4º Congresso Português de Argamassas e ETICS Efeito da ...
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4º Congresso Português de Argamassas e ETICS
Efeito da Incorporação de Resíduo da Indústria Petrolífera nas
Propriedades Mecânicas de Argamassas
Carla Costa
ISEL - Instituto Superior
de Engenharia de Lisboa
Portugal
Rita Geada
ISEL - Instituto Superior
de Engenharia de Lisboa
Portugal
Resumo: O presente artigo apresenta resultados preliminares de um projecto, em curso,
no qual o objectivo final é investigar a viabilidade da utilização de um resíduo produzido
na refinação do petróleo em materiais à base de cimento. Os valores do Índíce de
Actividade - determinados com base nos valores da resistência à compressão de
argamassas com substituição parcial de cimento pelo resíduo - mostraram que, ao fim de
7 dias de hidratação, o resíduo já apresenta actividade pozolânica em argamassas com
incorporação de resíduo até 15%, e que esta actividade é também evidente nas argamassas
com incorporação de 20% de resíduo ao fim de 28 dias de hidratação.
Palavras–chave: Resíduo catalítico de FCC; Argamassas; Materiais pozolânicos,
Ecologia industrial.
1. INTRODUÇÃO
A consciencialização de que o desenvolvimento sustentável, a longo prazo, está
dependente da capacidade de abordar as questões económicas e ambientais de forma
integrada promove a criação de sinergias na reciclagem de resíduos entre diferentes
indústrias. O objectivo final é transformar um resíduo poluente de uma indústria num
produto com valor acrescentado para outra. Neste contexto, está em curso no ISEL um
projecto que visa a reutilização, em materiais à base de cimento, de um resíduo da unidade
de "cracking" catalítico em leito fluidizado (FCC, do inglês “Fluid Catalytic Cracking”)
produzido pela refinaria da empresa Petróleos de Portugal - PETROGAL S.A., em Sines.
Desta sinergia, dever-se-ão gerar dividendos económicos e ambientais significativos para
as duas indústrias, a petroquímica e a cimenteira. Nomeadamente, no caso da indústria
petroquímica: (a) menor quantidade de resíduos gerada; (b) menor custos de gestão de
resíduos; e (c) aumento dos lucros associados à transformação de um resíduo num produto
com maior valor. Na perspectiva da indústria cimenteira, destacam-se: (a) menor
extracção de recursos naturais nas pedreiras; (b) menor consumo energético e emissão de
dióxido de carbono na produção de cimento; e (c) desenvolvimento de novos produtos
com melhor desempenho.
As refinarias de petróleo usam, actualmente, cerca de 500 000 ton/ano de catalisador de
FCC, dos quais 20% são usados nas refinarias europeias [1]. Em Portugal, são gerados
cerca de 60 000 ton/ano de resíduo catalítico de FCC [2]. Quando os catalisadores já não
apresentam a necessária actividade catalítica têm que ser substituídos. Actualmente, a
maior parte destes catalisadores exaustos são enviados para aterros sanitários, a solução
ambientalmente menos favorável.
A fase activa principal do catalisador de FCC é o zeólito-Y que é um aluminossilicato
com estrutura cristalina tri-dimensional, consistituída por túneis e cavidades, que confere
ao catalisador elevada área superficial (interna e externa) específica [3]. Esta característica
tem um contributo significativo na elevada afinidade que este material apresenta com a
água [4]. A composição química exacta dos catalisadores de FCC é estabelecida em
função do processo específico presente na refinaria em que vão ser usados e dos produtos
refinados que se pretendem obter.
O resíduo catalítico de FCC, quando entra em contacto com uma mistura de cimento e
água reage com Ca(OH)2 (um dos produtos da hidratação do cimento) [4-7] formando
compostos químicos semelhantes aos produtos de hidratação do cimento e que apresentam
propriedades ligantes. Esta reacção química designa-se reacção pozolânica.
