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UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
FACULTAD DE INGENIERÍA INSTITUTO DE MATERIALES Y MODELOS ESTRUCTURALES
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TRABAJO DE ASCENSO
VIABILIDAD DE RECICLAR EL CATALIZADOR GASTADO DE CRAQUEO
CATALÍTICO DE LA REFINERÍA AMUAY SUSTITUYENDO PARCIALMENTE EL
CEMENTO PORTLAND TIPO I POR ESTE RESIDUO
Aplicación de la normativa COVENIN 3134:2004
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
por el Ingeniero Civil
Trino Antonio Baloa Montilla,
para optar al escalafón de
Agregado
Caracas, 04 de diciembre de 2.014
Resumen
VIABILIDAD DE RECICLAR EL CATALIZADOR GASTADO DE CRAQUEO
CATALÍTICO DE LA REFINERÍA AMUAY SUSTITUYENDO PARCIALMENTE EL
CEMENTO PORTLAND TIPO I POR ESTE RESIDUO
Ing. Trino Antonio Baloa Montilla, MSc.
Trabajo de Ascenso para optar al escalafón de Agregado, Universidad Central de
Venezuela,
Facultad de Ingeniería, Año 2.014, número de páginas: 43.
Palabras clave: puzolana, FCC, catalizadores de craqueo catalítico, cemento, residuos
Resumen
A nivel mundial se aplica tecnología de punta en la búsqueda de nuevos materiales rentables que
permitan generar el mínimo de contaminantes en residuos y procesos de fabricación. De esta
manera se ha buscado desde varios años reciclar materiales que aparentemente no tienen un valor
agregado, más sin embargo, pueden aportar alternativas de uso y funcionalidad, transformando
materiales de desecho en productos útiles a la industria y a la sociedad. La industria cementera y
de la construcción es pionera en la reutilización de subproductos industriales incorporándolos en
diferentes etapas del proceso productivo, tales casos se reflejan en los usos de la escoria de alto
horno, las cenizas volantes de termoeléctricas y los áridos reciclados del concreto.
En este trabajo se estudia la viabilidad de reciclar los catalizadores gastados de craqueo catalítico
que se producen en la refinería Amuay ubicada en el Estado Falcón, se estudia un catalizador
llamado en esta investigación “Grueso”, el cual, se utilizó tal como lo entregó el proveedor.
Mientras que el catalizador llamado “Fino” es molido para disminuir los diámetros de los granos,
por lo menos, un 80% de granos pasantes por el tamiz de abertura 45 μm, intentado alcanzar
similitud con la finura del cemento.
Para comprobar dicha viabilidad se realiza una caracterización química, mineralógica y
morfológica del residuo en cuestión, por medio de técnicas experimentales como espectroscopía
por emisión atómica de plasma de acoplamiento inductivo, difracción de rayos X, microscopía
electrónico de barrido y granulometría láser. Además, se realizó un estudio del cemento Portland
tipo I donde éste se sustituye en peso, por el 10% y el 20% de catalizador gastado de craqueo
catalítico en lecho fluidizado, tanto “Fino” como “Grueso”. Dichos ensayos y estudio se
realizaron para comprobar el cumplimiento de la normativa venezolana vigente.
Los resultados obtenidos muestran la posibilidad de reutilizar este residuo de la industria
petrolera como adiciones activas para la elaboración de Cementos Portland con adiciones
Puzolánicas. (CPPZ)
Índice de Contenido
Índice de contenido
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 7
1.1 Motivación .......................................................................................................................................... 7
1.2 Antecedentes ....................................................................................................................................... 9
1.3 Objetivos ........................................................................................................................................... 13
1.4 Alcance .............................................................................................................................................. 14
1.5 Aporte original del trabajo ................................................................................................................ 14
1.6 Contenido .......................................................................................................................................... 14
2. CATALIZADORES DE CRAQUEO CATALÍTICO EN LECHO FLUIDIZADO “FLUID
CATALYTIC CRACKING” .................................................................................................................... 15
2.1. Descripción ....................................................................................................................................... 15
3. EXPERIMENTAL ................................................................................................................................ 17
3.1. Técnicas experimentales empleadas ................................................................................................. 17
3.1.1. Espectroscopía por emisión atómica de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-EA) ............ 17
3.1.2. Difracción de Rayos X (DRX) .................................................................................................. 17
3.1.3. Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) .............................................................................. 17
3.1.4. Granulometría Láser .................................................................................................................. 17
3.2 Materiales, elaboración de morteros con incorporación de catalizadores y metodología aplicada ... 18
3.2.1 Materiales ................................................................................................................................... 18
3.2.2 Preparación de mezclas .............................................................................................................. 19
3.2.3 Preparación de los morteros mezcla ........................................................................................... 20
3.2.4 Exigencias .................................................................................................................................. 20
3.2.4.1 Exigencias químicas ......................................................................................................... 20
3.2.4.2 Exigencias físicas ............................................................................................................. 21
Índice de Contenido
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................................... 22
4.1 Caracterización del cemento Portland tipo I ..................................................................................... 22
4.1.1 Análisis químico ......................................................................................................................... 22
4.1.2 Caracterización del cemento Portland ........................................................................................ 22
4.1.2.1 Caracterización mineralógica por Rx ............................................................................... 22
4.1.3 Estudio físicos del cemento ........................................................................................................ 23
