第40卷第9期2021年9月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.40㊀No.9September,2021
荣昌陶土的基本性能及应用评价
曹天忆，夏光华，成㊀岳，李森林
(景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，景德镇㊀333403)
摘要：为科学开发利用荣昌地区陶土资源，采用XRD㊁XRF㊁薄片分析等分析技术，对荣昌陶土进行基本性能测试，并与其他地区陶土原料进行对比研究㊂结果表明：荣昌地区陶土主要化学成分为SiO 2㊁Al 2O 3㊁Fe 2O 3，其中SiO 2含量偏高，基础配方制陶试验反映，成型性能良好；荣昌陶土矿晶相以石英为主，其次为高岭石和白云母；单一陶土原料烧结温度范围在1080~1150ħ；古佛山页岩(1#)㊁荣昌白砂(2#)㊁荣昌白泥(3#)㊁陶都二矿3号(8#)陶土的吸水率趋近于0%，呈瓷化或过烧状态，具一定的助熔性；广富黄砂(5#)㊁陶都二矿1号(6#)㊁陶都二矿2号(7#)陶土的吸水率偏高，多为砂质黏土；荣昌地区陶土可塑性略低于宜兴的紫砂原料；另外荣昌陶土中的重金属含量微小，不足以造成陶瓷产品中的重金属溶出危害㊂
关键词：荣昌陶土矿；矿物特性；化学成分；工艺性能；重金属
中图分类号:TQ174.4㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2021)09-3122-08Basic Properties and Application Evaluation of Clay in Rongchang Area
CAO Tianyi ,XIA Guanghua ,CHENG Yue ,LI Senlin黄瓜炒虾仁的做法
(School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic University,Jingdezhen 333403,China)Abstract :In order to scientifically exploit and utilize clay resources in Rongchang area,basic properties of Rongchang clay were tested by XRD,XRF,slice analysis and other analysis techniques,and the mineral properties of Rongchang clay were compared with tho of other areas,so as to provide scientific basis for exploitation and utilization of the clay resources in Rongchang area.The results show that the clay in this area belongs to siliceous weathered sandy mud and shale rocks.The main chemical composition of clay is SiO 2,Al 2O 3and Fe 2O 3,in which the SiO 2content is relatively high.The forming property is good through the basic formula pottery test.Quartz is the main crystal facies of the clay mine in this area,followed by kaolinite and muscovite.The sintering temperature range of single clay raw material is between 1080ħand
1150ħ.The water absorption of Gufoshan shale (1#),Rongchang white sand (2#),Rongchang white mud (3#)and Taodu two mine No.3(8#)clay is clo to 0%,which belongs to the state of porcelain or
