粘土

粘土は、粘土鉱物^[1]（含水アルミニウム層状ケイ酸塩、例えばカオリナイト、Al ₂ Si ₂ O ₅ ( OH ) ₄ ） を含む細粒の天然土壌物質の一種です。純粋な粘土鉱物のほとんどは白色または淡色ですが、天然粘土は不純物によってさまざまな色を示し、たとえば少量の酸化鉄による赤みがかった色や茶色がかった色になります。^{[2] [3]}

粘土は湿っていると可塑性が増しますが、焼くことで硬化します。^{[4] [5] [6]}粘土は最も古くから知られているセラミック材料です。先史時代の人類は粘土の有用な特性を発見し、陶器を作るために使用しました。最も古い陶器の破片のいくつかは紀元前14,000年頃のものとされており、 ^[7]粘土板は最初の筆記媒体として知られています。^{[8]粘土は、}製紙、セメント製造、化学ろ過など、多くの現代の産業プロセスで使用されています。世界の人口の半分から3分の2が、粘土で作られた建物に住んでいるか、働いています。粘土は多くの場合、レンガに焼かれ、その耐荷重構造の重要な部分です。

粘土は非常にありふれた物質です。粘土から大部分が形成された頁岩は、最も一般的な堆積岩です。^[9]多くの天然堆積物にはシルトと粘土の両方が含まれていますが、粘土はサイズと鉱物学の違いによって他の細粒土と区別されます。粘土鉱物を含まない細粒土であるシルトは、粘土よりも粒子サイズが大きい傾向があります。砂、シルト、および40％未満の粘土の混合物はロームと呼ばれます。水を吸収すると体積が容易に膨張する粘土鉱物である膨張性粘土（膨張性粘土）を多く含む土壌は、土木工学における大きな課題です。^[1]

粘土の決定的な機械的性質は、湿っているときの可塑性と、乾燥または焼成されたときの硬化能力である。粘土は、成形できるほど湿っている最小水分含有量（塑性限界と呼ばれる）から、成形された粘土がその形状を維持できるほど乾燥している最大水分含有量（液性限界と呼ばれる）まで、幅広い水分含有量の範囲内で高度に可塑性を示す。^[10]カオリナイト粘土の塑性限界は約36％から40％の範囲で、液性限界は約58％から72％の範囲である。^[11]高品質の粘土は、粘土サンプルを平らに転がすために必要な機械的作業量で測定されるように、強靭でもある。その強靭性は、高度な内部凝集性を反映している。^[10]

粘土には粘土鉱物が多く含まれており、これが粘土に可塑性を与えている。粘土鉱物は含水 アルミニウム 層状ケイ酸塩鉱物で、酸素イオンと水酸化物イオンが相互に連結して小さな薄い板状に結合したアルミニウムイオンとケイ素イオンから構成されている。これらの板は強靭だが柔軟性があり、湿った粘土では互いに接着している。その結果生じた凝集体が粘土に可塑性をもたらす凝集力を与える。 ^[12]カオリナイト粘土では、板間の結合は水分子の膜によって行われ、板を水素結合させる。この結合は粘土を成形する際に板が互いに滑り落ちるほど弱いが、板を所定の位置に保持し、成形後の粘土の形状を維持するには十分強い。粘土が乾燥すると、ほとんどの水分子が除去され、板は直接互いに水素結合するため、乾燥した粘土は硬いがまだ脆い。粘土を再び湿らせると、再び可塑性を取り戻す。粘土を焼成して土器の段階にすると、脱水反応によって粘土から余分な水分が除去され、粘土板が共有結合を介して互いに不可逆的に接着し、材料が強化されます。粘土鉱物のカオリナイトは非粘土物質のメタカオリンに変換され、再び湿らせても硬く保たれます。石器や磁器の段階を経てさらに焼成すると、メタカオリンはムライトなどのさらに強い鉱物に再結晶化します。^[6]