4.2. Caracterización de los catalizadores gastados de craqueo catalítico ................................................ 24
4.2.1 Composición química ................................................................................................................. 24
4.2.2 Composición mineralógica ......................................................................................................... 25
4.2.3 Estudio microestructural: Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) ..................................... 26
4.2.4 Granulometría láser .................................................................................................................... 27
4.3. Estudio de cemento Portland tipo I con incorporación de los catalizadores gastados de craqueo
catalítico .................................................................................................................................................. 28
4.3.1 Exigencias químicas ................................................................................................................... 28
4.3.2 Exigencias físicas ....................................................................................................................... 29
4.3.2.1.- Resistencia a la compresión de probetas cúbicas ........................................................... 29
4.3.2.2.- Determinación de la superficie específica ..................................................................... 34
4.3.2.3.- Expansión volumétrica por autoclave ............................................................................ 35
4.3.2.4.- Tiempo de fraguado por aguja de Vicat......................................................................... 35
4.3.2.5.- Calor de hidratación ....................................................................................................... 38
5. CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 39
REFERENCIAS ........................................................................................................................................ 41
Índice de Tablas
Índice de Tablas
Tabla 1: Granulometría de la arena silícea de alta pureza utilizada en este estudio ................................ 19
Tabla 2: Granulometría de fracción fina especificada en COVENIN 2503-1990 ................................... 19
Tabla 3: Requisitos químicos para cemento según COVENIN 3134:2004 ............................................. 20
Tabla 4: Requisitos físicos para cemento según COVENIN 3134:2004 ................................................. 21
Tabla 5: Composición química del cemento ........................................................................................... 22
Tabla 6: Composición química del catalizador gastado de craqueo catalítico ........................................ 24
Tabla 7: Análisis realizados según exigencias químicas ......................................................................... 28
Tabla 8: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Fino a 2 días ....................... 29
Tabla 9: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Fino a 7 días ....................... 29
Tabla 10: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Fino a 28 días ................... 30
Tabla 11: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Grueso a 2 días ................. 30
Tabla 12: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Grueso a 7 días ................. 31
Tabla 13: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Grueso a 28 días ............... 31
Tabla 14: Superficie específica por el aparato Blaine ............................................................................. 34
Tabla 15: Expansión volumétrica por Autoclave. ................................................................................... 35
Tabla 16: Tiempo de fraguado: Fino (agua de consistencia normal constante) ...................................... 36
Tabla 17: Tiempo de fraguado: Grueso (agua de consistencia normal constante) .................................. 36
Tabla 18: Tiempo de fraguado: Fino (agua de consistencia normal variable) ........................................ 37
Tabla 19: Tiempo de fraguado: Grueso (agua de consistencia normal variable) .................................... 37
Índice de Figuras y de Ecuaciones
Índice de Figuras
Figura 1: Principales características de la Unidad de FCC. (Moreno M, 2000) .............................................. 15
Figura 2: Difragtograma del cemento. (Milles, 2012) ..................................................................................... 23
Figura 3: Difragtograma del FCC gastado proveniente de la Refinería Amuay. (Milles, 2012) ..................... 25
Figura 4: Micrografías MEB. a) Fino y b) Grueso ......................................................................................... 26
Figura 5: Granulometría láser para catalizadores “Fino” y “Grueso” ............................................................... 27
Figura 6: Resistencia a la compresión de probetas cúbicas de mortero de cemento Portland con FCC Fino ... 30
Figura 7: Resistencia a la compresión de prob. cúbicas de mortero de cemento Portland con FCC Grueso .... 31
Figura 8: Pérdida de resistencia a compresión por FCC “Fino” con respecto al cemento base ........................ 32
Figura 9: Pérdida de resistencia a compresión por FCC “Grueso” con respecto al cemento base .................... 33
Índice de Ecuaciones
Ecuación 1: Índice de Actividad Puzolánica indicada en norma COVENIN 3135:1994 .................................. 32
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I: Introducción
7
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Motivación
A nivel mundial se aplica tecnología de punta en la búsqueda de nuevos materiales rentables que
permitan generar el mínimo de contaminantes en residuos y procesos de fabricación. De esta
manera se ha buscado desde varios años reciclar materiales que aparentemente no tienen un valor
agregado, más sin embargo, pueden aportar alternativas de uso y funcionalidad, transformando
materiales de desecho en productos útiles a la industria y a la sociedad. La industria cementera y
de la construcción es pionera en la reutilización de subproductos industriales incorporándolos en
diferentes etapas del proceso productivo, tales casos se reflejan en los usos de la escoria de alto
horno, las cenizas volantes de termoeléctricas y los áridos reciclados del concreto, entre otros
residuos.
En Venezuela, al inicio del mes de febrero de 2011 el Gobierno Nacional crea la Gran Misión
Vivienda Venezuela, se planteó la necesidad de construir 3 millones de vivienda en los próximos
5 años.1,2.
Por tanto, es fundamental la ubicación de nuevas fuentes de suministro de materiales de
construcción sin descuidar la instalación de nuevas fábricas de tuberías en instalaciones sanitarias
y eléctricas, piezas sanitarias, plantas cementeras, ubicación de nuevas canteras y saques, es
decir, instalaciones donde se consigan y/o se transformen las materias primas en los materiales
comunes de construcción.
