3）由于一些棱边缩短，另一些延长，八面体的上顶面和下底面相对于法线以相反方向旋转3~5º。

另一个导致八面体阴离子晶格畸变的因素是类质同像，它引起阳离子与阴离子之间键的长度的改变。具粗大层间阳离子K+的云母，其八面体层阴离子晶格的某些畸变，可能由于晶格的大小与四面体晶格的参数不相应。三八面体矿物由于所有的八面体的方位都被填充，其阴离子晶格的变形较轻。

6.3四面体晶格的畸变

在对层状硅酸盐矿物结构具不同程度类质同像置换的研究中发现，四面体阳离子在结构中的位置可依Al3+的含量而改变。特别是当少量Si4+被Al3+置换时，四面体阳离子则从其几何中心移向四面体的底面而削弱了与顶端氧的连结。当四面体中有相当数量的类质同像置换时，阳离子则移向相反方向，即向四面体的顶部移动，这则使其与底部氧的连结减弱。

6.4八面体与四面体晶格的结合

在硅酸盐层形成时，八面体和四面体晶格产生连结。这种晶格的“结合”要求相互适应，但因为大多数黏土矿物四面体晶格的尺寸比八面体晶格略大，如高岭石理想四面体单元晶胞的b值等于9.04Å，而八面体层的b值不超过8.92Å。由于八面体晶格中的八面体是沿侧棱连结的，而四面体晶格中的四面体的连结仅仅是通过基底上共有氧实现的。因此，八面体的结构格架较四面体晶格格架要略牢固一些。这是形成层状硅酸盐结构格架时八面体晶格起主导作用的先决条件。

就二层型高岭石矿物理想的六角形格架而言，四面体底面的移动方向，取决于来自本层八面体阳离子方面的引力以及相邻晶胞OH组氢键的引力。这两支力共同促使阴离子层成正方形叠置；此时，四面体和八面体的底面正好方位相反。当四面体晶格叠置到八面体晶格上时，靠四面体围绕法线转动还不足以缩短其长度。八面体阴离子晶格的二个不可分的棱边长度，超过了四面体晶格顶端氧之间的最大距离。因此，与八面体具有公共氧的四面体，可由与正常情况相比稍微倾向基面的途径来适应八面体的大小。因此，四面体基面上的氧原子就不在一个平面上，而在硅酸盐层面上形成“凸起”和“凹陷”。

6.5补偿阳离子对黏土矿物单位晶胞大小和层间距离的影响

在非等价类质同像置换时，层状硅酸盐产生的剩余层电荷被补偿阳离子所中和。补偿阳离子位于晶体外缘和层间空间，和四面体晶格的氧原子晶胞相邻近。补偿阳离子位于八面体坐标中，形成三个与每一个氧原子面相接的正常长度的离子键（白云母为2.81Å）。阳离子和其余氧原子晶胞的连结相当弱，长度为3.39~3.51Å，亦即大大超过离子半径的长度，从而引起结构中层间距离的改变。补偿阳离子不仅能补偿电荷，又能影响结构中单元晶胞的大小。层状硅酸盐构造单元晶胞参数随层间阳离子成分而改变。

另一个和补偿阳离子特性有关的结构特征是层间空间的大小。它由相邻层氧原子的平面间距来确定。X—射线研究表明，二八面体矿物的层间距离主要取决于补偿阳离子的特性（首先是它的大小）。对三八面体矿物，这种关系则较为复杂。