Estudos anteriores revelaram que argamassas nas quais ocorre a substituição parcial de
cimento por resíduo catalítico de FCC até ao 15-20% (em massa) apresentam aumento na
resistência mecânica à compressão, tanto a curto como a longo prazo [6, 8-10]. O facto
desta tendência não se verificar para percentagens de substituição superiores deve-se,
provavelmente, às seguintes razões: (i) as argamassas de cimento com resíduo de FCC
incorporado tornam-se menos trabalháveis [4] e consequentemente mais porosas; e
(ii) mitigação de Ca(OH)2 disponível (devido à diminuição da fracção mássica de
cimento) que condiciona a extensão da reacção pozolânica. Verificou-se, ainda, que a
resistência dos materiais à base de cimento aumenta significativamente com a diminuição
do tamanho das partículas do catalisador de FCC [4, 11, 12]. Em termos de durabilidade,
verificou-se que a substituição parcial de cimento por resíduo de FCC até 10% (em massa)
não contribui para a degradação adicional dos materiais à base de cimento [5, 13].
Apesar das diversas vantagens associadas à incorporação de resíduo catalítico de FCC nos
materiais à base de cimento, ainda subsiste uma extensa lacuna na compreensão dos
mecanismos reaccionais entre o catalisador e os produtos da reacção de hidratação do
cimento. O conhecimento fundamental que se pretende gerar no projecto em curso no
ISEL contribuirá para a melhoria das formulações industriais dos materiais compósitos
catalisadores FCC/cimento com vista à utilização, no futuro, de forma eficiente e em larga
escala do resíduo catalítico como material pozolânico. Este artigo apresenta resultados
preliminaries de resistência mecânica de argamassas preparadas com cimento
parcialmente substituido entre 0 e 30% (em massa) por resíduo catalítico de FCC, bem
como resultados da avaliação da actividade pozolânica deste resíduo recorrendo ao Índíce
de Actividade (determinado com base nos valores da resistência mecânica à compressão).
2. PROGRAMA EXPERIMENTAL
2.1 Materiais Os materiais usados no programa experimental foram: cimento Portland comercial tipo
CEM I 42,5 R (de acordo com a Norma Europeia EN 197-1 [14]) produzido pela empresa
CIMPOR – Cimentos de Portugal.; areia siliciosa natural (de acordo com a Norma
Europeia EN 196-1 [15]) fornecida pela empresa SIFUCEL; superplastificante (Sp)
SIKAPlast 898, fornecida pela SIKA PORTUGAL; resíduo catalítico oriundo da unidade
de cracking catalítico (rFCC) que se encontra instalada na refinaria da PETROGAL em
Sines, Portugal; e água desionizada.
As composições químicas do cimento e do rFCC (Tabela 1) foram obtidas por
espectroscopia de fluorescência de raios-X usando um equipamento da PANalytical,
modelo Axios. A determinação das perdas ao fogo foram realizadas de acordo com a
Norma Europeia EN 196-2 [16]. A composição química do rFCC consiste,
essencialmente, em SiO2 e Al2O3 que representam aproximadamente cerca de 92%, em
massa, dos seus constituintes. Estes teores em sílica e alumina são típicos da composição
química de outros materiais pozolânicos usados pela indústria do cimento.
Tabela 1 – Composição química do cimento e do rFCC usados
Composto Composição química (% mássica)
Cimento rFCC
SiO2 19.41 39.59
Al2O3 5.45 52.81
Fe2O3 3.23 0.55
CaO 62.57 0.09
MgO 1.91 0.19
SO3 2.89 0.23
K2O 1.10 0.04
Na2O 0.00 0.68
Ti2O3 0.27 0.82
P2O5 0.10 0.06
Mn2O 0.05 0.00
SrO 0.07 0.00
Perda ao Fogo 2.70 1.49
Na Figura 1 apresenta-se o resultado da análise granulométrica por difracção a laser do
cimento e do rFCC usando um equipamento da CILAS, modelo 1064 LD. O d50 e d90 são
os valores de tamanho de partícula abaixo do qual se encontram, respectivamente, 50% e
90% (em volume) das partículas. O d50 das partículas de cimento e de rFCC são 21.5 µm
e 80.0 µm, respectivamente e o d90 das partículas de cimento e de rFCC são 56.0 µm e
124.3 µm, respectivamente.