Vale resaltar que la construcción de las instalaciones industriales antes mencionadas requieren
tiempo para su ejecución, aunado al estudio de impacto ambiental y de factibilidad para la
obtención de las materias primas (fundamentalmente yacimientos de roca caliza, arcillas, hierro,
aluminio, gas entre otros), además, de la alta demanda requerida, hoy día, se investigan dentro y
fuera del país, otras alternativas de materias primas que sean posibles de incorporar en la
industria de la construcción.
1 http://www.avn.info.ve/contenido/nace-gran-misi%C3%B3n-vivienda-venezuela-para-resolver-
d%C3%A9ficit-habitacional
2 http://www.eluniversal.com/economia/131228/ministro-molina-en-2019-debemos-tener-3-millones-de-
viviendas-construi
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I: Introducción
8
Resulta importante hacer notar que las alternativas a las materias primas requeridas en la
construcción son las provenientes de las industrias que estudian los nuevos materiales naturales o
sintéticos, además, de las investigaciones de los residuos que generan todas las industrias a
excepción de la militar y médica. (Esta excepción debido a las características muy particulares de
los residuos y desechos que producen estas industrias)
De las alternativas presentadas anteriormente, el Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología
(FONACIT) auspicia el proyecto N°2011001245 “Nuevos materiales alternativos para la
construcción”, el cual, persigue principalmente reducir los niveles de contaminación e impacto
ambiental desfavorable que generan los residuos de las industrias intentando por medio de la
investigación científica y técnica la incorporación de dichos residuos en la industria del sector
construcción que por la demanda actual requiere se incrementen la producción de materiales.
La normativa venezolana COVENIN 3134:2004 define y presenta seis tipos de cementos
Portland con adiciones permitidas. En estos cementos se consideran adiciones de caliza u otro
material calcáreo, puzolanas y cenizas volantes. Vale resaltar que la industria cementera
venezolana utiliza actualmente el cemento con adiciones de caliza, siendo esta adición pasiva3 en
las reacciones cementantes del mortero realizado. Específicamente, se produce el CPCA I y
CPCA II. El cemento CPCA I le fue sustituido hasta un 15% en peso de cemento por caliza,
mientras que el cemento CPCA II se sustituye entre el 15% y 30 % en peso de cemento por caliza
o material calcáreo. Adicionalmente, se produce el cemento/escoria para uso general, cuya
adición es de escoria siderúrgica básica granulada finamente molida entre 20% y 70%, la cual,
cumple con la norma venezolana COVENIN 935:1976.
Referente al catalizador gastado de craqueo catalítico en la investigación realizada por García de
Lomas y colaboradores (García de Lomas y col., 2006) indican que las producciones anuales de
FCC gastados es de 480.000 Tm/año, estas producciones anuales de subproductos no son muy
elevadas, por ello, se debe pensar y estudiar el uso de este material como un mejorador de la
propiedades cementantes de resistencia, igualmente, de durabilidad más que como forma destino
del material residual.
3 Adición pasiva es el material adicionado al cemento que no aporta resistencia mecánica en la matriz cementante.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I: Introducción
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Esta investigación pretende dar a conocer la viabilidad de utilizar el residuo del catalizador de
craqueo catalítico “FCC: Fluid Catalytic Cracking” proveniente de la refinería Amuay como una
adición activa en la matriz cementante de los morteros de cemento, aplicando las especificaciones
exigidas por la normativa vigente.
1.2 Antecedentes
Una revisión bibliográfica ha puesto de manifiesto los estudios más recientes del uso del FCC en
la industria cementera en el mundo.
Payá y colaboradores (Payá y col., 1999) presentan cómo influye el FCC en las resistencias
mecánicas de morteros sustituidos con el catalizador, concluyendo que existe un aumento en las
resistencias al utilizar el residuo, siempre y cuando haya sido sometido a molienda, con el tiempo
óptimo por lo menos 20 minutos. En este mismo trabajo, concluyeron que la sustitución óptima
en los morteros estudiados se encuentra entre el 15% y 20%.
Jung-Hsiu y colaboradores (Jung-Hsiu y col., 2003) prepararon pastas y morteros con una
sustitución de un 5%, 10% y 15% con relaciones de agua/(cemento+FCC gastado) de 0,2; 0,25 y
0,3, evaluando la resistencia a compresión a las edades de 3, 7 y 28 días. Tanto a las pastas como
a los morteros mezcla se les añadió un superplastificante para tener trabajabilidad, de los
resultados obtenidos concluyeron que en morteros la resistencia a compresión aumenta
substancialmente y en pastas aumenta ligeramente.
En el 2006, García de Lomas y Colaboradores (García de Lomas y col., 2006) realizan el estudio
del comportamiento científico-técnico del cemento Portland elaborados con FCC gastado donde
aplicaron la normativa española vigente para la fecha, concluyendo que es posible reutilizar este
subproducto industrial como adición activa para la elaboración de cementos Portland
comerciales.
