Construction MaterialsConstruction MaterialsСтроительные материалы0585-430X2658-6991Stroymaterialy69582710.31659/0585-430X-2025-840-10-76-82СтатьиResearch ArticleThermodynamic characteristics of the structural modification “forsterite–magnesite”Термодинамическая характеристика структурной модификации «форстерит—магнезит»FrolovaM. A.ФроловаМ. А.
Russian Federation

Candidate of Sciences (Chemistry)

канд. хим. наук

m.aizenstadt@narfu.ruLesovikV. S.ЛесовикВ. С.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering)

д-р техн. наук

naukavs@mail.ruAyzenshtadtA. M.АйзенштадтА. М.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Chemistry)

д-р хим. наук

a.isenshtadt@narfu.ruStrokovaV. V.СтроковаВ. В.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering)

д-р техн. наук

vvstrokova@gmail.comDanilovV. E.ДаниловВ. Е.
Russian Federation

Candidate of Sciences (Engineering)

канд. техн. наук

v.danilov@narfu.ruMalyginaM. A.МалыгинаМ. А.
Russian Federation

Engineer, Graduate Student

инженер, аспирант

m.turobova@narfu.ruLomonosov Northern (Arctic) Federal UniversityСеверный (Арктический) федеральный университет им. М.В. ЛомоносоваBelgorod State Technological University named after V.G. ShukhovБелгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова111120251076820511202505112025Copyright ©; 2025,Copyright ©; 2025, ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ"2025ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ"https://journals.eco-vector.com/0585-430X/article/view/695827

According to the current environmental agenda of the Russian Federation, one of the most important tasks of the building materials industry is to find promising areas for integrated processing and increase the share of man-made raw materials, namely industrial waste. This fully applies to mining and processing plants, the waste of which is large-scale man-made raw material deposits. Based on the thermodynamic analysis, the feasibility of the transformation chain saponite→serpentine→forsterite→magnesite is shown by alternating the stages of mechanochemical activation of raw materials and high-temperature modification of intermediates. Chemical schemes of the mechanism of these transformations leading to the production of magnesia astringent compositions are given. The validity of the theoretical calculations has been experimentally confirmed by methods of differential thermal analysis and IR-spectroscopy. Experimental samples were obtained using a binder based on magnesite synthesized from serpentine. An aqueous solution of bischofite was used as the sealing solution. The tests carried out on their mechanical destruction have shown that the synthesized powders exhibit the properties of binders. Thus, the average values of certain parameters (ρ, Rcomp, and KCC) were: 1600 kg/m3; 5.78 MPa and 3.62 (respectively). The results obtained open up a new promising area of using the multi-tonnage waste of the kimberlite ore dressing process to develop technologies for the production of magnesia binders and a wide range of products based on them.

Согласно актуальной экологической повестке Российской Федерации одной из важнейших задач индустрии строительных материалов является поиск перспективных направлений комплексной переработки и увеличение доли использования техногенного сырья, а именно отходов промышленных предприятий. В полной мере это относится и к горно-обогатительным производствам, отходы которых представляют собой крупнотоннажные техногенные сырьевые месторождения. На основе проведенного термодинамического анализа показана реализуемость цепочки превращений «сапонит→серпентин→форстерит→магнезит» путем чередования стадий механохимической активации сырья и высокотемпературной модификации промежуточных продуктов. Даны химические схемы механизма превращений, приводящих к получению магнезиальных вяжущих композиций. Правомочность теоретических расчетов экспериментально подтверждена методами дифференциально-термического анализа и ИК-спектроскопии. Получены опытные образцы с использованием вяжущего на основе синтезированного из серпентина магнезита. В качестве раствора затворения использован водный раствор бишофита. Проведенные испытания по механическому разрушению образцов показали, что синтезированные порошки проявляют свойства вяжущих веществ. Так, средние значения определенных параметров (ρ, Rсж и ККК) составили: 1600 кг/м3; 5,78 МПа и 3,62 соответственно. Полученные результаты открывают новое перспективное направление использования многотоннажного отхода процесса обогащения кимберлитовых руд для разработки технологий производства магнезиальных вяжущих и широкой номенклатуры на их основе.

