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粘土は、粘土鉱物（含水アルミニウムフィロケイ酸塩、例えばカオリナイト、Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ） を含む、きめ細かい天然土壌材料の一種です[ 1 ]。ほとんどの純粋な粘土鉱物は白色または淡色ですが、天然の粘土は、少量の酸化鉄による赤みがかった色や茶色などの不純物によってさまざまな色を示します。[ 2 ] [ 3 ]
粘土は湿っていると可塑性を発揮しますが、焼成によって硬化させることができます。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]粘土は最も古くから知られている陶磁器の原料です。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います[ 7 ] 。また、粘土板は知られている最初の筆記媒体でした[ 8 ]。粘土は、製紙、セメント製造、化学ろ過など、多くの現代の工業プロセスで使用されています。世界人口の半分から3分の2は、粘土で作られた建物に住んだり働いたりしており、多くの場合、耐荷重構造の重要な部分としてレンガに焼かれています。農業では、粘土含有量は土地の耕作性を決定する主要な要因です。粘土質の土壌は、一般的に自然排水が悪いため作物にはあまり適していませんが、陽イオン交換容量が高いため、より肥沃です。[ 9 ] [ 10 ]
粘土は非常に一般的な物質です。主に粘土から形成される頁岩は、最も一般的な堆積岩です。[ 11 ]多くの自然界に存在する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組成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。膨張性粘土（膨潤性粘土）を多く含む土壌は、土木工学において大きな課題となっています。膨張性粘土は、水を吸収すると体積が容易に膨張する粘土鉱物です。 [ 1 ]
粘土の決定的な機械的特性は、湿潤時の可塑性と、乾燥または焼成時の硬化能力です。粘土は、成形できる程度に湿っている最小含水率（可塑限界と呼ばれる）から、成形された粘土がその形状を維持できる程度に乾燥している最大含水率（液性限界と呼ばれる）まで、幅広い含水率範囲で高い可塑性を示します。[ 12 ]カオリナイト粘土の可塑限界は約36%から40%、液性限界は約58%から72%です。[ 13 ]高品質の粘土は、粘土のサンプルを平らに転がすのに必要な機械的仕事量で測定されるように、靭性も高いです。その靭性は、内部凝集力の高さを反映しています。[ 12 ]
粘土には粘土鉱物が多く含まれており、それが粘土の可塑性を生み出しています。粘土鉱物は含水アルミニウムフィロケイ酸塩鉱物で、アルミニウムイオンとケイ素イオンが酸素イオンと水酸化物イオンを介して小さな薄い板状に結合したものです。これらの板は丈夫ですが柔軟性があり、湿った粘土の中では互いにくっつきます。その結果生じる凝集体が粘土に凝集力を与え、可塑性を生み出します。[ 14 ]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提供され、板同士が水素結合します。この結合は、粘土を成形する際に板が互いに滑り合うほど弱いですが、板を所定の位置に保持し、成形された粘土が成形後にその形状を維持できるほど強いです。粘土が乾燥すると、ほとんどの水分子が除去され、板同士が直接水素結合を形成するため、乾燥した粘土は硬くなりますが、依然として脆くなります。粘土が再び湿ると、再び可塑性になります。粘土が陶器の段階まで焼成されると、脱水反応によって粘土からさらに水分が除去され、粘土板がより強い共有結合によって不可逆的に互いに接着し、材料が強化されます。粘土鉱物であるカオリナイトは、非粘土物質であるメタカオリンに変化し、再び湿らせても硬く堅固な状態を保ちます。炻器や磁器の段階までさらに焼成すると、メタカオリンはさらに再結晶化して、ムライトなどのより強固な鉱物になります。[ 6 ]
粘土粒子の微小なサイズと板状の形状により、粘土鉱物は高い表面積を持つ。一部の粘土鉱物では、板状粒子が負の電荷を帯びており、ナトリウム、カリウム、カルシウムなどの正イオン（陽イオン）の周囲の層によってバランスが取られている。粘土が他の陽イオンを含む溶液と混合されると、これらの陽イオンは粘土粒子の周囲の層の陽イオンと入れ替わることができ、これにより粘土は高いイオン交換能力を持つようになる。[ 14 ]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を含む粘土鉱物の化学的性質は、土壌の肥沃度にとって重要である。[ 15 ]
粘土は堆積岩の一般的な構成要素です。頁岩は主に粘土から形成され、最も一般的な堆積岩です。[ 11 ]しかし、ほとんどの粘土鉱床は不純です。多くの天然の鉱床には、シルトと粘土の両方が含まれています。粘土は、サイズと鉱物組成の違いによって他の細粒土壌と区別されます。粘土鉱物を含まない細粒土壌であるシルトは、粘土よりも粒子サイズが大きい傾向があります。ただし、粒子サイズやその他の物理的特性には多少の重複があります。シルトと粘土の区別は分野によって異なります。地質学者や土壌科学者は通常、粒子サイズが2μm（粘土はシルトよりも細かい）で分離が起こると考え、堆積学者は4～5μmを使用することが多く、コロイド化学者は1μmを使用します。[ 4 ]それぞれの定義に多少の重複があるにもかかわらず、粘土サイズの粒子と粘土鉱物は同じではありません。地盤工学技術者は、土壌の塑性特性（アッターベルグ限界で測定）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2μm未満、シルト粒子はそれより大きいもの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。
スメクタイトなどの一部の粘土鉱物は、吸水能力が高く、吸水時に体積が大きく増加するため、膨潤性粘土鉱物と呼ばれます。乾燥すると、元の体積に戻ります。これにより、粘土堆積物には、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。ベントナイトなどの膨潤性粘土鉱物を含む土壌は、膨潤性粘土が建物の基礎を破壊したり、道路の路盤を損傷したりする可能性があるため、土木工学にとって大きな課題となります。[ 1 ]