En lo que respecta a estudios más recientes para el momento de la elaboración de esta
investigación, Izquierdo y sus colaboradores (Izquierdo y col., 2013) evalúan la corrosión del
acero en morteros de cemento adicionado con catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I: Introducción
10
gastado) provenientes de la industria petroquímica en ambientes contaminados con Cloruros de
Sodio en concentración 3,5% y/o Anhídrido Carbónico en concentración al 3%. Se evaluó el
potencial y la corriente de corrosión. Complementariamente en los especímenes no reforzados, se
determinó la absorción total, penetración de cloruros, resistividad y frente de carbonatación. A
partir de los resultados, se concluye que la adición del 12% de FCC al cemento reduce la
permeabilidad a cloruros y la susceptibilidad a la carbonatación del mortero en órdenes hasta del
50%, asimismo genera un incremento del 128% en la resistividad del mortero. Los aceros
embebidos en los morteros adicionados presentaron velocidades de corrosión más bajas,
particularmente en presencia de iones cloruros.
Por otra parte, Martínez-López y sus colaboradores (Martínez-López y col., 2013) evalúan la
viabilidad ambiental de utilizar dos catalizadores gastados de craqueo catalítico procedente de
diferentes fuentes (Colombia y España), como sustitución parcial de cemento Portland para la
fabricación de materiales de construcción. Los autores realizaron pruebas de lixiviación para
determinar la migración de contaminantes en morteros con cemento adicionado (80% de cemento
y 20% de FCC gastado). Los resultados obtenidos indican que las concentraciones de los metales
pesados lixiviados son muy bajas, comparadas con las establecidas en la legislación ambiental de
los países de donde proceden los residuos. Por tanto, se considera que los FCC gastados hasta en
un 20% de sustitución de cemento no constituye un problema ambiental, proponiéndose como un
material alternativo para el sector de la construcción.
Mientras que Pacewska y sus colaboradores (Pacewska y col., 2013) estudian la hidratación
temprana (hasta 24 horas) del aluminato de calcio en el cemento Portland adicionado con FCC
gastado a dos temperaturas (10 ºC y 25 ºC). Las medidas calorimétricas fueron utilizados para
estudiar las pastas de cemento adicionado en 0%, 5% y 25% de sustitución de cemento por FCC
gastado con una relación constante de agua entre (cemento+FCC gastado) igual a 0,5. En base a
los resultados obtenidos se encontró que la influencia de catalizador de FCC gastado en la
hidratación temprana del Aluminato Cálcico del cemento depende estrictamente de la
temperatura de proceso de hidratación. Vale resaltar que 25 ºC de temperatura el aluminosilicato
del FCC gastado acelera la configuración y el endurecimiento del cemento pero 10 ºC de
temperatura actúa como retardador de la hidratación. Por tanto, la presencia de estos residuos
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I: Introducción
11
minerales provoca un efecto menor sobre los hidratos cristalinos producidos después de 1 día de
endurecimiento aunque aumenta claramente el grado de hidratación de los Aluminatos de Calcio.
Otro artículo publicado por Izquierdo, Mejía y demás colaboradores en el año 2013, (Izquierdo;
Mejía y col., 2013) estudian el efecto de la incorporación del catalizador gastado del craqueo
catalítico (FCC gastado) proveniente de la industria colombiana, en la hidratación y
microestructura de pastas cementantes. Los autores utilizan como materiales de referencia,
además del cemento Portland ordinario, dos tipos de adición de alto desempeño, metacaolín
(MK) y humo de sílice (HS). Los resultados indican que los principales productos de hidratación
en las pastas adicionadas con FCC son silicato cálcico hidratado (CSH), aluminatos cálcicos
hidratados (CAH) y silicoaluminatos cálcicos hidratados (CASH), pastas con 10% de FCC
reportan un consumo de cal del 61% a edad de 360 días de curado, valor muy superior al
reportado por las adiciones de MK y HS en la misma proporción, esto indica una mayor
reactividad del FCC gastado, que incluso se manifiesta a edades tempranas.
Mientras, que Soriano y sus colaboradores (Soriano y col., 2013) profundizan en el estudio del
proceso de hidratación de las pastas de cemento adicionado, no solo en los catalizadores gastados
de craqueo catalítico (FCC gastados) sino también en el metacaolín (MK) al ser curadas a
temperaturas entre 5 ºC y 20 ºC, con esta condición térmica los autores determinaron las
cantidades de hidratos y portlandita presentes en las pastas para los 3 y 28 días. En base a los
resultados obtenidos se indica que el FCC gastado actúa principalmente como una puzolana a
temperaturas entre 5 ºC y 10 ºC. Mientras que a este intervalo de temperatura el MK acelera el
proceso de hidratación del cemento Portland. Respecto a los morteros que contienen un 85% de
cemento Portland y 15% de las puzolanas propuestas, presentaron un aumento relativo de
resistencia a la compresión cuando se curó a 5 °C. Adicionalmente, se estudió el uso de FCC
gastado, MK y la Piedra Caliza (PC) como sustitutos parciales del agregado en los morteros de
cemento. De este estudio se afirma que el MK y FCC son materiales eficaces incluso para bajas
temperaturas de curado, especialmente cuando se utilizan para reemplazar una fracción de los
agregados en morteros.
