粘土
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粘土は、粘土鉱物[1]（含水アルミニウム層状ケイ酸塩、例：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様々な色を示し、例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などがあります。 [ 2] [3]

粘土は湿っていると可塑性を発揮しますが、焼成すると硬化します。[4] [5] [6]粘土は最も古くから知られている陶磁器材料です。先史時代の人類は粘土の有用な特性を発見し、陶器の製造に使用しました。最古の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、レンガに焼き込まれ、その耐荷重構造の重要な部分となっています。[要出典]農業において、粘土含有量は土地の耕作可能性を決定する主要な要因です。粘土質土壌は、一般的に自然排水が悪いため作物には適していません。しかし、粘土質土壌は陽イオン交換容量が高いため、より肥沃です。[9] [10]

粘土は非常にありふれた物質です。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]多くの天然の堆積層にはシルトと粘土の両方が含まれていますが、粘土は大きさや鉱物学的特徴の違いによって他の細粒土と区別されます。シルトは粘土鉱物を含まない細粒土で、粘土よりも粒径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。水を吸収すると容易に体積が膨張する粘土鉱物である膨潤性粘土（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]

特性

スメクタイト粘土の23,500倍に拡大した電子顕微鏡写真

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、乾燥または焼成による硬化能力である。粘土は、粘土が成形できる程度に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保てる程度に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い可塑性を示す。[12]カオリナイト粘土の塑性限界は約36%から40%の範囲であり、液性限界は約58%から72%の範囲である。[13]高品質の粘土は、粘土サンプルを平らに転がすの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、高度な内部凝集力を反映している。[12]

粘土は粘土鉱物を多く含み、これが粘土に可塑性を与えています。粘土鉱物は含水 アルミニウム 層状ケイ酸塩鉱物で、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相互に結び付けて微細な薄板状に結合しています。これらの板状物質は強靭でありながら柔軟性があり、湿った粘土中では互いに接着します。その結果生じる凝集体が粘土に凝集力を与え、可塑性を与えます。[14]カオリナイト粘土では、板状物質間の結合は水分子の膜によって行われ、水分子が水素結合して板状物質を互いに結合します。この結合は、粘土を成形する際に板状物質が互いに滑り落ちるほど弱い一方で、板状物質を所定の位置に保持し、成形後もその形状を維持するのに十分な強度があります。粘土が乾燥すると、ほとんどの水分子が除去され、板状物質が互いに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、依然として脆い状態になります。粘土を再び湿らせると、再び可塑性を取り戻します。粘土を焼成して土器の段階に達すると、脱水反応によって粘土から余分な水分が除去され、粘土板同士がより強い共有結合によって不可逆的に接着し、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へと変化します。メタカオリンはまた、再び湿らせても硬く、硬い状態を保ちます。さらに焼成され、石器や磁器の段階に達すると、メタカオリンはムライトなどのさらに強い鉱物へと再結晶化します。[6]

粘土粒子は極めて小さく板状であるため、表面積が大きくなっています。一部の粘土鉱物では、板状の部分が負電荷を帯びており、この電荷はナトリウム、カリウム、カルシウムなどの陽イオン（カチオン）の層によってバランスをとっています。粘土を他のカチオンを含む溶液と混合すると、これらのカチオンが粘土粒子の周囲の層にあるカチオンと交換されるため、粘土は高いイオン交換能力を発揮します。[14]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カチオンを保持する能力は、土壌の肥沃度にとって重要です。[15]

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。[11]しかし、ほとんどの粘土堆積物は不純である。多くの天然の堆積物には、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、土壌の可塑性特性（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、粘土粒子を2μm未満、シルト粒子をそれより大きい粒子と分類しています。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、吸水すると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。このため、粘土堆積物には泥割れや「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、土木工学において大きな課題となります。なぜなら、膨潤性粘土は建物の基礎を破壊したり、路盤を損傷したりする可能性があるからです。[1]

農業

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の必須成分です。他の土壌と比較して、粘土質土壌は保水性が高いため作物には適しておらず、植え付けに適した状態にするには人工的な排水と耕作が必要です。しかし、粘土質土壌は多くの場合より肥沃で、高い陽イオン交換容量により養分をよりよく保持できるため、休耕地よりも多くの土地を生産に利用することができます。粘土質は養分を浸透させる前により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可能性があります。[9] [10]

形成

1910年、坑道にいるイタリア人とアフリカ系アメリカ人の粘土鉱夫

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、雨水に溶解した、または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。[17]