Figura 1 – Distribuição (volumétrica) de tamanho das partículas do cimento
CEM I 42.5 R e do resíduo catalítico de FCC (wFCC)
2.2 Preparação Argamassas e Métodos As argamassas foram preparadas usando razão mássica água, areia, ligante e
superplastificante (A/a/l/Sp) de 0.5/3/1/0.005, respectivamente. Os ligantes usados foram:
(i) cimento comercial, usado como referência, e (ii) cimento parcialmente substituido por
rFCC em percentagens mássicas que variaram entre 5 e 30%, com incremento de 5%. As
designações adoptadas para as argamassas preparadas, bem como a composição do
respectivo ligante, apresentam-se na Tabela 2. O procedimento de mistura das argamassas
foi realizado de acordo com o explicitado na Norma Europeia EN 196-1 [15] excepto no
facto do superplastificante ser previamente adicionado à água antes da mistura. A
consistência das argamassas no estado fresco foi avaliada recorrenco à mesa de
espalhamento de acordo com o descrito na Norma Europeia EN 1015-3 [17]. A moldagem
dos provetes, a sua cura bem como a avaliação da resistência mecânica à flexão e à
compressão das argamassas aos 2, 7, 28, 56 e 90 dias de hidratação foram realizados de
acordo com a Norma Europeia EN 196-1 [ 15].
0
10
20
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100
1 10 100 1000
Vo
lum
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um
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%)
Diâmetro de Partícula (µm)
rFCC
CEM I 42.5R
Tabela 2 – Designações adoptadas para as argamassas preparadas e respectivas
composições do ligante
Designações das
Argamassas
Composição Ligante (% mássica)
Cimento 42,5 R rFCC
C100 100 0
C95_rFCC5 95 5
C90_rFCC10 90 10
C85_rFCC15 85 15
C80_rFCC20 80 20
C75_rFCC25 75 25
C70_rFCC30 70 30
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na preparação das argamassas constatou-se que a fluidez destas diminuiu
progressivamente com o aumento de resíduo de FCC incorporado. Este facto é atribuido à
elevada área superficial especifica do resíduo [3] com afinidade para a água. Nas
condições adoptadas na preparação das argamassas – nomeadamente, no que respeita à
quantidade de superplastificante adicionada à água de amassadura - verificou-se que até
20% (em massa) de substituição parcial de cimento por rFCC se produziam argamassas
homogéneas, coesas e trabalháveis. Percentagens de substituição de cimento superiores ou
seja, de 25 e 30%, deram origem a argamassas que, no estado fresco, se revelavam pouco
homogéneas e, no estado endurecido, eram porosas e friáveis, o que se reflectiu numa
dispersão muito elevada nos valores de resistência, aos quais não pode ser atribuído
significado físico. Estes factos devem ser atribuídos à quantidade significativa de água
absorvida pelo rFCC, não tendo ficado água disponivel em quantidade suficiente para a
completa hidratação do cimento. Em consequência considerou-se que, naquelas
condições, as percentagens de substituição parcial de cimento por resíduo catalítico de 25
e 30% (em mássica) não são viáveis e os respectivos resultados dos ensaios de
consistência e mecânicos não foram considerados.
3.1 Consistência Os resultados da consistência – avaliado pelo diâmetro do espalhamento - das argamassas
com cimento parcialmente substituido entre 0 e 20% (em massa) por rFCC apresentam-se
na Tabela 3. Da análise deses resultados constata-se que o aumento do teor de cataliasdor
exausto de FCC incorporado nas argamassas se traduz numa diminuição linear do valor de
espalhamento e, consequentemente, da sua fluidez.
Tabela 3 – Resultados de consistência – avaliado pelo diâmetro do
espalhamento (mm) – da argamassa de referência e das argamassas
com substituição parcial de 5, 10, 15 e 20% (em massa) de cimento
por resíduo catalítico de FCC
Argamassas C100 C95_rFCC5 C90_rFCC10 C85_rFCC15 C80_rFCC20
Consistência
(mm) 250 229 205 184 158
3.2 Resistência à Flexão Os resultados dos ensaios de resistência mecânica à flexão obtidos nas argamassas com
cimento parcialmente substituido entre 0 e 20% (em massa) por rFCC estão apresentados
na Tabela 4 e representados na Figura 2.