粘土は一般的に農業には好ましくないと考えられていますが、ある程度の粘土は良質な土壌に必要な成分です。他の土壌と比較すると、粘土質土壌は保水性が高いため作物の栽培には適しておらず、植え付けに適した状態にするには人工的な排水と耕起が必要です。しかし、粘土質土壌は陽イオン交換容量が高いため、より肥沃で栄養分をよりよく保持することができ、休耕地にするのではなく、より多くの土地を生産に利用することができます。粘土は栄養分を溶脱する前に長く保持する傾向があるため、粘土質土壌では植物がより多くの肥料を必要とする場合もあります。[ 9 ] [ 10 ]
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最も一般的に形成されます。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。[ 16 ]化学的風化は、雨水に溶けている、または植物の根から放出される炭酸の低濃度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間の結合を切断し、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。[ 17 ]
形成される粘土鉱物は、源岩の組成と気候によって決まります。花崗岩などの長石を多く含む岩石が温暖な気候で酸性風化すると、カオリンが生成されます。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ます。スメクタイトは火成岩がアルカリ性条件下で風化することによって形成され、ギブサイトは他の粘土鉱物が激しく風化することによって形成されます。[ 18 ]
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、形成場所に残ります。二次粘土は、水の浸食によって元の場所から運ばれ、新しい堆積物中に堆積した粘土です。[ 19 ]二次粘土堆積物は、通常、大きな湖や海洋盆地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。[ 16 ]
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、イライトが含まれます。クロライト、バーミキュライト[ 20 ] 、タルク、パイロフィライト[ 21 ]も粘土鉱物として分類されることがあります。これらのカテゴリーには約30種類の「純粋な」粘土がありますが、ほとんどの「天然」粘土鉱床は、これらの異なる種類の混合物と他の風化鉱物の混合物です。[ 22 ]粘土中の粘土鉱物は、化学的または物理的テストよりもX線回折を使用して最も簡単に識別できます。 [ 23 ]
縞模様（または縞状粘土）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、侵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穏やかな水に運ばれると、湖底に沈殿します。その結果生じる季節的な層状構造は、粘土堆積物の縞模様の均一な分布として保存されます。[ 16 ]
クイッククレイは、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独特な海洋粘土の一種です。 [ 24 ]これは非常に敏感な粘土で、液状化しやすく、これまでにも何度か致命的な地滑りを引き起こしています。[ 25 ]
粘土は、彫刻などの美術工芸品に使用されます。粘土は、実用的および装飾的な陶器や、レンガ、壁、床タイルなどの建築製品の製造に使用されます。異なる種類の粘土は、異なる鉱物や焼成条件で使用されることで、土器、炻器、磁器の製造に使用されます。先史時代の人類は、粘土の有用な特性を発見しました。回収された最も古い陶器の破片のいくつかは、日本の本州中央部から出土しています。これらは縄文文化と関連付けられており、回収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、美術品、食器、喫煙パイプ、さらにはオカリナなどの楽器も、焼成前に粘土から成形することができます。
メソポタミアの古代の人々は、粘土板を最初の既知の筆記媒体として採用しました。[ 8 ]粘土は、地元産の材料で加工しやすく、広く入手可能であったため選ばれました。[ 26 ]書記は、スタイラスと呼ばれる鈍い葦を使って、楔形文字と呼ばれる文字で粘土板に書き込み、楔形の文字を効果的に作り出しました。書き込み後、粘土板は必要に応じて新しい粘土板に作り直して再利用したり、焼成して永久的な記録にしたりできました。今日では、鉛筆の芯の硬さや黒さを変えるために、粘土はグラファイトに充填剤として加えられています。専用の粘土球は、投石器の弾薬として使用されました。[ 27 ]粘土は、製紙、セメント製造、化学ろ過など、多くの工業プロセスで使用されています。[ 28 ]ベントナイト粘土は、砂型鋳造の製造において、型結合剤として広く使用されています。[ 29 ] [ 30 ]
粘土はポリマーナノコンポジットによく使われる充填剤です。粘土はコンポジットのコストを削減できるだけでなく、剛性の向上、透過性の低下、電気伝導率の低下など、特性を変化させることもできます。 [ 31 ]
粘土を薬として伝統的に使用してきたのは先史時代に遡ります。例えば、アルメニアのボレは胃の不調を和らげるために使われます。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。[ 32 ]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。[ 33 ]
ロームの主成分である粘土は、石などの古代の天然地質材料や木材などの有機材料と並んで、地球上で最も古い建築材料の1つです。 [ 34 ]伝統的な社会と先進国の両方で、世界の人口の半分から3分の2が、耐荷重構造の重要な部分として、粘土で作られた建物（多くの場合、レンガに焼かれたもの）に今も住んでいるか働いています。また、多くの自然建築技術の主要な材料でもある粘土は、アドベ、コブ、コードウッド、ワトルアンドドーブ、粘土プラスター、粘土レンダリングケース、粘土床、粘土塗料、セラミック建築材料などの構造物や建築要素の作成に使用されます。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、池のライニング、ダムのコア、または埋立地での有害物質の浸出に対するバリア（埋立地のライニング、好ましくはジオテキスタイルとの組み合わせ）など、天然のシールが必要な場所にも使用されます。[ 35 ] 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。 [ 36 ] [ 37 ]