El uso de FCC gastado como adición activa en los cementos portland adicionados han sido
estudiados en los últimos años en países europeos, tal que la norma española considera este
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I: Introducción
12
material como un adicionado puzolánico favorable para la disminución del calor de hidratación,
la mejoras en resistencia y de la durabilidad. La reutilización de los residuos industriales es una
alternativa viable para disminuir los altos índices de contaminación ambiental que ellos generan.
Por tanto, otra alternativa para utilizar el FCC gastado es tratarlo de una manera que permita
producir ligantes con bajas emisiones de dióxido de carbono (CO2). El uso de materiales de
aluminosilicato en la producción de materiales alcalinos activados es un tema de investigación en
curso y de mucho interés por presentar bajo nivel de emisiones de CO2 en su proceso de
conformación. En esta investigación, Tashima y colaboradores (Tashima y col., 2013) evalúan la
influencia de la relación molar SiO2 entre Na2, así como la relación de agua (H2O) entre FCC
gastado tanto en la resistencia mecánica, como en la microestructura. Los morteros con álcali
activado alcanzan hasta 80 MPa después de un curado de 72 horas a 65 ºC. Por esta razón, se
demuestra el potencial de FCC gastado para producir cementos alcalinos activados.
Otra aplicación incipiente pero no menos importante del uso de FCC gastado es en el área de los
Geopolímeros. Según Rodríguez y colaboradores (Rodríguez y col., 2013) evalúan el uso de la
tecnología de activación alcalina para producir carpetas de “geopolímeros”. En particular, se
determinan los efectos de las condiciones de activación en las características estructurales de los
geopolímeros a base de catalizador gastado de craqueo catalítico. Las fases zeolíticas presentes
en el catalizador gastado son las principales fases que participan en la reacción
geopolimerización, que es accionado por la conversión del material zeolítico a un gel de
aluminosilicato conglomerante con un contenido de alúmina mayor a 40%. Un mayor contenido
de álcali y de la relación SiO2 entre Na2O conduce a una estructura más densa con un mayor
grado de formación de gel geopolímeros y el aumento de grado de reticulación, tal como se
identifica a través de 29
Si MAS-RMN. Estos resultados ponen de manifiesto la viabilidad del uso
de catalizador de FCC gastado como un precursor para la producción de geopolímeros.
La presente investigación pretende aplicar la normativa vigente para conocer la factibilidad de
uso del residuo de catalizador de craqueo catalítico que son procedentes de reactores de la
refinería de Amuay, como adición en el cemento Portland tipo I. Para su estudio, se realizarán
análisis fisicoquímicos de las muestras del catalizador y del cemento a utilizar, para valorar si
presentan cambios apreciables en sus propiedades que impidan su uso como un solo material.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I: Introducción
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Seguidamente se realizarán ensayos químicos, físicos y mecánicos exigidos por la normativa
venezolana vigente.
Al estudiar estos escenarios, surgen las siguientes interrogantes: ¿Los FCC producidos en la
refinería de Amuay serán activos al utilizarse como reemplazo del material cementante?, ¿Podrán
ser utilizados estos residuos sin producir diferencias apreciables en el tiempo de fraguado?, ¿Las
mezclas con adiciones proporcionan valores similares o mayores de resistencia que una mezcla
sin adiciones?, ¿El catalizador gastado de craqueo catalítico puede causar expansividad
volumétrica?, ¿La finura de las partículas es aceptable al incorporar este residuo?
1.3 Objetivos
El objetivo principal de este trabajo de investigación es conocer la viabilidad de reciclar el
catalizador gastado de craqueo catalítico que se genera en la Refinería Amuay del
Complejo Refinador Paraguaná utilizando el mismo como adicionado al cemento Portland.
Para la consecución de este objetivo general se plantearon los siguientes objetivos específicos:
1. Estudio del residuo industrial catalizador de craqueo catalítico generado en el Complejo
Refinador Paraguaná.
a. Caracterización química, física y mineralógica.
b. Definir el tipo de adición de este residuo para ser incorporado al cemento Portland tipo I.
2. Comportamiento de las matrices cementantes con incorporación del FCC gastado.
a. Determinar si la sustitución en peso de cemento en un 10% y 20%, por el catalizador
gastado de craqueo catalítico cumplen con las exigencias químicas, mecánicas y físicas que
contempla la norma COVENIN 3134:2004.
3. Contrastar las propiedades mecánicas de los morteros de cemento Portland tipo I, con
sustituciones en peso de dicho cemento por catalizadores gastados de craqueo catalítico fino y
grueso, en 10% y 20%.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I: Introducción
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1.4 Alcance
Esta investigación considera el estudio de los FCC gastados que se retiran de los reactores de la
refinería de Amuay del Complejo Refinador Paraguaná, sustituyendo en peso el cemento portland
tipo I por el 10% y 20% de residuos de FCC “Fino” y “Grueso”, lo que indica, que el material
“Fino” el cual fue molido y se encuentra en condiciones físicas del 80% o más de material
pasante del cedazo #325 o menores a 45 µm, mientras que el material “Grueso” se utiliza tal y
como fue suministrada por el proveedor.
1.5 Aporte original del trabajo
Presentar un procedimiento científico técnico que permita por medio de la investigación aplicada,
la reutilización de los catalizadores gastados de craqueo catalítico, además, de otros residuos
industriales y urbanos, para que sean considerados como adiciones en el cemento Portland
ampliando los recursos primarios en el sector de la industria cementera de Venezuela.
