来自塞尔维亚西部的高岭石-伊利石-蒙脱石黏土：技术性能与天然放射性

《Radiation Physics and Chemistry》：Kaolinitic–illitic–montmorillonitic clay from western Serbia: Technological properties and natural radioactivity

本研究首次对塞尔维亚Donje Crniljevo表面沉积奶油白陶土的陶瓷性能及放射性进行综合评估，采用化学分析、XRD、FTIR、热分析及烧成实验（900-1200℃），发现其线性收缩5.3%-14.1%、抗弯强度18.7-26.1MPa、吸水率3.4%-14.5%，天然放射性活度（226Ra:49.1 Bq/kg，232Th:55.6 Bq/kg，40K:569 Bq/kg）符合安全标准，确认该陶土适合生产各类陶瓷砖且无辐射风险。

　　

Predrag Kuzmanovi? | Pavel Benka | Milica Vidak Vasi?

塞尔维亚贝尔格莱德，Cara Du?ana 196号，刑事调查与警察研究大学法医科学与工程学院法医工程系，邮编11080

摘要

生产符合工业标准的陶瓷砖需要高质量的原材料，其中黏土的质量是最重要的因素之一。本研究首次全面评估了来自塞尔维亚西部Tarnava盆地Donje Crniljevo地区表层沉积物的乳白色陶瓷黏土的物理性质和放射性。研究内容包括测定天然含水量、进行化学分析、X射线衍射（XRD）测试、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析、热分析（TG/DTA）以及膨胀率测量，并考察了黏土在成型和干燥过程中的行为。为了评估该材料是否适合用于陶瓷生产，分别在900°C、1000°C、1100°C和1200°C四个温度下进行了烧制实验。烧制后的素坯样品总线性收缩率在5.3%到14.1%之间，抗弯强度在18.7 MPa到26.1 MPa之间，且吸水率随烧制温度的升高而降低，从14.5%降至3.4%。利用伽马光谱法测定了放射性核素²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的活度浓度。根据这些数据，从辐射风险指数和有效剂量角度评估了使用这些陶瓷砖在住宅建筑中的安全性。测得的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的平均活度浓度分别为49.1 Bq/kg、55.6 Bq/kg和569 Bq/kg，与文献数据相当，其年有效剂量远低于1 mSv。总体而言，这种高岭石-伊利石-蒙脱石黏土在技术上是一个合适的原材料，不会对工人或使用者构成辐射风险，并满足生产各种类型陶瓷砖的要求。

引言

近年来，由于需要提高建筑材料的性能和安全性，建筑材料领域的研究变得越来越重要。黏土长期以来一直被视为陶瓷工业的基本原材料，因其具有机械强度、耐久性和热稳定性而受到重视（Muntari和Windapo，2021）。然而，其环境特性（Mana等人，2017）和放射性特性同样重要（Kuzmanovi?等人，2020a；Hanifah等人，2023；Ili?等人，2018）。根据地质来源的不同，黏土中可能含有天然放射性核素，如铀-238（²³⁸U）、钍-232（²³²Th）和钾-40（⁴⁰K）（Kuzmanovi?等人，2024；Omogunloye等人，2025；Raghu等人，2020；Trevisi等人，2018），其活度水平受到国际组织（如IAEA，2006，2023；欧盟委员会，1999；Euratom，2014）制定的安全标准的约束。因此，监测放射性不仅对于保护生产设施中的工人（他们在加工过程中可能暴露于粉尘和伽马辐射）至关重要，也对于保护最终用户至关重要，因为建筑材料可能会向室内环境释放伽马射线或氡气（Kuzmanovi?等人，2024；IAEA，2006，2023；2024）。重要的是，即使辐射暴露水平较低，也会随时间累积，因此长期监测和评估对于确保职业安全和公共健康至关重要（WHO，2023）。这些健康考虑与经济现实相互关联。自乌克兰战争爆发以来，欧洲陶瓷工业面临乌克兰黏土短缺的问题，这促使供应链发生转变，使塞尔维亚黏土成为重要的出口商品（Vasi?等人，2025）。目前有大量塞尔维亚黏土作为陶瓷制品的原料运往欧洲市场。因此，评估塞尔维亚黏土的技术和放射性质量对于确保竞争力、符合安全法规以及国际贸易的可持续发展至关重要。

塞尔维亚Bele Vode地区的Tarnava第三纪盆地的黏土是一种具有独特性质的原材料，适用于陶瓷生产。其矿物组成使其具有良好的可塑性和加工性能，便于成型，而烧制后的产品具有足够的强度和耐久性。先前的地质调查显示，这些黏土含有高岭石和伊利石的混合物，由于其烧结能力和相对稳定的收缩率，非常适合用于瓷砖和砖块的制造（Radosavljevi?等人，2014）。同时，该盆地的特定地层结构表明不同层次的化学和放射性特性可能存在差异，这可能影响材料的技术性能和环境安全性。虽然已有研究表明这种黏土被用作陶瓷产品的原料，但目前文献中尚缺乏关于其陶瓷和放射性质量的数据。这一空白凸显了详细检测天然放射性水平的必要性，因为这直接关系到成品的辐射防护安全，包括对工人和居住及商业空间内人员的安全。此类研究对于确定材料是否符合放射生态安全标准以及进一步开发和应用基于黏土的材料至关重要。

Tarnava第三纪盆地的地质特性

Tarnava第三纪盆地北起Sava河，西南接Vla?i?山，东南至Tamnava河。狭义上讲，Tarnava盆地包括Tamnava河谷及其更广泛的流域。最古老的沉积物构成了盆地下的基底，并同时构成了盆地的结构框架；这些沉积物属于泥盆纪、石炭纪和二叠纪的古生代沉积物。

材料与方法

黏土样本取自Donje Crniljevo地区Bele Vode的地表沉积层（图3）。共收集了14个样本（C1–C14），以评估其空间变异性，特别是天然放射性方面的差异。因此对所有样本进行了放射性测量。首先将所有样本在105°C下干燥至恒重，然后将其研磨成细粉。

基于矿物学特性……

黏土的天然含水量

首先对最初的14个样本进行了天然状态下的含水量测试（表1）。黏土的天然含水量可以反映其矿物组成和颗粒大小分布之间的相互作用，以及由此产生的技术性能（Malizia和Shakoor，2018）。然而，颗粒大小可能具有更主导的影响（Lehmann等人，2021）。较高的含水量表明可能存在可膨胀的矿物……

结论

根据综合研究结果，所研究的黏土可归类为含有高岭石、伊利石和蒙脱石的材料，具有良好的可塑性和适宜的成型性能，这一点通过Pfefferkorn可塑性值（29.03）和适中的干燥敏感性（系数0.449）得到证实。其较低的干燥变形倾向主要归因于非塑性矿物（如石英和长石）的高含量，这些矿物有助于提高结构稳定性。

CRediT作者贡献声明

Predrag Kuzmanovi?：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件使用、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。 Pavel Benka：监督。 Milica Vidak Vasi?：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化制作、实验实施、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者衷心感谢塞尔维亚共和国科学、技术发展与创新部的财政支持（资助编号：451-03-136/2025-03/200012）。