overburning,and has certain fluxibility.The water absorption of Guangfu yellow sand (5#),Taodu two mine No.1(6#)and Taodu two mine No.2(7#)clay is high,and most of them are sandy clay.The plasticity of the clay in this area is slightly lower than that of Yixing Zisha.In addition,the content of heavy metals in Rongchang clay is small,which is not enough to cau the damage of heavy metals dissolution in ceramic products.Key words :Rongchang clay mine;mineral property;chemical composition;processing property;heavy metal 收稿日期:2021-03-30；修订日期:2021-04-28
基金项目：景德镇陶瓷大学产学研合作项目(760/01130)
作者简介：曹天忆(1997 )，女，硕士研究生㊂主要从事环保陶瓷材料的研究㊂E-mail:
通信作者：夏光华，教授㊂E-mail: 0㊀引㊀言
我国紫砂资源丰富，在江苏㊁江西㊁山西[1]㊁广西㊁云南[2]㊁湖南[3]等地均有丰富的紫砂资源，其中江苏宜
本位主义兴紫砂较为出名[4]㊂不同地区的紫砂资源各具特色，但都可用于紫砂制作㊂重庆荣昌安富镇是全国三大陶都之一，该地生产的安陶与江苏宜兴紫砂陶㊁云南建水陶㊁广西钦州陶并称 中国四大名陶 ，其
显著特点是陶体上釉，且釉色丰富，釉质光润[5]㊂荣昌地区的陶器制造从宋代就出现兴盛景象，明清时期闻名全国[6]㊂20世纪
㊀第9期曹天忆等：荣昌陶土的基本性能及应用评价3123 50年代开始，荣昌陶器从传统制作工艺逐步向现代化制作工艺转型㊂2011年5月，荣昌陶器制作技艺被收录到
第三批国家级非物质文化遗产名录扩展项目名录，得到了当地政府和社会各界的关注㊂荣昌县的陶土资源极其丰富，境内有不少制陶之地㊂陶土主要为含铁量较高的红泥，以及低铁白泥[5]，陶器颜色以红色和褐色为主[7]㊂荣昌依托陶土资源优势，将发展以陶为主的文化创意产业作为构建创新型城市的战略决策[5]㊂受荣昌有关单位委托，对螺观山与古佛山两个主产陶土矿区(含老采场与老窑址)进行了现场调研与踏勘采样，结合样品的综合分析检测㊁工艺试验研究和产品的可行性配方试验，对荣昌地区陶土资源的规律性特征及工业适用性进行了探究，为规模化高水平发展荣昌陶瓷产业提供技术支撑㊂
1㊀实㊀验
1.1㊀采样工作
根据重庆市荣昌区内含矿地层分布情况，将采样区域分为螺观山背斜工作区(一号工作区)和古佛山背
斜工作区(二号工作区)㊂一号工作区位于荣昌县境内安富镇㊁昌元镇㊁广顺镇㊁荣隆镇，地理坐标为东经105ʎ24ᶄ46ᵡ~105ʎ37ᶄ21ᵡ，北纬29ʎ20ᶄ14ᵡ~29ʎ28ᶄ21ᵡ㊂二号工作区位于荣昌县境内清升镇㊁双河镇，地理坐标为东经105ʎ30ᶄ34ᵡ~105ʎ38ᶄ07ᵡ，北纬29ʎ16ᶄ33ᵡ~29ʎ20ᶄ37ᵡ㊂两区皆道路发达，对外交通方便㊂区域含矿地层为侏罗系下统珍珠冲组(J1z)，该地层在重庆地区发育较完好，矿石多为浅灰色㊁暗紫色，以及二色混杂呈花斑状的砂质泥(页)矿㊂野外踏勘实际取样矿点共计9处，其中古佛山脉3处(1#~3#)㊁螺观山脉6处(4#~9#)，各样品外观性状见图1㊂
图1㊀荣昌陶土原料
Fig.1㊀Raw materials of Rongchang clay
3124㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷1.2㊀试验方法
1.2.1㊀样品预处理
采用EP-2型颚式破碎机对原矿样品进行破碎，然后进一步采用XQM-2型立式行星球磨机湿磨30min，过200目(75μm)筛，干燥样品，控制部分样品含水率在25%左右，封装陈腐㊂处理好的样品即可用于物相分析㊁形貌表征及工艺性能测试㊂
相邻关系1.2.2㊀物相分析和形貌表征
采用荷兰帕纳科公司的Axios型X射线荧光光谱仪对样品进行化学成分分析；采用德国BRUKER/AXS 公司的D8Advance型X射线衍射仪对样品进行物相鉴定；采用日本尼康LV100型透反偏光显微镜观察薄片，鉴定矿石的矿物成分以及显微组织特征㊂
1.2.3㊀工艺性能测试
根据‘陶瓷工艺实验“[8]中的方法测试样品的干燥收缩㊁烧成收缩㊁吸水率和可塑性等工艺性能参数㊂采用宜兴市前锦炉业设备有限公司的SX-10-13型箱式电阻炉对样品进行高温煅烧，烧结温度范围在1100~1200ħ，升温速率为5ħ/min，保温时间为20min；采用湘潭湘仪仪器有限公司的KS-B型数显仪测定样品可塑性指标㊂
1.2.4㊀重金属含量检测
从螺观山背斜和古佛山背斜两个工作区各选定一种代表性矿样进行重金属元素的检测㊂根据HJ803 2016‘土壤和沉积物12种金属元素的测定王水提取-电感耦合等离子体质谱法“中的检测方法，采用SKJ-038ICP-MS7900型电感耦合等离子质谱仪检测样品的重金属含量㊂
2㊀结果与讨论
2.1㊀化学成分分析