1.6 Contenido
El presente trabajo está estructurado de la siguiente manera: en el Capítulo 1 se presenta una
introducción al tema, los antecedentes y los objetivos del trabajo; en el Capítulo 2 se presentan
algunos aspectos sobre la utilización del Catalizador de Craqueo Catalítico en Lecho Fluidizado
en la industria petrolera; en el Capítulo 3 se describe la metodología empleada en la realización
de los experimentos, así como los materiales utilizados; en el Capítulo 4 se presentan los
resultados y la discusión de los mismos; en el Capítulo 5 se presentan las conclusiones obtenidas
en este trabajo y, finalmente, se presentan las referencias bibliográficas junto a las normas
venezolanas vigentes consultadas en esta investigación.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I1: Catalizador gastado de craqueo catalítico en lecho
fluidizado
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2. CATALIZADORES DE CRAQUEO CATALÍTICO EN LECHO
FLUIDIZADO “FLUID CATALYTIC CRACKING”
2.1. Descripción
El catalizador es un compuesto químico capaz de acelerar o retardar la velocidad con que se lleva
a cabo una reacción química, y que al finalizar la misma, no ha sufrido ninguna transformación.
El catalizador de craqueo fluidizado es un polvo fino y poroso compuesto de óxidos de silicio y
aluminio, que acelera las reacciones químicas que se llevan a cabo. Otros elementos pueden estar
presentes en muy pequeñas cantidades. Cuando se airea con gas, el polvo adquiere la propiedad
similar a la de un fluido, lo que permite comportarse como un líquido. Esta propiedad hace, que
el catalizador que circula entre el reactor, despojador y el regenerador tome el nombre de
catalizador de craqueo catalítico en lecho fluidizado.
El FCC se utiliza en las refinerías de petróleo, este material está en el proceso de rotura de las
cadenas hidrocarbonadas de elevado peso molecular, para obtener una mayor proporción de
gasolinas. Durante la utilización de estos catalizadores en las unidades de FCC, parte de ellos son
retirados por tener baja actividad y son sustituidos por nuevos catalizadores con el fin de que se
mantenga la actividad catalítica u otra parte se recogen en los precipitadores electrostáticos de las
mismas unidades.
El diagrama de un sistema reactor-regenerador comercial de catalizador de craqueo catalítico
“FCC” se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Principales características de la Unidad de FCC. (Moreno M, 2000)
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo I1: Catalizador gastado de craqueo catalítico en lecho
fluidizado
16
El proceso FCC se basa en la descomposición o rompimiento de moléculas de alto peso
molecular; este tipo de reacciones se promueven por un catalizador sólido anfótero de ácido a
base de zeolitas, que se pone en contacto con los hidrocarburos en un reactor de tipo tubular
(riser) con flujo ascendente, a una temperatura entre 480-540°C con presiones manométricas
entre 0,5 y 1,5 kgf/cm2. Las reacciones de craqueo son de carácter endotérmico y los
mecanismos de reacción han sido explicados mediante la teoría de carbocationes.
Las reacciones de craqueo catalítico están acompañadas por la formación de coque, el cual, se
deposita sobre la superficie externa e interna del catalizador, provocando pérdida de actividad
debido al bloqueo de poros y de sitios activos. A la salida del reactor, el catalizador se separa
de los productos de reacción a través de ciclones y de un paso de inyección de vapor de agua
(despojamiento) que separa del catalizador algunos de los productos que aún permanecen
adsorbidos en éste.
El coque que se deposita, se quema en otro reactor (regenerador) antes de recircularse al reactor;
el calor producido en la combustión del coque suministra la energía necesaria para llevar a cabo
las reacciones de desintegración en el reactor. En la etapa de regeneración se producen gases
que son emitidos al medio ambiente como CO, CO2 y H20 además de SOX, y NOX, los cuales
eventualmente pueden producir problemas de contaminación ambiental.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo II1: Experimental
17
3. EXPERIMENTAL
3.1. Técnicas experimentales empleadas
3.1.1. Espectroscopía por emisión atómica de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-EA)
Este estudio permite determinar los tenores de óxidos que componen químicamente cada una de
las muestras definiendo la composición química del material en estudio.
El espectrómetro utilizado fue un Horiba modelos Ultima 2 ICP, propiedad del Instituto de
Ciencias de la Tierra, Facultad de Ciencias de la Universidad Central de Venezuela.
3.1.2. Difracción de Rayos X (DRX)
Esta técnica es utilizada para identificar las fases cristalinas presentes en las muestras analizadas:
un cemento Tipo I, los catalizadores gastados de craqueo catalítico “FCC” “Fino” y “Grueso”.
El difractómetro empleado fue un equipo marca: Philips, Modelo: PW-1840; Apreciación: 0.030°
2 a bajos ángulos y 0.050° 2 a altos ángulos. Propiedad del Centro de Asistencia a la
Industria Cerámica, Instituto Universitario Tecnológico “Federico Rivero Palacios”, núcleo
Región Capital.
3.1.3. Microscopía Electrónica de Barrido (MEB)
Esta técnica permite conocer la morfología y microanálisis de las partículas que constituyen los
catalizadores objetos de estudios.
