MPa，为1050 °C时的五倍以上。吸水率呈相反趋势，从1050 °C的约6.3%降至1100 °C的5.6%和1150 °C的3.9%。吸水率与抗压强度之间呈显著的反比关系。1100至1150 °C之间的突变表明主要致密化过程发生在较窄的温度区间内。54.21 MPa的抗压强度表明K-Cl具有用于致密烧成建筑陶瓷的潜力。

3.5 烧成过程中的化学与相演变

XRD分析显示，1100 °C时K-Cl的晶相组合为石英（39%）、钙铁辉石（28%）、磁赤铁矿（13%）、含钙钠长石（8%）、正长石（7%）和方石英（5%）。在1150 °C时，钙铁辉石的相对含量从28%增至50%，石英从39%略降至36%，含钙钠长石和方石英分别约占10%和5%，正长石和磁赤铁矿不再作为独立晶相被检测到。这表明晶相组合发生了显著重组，钙铁辉石的增加与强烈烧结的开始相一致。石英仍为主要残余晶相，表明1100至1150 °C的烧成涉及晶相组合的重新分布而非硅质组分的完全反应。钙铁辉石的形成与K-Cl较高的CaO含量一致，也与碳酸盐质陶瓷黏土中形成含钙硅酸盐物相的已有观察相符。

3.6 微观结构演变与EDS图谱

SEM观察表明，1100 °C烧成的试样呈现非均质、相对开放的微观结构，具有不规则的颗粒边界、粗糙的表面特征和可见的颗粒间空隙，虽然存在局部粘结和部分熔融区域，但单个结构特征仍清晰可辨，表明固结尚不完整。EDS图谱显示Si和Al广泛分布，Ca分布在整个分析区域，而Mg、K和Fe呈空间非均质分布。在1150 °C烧成后，微观结构发生明显变化，出现更大面积的平滑熔融区域，多处颗粒边界变得不那么清晰，基体呈现更致密的外观，但同时仍存在一些不规则和多孔区域，表明微观结构并非完全均匀。EDS图谱显示Si、Al以及Ca、Mg、K和Na的广泛分布。微观结构从1100 °C的相对开放态向1150 °C的更致密态转变，证实了1100–1150 °C区间内烧结的强化。

3.7 合理烧成温度区间

综合物理、力学、物相和微观结构结果，K-Cl在1100–1150 °C区间内经历了从有限烧结向强烈烧结的显著转变。1100–1150 °C是进一步优化K-Cl建筑陶瓷烧成条件的有前景的温度区间。由于未研究该区间内的中间温度，现有数据尚不能确定单一最优温度，需要在该区间内以更小的温度间隔进行进一步实验。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，K-Cl在1100–1150 °C区间内从有限烧结向强烈烧结的转变与文献中其他天然黏土的烧结行为一致，但转变温度的具体位置强烈依赖于原料组成。文献数据应视为比较性证据而非相同烧结机制的直接确认。

研究结论如下：（1）三种黏土具有相似的氧化物等效化学组成，以SiO₂（62.81–63.41 wt.%）、Al₂O₃（13.57–13.77 wt.%）和较高的CaO含量（10.38–10.94 wt.%）为主，塑性指数为11.5%至13.3%，K-Cl具有最低的成型含水率需求（12.7%）和烧失量（4.2%）；（2）在1050和1100 °C下烧成仅产生有限的致密化，烧成密度仅从1646增至1660 kg/m³，线性收缩率低于1%，而1100至1150 °C之间发生显著的致密化转变，1150 °C时烧成密度达2221 kg/m³，线性收缩率达10.10%；（3）抗压强度从1050 °C的10.21 MPa增至1100 °C的16.88 MPa和1150 °C的54.21 MPa，吸水率分别从6.3%降至5.6%和3.9%；（4）XRD分析显示1100至1150 °C之间晶相组合显著重组，钙铁辉石相对含量从28%增至50%，正长石和磁赤铁矿在1150 °C时不再作为独立晶相被检测到，SEM观察显示从1100 °C的非均质开放微观结构向1150 °C的更致密结构转变。总体而言，1100–1150 °C区间被确定为K-Cl从有限烧结向强烈烧结转变的关键区间，研究结果表明K-Cl作为致密烧成建筑陶瓷的本地原料具有应用潜力。在研究的温度中，1150 °C产生了最高程度的致密化和力学性能，但由于未研究中间温度，不应将其视为确定的技术最优值，需要在1100–1150 °C区间内进一步研究以精确确定最优烧成条件。