荣昌地区陶土属于硅质风化蚀变砂质泥㊁页岩类岩石㊂表1为荣昌地区陶土矿物原料主要化学成分(均为质量分数，下同)的分析结果㊂可以看出：荣昌陶土中SiO2的含量在62.35%~81.67%，平均值为71.87%，其中5#广富黄砂的SiO2含量最高;Al2O3含量在9.66%~18.03%，平均值为14.26%,3#荣昌白泥的Al2O3含量最高;Fe2O3含量在1.73%~9.43%，平均值为4.09%,8#陶都二矿3号的Fe2O3含量最高;
TiO2含量在0.22%~1.08%，平均值为0.70%,3#荣昌白泥的TiO2含量最高;CaO含量在0.13%~2.06%，平均值为0.68%,1#古佛山页岩的CaO含量最高;MgO含量在0.54%~2.53%，平均值为1.06%,1#古佛山页岩的MgO含量最高;K2O含量在0.43%~2.62%，平均值为1.64%,8#陶都二矿3号的K2O含量最高; Na2O含量在0.10%~3.46%，平均值为1.17%,2#荣昌白砂的Na2O含量最高㊂
表1㊀荣昌原料主要化学成分
Table1㊀Main chemical composition of Rongchang raw materials
Numble Mass fraction/%
SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaO MgO K2O Na2O IL 1#62.3516.50 6.040.82 2.06 2.53 2.46 1.69 5.16 2#73.3013.40 3.440.49 1.19 1.38 1.65 3.46 1.48 3#69.1018.03 1.73 1.080.190.79 2.210.16 6.60 4#80.449.66 1.830.22 1.08 1.080.64 2.20 2.66 5#81.679.71 1.740.230.680.540.43 2.21 2.57 6#72.7514.83 3.440.860.180.63 1.760.10 5.27 7#79.5510.86 2.650.790.130.74 1.250.28 3.58 8#62.8617.359.430.820.21 1.03 2.620.14 5.37 9#64.7817.99 6.49 1.030.360.78 1.780.31 6.28 Average71.8714.26 4.090.700.68 1.06 1.64 1.17 4.33
参考‘矿产资源工业要求手册“[9]中对制陶黏土的质量要求(见表2)，根据Al2O3㊁Fe2O3和SiO2含量变
化，同时结合荣昌地区陶土原料的质量水平，既考虑分级标准的先进性，也兼顾生产技术的适应性和经济性,
第9期曹天忆等：荣昌陶土的基本性能及应用评价3125㊀综合衡量认为具有工业价值的荣昌紫砂陶土矿石品质属于Ⅱ~Ⅲ级㊂
将荣昌地区与其他地区陶土进行比较，结果见表3㊂可以看出：其他地区陶土中SiO 2含量平均值在60%左右，而荣昌地区陶土SiO 2平均值为71.87%，明显偏高；荣昌地区陶土的Al 2O 3含量明显低于其他地区;Fe 2O 3含量与广西钦州和云南建水地区相似，比江苏宜兴和福建地区的低;TiO 2㊁CaO㊁MgO㊁K 2O㊁Na 2O 的含量都较低，和其他地区差别不大㊂
表2㊀制陶黏土资源的工业质量要求
Table 2㊀Industrial quality requirements of ceramic clay resources
应急处理预案
Ore u Index Grade Range Ud for ceramic Al 2O 3content /%
Fe 2O 3content /%
Plastic index Boundary grade ȡ18Industrial grade ȡ20Ⅰgrade ɤ1.5Ⅱgrade ɤ2.5Ⅲgrade ɤ3.5~8Ud for pottery Al 2O 3content /%
ȡ18Fe 2O 3content /%ɤ8Plastic index ~8Ud for Zisha Al 2O 3content /%
ȡ18Fe 2O 3content /%
ɤ13Plastic index ~8表3㊀荣昌陶土与其他地区陶土化学成分对比
Table 3㊀Comparison of chemical composition between Rongchang clay and other areas
Origin Mass fraction /%SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3TiO 2CaO MgO K 2O Na 2O Chongqing Rongchang 71.8714.26 4.090.700.68 1.06 1.64 1.17Jiangsu Yixing [10]61.3626.25 6.640.770.460.84 2.480.19Fujian [10]60.4417.757.230.67 1.50 1.67 2.89 1.76Jiangxi [10]60.8315.790.970.73 3.18 1.55 2.280.54Guangxi Qinzhou [7]
