Construction MaterialsConstruction MaterialsСтроительные материалы0585-430X2658-6991Stroymaterialy68405910.31659/0585-430X-2025-835-5-52-59Results of scientific researchРезультаты научных исследованийResearch ArticleCrystal chemical characteristics of saponite and serpentine: a possible criterion for the direction of the modification processКристаллохимическая характеристика сапонита и серпентина: возможный критерий направленности процесса модификацииFrolovaM. A.ФроловаМ. А.
Russian Federation

Candidate of Sciences (Chemistry)

канд. хим. наук

m.aizenstadt@narfu.ruKorolevE. V.КоролевЕ. В.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering)

д-р техн. наук

prorector_nr@spbgasu.ruAyzenshtadtA. M.АйзенштадтА. М.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Chemistry)

д-р хим. наук

a.isenshtadt@narfu.ruGaramovG. A.ГарамовГ. А.
Russian Federation

Graduate Student

аспирант

g.garamov@narfu.ruNorthern (Arctic) Federal University named after M.V. LomonosovСеверный (Арктический) федеральный университет им. М.В. ЛомоносоваSaint Petersburg State University of Architecture and Civil EngineeringСанкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет23072025552591206202512062025Copyright ©; 2025,Copyright ©; 2025, ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ"2025ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ"https://journals.eco-vector.com/0585-430X/article/view/684059

The aim of the present study was to develop an algorithm for calculating the main crystallochemical characteristics and their changes accompanying the process of transformation of the crystal structure of mineral substances. As a pilot object, we selected the mineral saponite, which changes its three-layer crystal structure during mechanical grinding, transforming into a two-layer structure characteristic of the mineral serpentine. A possible algorithm for calculating the main physicochemical indicators of the crystal structure of the minerals saponite and serpentine is shown: the filling density of elementary cells, the strength of chemical bonds, the structural density index of the crystal lattice (γ). Thus, an almost twofold increase in the structural density parameter (γsap=0.323; γserp=0.635) indicates the occurrence of the saponiteserpentine structural transformation process. As an additional criterion for the direction of this process, the values of the atomic density (P) in the crystal lattice were calculated: Psap=0.13 and Pserp=0.22. Determining the number of broken bonds ka(t) in the process of saponite transformation into serpentine and comparing it with the ratio 2hsl/D0 (D0 is the particle diameter) made it possible to implement a kinetic description of this process and determine the maximum thickness of the surface (activated) layer (hsl), equal to 20 μm.

Целью настоящего исследования являлась разработка алгоритма расчета основных кристаллохимических характеристик и их изменения, сопровождающие процесс трансформации кристаллической структуры минеральных веществ. В качестве пилотного объекта был выбран минерал сапонит, который в процессе механического измельчения изменяет свою трехслойную кристаллическую структуру, преобразуясь в двухслойную, характерную для минерала серпентина. Показан возможный алгоритм расчета основных физико-химических показателей кристаллической структуры минералов сапонита и серпентина: плотности заполнения элементарных ячеек, прочности химических связей, показателя структурной плотности кристаллической решетки (γ). Так, увеличение параметра структурной плотности практически в два раза (γsap=0,323; γserp=0,635) свидетельствует о протекании процесса структурной трансформации сапонитсерпентин. В качестве дополнительного критерия направленности данного процесса рассчитаны величины плотности размещения атомов (P) в кристаллической решетке: Psap=0,13 и Pserp=0,22. Определение количества разорванных связей ka(t) в процессе трансформации сапонита в серпентин и сопоставление с соотношением 2hsl/D0 (D0 – диаметр частицы) позволили реализовать кинетическое описание данного процесса и определить максимальную толщину приповерхностного (активированного) слоя (hsl), равную 20 мкм.