粘土粒子は小さく、板状であるため、表面積が大きい。粘土鉱物の中には、板状の部分が負の電荷を帯びているものがあり、この電荷は周囲の陽イオン（ナトリウム、カリウム、カルシウムなど）層によってバランスが取られている。粘土を他の陽イオンを含む溶液と混ぜると、粘土粒子の周囲の層の陽イオンと入れ替わるため、粘土はイオン交換能力が高くなる。^[12]粘土鉱物の化学的性質、特にカリウムやアンモニウムなどの栄養陽イオンを保持する能力は、土壌の肥沃度にとって重要である。^[13]

粘土は堆積岩の一般的な成分である。頁岩は主に粘土から形成され、最も一般的な堆積岩である。^[9]しかし、ほとんどの粘土堆積物は不純である。多くの天然堆積物にはシルトと粘土の両方が含まれている。粘土は、大きさと鉱物学の違いによって他の細粒土と区別される。粘土鉱物を含まない細粒土であるシルトは、粘土よりも粒子サイズが大きい傾向がある。しかし、粒子サイズやその他の物理的特性には重複する部分がある。シルトと粘土の区別は分野によって異なる。地質学者や土壌科学者は通常、粒子サイズが 2 μm (粘土はシルトよりも細かい)で分離が起こると考えており、堆積学者は4～5 μm を使用することが多く、コロイド 化学者は1 μm を使用する。^[4]粘土サイズの粒子と粘土鉱物は、それぞれの定義がある程度重複しているにもかかわらず、同じではありません。土質工学技術者は、土壌のアッターベルグ限界で測定される土壌の可塑性に基づいてシルトと粘土を区別します。ISO 14688 では、粘土粒子は 2 μm 未満、シルト粒子はそれより大きいと分類されています。砂、シルト、および 40% 未満の粘土の混合物はロームと呼ばれます。

粘土鉱物の中には、スメクタイトなど、水を吸収する能力が高く、水を吸収すると体積が大幅に増加するため、膨張性粘土鉱物と呼ばれるものがあります。乾燥すると、元の体積に戻ります。これにより、粘土堆積物に泥のひび割れや「ポップコーン」のような独特の質感が生じます。膨張性粘土鉱物（ベントナイトなど）を含む土壌は、膨張性粘土が建物の基礎を破壊したり、路盤を台無しにしたりすることがあるため、土木工学にとって大きな課題となります。^[1]

粘土鉱物は、ケイ酸塩を含む岩石の長期にわたる化学的風化によって形成されるのが最も一般的です。また、局所的に熱水活動によって形成されることもあります。^{[14]化学的風化は、雨水に溶解したり植物の根から放出された低濃度の}炭酸による酸加水分解によって主に起こります。酸はアルミニウムと酸素の結合を切断し、他の金属イオンとシリカ（オルトケイ酸のゲルとして）を放出します。) ^[15]

形成される粘土鉱物は、原岩の組成と気候に依存する。温暖な気候で花崗岩などの長石を多く含む岩石が酸風化すると、カオリンが生成される傾向がある。同じ種類の岩石がアルカリ性条件下で風化するとイライトが生成される。スメクタイトはアルカリ性条件下で火成岩が風化すると形成され、ギブサイトは他の粘土鉱物が激しく風化すると形成される。^[16]

粘土堆積物には、一次粘土と二次粘土の2種類があります。一次粘土は土壌中の残留堆積物として形成され、形成された場所に残ります。二次粘土は、水による浸食によって元の場所から運ばれ、新しい堆積物に堆積した粘土です。^[17]二次粘土堆積物は通常、大きな湖や海盆などの非常にエネルギーの低い堆積環境に関連しています。 ^[14]

粘土の主なグループには、カオリナイト、モンモリロナイト-スメクタイト、イライトなどがある。緑泥石、バーミキュライト、^[18]、 タルク、パイロフィライト^[19]も粘土鉱物に分類されることがある。これらのカテゴリには約30種類の「純粋な」粘土があるが、ほとんどの「天然」粘土鉱床は、これらの異なるタイプと他の風化した鉱物の混合物である。^[20]粘土中の粘土鉱物は、化学的または物理的試験ではなく、X線回折法で最も簡単に識別できる。 ^[21]