Tabela 4 – Resultados de resistência à flexão (MPa) da argamassa de referência
e das argamassas com substituição parcial de 5, 10, 15 e 20% (em
massa) de cimento por resíduo catalítico de FCC
Tempo de
Hidratação
(dias)
Argamassas
C100 C95_rFCC5 C90_rFCC10 C85_rFCC15 C80_rFCC20
2 9.1 8.2 7.2 6.5 4.2
7 10.8 9.6 9.0 8.2 7.0
28 11.3 11.2 9.8 9.1 8.1
56 12.0 11.6 11.3 9.1 9.2
90 12.1 11.4 11.1 9.8 8.0
Figura 2 – Representação gráfica dos valores de resistência à flexão das
argamassas com 0, 5, 10, 15, e 20% (em massa) de substituição
parcial de cimento por resíduo catalítico de FCC aos 2, 7, 28, 56 e
90 dias de idade
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7 d
28 d
56 d
90 d
0
2
4
6
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10
12
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8.2
7.2
6.5
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9.6
9.0
8.2
7.0
11.3
11.2
9.8
9.1
8.1
12.011.6
11.3
9.1 9.2
12.1
11.4
11.1
9.8
8.0
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Fle
xão
(M
Pa)
Da análise dos resultados da resistência à flexão – Tabela 4 e Figura 2 – verifica-se que,
para o mesmo tempo de hidratação, à medida que aumenta nas argamassas a percentagem
de substituição de cimento por resíduo de FCC, diminui a sua resistência à flexão.
Verifica-se, ainda, que até aos 90 dias de idade nenhuma das argamassas com
incorporação de resíduo de FCC atinge o valor de resistência à flexão da argamassa de
referência. Até aos 10% de incorporação de resíduo, a partir dos 56 dias de idade a
resistência à flexão é superior a 90% do valor da resistência da argamassa de referência;
quando o teor de incorporação de resíduo é 15%, o valor da resistência à flexão das
argamassas é, tipicamente, 75 a 80% do valor da resistência à flexão da argamassa sem
resíduo catalítico incorporado e quando o valor de resíduo incorporado é 20% a
resistência à flexão destas argamassas é, tipicamente, inferior a 75% do valor da
resistência da argamassa de referência.
3.3 Resistência à Compressão Os resultados dos ensaios de resistência mecânica à compresssão obtidos nas argamassas
com cimento parcialmente substituido entre 0 e 20% (em massa) por rFCC estão
apresentados na Tabela 5 e representados na Figura 3.
Tabela 5 – Resultados de resistência à compressão (MPa) da argamassa de
referência e das argamassas com substituição parcial de 5, 10, 15 e
20% (em massa) de cimento por resíduo catalítico de FCC
Tempo de
Hidratação
(dias)
Argamassas
C100 C95_rFCC5 C90_rFCC10 C85_rFCC15 C80_rFCC20
2 35.7 33.4 30.8 26.5 17.9
7 46.5 46.5 46.8 42.0 34.5
28 53.3 54.8 56.2 52.3 47.9
56 57.3 59.2 57.7 55.1 51.3
90 60.1 60.8 62.1 60.8 51.9
Da análise dos valores que se apresentam na Tabela 5 (representados na Figura 3)
observa-se que:
Aos 2 dias de idade, os valores da resistência à compressão das argamassas com
incorporação de rFCC: (i) são inferiores aos da argamassa de referência e
(ii) diminuem com o aumento do teor de resíduo incorporado;
Aos 7 dias de idade, os valores da resistência à compressão das argamassas com 5 e
10% de incorporação de rFCC já atingiram o valor da resistência da argamassa de
referência com a mesma idade. Nesta idade, as argamassas com percentagens de
substituição parcial de cimento por rFCC superiores apresentam resistências à
compressão inferiores à resistência da argamassa de referência;
A partir dos 28 dias de idade, os valores da resistência à compressão das argamassas
com substituição de cimento por FCC até 15% são sensivelmente iguais à resistência
da argamassa de referência, com a mesma idade;
A argamassa com 20% de substituição parcial de cimento por rFCC não atinge, até aos
90 dias de idade, a resistência à compressão da argamassa de referência.