saponiteserpentinemechanical grindingstructural modificationcrystal latticeelementary cell filling densitystrength of chemical bondsstructural density indexnumber of broken bondsfractal dimensionсапонитсерпентинмеханическое измельчениеструктурная модификациякристаллическая решеткаплотность заполнения элементарных ячеекпрочность химических связейпоказатель структурной плотностиколичество разорванных связейфрактальная размерностьBoldyrev V.V. Fundamental’nye osnovy mekhanicheskoi aktivatsii, mekhanosinteza i mekhanokhimicheskikh tekhnologii: monografiya [Fundamental principles of mechanical activation, mechanosynthesis and mechanochemical technologies: monograph. Ed. by E.G. Avvakumov]. Novosibirsk: Publishing house of the Siberian branch of the RAS. 2009. 342 p. EDN: QKCEZHБолдырев В.В. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий: Монография / Отв. ред. Е.Г. Аввакумов. Новосибирск: Издательство Сибирского отделения РАН. 2009. С. 342. EDN: QKCEZHStrokova V.V., Nelubova V.V., Khmara N.O., Bukovsova A.I., Denisova Yu.V. Expanded perlite sand as an effective binder additive. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2022. No. 6, pp. 61–66. (In Russian). EDN: WIXFQY. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-803-6-61-66Строкова В.В., Нелюбова В.В., Хмара Н.О., Буковцова А.И., Денисова Ю.В. Вспученный перлитовый песок как эффективная добавка к вяжущему // Строительные материалы. 2022. № 6. С. 61–66. EDN: WIXFQY. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-803-6-61-66Glezer A.M. Amorphous and nanocrystalline structures: similarities, differences, mutual transitions. Rossiiskii Khimicheskii Zhurnal. 2002. Vol. 46. No. 5, pp. 57–63. (In Russian). https://www.chem.msu.ru/rus/jvho/2002-5/57.pdfГлезер А.М. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходство, различия, взаимные переходы // Российский химический журнал. 2002. Т. 46. № 5. С. 57–63. https://www.chem.msu.ru/rus/jvho/2002-5/57.pdfFrolova M.A., Korolev E.V. Energy model of surface activation of mineral components of building composite materials. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2025. No. 1–2, pp. 72–78. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2025-832-1-2-72-78Фролова М.А., Королев Е.В. Энергетическая модель активации поверхности минеральных компонентов строительных композиционных материалов // Строительные материалы. 2025. № 1–2. С. 72–78. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2025-832-1-2-72-78Lyubomirsky N.V., Bakhtin A.S., Bakhtina T.A., Nikolaenko V.V., Bilenko G.R. Metallurgical waste as a raw material reserve for achieving carbon neutrality of the construction industry. Part 1. Ability of metallurgical waste to bind CO2. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023. No. 11, pp. 80–94. (In Russian). EDN: FKYXHV. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-819-11-80-94Любомирский Н.В., Бахтин А.С., Бахтина Т.А., Николаенко В.В., Биленко Г.Р. Металлургические отходы как сырьевой резерв для достижения углеродной нейтральности стройиндустрии. Ч. 1. Способность металлургических отходов связывать СО2 // Строительные материалы. 2023. № 11. С. 80–94. EDN: FKYXHV. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-819-11-80-94Aizenshtadt A.M., Korolev E.V., Malygina M.A., Drozdyuk T.A., Frolov M.A. Structural modification of fine powders of overburden rocks of saponite-containing bentonite clay. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2023. No. 1, pp. 56–63. (In Russian). EDN: BGBWRA. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2023-1-56-63Айзенштадт А.М., Королев Е.В., Малыгина М.А., Дроздюк Т.А., Фролов М.А. Структурная модификация высокодисперсных порошков вскрышных пород сапонитсодержащей бентонитовой глины // Физика и химия обработки материалов. 2023. № 1. С. 56–63. EDN: BGBWRA. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2023-1-56-63Ayzenshtadt A.M., Frolova M.A., Danilov V.E., Drozdyuk T.A., Malygina M.A. Modification transformations of saponite-containing material during mechanical grinding. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023. No. 7, pp. 54–59. (In Russian). EDN: QWPMZV. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-815-7-54-59Айзенштадт А.М., Фролова М.А., Данилов В.Е., Дроздюк Т.А., Малыгина М.А. Модификационные превращения сапонитсодержащего материала при механическом помоле // Строительные материалы. 2023. № 7. С. 54–59. EDN: QWPMZV. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-815-7-54-59Aizenshtadt A.M., Strokova V.V., Nelyubova V.V., Malygina M.A., Frolova M.A. Physicochemical transformations of saponite-containing material during its activation by grinding. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov. 2024. No. 1, pp. 53–64. (In Russian). EDN: LSOZOU. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2024-1-53-64Айзенштадт А.М., Строкова В.В., Нелюбова В.В., Малыгина М.А., Фролова М.А. Физико-химические трансформации сапонитсодержащего материала при его активации измельчением // Физика и химия обработки материалов. 2024. № 1. С. 53–64. EDN: LSOZOU. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2024-1-53-64Betekhtin A.G. Kurs mineralogii [Course of mineralogy]. Moscow: State publishing house of geological literature.1951. 543 p.Бетехтин А.Г. Курс минералогии. М.: Государственное издательство геологической литературы, 1951. 543 с.Feklichev V.G. Diagnosticheskie konstanty mineralov: spravochnik [Diagnostic constants of minerals: reference book]. Moscow: Nedra. 1989. 228 p.Фекличев В.Г. Диагностические константы минералов: Справочник. М.: Недра, 1989. 228 с.Akai J. T-T-T diagram of serpentine and saponite, and estimation of metamorphic heating degree of Antarctic carbonaceous chondrites. Sixteenth Symposium on Antarctic Meteorites. Proceedings of the NIPR Symposium. No. 5. June 5–7, 1991. National Institute of Polar Research, Tokyo. Published by the National Institute of Polar Research. 1992. 120 p.Bulakh A.G., Zolotarev A.A., Krivovichev V.G. Struktura, izomorfizm, formuly, klassifikatsiya mineralov [Structure, isomorphism, formulas, classification of minerals]. St. Petersburg: St. Petersburg State University Publishing House. 2014. 132 p. EDN: VETOTVБулах А.Г., Золотарев А.А., Кривовичев В.Г. Структура, изоморфизм, формулы, классификация минералов. Спб.: Изд-во Санкт-Петербургского государственного университета. 2014. 132 с. EDN: WETOTVChibisov A.N., Chibisova M.A. Influence of impurity atoms on the atomic and electronic structure of nanoporous silicates. Vestnik of the Pacific National University. 2012. No. 3 (26), pp. 41–48. (In Russian). EDN: PEVIGZЧибисов А.Н., Чибисова М.А. Влияние примесных атомов на атомную и электронную структуру нанопористых силикатов // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2012. № 3 (26). С. 41–48. EDN: PEVIGZGiese R.F., van Oss C.J. Colloid and surface properties of clays and related minerals. Ed. A.T. Hubbart. Boca Raton: CRC Press. 2002. 354 p. https://doi.org/10.1201/9780203910658Ochur-ool A.P., Mandyrykchy H.B., Zyryanova V.N. Crystal structure of serpentine group minerals (chrysotile asbestos). Vestnik of Tuva State University. No. 3. Technical, Physical and Mathematical Sciences. 2021. No. 4 (86), pp. 14–22. (In Russian). EDN: OVQHTJ. https://doi.org/10.24411/2221-0458-2021-86-14-22Очур-оол А.П., Мандырыкчы Х.Б., Зырянова В.Н. Кристаллическая структура минералов группы серпентина (хризотил-асбест) // Вестник Тувинского государственного университета. № 3. Технические и физико-математические науки. 2021. № 4 (86). С. 14–22. EDN: OVQHTJ. https://doi.org/10.24411/2221-0458-2021-86-14-22Panasyan L.L., Posukhova T.V., Cherepetskaya E.B., Jingyi Zhang. Mineralogical, petrophysical and acoustic characteristics of serpentines – indicators of paleodynamic conditions of their formation (using the Main Ural Fault zone as an example). Geology and Geophysics. 2014. Vol. 55. No. 12, pp. 1828–1840. EDN: TEAOWPПанасьян Л.Л., Посухова Т.В., Черепецкая Е.Б., Цзини Чжан. Минералогические, петрофизические и акустические характеристики серпентинов – индикаторы палеодинамических условий их образования (на примере зоны Главного Уральского разлома) // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 12. С. 1828–1840. EDN: TEAOWPLiskova L.V., Kovalchuk O.E. Structural features of serpentine from kimberlites of Yakutia. Spektroskopiya, Rentgenografiya i Kristallokhimiya. 