年縞（または年縞粘土）は、季節的な堆積によって形成された目に見える年層を持つ粘土であり、浸食と有機物含有量の違いによって特徴付けられます。このタイプの堆積物は、かつての氷河湖でよく見られます。細かい堆積物が海岸線から離れたこれらの氷河湖盆地の静かな水域に運ばれると、湖底に沈みます。その結果生じる季節的な層は、粘土堆積物の縞状の均一な分布として保存されます。^[14]

生粘土は、ノルウェー、北アメリカ、北アイルランド、スウェーデンの氷河地帯に固有のユニークなタイプの海洋粘土です。^[22]非常に敏感な粘土で、液状化しやすく、いくつかの致命的な地滑りに関係しています。^[23]

モデリング粘土は、美術や工芸の彫刻に使用されます。粘土は、実用的および装飾的な陶器、レンガ、壁、床タイルなどの建設製品の製造に使用されます。さまざまな種類の粘土を、さまざまな鉱物や焼成条件で使用すると、土器、石器、磁器が作られます。先史時代の人類は粘土の有用な特性を発見しました。発見された最も古い陶器の破片のいくつかは、日本の本州中部からのものです。それらは縄文文化に関連しており、発見された堆積物は紀元前14,000年頃のものとされています。 ^[7]調理鍋、芸術品、食器、煙管、さらにはオカリナなどの楽器さえも、焼成前に粘土で形を作ることができます。

メソポタミアの古代人は、粘土板を最初の筆記媒体として採用しました。^[8]粘土が選ばれたのは、地元の材料として扱いやすく、広く入手できたためです。^{[24]筆記者は、}楔形文字と呼ばれる文字で粘土板に書き込みました。この文字は、スタイラスと呼ばれる鈍い葦を使用しており、効果的にくさび形のマークを作成しました。書き込み後、粘土板は必要に応じて新しい粘土板に再加工して再利用することも、永久的な記録にするために焼成することもできます。専用の粘土球は投石器の弾薬として使用されました。^{[25]粘土は、}製紙、セメント製造、化学ろ過など、多くの産業プロセスで使用されています。^[26]ベントナイト粘土は、砂型鋳造の製造における鋳型結合剤として広く使用されています。^{[27] [28]}

液体粘土での集団入浴
一種のリラクゼーションとして
YouTubeのビデオ（10分）

粘土はポリマーナノ複合材料によく使われる充填剤で、複合材料のコストを削減できるほか、剛性の向上、透過性の低下、電気伝導性の低下など、複合材料の挙動を変化させる効果もある。 ^[29]

粘土の薬としての伝統的な使用は先史時代にまで遡ります。一例として、胃の不調を和らげるために使用されるアルメニアのボレがあります。オウムや豚などの動物も同様の理由で粘土を摂取します。^[30] カオリン粘土とアタパルジャイトは下痢止め薬として使用されてきました。^[31]

ロームの特徴的な成分である粘土は、石や木材などの有機材料など、古代に自然に発生した他の地質学的材料とともに、地球上で最も古い建築材料の1つです。 ^[32]伝統的な社会と先進国の両方で、世界人口の半分から3分の2が、依然として粘土で作られた建物に住んでいるか、働いています。粘土は、多くの場合、耐荷重構造の重要な部分としてレンガに焼き込まれています。^[要出典]また、多くの自然建築技術の主成分である粘土は、アドベ、コブ、コードウッド、およびワトルアンドドーブ、粘土漆喰、粘土レンダリングケース、粘土の床、粘土ペイント、セラミック建築材料などの構造物と建築要素を作成するために使用されます。粘土は、水から保護されているレンガの煙突や石壁 のモルタルとして使用されました。

粘土は比較的水を通さないため、池の裏地やダムの芯、あるいは埋立地の有毒物質の浸出を防ぐバリア（埋立地の裏地、できればジオテキスタイルと組み合わせて）など、自然の密閉が必要な場所にも使用されています。 ^[33] 21世紀初頭の研究では、廃水からの重金属の除去や空気浄化など、さまざまな用途における粘土の吸収能力が調査されています。 ^{[34] [35]}

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• 鉱物学会粘土鉱物グループ 2017年9月26日アーカイブウェイバックマシン
• 英国の陶芸業界で使用されている粘土に関する情報
• 粘土鉱物協会
• 粘土中の有機物