6.6层内和相邻层内四面体与八面体晶格相互叠置的不规则性

黏土矿物的重要特征是存在层内和相邻层内四面体与八面体晶格相互不同结合的可能性。层与晶格相互叠置、彼此相似的多样性受以下因素控制：

1）相邻晶格与层的表面上，原子的对称排列，可能有好几种相互结合的方式，而其能量差别则很小；

2）相邻层沿层理面相互作用的能量不高。

对高岭石结构中晶格与层的各种不同叠置方式的研究最为广泛和完善，不同叠置的存在导致了多种多样的变体。1：1型矿物结构中的八面体晶格可有两个互相相反的方位，而其中的每一个方位可能有三种四面体晶格的连结方式。这样，在1：1型的同一层内，晶格的相互位移类型可能有六种。高岭石矿物结构中相邻层的相互叠置，有一层八面体晶格中的羟基和相邻层四面体基底的氧原子之间的远氢键来控制。高岭石矿物结构中的这种位移可具有序的和无序的特性。有序的位移，它使结构单一，而且在结晶学方面是完善的；无序的位移，导致了均一性和结构完善程度的破坏，制约了高岭石由三斜晶系（完整的高岭石）向假单斜晶系（非完整的高岭石）的过渡。还有一种观点认为，高岭石基底的不完正性和与此有关的矿物性质上的差异，是受到层间结晶水分子的控制。2：1型黏土矿物，尤其是云母和水云母，层位的各种叠置类型不太显著。

7、烧结砖瓦原料中的基本矿物和非基本矿物及典型矿物组成

7.1基本矿物

在陶瓷工业中,人们都知道在卫生瓷类的坯体原料制备中要用大约50%的黏土，25%的长石，25%的隧石。用黏土的主要原因是提供可塑性，从而使坯料在制成有用形状时有一定的可加工性。黏土中能提供可塑性的本质在于所含黏土矿物的类别及多少。在湿坯体的这种塑性状态下，长石和隧石起着在成型后的产品中控制收缩和变形的填充料的作用。在焙烧期间，长石则成为一种熔剂，补偿了用耐火黏土和惰性石英的不足。“隧石”实际上是细粉状的石英，它是涉及到大多数卫生瓷制造过程的一种惰性填充料，但是它确实起着提供干燥和焙烧后坯体强度的作用。

对典型的陶瓷坯体原料的要求是：除了提供可塑性的黏土外，还要有熔剂性材料和填充料。这些要求仍然适用于烧结砖瓦产品的坯体原材料。大体上讲，在砖瓦工业使用的黏土，页岩和煤矸石中自然地就存在有这些成分。当在自然原材料中这些成分不是非常合适时，要么就是加入其它合适的物质对此进行调整，要么就排除掉这种不能达到预期目的不适应的原材料。在墙地砖工业中，如同陶瓷制品的许多制造方法一样，为了使其满足专门的性能要求，则按所需要的成分进行配料混合后，再制备坯体。

卫生瓷坯体中含有难熔的高岭石质黏土，而用于烧结砖瓦产品的红焙烧色原料中起主要作用的是伊利石。由于这种矿物的结构式中有钾和镁存他 它不需要外加的熔剂。也就是说这种黏土矿物本身含有熔剂。然而伊利石质黏土需要惰性的填充料，这种填充料通常是在大多数烧结砖瓦原材料中以自然的成细颗粒的石英出现。因此，用于红焙烧色烧结砖瓦产品的基本矿物是：伊利石和石英。这两种矿物都是生产高质量砖瓦产品所必需的，但是，通常的原材料中还存在有可能或者是不可能改变产品性能的其它矿物。也就是说原材料中所包含的矿物并不一定都是烧结砖瓦产品所希望的矿物。

焙烧后呈黄色的耐火材料制品中含有耐火黏土，该原料含有的主要黏土矿物是高岭石，然而也含有较少量的伊利石。这两种黏土矿物都有助于可塑性的形成，而伊利石在焙烧中也是主要的熔剂性矿物。由于耐火黏土坯体的烧成温度较高，坯体中可能存在的长石也有助熔的作用。石英作为填充料也是必需的成分之一。石英通常是存在于天然的矿床中。那么用于耐火黏土制品的基本矿物就是高岭石，伊利石和石英。这些矿物以适当比例配合之后，就能生产出质量极好的制品。通常大多数天然存在的耐火黏土中，往往含有可能会影响生产过程及制性能的其它矿物。