El microscopio electrónico de barrido utilizado fue un equipo marca Jeol JMS-6390 que se
encuentra en Centro de Microscopia Electrónica de la Escuela de Ingeniería Metalúrgica y de los
Materiales, Universidad Central de Venezuela.
3.1.4. Granulometría Láser
Por medio de la granulometría láser se determina la distribución y el tamaño de las partículas del
catalizador utilizado.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo II1: Experimental
18
El granulómetro láser utilizado fue el MASTERSIZER 2000 de la casa Malver, serial 34035-05
con un intervalo de medida entre 0,002 μm a 2000 μm. Apreciación: 0,001 μm. El análisis de la
muestra se realizó mediante vía húmeda. Propiedad del Centro de Asistencia a la Industria
Cerámica, Instituto Universitario Tecnológico “Federico Rivero Palacios”, núcleo Región
Capital.
3.2 Materiales, elaboración de morteros con incorporación de catalizadores y metodología
aplicada
3.2.1 Materiales
Cemento: El cemento Portland utilizado como referencia o cemento base, es del tipo I, según
designación de la norma venezolana vigente COVENIN 28-2003, es un cemento Portland tipo I
producido a granel en la planta de la Fábrica Nacional de Cemento, ocupare del Tuy, el cual, se
puede usarse en las construcciones de concreto en general.
Catalizadores gastados de craqueo catalítico: este material proviene de la refinería Amuay del
Complejo Refinador Paraguaná, dichos catalizadores se han denominado como “Fino” y
“Grueso”. El catalizador gastado “Fino” fue tratado mecánicamente en un molino de bolas
ubicado en el Laboratorio conjunto de las Escuelas de Geología y Metalúrgica, Facultad de
Ingeniería de la Universidad Central de Venezuela. Esta acción tiene la finalidad de reducir en un
80% o más, el tamaño de granos con diámetros iguales o menores a 45 µm. Mientras que el
catalizador llamado “Grueso” fue utilizado tal como proviene de la planta refinadora, cuyos
diámetros de granos, a saber, son mayores a 45 µm en un 80%. (Milles, 2012)
Arena: Se emplea como árido una arena silícea para ensayos de cemento con el 98% de pureza
adquirida en una comercializadora privada de agregados especiales ubicada en la zona industrial
del Estado Aragua. Importante hacer saber que la arena utilizada se diferencia de la arena
especificada en la norma COVENIN 2503-1990. A continuación, en las Tablas 1 y 2 se indican
las fracciones de arena utilizadas en este estudio y las especificadas en normativa,
respectivamente.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo II1: Experimental
19
Tabla 1: Granulometría de la arena silícea de alta pureza utilizada en este estudio
Tamiz % retenido % retenido
acumulado
Nº 16
Nº 30
Nº 40
Nº 50
Nº 100
0.0
1,8
4,5
64,3
29,4
0
1,8
6,3
70,6
100
Tabla 2: Granulometría de fracción fina especificada en COVENIN 2503-1990
Tamiz % retenido acumulado
Nº 16
Nº 30
Nº 40
Nº 50
Nº 100
0.0
0 - 4
25 - 35
70 - 80
96 - 100
Al contrastar las Tablas 1 y 2, se observa que la arena utilizada en este estudio tiene mayor finura
que la especificada en norma COVENIN 2503:1990, ya que, el retenido acumulado de la arena en
el tamiz Nº 40 es de 6,3% y la norma indica un mínimo de 25%. Mientras, que al comparar el
porcentaje de arena retenida para este estudio en el tamiz Nº 50 se evidencia que cumple en el
retenido acumulado con 70,6%. A pesar de ser una arena de fracción más fina que la
especificada en la norma, no fue posible encontrar arena de igual composición química e igual
calidad con tamaños de granos pasantes del tamiz N° 30 y retenidos en tamiz N° 40. Por tanto, se
realizaron con esta fracción de arena más fina los morteros con cemento patrón y proporciones de
FCC.
Agua: Se emplea agua potable proveniente del sistema de acueducto de la ciudad de Caracas.
3.2.2 Preparación de mezclas
La preparación de las mezclas se realizó en una mezcladora de polvo de alta velocidad, que
garantiza la adecuada homogeneidad de los materiales sin perturbar sus finuras.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo II1: Experimental
20
3.2.3 Preparación de los morteros
La preparación de los morteros se realizó de acuerdo con las normas COVENIN 484:1993 y la
COVENIN 3134:2004, utilizando las siguientes dosificaciones:
Cemento base/Catalizador: 100/0; 90/10; y 80/20, es decir, una sustitución en peso de cemento
Portland por catalizador gastado en un 10% y un 20%, del catalizador denominado “Fino” y
“Grueso”.
La relación de agua/cemento utilizada fue de 0,485; una relación arena/cemento de 2,75/1 y
curado según las normas antes mencionadas.
3.2.4 Exigencias
Las exigencias estudiadas son las recogidas en la normativa vigente COVENIN 3134:2004.
3.2.4.1 Exigencias químicas
Pérdida al fuego (según COVENIN 109:1990 “Cementos hidráulicos. Métodos de ensayo para
análisis químicos”)
Sulfatos (según COVENIN 109:1990 “Cementos hidráulicos. Métodos de ensayo para análisis
químicos”)
Residuos insolubles (según COVENIN 109:1990 “Cementos hidráulicos. Métodos de ensayo
para análisis químicos”)
En la Tabla 3 se presentan los valores de requisitos químicos según las exigencias químicas
establecidas en la norma venezolana vigente COVENIN 3134:2004.