Figura 3 – Representação gráfica dos valores de resistência à compressão das
argamassas com 0, 5, 10, 15, e 20% (em massa) de substituição de
cimento por resíduo catalítico de FCC aos 2, 7, 28, 56 e 90 dias de
idade
3.3.1. Avaliação da Actividade Pozolânica De entre os diferentes métodos, referidos na literatura [18], para avaliar a actividade
pozolânica recorreu-se à determinação do Índice de actividade (IA). Esta método indirecto
de avaliação da actividade pozolânica baseia-se no cálculo proposto pela Norma
Americana ASTM C311 [19]. De acordo com esta norma o Índice de Actividade
pozolânica determina-se como sendo a razão entre o valor da resistência à compressão,
aos 28 dias de idade, de uma argamassa com 20% de substituição de cimento por pozolana
e o valor da resistência à compressão da argamassa de referência (sem incorporação de
pozolana), com a mesma idade.
Neste trabalho, considerou-se o “Índice de Actividade” (IA) como correspondendo à
relação entre a resistência da argamassa produzida com uma dada percentagem de
substituição de cimento por resíduo catalítico, para uma dada idade, e a resistência da
argamassa de referência (sem substituição de cimento por resíduo) com a mesma idade ou
seja, adoptou-se a seguinte expressão de cálculo:
ndice de Actividade (IA) A
(1)
sendo:
A, o valor médio da resistência mecânica à compressão da argamassa com uma dada
percentagem de substituição de cimento por resíduo, para uma dada idade;
B, o valor médio da resistência mecânica à compressão da argamassa de referência,
com a mesma idade.
Os valores do IA obtidos, para todas as idades, de cada uma das formulações das
argamassas preparadas apresentam-se na Tabela 6.
2d
7d
28d
56d
90d
0
10
20
30
40
50
60
70
35.7
33.4
30.8
26.5
17.9
46.5 46.546.8
42.0
34.5
53.3 54.8 56.2
52.3
47.9
57.3 59.257.7
55.1
51.3
60.1 60.8 62.160.8
51.9
Res
istê
nci
a à
Co
mp
ress
ão (M
Pa)
Tabela 6 –Valores obtidos para o Índice de Actividade das argamassas de com
5, 10, 15 e 20% (em massa) de substituição de cimento por resíduo
catalítico de FCC
Tempo de
Hidratação
(dias)
Argamassas
C100 C95_rFCC5 C90_rFCC10 C85_rFCC15 C80_rFCC20
2 100.0 93.5 86.2 74.3 50.1
7 100.0 99.9 100.7 90.4 74.2
28 100.0 102.9 105.5 98.2 90.0
56 100.0 103.3 100.7 96.2 89.5
90 100.0 101.2 103.3 101.1 86.3
Tendo em consideração o efeito de diluição, a substituição parcial de cimento por outro
material dever-se-ia traduzir na diminuição da resistência à compressão das argamassas.
No entanto, este efeito não se verifica nomeadamente, quando os materiais substitutos têm
algum, ou ambos, dos seguintes contributos para as propriedades mecânicas: (i) efeito de
filler que consiste no preenchimento de poros intergranulares (em consequência do
substituto tornar a curva granulométrica dos agregados finos mais completa) traduzindo-se
na densificação da matriz cimentícia das argamassas; ou, (ii) reacção pozolânica que
consiste na formação de produtos cimentícios adicionais em resultado da reacção química
do material substituto do cimento com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) [20].
Uma vez que as partículas do catalisador de FCC, usadas neste trabalho, têm maior
dimensão que as do cimento o seu efeito de filler não deve ser significativo (Figura 1)
pelo que, o contributo físico do catalisador para o desenvolvimento da resistência
mecânica nas argamassas, em que é incorporado, pode ser desprezado [19].
Consequentemente, o aumento da resistência mecânica nas argamassass com incorporação
de rFCC, para além do valor expectável tendo em consideração o efeito de diluição,
deverá ser atribuído, essencialmente, à actividade pozolânica das partículas de FCC.