我们已经指出，典型的卫生瓷坯体含有约50%的黏土，然而在烧结砖瓦产品中涉及到产品的类型（空心砖、多孔砖、实心砖、铺路砖、瓦及装饰砖等）和成型方法（压制、塑性挤出、软泥模制等）时，所必需有的黏土矿物含量多少的要求是不一样的。例如用于挤出法生产实心砖的原材料中的黏土矿物含量可以降低至35%，但是这并不是说黏土矿物含量接近50%时不好。对用于挤出法生产的空心制品和小型污水管，则希望最小的黏土矿物含量在40%。这些经验数据也适用于软泥砖的生产。用于大型污水管的原材料需要形成较大的塑性强度，因而所需的黏土矿物更希望接近于50%。在各种坯体原材料中不希望黏土矿物的总量超过50%，因为过多的黏土矿物将导致过度的收缩。

此处所讲之“黏土矿物”主要是指高岭石、蒙脱石、伊利石（水云母）、绿泥石和混合层（伊—蒙混合层）矿物五大类别。黏土矿物的总量也是指这五种主要黏土矿物的合计数量。由此看来，合理的黏土矿物组成就是烧结砖瓦产品原材料中所必需的基本矿物。所谓合理的黏土矿物组成，是指组成坯体原料中的黏土矿物种类要符合产品性能及生产工艺过程的要求，例如，蒙脱石虽说是主要的黏土矿物之一，但在某一坯体原料中如含量很高时，生产中就可能会遇到干燥收缩过大难以控制，使出现裂纹的危险性增大。

7.2 非基本矿物

大多数天然的黏土、页岩和煤矸石矿床中含有的矿物并不是都能用于生产高质量制品的基本矿物，绝大多数情况下，都含有或多或少的非基本矿物。这些非基本矿物并不是都有害，某些可能是有益的，但是某些是有害的或者至少是令人担忧的。在建筑黏土制品使用的原材料中己经发现较为普遍的非基本矿物列在表21中，在表中将这些矿物又分成为既反映其结构又给出了化学性质的许多小类,如层状硅酸盐矿物，架状硅酸盐矿物，闪石类硅酸盐矿物，氧化物，硫酸盐，碳酸盐，硫化物等。

在表21的开头所列的是性质不同于基本黏土矿物的层状硅酸盐矿物，蒙脱石就是其中一种黏土矿物。在某些有用的原材料中蒙脱石的含量可达约5%矿物。由于这种矿物在可塑性的形成和干燥期间的独特性能（可塑性较高及收缩较大），即使在原材料中含有百分之一、二也应当用专门的方法处理，以避免生产中出现质量问题。在某些工厂中当可塑性太差时可加入少量的膨润土（蒙脱石是其主要矿物组成），在这种情况下，这种蒙脱石矿物将成为一种基本坯体原料成分。但是在一般生产实际中并不是如此，蒙脱石的含量必须限制在一定的范围内。出现在许多原生黏土、页岩和煤矸石中的绿泥石矿物，有时可达40%以上的含量。这种矿物不像其它黏土矿物，本身没有可塑性，但是由于它的镁含量高，在焙烧反应中有形成不同物相的趋势,并且有时遇水后会产生膨胀,在焙烧中也极易出现膨胀现象(面包砖)。其余的层状硅酸盐矿物如云母及类似于云母的矿物也是烧结砖瓦原材料中的常见矿物，但通常不会大量出现，不可能在产品性能和生产工艺上产生大的影响。表21列入的所有层状硅酸盐矿物中只是叶蜡石在通常的焙烧温度下起着熔剂的作用。比较纯的叶蜡石是一种矿物掺合料，也是某些地砖坯体的基本原材料。绢云母在表中与白云母列在 

表21：烧结砖瓦产品原材料中常见的非基本矿物

一起，它是白云母一类的矿物，据推测它在原材料中的形成是由于其它岩石的风化所致，而不是与通常的白云母一样从其熔体中结晶的。在某些烧结砖瓦厂中往往将呈细粉状的白云母或绢云母加到其它原材料中作为一种熔剂。但是原料中含云母类矿物超过一定量时，会造成挤出成型中的困难。

架状硅酸盐在大多数黏土和页岩中通常发现仅有较小的量存在。微斜长石和正长石是钾长石类的矿物，在表中从钠长石到拉长石是属斜长石系列的钠—钙长石。这些长石质矿物在整个红焙烧色砖瓦产品的制造过程中仅起着惰性填充料的作用，因为绝大多数砖瓦产品的烧成温度低于长石质矿物的熔融温度。但是在较高焙烧温度下能够起熔剂的作用。