waste disposalprocessing of technogenic raw materialssaponitemagnesitemagnesite bindersутилизация отходовпереработка техногенного сырьясапонитмагнезитмагнезиальные вяжущиеUmnov V.A. Waste management in the mining industry. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten’. 1995. No. 5, pp. 99–106. (In Russian). EDN: NBWUADУмнов В.А. Управление отходами в горной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень. 1995. № 5. С. 99–106. EDN: NBWUADShpilevaya (Verzhak) D.V., Garanin K.V. Diamond deposits of the Arkhangelsk region and environmental problems of their development. Vestnik of Moscow University. Series 4: Geology. 2005. No. 6, pp. 18–26. (In Russian). EDN: HTXTGPШпилевая (Вержак) Д.В., Гаранин К.В. Алмазные месторождения Архангельской области и экологические проблемы их освоения // Вестник Московского университета. Сер. 4, Геология. 2005. № 6. С. 18–26. EDN: HTXTGPAizenshtadt A.M., Morozova M.V., Frolova M.A., Tyurin A.M. Study of the possibility of using waste tailings of JSC severalmaz for the production of a mineral additive to cement binders. Obogashchenie Rud. 2024. No. 3, pp. 42–48. (In Russian). EDN: JZOTBF. https://doi.org/10.17580/or.2024.03.07Айзенштадт А.М., Морозова М.В., Фролова М.А., Тюрин А.М. Исследование возможности использования отвальных хвостов предприятия АО «Севералмаз» для производства минеральной добавки к цементным вяжущим // Обогащение руд. 2024. № 3. С. 42–48. EDN: JZOTBF. https://doi.org/10.17580/or.2024.03.07Pustovgar A.P., Lukuttsova N.P., Ustinov A.G. Study of the properties of fine-grained concrete modified with a nanodispersed serpentinite additive. Vestnik MGSU. 2013. No. 3, pp. 155–162. (In Russian). EDN: PXOIXBПустовгар А.П., Лукутцова Н.П., Устинов А.Г. Изучение свойств мелкозернистого бетона, модифицированного нанодисперсной добавкой серпентинита // Вестник МГСУ. 2013. № 3. С. 155–162. EDN: PXOIXBIsaakyan A.R., Zulumyan N.O., Melikyan S.A., Beglaryan A.A. Use of hydrosilica gel isolated from serpentines to obtain nanosized β-wollastonite crystals. Zhurnal Fizicheskoy Khimii. 2020. Vol. 94. No. 10, pp. 1533–1538. (In Russian). EDN: RWHFGK. https://doi.org/10.31857/S0044453720100143Исаакян А.Р., Зулумян Н.О., Меликян С.А., Бегларян А.А. Применение гидросиликагеля, выделенного из серпентинов, для получения наноразмерных кристаллов β-волластонита // Журнал физической химии. 2020. Т. 94. № 10. С. 1533–1538. EDN: RWHFGK. https://doi.org/10.31857/S0044453720100143Zyryanova V.N., Berdov G.I. Magnesia binders from brucite beneficiation waste Stroitel’nyye Materialy [Construction Materials]. 2006. No. 4, pp. 61–65. (In Russian). EDN: HTCIYJЗырянова В.Н., Бердов Г.И. Магнезиальные вяжущие вещества из отходов обогащения брусита // Строительные материалы. 2006. № 4. С. 61–65. EDN: HTCIYJAverina G.F., Chernykh T.N., Orlov A.A., Kramar L.Ya. dentification of the possibility of using magnesia waste from mining and processing plants for the production of binders. Stroitel’nyye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 86–89. (In Russian). EDN: YQGANZАверина Г.Ф., Черных Т.Н., Орлов А.А., Крамар Л.Я. Выявление возможности использования магнезиальных отходов ГОК для производства вяжущих // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 86–89. EDN: YQGANZAizenshtadt A.M., Korolev E.V., Malygina M.A., et al. Structural modification of highly dispersed powders of overburden rocks made 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. и др. Структурная модификация высокодисперсных порошков вскрышных пород сапонитсодержащей бентонитовой глины // Физика и химия обработки материалов. 2023. № 1. С. 56–63. EDN: BGBWRA. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2023-1-56-63Aizenshtadt A.M., Morozova M.V., Frolova M.A., et al. Saponite-containing waste from mining and processing enterprises – a raw material reserve for the building materials industry. Ekologiya i Promyshlennost’ Rossii. 2024. Vol. 28. No. 7, pp. 20–25. (In Russian). EDN: JLONBM. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2024-7-20-25Айзенштадт А.М., Морозова М.В., Фролова М.А. и др. Сапонитсодержащие отходы горно-обогатительных предприятий – сырьевой резерв индустрии строительных материалов // Экология и промышленность России. 2024. Т. 28. № 7. С. 20–25. EDN: JLONBM. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2024-7-20-25Cheng T.W., Ding Y.C., Chiu J.P. A study of synthetic forsterite refractory materials waste using serpentine cutting. Minerals Engineering. 2002. Vol. 15. Iss. 4, pp. 271–275. https://doi.org/10.1016/S0892-6875(02)00021-3Cheng T.W., Ding Y.C., Chiu J.P. A study of synthetic forsterite refractory materials using waste serpentine cutting // Minerals Engineering. 2002. Vol. 15. Iss. 4, pp. 271–275. https://doi.org/10.1016/S0892-6875(02)00021-3Sara Lee K.Y., Christopher Chin K.M., Ramesh S., at al. Characterization of forsterite ceramics. Journal of Ceramic Processing Research. 2013. Vol. 14. No. 1, pp. 131–133.Sara Lee K.Y., Christopher Chin K.M., Ramesh S. at al. Characterization of forsterite ceramics // Journal of Ceramic Processing Research. 2013. Vol. 14. No. 1, pp. 131–133.Herbert Todd Schaef, Bernard P McGrail, John L Loring, Mark E, Bowden, Bruce W Arey, Kevin M Rosso. Forsterite [Mg2SiO4)] carbonation in wet supercritical CO2: an in situ high-pressure X-ray diffraction study. Environ Sci Technol. 2013. Vol. 47 (1), pp. 174–181. https://doi.org/10.1021/es301126fHerbert Todd Schaef, Bernard P McGrail, John L Loring, Mark E, Bowden, Bruce W Arey, Kevin M Rosso. Forsterite [Mg2SiO4)] carbonation in wet supercritical CO2: an in situ high-pressure X-ray diffraction study // Environ Sci Technol. 2013. Vol. 47 (1), pp. 174–181. https://doi.org/10.1021/es301126fAizenshtadt A.M., Strokova V.V., Nelyubova V.V., et al. 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. и др. Физико-химические трансформации сапонитсодержащего материала при его активации измельчением // Физика и химия обработки материалов. 2024. № 1. С. 53–64. EDN: LSOZOU. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2024-1-53-64Dorogokupets P.I., Dymshits A.M., Sokolova T.S., et al. Equations of state of forsterite, wadsleyite, ringwoodite, akimotoite, MgSiO3-perovskite and post-perovskite and the phase diagram of the Mg2SiO4 system at pressures up to 130 GPa. Geologiya i Geofizika. 2015. Vol. 56. No. 1–2, pp. 224–246. EDN: TKRZWB. https://doi.org/10.15372/GiG20150111Дорогокупец П.И., Дымшиц А.М., Соколова Т.С. и др. Уравнения состояния форстерита, вадслеита, рингвудита, акимотоита, MgSiO3-перовскита и постперовскита и фазовая диаграмма системы Mg2SiO4 при давлениях до 130 ГПа // Геология и геофизика. 2015. Т. 56. № 1–2. С. 224–246. EDN: TKRZWB. https://doi.org/10.15372/GiG20150111Kremenetskaya I.P., Gurevich B.I., Ivanova T.K., Lashchuk V.V., Bubnova T.P. Binding properties of metaserpentine. Tekhnika i Tekhnologiya Silikatov. 2014. Vol. 21. No. 2, pp. 9–16. (In Russian). EDN: SEIWTDКременецкая И.П., Гуревич Б.И., Иванова Т.К., Лащук В.В., Бубнова Т.П. Вяжущие свойства метасерпентина // Техника и технология силикатов. 2014. Т. 21. № 2. С. 9–16. EDN: SEIWTDKorikova O.V., Valova M.S., Titova Yu.A., Murashkevich A.N., Fedorova O.V. Synthesis and spectroscopic study of Si, Ti, Mg, Zn oxides modified with L-proline. Zhurnal Prikladnoy Spektroskopii. 2021. Vol. 88. No. 3, pp. 398–407. (In Russian). EDN: PKHYFBКорикова О.В., Валова М.С., Титова Ю.А., Мурашкевич А.Н., Федорова О.В. Синтез и спектроскопическое исследование оксидов Si, Ті, Mg, Zn, модифицированных L-пролином // Журнал прикладной спектроскопии. 2021. Т. 88. № 3. С. 398–407. EDN: PKHYFBUstinova Yu.V., Nasonova A.E., Nikiforova T.P., Kozlov V.V. Study of the interaction of caustic magnesite with the addition of microsilica. Vestnik MGSU. 2012. No. 3, pp. 100–104. EDN: PDDNAFУстинова Ю.В., Насонова А.Е., Никифорова Т.П., Козлов В.В. Исследование взаимодействия каустического магнезита с добавкой микрокремнезема // Вестник МГСУ. 2012. № 3. С. 100–104. EDN: PDDNAF