Na Figura 4 estão representados os valores de resistência à compressão que as argamassas
com 0, 5, 10, 15, e 20% (em massa) de incorporação resíduo catalítico de FCC apresentam
aos 2, 7, 28, 56 e 90 dias de idade bem como, os valores de resistência expectáveis tendo
em conta o efeito de diluição. Estes valores mostram que o catalisador de FCC já
apresenta actividade pozolânica relevante aos 7 dias de hidratação em argamassas com
incorporação de resíduo catalítico até 15% (em massa). A pozolanidade é também
evidente em argamassas com 20% de incorporação de rFCC após 28 dias de hidratação
porque o valor de resistência é superior ao valor expectável se, apenas, fosse considerado
o efeito de diluição. Adicionalmente constata-se, na análise dos valores incluídos na
Tabela 6, que a reacção pozolânica decorre essencialmente durante os primeiros 28 dias
de cura uma vez que a partir desta idade as argamassas apresentam valores de IA
sensivelmente constantes.
Figura 4 – Representação gráfica dos valores de resistência à compressão das
argamassas com 0, 5, 10, 15, e 20% (em massa) de substituição de
cimento por resíduo catalítico de FCC aos 2, 7, 28, 56 e 90 dias de
idade (quadrados unidos com linha a cheio) e os valores de
resistência expectáveis tendo em conta o efeito de diluição
(losangulos unidos com linha a tracejado)
4. CONCLUSÕES
Os resultados obtidos permitiram concluir que o resíduo exausto do catalisador de FCC,
produzido pela empresa Petróleos de Portugal – PETROGAL, S.A., quando incorporado
em argamassas apresenta actividade pozolânica significativa, particularmente, para teores
de substituição parcial de cimento até 15% (em massa). A desvantagem destes resíduos é
a de que, concomitantemente, as argamassas perdem fluidez. Ainda assim, estes resíduos
catalíticos são materais pozolânicos promissores cuja utilização, como adição no cimento,
realizada de forma eficiente, e em larga escala, poderá gerar dividendos económicos e
ambientais significativos para as duas indústrias envolvidas, a cimenteira e a petrolífera.
5. AGRADECIMENTOS
As autoras agradecem à Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) e à empresa
Petróleos de Portugal - PETROGAL, S.A. o apoio financeiro disponibilizado no âmbito
do projecto de investigação Ref.ª PTDC/ECM/113115/2009.
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ssão
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Pa)
90 dias
As autoras agradecem, ainda, à Cimpor Tec – Engenharia e Serviços Técnicos de Apoio
ao Grupo, S.A, a realização dos ensaios de caracterização química e de determinação da
distribuição do tamanho de partícula do resíduo usado neste trabalho e, em particular, ao
Eng. João Pereira, Director do Laboratório Central do Grupor CIMPOR, pela discussão de
alguns dos resultados obtidos.
6. REFERÊNCIAS
[1] European Cracking Catalysts Producers Association (ECCPA), "FCC Equilibrium
Catalyst (including FCC catalyst fines) finds safe reuse/rework outlets in Europe"
(2006).
[2] Petróleos de Portugal –Petrogal, S.A., informação de Dezembro 2011.
[3] Jiménez-García, G.; Quintana-Solórzano, R. ; Aguilar-López, R. ; Maya-Yescas, R.,
"Modelling Catalyst Deactivation by External Coke Deposition during Fluid
Catalytic Cracking” International Journal of Chemical Reactor Engineering 8 (2010)
S2
[4] Pacewska, B.; Wilinska, I.; Bukowska, M.; Nocun-Wczelik, W., "Effect of waste
aluminosilicate material on cement ydration and properties of cement mortars."
Cement and Concrete Research 32 (11) (2002) 1823-1830
[5] Pacewska, B.; Bukowska, M.; Wilinskaa, I.; Swat, M., "Modification of the
properties of concrete by a new pozzolan--a waste catalyst from the catalytic process
in a fluidized bed."Cement and Concrete Research 32(1) (2002) 145-152.
[6] Paya, J.; Monzo, J.; Borrachero, M. V.; Velázquez, S., "Evaluation of the pozzolanic
activity of fluid catalytic cracking catalyst residue (FC3R). Thermogravimetric
analysis studies on FC3RPortland cement pastes." Cement and Concrete Research
33(4) (2003) 603-609.
[7] Pinto, C., P. Büchler, and J. Dweck, “Pozzolanic properties of a residual FCC
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