闪石类硅酸盐矿物、辉石类硅酸盐矿物和正硅酸盐矿物在烧结砖瓦制品的原材料中仅存在有较小的微量，讨论它们的效应通常是没有多大的实际意义。

表21中所列氧化物类中，赤铁矿和褐铁矿与烧结砖瓦制品有着较大的关系。因为这些铁的氧化物对制品形成的颜色有非常大的影响，因而必须完全弄清楚它们的高温化学性质。二氧化钛，即金红石及锐铁矿在地壳的表面分布很广，因此，人们能够预料到在大多数黏土和页岩中这些矿物有1%左右。在这一含量下，它们对制品的性能与形成几乎没有什么影响。钙和镁的碳酸盐与黏土矿物有着强的反应能力，并因它们的存在使高温反应进入完全不同的方向。这种反应未必都是有害的，因为反应的产物常常对制品是有益的，但是在原材料 中却常要避免含有这些杂质。在原材料中存在有过量的方解石和白云石，将导致非常不稳定的产物。菱铁矿，即碳酸铁在原材料中常发现是从小到大的球核状，例如在某些煤矸石中。这也许是来源于黄铁矿

(FeS2)的分解。由于这些球核比其它团块要硬，在粉碎时易于形成驾较大的颗粒，其结果是这种较大的颗粒在焙烧中于制品的表面上形成了熔融的铁斑（黑点，常见有流淌状）。在烧结砖瓦产品上的这种黑色铁斑点是不希望有的，特别是在屋面瓦的表面上。

钙和钡的硫酸盐是烧结砖瓦原材料中完全不希望有的杂质矿物，因为石膏多少会溶解在使用来获得可塑性的水中，并且这两种硫酸盐都是反应活性强的物质，在烧成过程中会成为含硫气体的来源，这些气体的存在对制品的危害甚至比对排放到环境中更有害。

在硫化物中，表中列出的三种矿物都是铁的硫化物。它们存在于大多数耐火黏土、黑色黏土、煤矸石及页岩中，并且由于它们的存在而阻止了有机碳的自然氧化。至少可以说，这些矿物是容易出问题的。然而，这些矿物对制造过程和产品性能的影响是完全可以消除的，如使用其它性能好的原材料及合理的焙烧方法，或经专门处理后完全可得到满意的效果。

碳物质存在于许多黏土、页岩和煤矸石等原材料中，为了避免在产品中出现严重的质量问题，碳必须在焙烧过程的特定阶段被完全被烧失,也就是完全燃烧。这是能够实现的，但是对焙烧进程来说，它可能显著地延长了烧成时间。这个问题在砖瓦工业中已成功地得到了解决,例如煤矸石中含有大量的碳,而煤矸石烧结砖的生产技术已得到了成功的发展。

7.3烧结砖瓦坯体原材料的典型矿物组成

每一个烧结砖瓦厂所使用的原材料中不可能都存在有各种各样的矿物，但也没有完全相同矿物组的两种烧结砖瓦原材料。因为每一个天然矿床多半在变化程度上都有所不同，每一种原材料在所含矿物上都有或多或少的差异，然而，总是在一定的范围内变化，例如黏土矿物，填充性矿物，熔剂性矿物或反应活性较大的矿物成分的含量均有所不同。在各个地质时代的红焙烧色黏土和页岩以及耐火黏土也有其基本相似之处。

在美国烧结砖瓦工业中使用的黏土质材料某些典型的矿物组成列在表22中，表中对红焙烧色材料（表22中A）和浅焙烧色材料（表22中B）分组进行了分析。这里所讲的焙烧颜色是指在氧化气氛条件下焙烧后的颜色。红焙烧色材料包括有近代的沉积黏土和起源于古代的页岩。注意在硬质页岩中含有大量的绿泥石。这是具有代表性的，并且也将关系到后面的讨论。也应注意到在微斜长石和高岭石之间的存在关系。这实质上是起因于钾长石的风化分解形成高岭石和云母的过程。另一个值得注意的情况是在有机物质存在的黑色黏土中的蒙脱石。这也许是一种植物生长和排水都不良的沼泽地黏土。这种环境下有助于从其它硅酸盐矿物形成蒙脱石。这里所示的最好的红焙烧色黏土，即在制造中产生间题最少的是褐色黏土。无疑，也就是一种在某些江、河流域形成的冲积黏土。

