はじめに
焼成赤土は、古代の人間の火に関する活動によって形成された特殊な遺物であり、新石器時代から歴史時代にかけての住居跡、陶器窯、祭祀坑などの遺構で広く見られる。これは、古代の人間の火の利用技術、建築技術、および生業戦略を研究するための直接的な物的証拠となっている[1]。 焼成赤土の重要な物理化学的指標である当初の焼成温度は、古代人の火の制御能力や焼成技術の成熟度を反映するだけでなく、社会的生産性や資源利用のパターンを推察するための重要な根拠ともなる[2]。
焼成温度の決定
熱膨張測定（DIL）は、その使いやすさ、試料への損傷が最小限であること、高い測定精度、および良好な再現性から、考古学的に焼成された赤土の焼成温度を測定するための最も広く用いられている手法の一つとなりつつある。 焼成赤土は、古代の焼成過程において脱水、脱水酸化、相転移、および初期焼結を経て、安定した微細構造を形成している。 そのため、再焼成の際、温度が元の焼成温度を下回っている間は、試料は可逆的な格子熱膨張のみを示す。一旦温度が元の焼成温度を超えると、試料内部に残留する非晶質相や未焼結の微小領域がさらに緻密化し、熱膨張を抑制する収縮効果が生じる[3]。 この方法は、考古学的遺物の年代測定研究において広く応用されている。
本研究で使用した試料は、ある遺跡から出土した、風化していない焼成赤土であり、断面が規則的な長方体の直方体に加工され、長さは約25 mmである（図1）。試験は、NETZSCH DIL 402 Expedis®Classic を用いて実施した。
試験パラメータの詳細は表1に示す。5回の加熱試験を実施し、そのうち2回は終了温度を400°C、3回は500°Cとした。 各試験終了後、試料を加熱炉内で室温まで冷却し、各加熱試験において初期状態を一定に保ち、初期状態の違いによる試験結果への影響を排除した。
表1：測定条件
| 装置 | DIL 402 Expedis®Classic |
|---|---|
| 試料の寸法 | 直方体、 約 10 × 10 × 25 mm |
| 昇温速度 | 5 K/分 |
| 静荷重 | 100 mN |
| 試料ホルダー | 溶融石英ホルダー |
| 温度範囲 | 室温 - 400°C、室温 - 500°C |
| 雰囲気 | 窒素（不活性雰囲気） |
結果と考察
文献[3]で述べられているように、最初の焼成過程において、焼成された赤土に含まれる粘土鉱物（イライト、モンモリロナイトなど）は、特定の温度で脱水、脱水酸化、および構造の再編成を経て、準安定な微細構造を形成する。 再焼成温度が最初の焼成の閾値を下回っている場合、試料内部では新たな相変化は起こらず、物理的な熱膨張のみが生じるため、2つの加熱曲線は重なり合う。 再焼成温度が最初の焼成温度を上回ると、最初の加熱中にさらなる不可逆反応（残留構造水の除去、格子欠陥の修復など）が起こり、緻密化の度合いが高まります。 その結果、2回目の加熱時には試料の熱膨張能力が低下し、これはdL/L₀曲線の傾きの減少および全体的な下方シフトとして巨視的に反映される。これに基づき、元の焼成温度の範囲を決定することができる。
図 2 に示すように、以下のことが観察されます。
- 室温（RT）から400°Cの範囲：第1再焼成曲線（曲線[1]）と第2再焼成曲線（曲線[2]）は、加熱プロセス全体を通じてほぼ完全に重なり、直線領域における傾き（熱膨張係数）もほぼ同一であり、明らかな逸脱や下方シフトは見られない。
- 室温から500°Cの範囲：第3の再焼成曲線（曲線[3]）の傾向は、400°C以下において曲線[1]および[2]と一致している。 しかし、4番目の再焼成曲線（曲線[4]）は、加熱中に著しい変化を示し、全体的に下方へシフトし、前の3つの曲線よりも傾きが著しく小さくなっています。この結果を検証するために、500°Cまで5回目の再焼成（曲線[5]）を行いました。 曲線[5]は曲線[4]とほぼ完全に重なっていることが確認でき、500 °Cまで加熱すると試料が安定することが裏付けられた。
各再焼成曲線の平均熱膨張係数（m.線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE）を表2に示す。試験結果から、この試料の当初の焼成温度範囲は400°C以上500°C以下であったと推測される。
表2：各再燃焼曲線のmCTE
| 温度範囲 | 曲線 [1] | 曲線 [2] | 曲線 [3] | 曲線 [4] | 曲線 [5] |
| 室温 - 400°C | 9.71×10⁻⁶K⁻¹ | 9.73×10⁻⁶K⁻¹ | 9.60×10⁻⁶K⁻¹ | 9.33×10⁻⁶K⁻¹ | 9.29×10⁻⁶K⁻¹ |
| 室温 - 500°C | - | - | 11.40×10⁻⁶K⁻¹ | 10.76×10⁻⁶K⁻¹ | 10.69×10⁻⁶K⁻¹ |
概要
焼成粘土の焼成温度を分析するための熱膨張測定法（DIL）は、粘土鉱物の熱的挙動が不可逆的であるという特性に基づいています。再焼成時の膨張曲線の傾きの変化を特定することで、考古学的遺物である焼成赤土の本来の焼成温度範囲を正確に特定することができます。 この方法は、操作が容易で、判定基準が明確、高精度であり、試料への損傷も最小限に抑えられるため、貴重な考古学的遺物に適している。これは、粘土を主成分とする焼成遺物の最高加熱温度を決定するための信頼性の高い手法である。