1997, pp. 73–74. (In Russian).Лисковая Л.В., Ковальчук О.Е. Структурные особенности серпентина из кимберлитов Якутии // Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия. 1997. С. 73–74.Lyutoev V.P., Makeev A.B., Simakova Yu.S., Terekhov E.N. Serpentinites of the mélange zone in the north of the Rai-Iz massif, containing jewelry garnet (andradite-demantoid). Vestnik of Geosciences. 2024. No. 7 (355), pp. 24–31. (In Russian). EDN: MKHPWW. https://doi.org/10.19110/geov.2024.7.3Лютоев В.П., Макеев А.Б., Симакова Ю.С., Терехов Е.Н. Серпентиниты зоны меланжа на севере массива Рай-Из, вмещающие ювелирный гранат (андрадит-демантоид) // Вестник геонаук. 2024. № 7 (355). С. 24–31. EDN: MKHPWW. https://doi.org/10.19110/geov.2024.7.3Zuev V.V., Potseluev L.N., Goncharov Yu.D. Kristalloenergetika kak osnova ocenki magnezialnyx svojstv tverdotelnyh materialov (vklyuchaya magnezialnye cementy) [Crystal energy as a basis for magnesian properties of solid-state materials assessing (including magnesian cements)]. St. Petersburg: ALFAPOL LLC, 2006. 119 p.Зуев В.В., Поцелуев Л.Н., Гончаров Ю.Д. Кристаллоэнергетика как основа оценки магнезиальных свойств твердотельных материалов (включая магнезиальные цементы). CПб.: ООО «АЛЬФАПОЛ», 2006. 119 с.Kai Gond, Kengran Yand, Claire E. White. Density functional modeling of the binding energies between aluminosilicate oligomers and different metal cations. Sec. Structural Materials. 2023. Vol. 10. https://doi.org/10.3389/fmats.2023.1089216Huey J. Neorganicheskaya khimiya. Stroenie veshchestva i reaktsionnaya sposobnost’ [Inorganic Chemistry. Structure of Matter and Reactivity. Translated from English. edited by Stepin V.D., Lidina R.A.] Moscow: Chemistry. 1987. 696 p.Хьюи Дж. Неорганическая химия. Строение вещества и реакционная способность / Пер. с англ. под ред. В.Д. Степина, Р.А. Лидина. М.: Химия, 1987. 696 с.Chibisov A.N., Chibisova M.A. Influence of impurity atoms on the atomic and electronic structure of nanoporous silicates. Vestnik of the Pacific National University. 2012. No. 3 (26), pp. 41–48. (In Russian). EDN: PEVIGZЧибисов А.Н., Чибисова М.А. Влияние примесных атомов на атомную и электронную структуру нанопористых силикатов // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2012. № 3 (26). С. 41–48. EDN: PEVIGZBogdanov O.S., Zuev V.V. On the crystal-chemical assessment of magnetic, electrical and gravitational properties of minerals. Obogashchenie Rud. 1991. No. 6, pp. 12–16. (In Russian).Богданов О.С., Зуев В.В. О кристаллохимической оценке магнитных, электрических и гравитационных свойств минералов // Обогащение руд. 1991. № 6. С. 12–16.Termodinamicheskie svoistva individual’nykh veshchestv: spravochnoe izdanie v 4-kh tomakh [Thermodynamic properties of individual substances: reference publication in 4 volumes / Edited by V.P. Glushko]. Moscow: Nauka, 1979. 341 p.Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное изд.: В 4 т. / Под ред. В.П. Глушко. М.: Наука, 1979. 341 с.Korepanov M.A. Surface tension of liquid aluminum oxide. Khimicheskaya Fizika i Mezoskopiya. 2013. Vol. 15. No. 1, pp. 83–90. (In Russian). EDN: PYTNKNКорепанов М.А. Поверхностное натяжение жидкого оксида алюминия. // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15. № 1. С. 83–90. EDN: PYTNKNVoronkov M.G., Yuzhelevsky Yu.A., Mileshkevich V.P. Siloxane bond and its influence on the structure and physical properties of organosilicon compounds. Uspekhi Khimii. 1975. Vol. 44. Iss. 4, pp. 715–793. (In Russian).Воронков М.Г., Южелевский Ю.А., Милешкевич В.П. Силоксановая связь и ее влияние на строение и физические свойства кремнийорганических соединений // Успехи химии. 1975. Т. 44. Вып. 4. С. 715–793.Aakash Gupta, Debasis Jana. Modified born-lande equation to calculate lattice energy in a theoretical approach. Theoretical and Computational Chemistry. 2021. Version 1. https://doi.org/10.33774/chemrxiv-2021-z2n68