58.0118.09 4.890.79 4.72 2.01 3.050.12Yunnan Jianshui [7]62.8520.96 3.87 1.090.210.79 2.830.07根据荣昌陶土原料的化学成分特征，从工艺角度分类:(1)高硅原料，陶土原料中的SiO 2是紫砂的骨架,
具有减少收缩㊁防止变形的作用[11]，原料中2#㊁4#㊁5#㊁6#㊁7#的SiO 2含量在70%以上，可作为高硅原料使用㊂(2)富铝原料，矿物中Al 2O 3能够提高耐火度，也为形成莫来石提供条件,Al 2O 3主要来源于高岭石，高岭石能够提高可塑性，利于成型加工[11]，荣昌陶土原料中的Al 2O 3含量普遍偏低，
只有3#的Al 2O 3含量达到18%以上，可考虑作为富铝原料使用㊂(3)熔剂原料,K 2O㊁Na 2O 能够降低烧成温度,1#㊁2#的K 2O㊁Na 2O 总含量在3%以上，是优质的低温快烧原料，可作为熔剂原料使用㊂(4)高铁原料,Fe 2O 3的含量能够改变原料烧后的颜色，随铁含量增加，烧成后颜色会逐渐变深[12]，且烧成温度不同，瓷坯也会呈现不同颜色[13]，含铁量较高的原料有1#㊁8#㊁9#，能制作出颜色丰富的紫砂陶器㊂(5)低铁原料，有些制品对化学组成有严格要求，有时需选用铁㊁钛含量低一些的原料以提高白度，此时可选用3#㊁5#原料，经过进一步除铁处理，即可作为低铁原料使用，用于生产高档日用陶瓷等产品㊂
对荣昌陶土进行基础配方制陶试验，配料以陶都矿为主，用量达到75%~85%(质量分数)，其次添加可塑性较好的荣昌白泥，用量在20%(质量分数)左右，外加少量膨润土，可制成成型性能良好的陶器器皿㊂图2为试验中所制的陶器器皿㊂
2.2㊀物相分析
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图3为荣昌陶土的XRD 谱㊂可以看出，样品的主晶相均为石英，其他物相组成上存在一定的差异㊂总体而言，荣昌及周边的紫砂陶土矿是以石英为主，其次是高岭石和白云母的弱可塑性制陶原料㊂由陶土矿的
3126㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷物相组成及化学组成特点可知，荣昌地区紫砂原料的矿
物组成与我国南方瓷器类似，即原料的矿物组成属于含铁的黏土-石英-云母系㊂江西高安灰埠紫砂和江苏宜兴紫砂的主要矿物组成也同属于黏土-石英-云母系[14]㊂
描写夏天的诗图2㊀试验中所制的陶器器皿
Fig.2㊀Pottery vesls made during the experiment 图3㊀荣昌陶土矿物XRD 谱
Fig.3㊀XRD patterns of Rongchang clay minerals 2.3㊀显微结构分析
图4是荣昌陶土的偏光显微镜岩相分析图片㊂选取较为典型的荣昌陶土矿物原料标本在显微镜下观察，明显可见荣昌紫砂矿是黏土矿物将细小的石英颗粒(10~50μm)团聚在一起的多矿物组合结构㊂图4(a)单偏光镜中灰白-无色它形细粒为石英晶体，褐灰色颗粒多为含铁云母-高岭土隐晶集合体㊂这从图4(b)正交镜石英Ⅰ级灰白干涉色可以印证，而含铁云母-高岭土隐晶集合体呈现Ⅰ级灰干涉色甚至暗色㊂
图4㊀荣昌陶土的偏光显微结构图片登基称帝
Fig.4㊀Polarized microstructure of Rongchang clay 2.4㊀工艺性能分析
表4为荣昌陶土的部分物理性能和烧成性能检测数据㊂
表4㊀荣昌陶土的物理性能及烧成性能
Table 4㊀Physical properties and sintering properties of Rongchang clay
Number Drying shrinkage /%Firing shrinkage /%Water absorption /%1100ħ1150ħ1200ħ1100ħ1150ħ1200ħPlastic index 1# 5.9110.91 0.03 1.782# 4.7312.048.39 0.060.03 1.213# 5.507.149.379.899.600.800.04 2.474# 2.16 6.4610.39 6.76 1.350.570.18 1.415# 3.35 4.297.37 6.7314.048.63 5.85 1.416# 5.347.4010.8111.3712.369.40 1.75 3.407# 5.81 2.67 5.948.1916.428.24 4.12 1.678# 4.897.5310.058.74 5.550.040.02 2.559# 6.28 6.7110.0710.107.150.180.16 2.63
