烧结砖作为建筑材料已有数千年应用历史。尽管现代制砖工业已广泛采用先进的破碎、混料、成型及窑炉温控设备，生产效率与工艺控制水平显著提升，但原料黏土的复杂性与天然差异仍长期困扰行业，导致开裂、剥落、变形等质量问题，不仅造成经济损失，也增加了原料与能源消耗。其主要根源在于，天然黏土由多种矿物混合组成，矿物类型、含量及结构性质随产地和地质条件变化，即使采用相同的生产工艺，也可能获得性能差异显著的产品。然而，设备与工艺的进步尚未充分解决“原料中的不同矿物如何影响砖体性能”这一基础问题，使原料选择与配方优化仍较大程度依赖经验试配。其中，高岭石和伊利石是制砖原料中最常见的两类黏土矿物，但由于二者在天然原料中常相互共存、难以分离，其对烧结过程及最终产品性能的独立贡献长期缺乏系统认识，成为制约产品质量稳定与配方科学设计的重要瓶颈。
针对这一问题，中国科学院广州地球化学研究所先进环境装备与污染防治技术全国重点实验室郗云飞、朱润良团队联合澳大利亚建材集团Brickworks旗下的Austral Bricks公司、澳大利亚昆士兰科技大学等单位，在黏土矿物调控烧结砖性能的机制研究方面取得重大进展。研究通过构建矿物组成可调的实验体系，揭示了高岭石和伊利石在不同烧成温度下对相变、玻璃化、孔隙演化及抗压强度的差异化影响，提出了与烧成温度相匹配的矿物配方优化策略。相关成果” From ancient practice to modern innovation solving the clay mineral puzzle in brickmaking”发表于Nature Communications。
为排除天然黏土复杂矿物组成的干扰，研究团队采用多阶段分离纯化方法，将高岭石和伊利石的纯度提高至约94%，并将其与从工业制砖原料中分离获得的石英、长石等非黏土矿物组分重新配伍，构建了矿物组成可精确调控的实验体系。研究设置了3种黏土矿物总含量（20%、35%和50%）和5种高岭石占比（0%、33%、50%、66%和100%），形成15种原料配方，并分别在900、1050、1200和1350℃下烧成，共形成60组配方-温度组合（图1）。结合原位高温X射线衍射、定量物相分析、电子显微成像及物理、力学性能测试，系统分析了不同矿物组成下的高温结构演化、烧结致密化及强度变化规律，建立了原料矿物组成、烧成温度与烧结砖性能之间的联系。
图1. 60组不同配方烧结砖及部分高温烧结砖的微观结构图
研究发现，高岭石和伊利石对砖体强度的贡献随温度发生明显变化（图2）。在900℃条件下，高岭石脱羟基及后续结构重组引起的收缩有利于提高强度，而伊利石尚未充分玻璃化，其较高含量反而不利于强度形成。在1050-1200℃条件下，伊利石中的钾等助熔组分促进液相形成、颗粒结合与砖体致密化，富伊利石配方表现出更高的抗压强度。当温度升至1350℃时，过量伊利石会引发过烧，形成膨胀闭孔及裂纹；此时适当配入高岭石，有助于兼顾烧结致密化与结构稳定性。因此，最优配方并非固定不变，而取决于矿物组合与烧成温度的匹配关系（图3）。
图2. 不同烧成温度下，黏土矿物总含量（clay minerals）及高岭石占比Kln/(Kln + Ilt)对烧结砖抗压强度的影响
图3. 不同烧成温度下最优黏土配方推荐及矿物学机理阐释
在所研究的实验体系中，900、1050、1200和1350 ℃下的最高试样抗压强度分别达到53.6、126.2、142.4和172.4 MPa。考虑小尺寸试样与标准尺寸砖之间的尺寸效应后，最高强度对应的全尺寸砖估算值约为ASTM C62中等风化等级砖最低抗压强度要求的8.5倍。这一结果表明，通过调控原料矿物组成，可以为显著提升烧结砖性能提供有效途径。
研究还对“莫来石含量越高，砖体强度越高”的传统认识提出了新的看法和约束。莫来石通常被视为陶瓷材料中的增强相，但本研究在900、1200和1350 ℃的样品组内观察到，莫来石含量与抗压强度呈负相关（图4）。结合物相组成、显微结构及局部力学测试，研究表明，在这一体系中，莫来石形成与非晶质／玻璃相的演化相互关联，而后者对促进烧结、颗粒结合与孔隙消减具有更重要作用。因此，不能仅凭莫来石含量判断烧结砖强度，而应综合考虑玻璃相、孔隙结构、颗粒结合及裂纹等因素。此外，研究发现，在较窄温度或配方范围内建立的强度、吸水率和体积密度等性能指标之间的线性关系，不能简单推广至更宽的烧成条件（图4）。这反映出不同黏土矿物的热响应及相变过程，会改变各因素对最终性能的贡献。
图4. 烧结砖各关键性能之间的统计关系。图a、b为线性关系拟合；c、d表示各指标与抗压强度之间的Pearson相关性
该研究从矿物晶体结构与热转化过程出发，揭示了原料矿物组合影响烧结砖性能的机制，为制砖原料评价、温度适配及配方优化提供了矿物学依据，也为理解其他黏土基烧结材料的组成-结构-性能关系提供了研究思路。相关认识有望推动制砖、陶瓷等配方设计从传统经验试配向现代机制指导转变，并为提高原料利用效率、减少烧成缺陷提供科学支撑。
中国科学院广州地球化学研究所为论文第一署名单位，王森为第一作者，郗云飞为通讯作者。合作作者包括澳大利亚Brickworks集团的Lloyd Gainey、澳大利亚昆士兰科技大学杰出教授Yuantong Gu等。研究将矿物学基础研究与企业实际生产需求相结合，通过科研机构、高校与产业界的合作，为传统建材制造中的原料评价与配方优化提供科学依据。
论文信息：
Sen Wang, Lloyd Gainey, Lihui Liu, Zijun Zeng, Shusheng Xiao, Runliang Zhu, Sara Couperthwaite, Yuantong Gu & Yunfei Xi. From ancient practice to modern innovation solving the clay mineral puzzle in brickmaking. Nature Communications (2026).
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-78652-0
附件下载：