表22中所列黄——白焙烧色黏土质材料由其产生的浅颜色可分为三种类型。耐火黏土焙烧后的黄色色调是由于高岭石是基本的黏土矿物，并且总的氧化铁含量也比较低，也许会达到3~4%。灰色页岩和青灰黏土的黄焙烧色，是由于有大量的方解石（CaCO3）存在。白焙烧色黏土是--种典型的残留高岭土，它焙烧后的白色仅是因为缺乏着色氧化物。对这些矿物的混合物形成浅色的原因，化学性质上的论述将在后续文章中详细叙述。

在表22中不包括在墙地砖生产中使用的经处理过的混合坯料。某些墙地砖是从与表中所列的黏土和页岩有相似成分的或是这些成分的混合材料制造的，像瓷器坯体一样，要求墙地砖制品具有专门的性能。大约在这些配合料中可能还含有叶蜡石，滑石或硅灰石，除此而外，还掺配入适量的高岭土，球黏土及长石质熔剂。

现在也许注意到了，对烧结砖瓦产品的原材料单凭使用氧化物的化学分析根本不能表示出坯体或坯体混合料的性能。这是因为烧结砖瓦工业中矿物分析比典型的化学分析更具有实际意义。也就是说，矿物分析结果与实际生产中的联系更为直接。首先，所存在的黏土矿物的种类和数量决定了原料的可塑性和可加工性。黏土矿物也需要和其

它矿物有适当的匹配，以提供其可成型性，并且消除成型后使坯体能够导致翘曲和裂纹的过度收缩。在焙烧期间发生的高温化学反应过程完全是取决于所存在的矿物成分，而与原材料或是坯体中氧化物的百分比没有多大关系。矿物分析已表明了存在的易反应的成分和熔剂，又指明这些矿物具有活性时的反应温度。从化学分析方法根本不能得到这些重要的数据。但从另一方面来说，化学分析和测定还是很有用的分析方法，例如作为对矿物鉴定的一种辅助手段时。当考虑到这些情况时，化学分析将仍然会显示出其价值的。

表22: 美国烧结砖瓦产品原料中典型的矿物组成(%)

A、红焙烧色的黏土和页岩(美国)

B、黄——白焙烧色黏土和页岩

表23：德国烧结砖瓦工业原材料中常见的黏土矿物和非黏土矿物及它们的化学成分

注：表中斜字体为黏土矿物；其余为非黏土矿物。

表23给出德国烧结砖瓦工业中使用的天然黏土和土壤原料中经常出现的黏土矿物和非黏土矿物及它们的化学成分。黏土矿物中除含有硅和铝外，同时也含有显著数量的碱金属和碱土金属、铁的化合物。通常原材料化学成分中某种单一的化合物含量高时，应考虑到对某种单体黏土矿物的形成有着决定性的影响，也就是说，化学分析时当发现原料中某种氧化物含量高时，就应当考虑是否存在有某种黏土矿物。例如：

SiO2    对蒙脱石/伊利石的存在有影响；

Al2O3     对高岭石/耐火黏土石(无序高岭石)/绿泥石有影响；

Fe2O3   对绿磷石/海绿石/蛭石有影响；

MgO    对绿泥石/蛭石有影响；

K2O     对白云母/伊利石有影响。

法国和意大利对用于制造烧结砖的黏土原材料进行了非常详细的矿物分析，提供了更多的有用信息。结合化学分析，用半定量分析方法（误差的幅度<10%）对其矿物学成分进行了评估。连同在研究期间测定到的极端数值一起，给出了每种类型的原材料黏土的性能（见表24和表25）。

表24涉及到法国烧结砖瓦原材料的某些数据

在高岭石富集的原材料中有着高的Al2O3含量，但这并不一定真实，因为铝不仅仅是来自黏土矿物。

Tr：表示微量

  （未完待续）