形成される粘土鉱物は、根源岩の組成と気候に依存する。温暖な気候では、花崗岩などの長石を多く含む岩石が酸性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ことで生成され、ギブサイトは他の粘土鉱物が激しく風化することで生成される。[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。一次粘土は土壌中に残留堆積物として形成され、形成された場所に留まります。二次粘土は、水による浸食によって元の場所から運ばれ、新たな堆積層に堆積した粘土です。[19]二次粘土堆積物は、通常、大規模な湖や海盆など、堆積エネルギーが非常に低い環境に見られます。 [16]

品種

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。緑泥石、バーミキュライト[20] 、タルク[21] 、パイロフィライト[22]も粘土鉱物に分類されることがあります。これらのカテゴリには約30種類の「純粋な」粘土が含まれますが、ほとんどの「天然」粘土鉱床は、これらの異なる種類の粘土と他の風化鉱物の混合物です。[23]粘土中の粘土鉱物は、化学的または物理的試験よりも、X線回折法によって最も簡単に識別できます。 [24]

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年層が目に見える粘土であり、侵食や有機物含有量の違いによって特徴づけられます。この種の堆積物は、かつての氷河湖によく見られます。細かい堆積物が湖岸から離れた静かな水域に流れ込むと、湖底に沈降します。その結果生じた季節的な層構造は、粘土堆積物の縞状の均一な分布として保存されます。[16]

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独特なタイプの海成粘土です。 [24]生粘土は非常に敏感な粘土で、液状化しやすいため、いくつかの致命的な地滑りを引き起こしてきました。[25]

用途

ニュージーランド、オークランドの建設現場にある粘土層。掘削工事において、乾燥した粘土は通常、砂よりもはるかに安定しています
14世紀の焼成粘土で作られたボトルストッパー

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、異なる鉱物と焼成条件で使用することで、土器、石器、磁器を製造するために使用されます。先史時代の人類は、粘土の有用な特性を発見しました。発見された最も古い陶器の破片のいくつかは、日本の本州中部で発見されています。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、美術品、食器、喫煙パイプ、さらにはオカリナなどの楽器まで、すべて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民族は、粘土板を最初の筆記媒体として用いました。[8]粘土が選ばれたのは、加工しやすく、広く入手しやすいという理由からです。[26]筆記者は、楔形文字と呼ばれる文字で粘土板に文字を書き入れました。この文字は、スタイラスと呼ばれる鈍い葦を用いて、楔形の印を効果的に形成しました。書き込まれた粘土板は、必要に応じて新しい粘土板に加工して再利用したり、焼成して永久記録にしたりすることもできました。今日では、鉛筆の芯の黒鉛に粘土を充填することで、鉛筆の硬度と黒さを変えています。また、専用の粘土球は投石器の弾薬として使われていました。[27]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。[28] ベントナイト粘土は、砂型鋳造における鋳型結合剤として広く使用されています。[29] [30]

液体粘土での集団入浴
リラクゼーションの一種として
動画アイコンYouTubeのビデオ（10分）
ベナンのアヘメ湖近くの粘土風呂

材料

粘土はポリマーナノ複合材料によく使用される充填剤です。複合材料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、電気伝導性の低下など、特性を変化させることができます。 [31]

薬

粘土の薬としての伝統的な用途は先史時代にまで遡ります。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用されます。オウムやブタなどの動物も同様の理由で粘土を摂取します。[32] カオリンクレイとアタパルジャイトは下痢止めとして使用されてきました。[33]

建設

南エストニアの粘土建築

ロームの特徴的な成分である粘土は、石や木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。 [34]伝統社会と先進国の両方で、世界人口の半分から3分の2が今でも粘土で作られた建物に住んでいるか、働いています。粘土はレンガに焼き込まれ、耐荷重構造の重要な部分となっています。[要出典]多くの自然建築技術の主成分でもある粘土は、アドベ、コブ、コードウッド、そしてワットルアンドドーブ、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や建築要素の作成に使用されています。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ていました。

粘土は比較的水を通さないため、池のライニング、ダムの芯材、あるいは埋立地における有毒物質の浸透を防ぐバリア（埋立地のライニング、できればジオテキスタイルと組み合わせて）など、自然のシールが必要な場所にも使用されています。[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、様々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]

参照

注釈

  1. ^ abc Olive et al. 1989.
  2. ^ Klein & Hurlbut 1993, pp. 512–514
  3. ^ ネッセ 2000、252–257頁。
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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
  • usgs.gov (鉱物商品概要 2025): 粘土
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