Tabla 3: Requisitos químicos para cemento según COVENIN 3134:2004
Requisito CPCA1 CPCA2 CPPZ1 CPPZ2 CPPZ3 CPCV Método de ensayo Pérdida al fuego (%) ≤ 7 ≤ 16 ≤ 7 ≤ 8 ≤ 9 ≤6 COVENIN 109:1990
Sulfatos (%) ≤ 4 ≤ 4 ≤ 4 ≤ 4 ≤ 4 ≤ 4 COVENIN 109:1990
Residuos Insolubles (%) ≤ 4 ≤ 6 --- --- --- --- COVENIN 109:1990
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo II1: Experimental
21
3.2.4.2 Exigencias físicas
Resistencia a la compresión (según COVENIN 484:1993 “Cementos Portland. Determinación de
la resistencia a la compresión de morteros en probetas cúbicas de 50,8 mm de lado”)
Ensayo de permeabilidad al aire (según COVENIN 487:1993 “Cementos Portland.
Determinación de la finura por medio del aparato Blaine de permeabilidad”)
Expansión de autoclave (según COVENIN 491:1994 “Cementos Portland. Determinación de la
expansión en autoclave”)
Tiempo de fraguado inicial y final (según COVENIN 493:1992 “Cementos Portland.
Determinación del tiempo de fraguado por la aguja de Vicat”)
Calor de hidratación (según COVENIN 495:1992 “Cementos Portland. Determinación del calor
de hidratación”)
En la Tabla 4 se presentan los valores de requisitos físicos y mecánicos según las exigencias
físicas establecidas en la norma venezolana vigente COVENIN 3134:2004.
Tabla 4: Requisitos físicos para cemento según COVENIN 3134:2004
Requisitos CPCA1 CPCA2 CPPZ1 CPPZ2 CPPZ3 CPCV Método de
ensayo Resistencia a la
compresión
mínima
(MPa)
3 días 9,8 8,3 8,3 --- --- 8,3
COVENIN
484:1993
7 días 16,7 14,7 14,7 14,7 9,8 14,7
28 días 27,4 24,5 24,5 24,5 20,6 24,5
Finura Blaine mínima
(Superficie específica)
mediante el ensayo de
permeabilidad al aire
(m2/kgf)
300
320 300 320 320 320 COVENIN
487:1993
Estabilidad de volumen,
mediante
ensayo de expansión
autoclave (% máximo)
0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 COVENIN
491-1994
Tiempo de
fraguado,
mediante
ensayo de
Vicat
(minutos)
Tiempo
inicial 45 45 45 45 45 45
COVENIN
493-1994 Tiempo
final
máximo
480 480 480 480 480 480
Calor de
hidratación
máximo
(kJ/kgf)
7 días --- --- --- 290 250 --- COVENIN
495:1992 28 días --- --- --- --- --- 290
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Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
22
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Caracterización del cemento Portland tipo I
4.1.1 Análisis químico
En la Tabla 5 se presenta la composición química del cemento comercial utilizado, tipo I ultra de
la Fábrica Nacional de Cemento.
Tabla 5: Composición química del cemento
Composición (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O + K2O PAF R.I.
Cemento tipo I 23,28 6,09 3,76 61,01 2,12 2,51 1,56 1,10 0,40
Su composición química se corresponde con el análisis típico de un cemento tipo I sin adiciones.
Cuyos componentes principales son el CaO y SiO2, es decir, presenta una naturaleza sílico
cálcica. Por tanto, se clasifica según la norma COVENIN 28:1993. Cemento Portland.
Especificaciones como un cemento tipo I, el cual, es de uso general en la construcción.
4.1.2 Caracterización del cemento Portland
4.1.2.1 Caracterización mineralógica por Rx
El cemento anhidro es un conjunto de diferentes fases que muestran un estado cristalino notable
pudiéndose identificar sus distintos componentes.
La Figura 2 presenta el difractograma del cemento anhidro, donde se observa que la mayoría de
los picos principales de las fases con mayor intensidad de energía se asocia a la alita (C3S). En
esta figura es posible observar las reflexiones de la belita (C2S). Luego con menor intensidad de
energía se aprecia el ferroaluminato tetracálcico (C4AF).
Vale resaltar que es posible identificar el aluminato tricálcico (C3A) y la anhidrita, esta se forma
al deshidratarse el yeso en la molienda, el cual pierde sus dos moléculas de agua dando lugar a
sulfato cálcico anhidro.
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Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
23
Figura 2: Difragtograma del cemento. (Milles, 2012)
4.1.3 Estudio físicos del cemento
Resistencia a la compresión
La resistencia a compresión de las probetas cúbicas de mortero de cemento para los días 24, 7 y
28 días son 12,4; 20,9 y 27,7 MPa, respectivamente. Cumpliéndose el requisito establecido en la
normativa venezolana COVENIN 484:1993, la cual, indica que los valores de resistencia a la
compresión para los 3, 7 y 28 días deben ser superiores a 10,0; 17,0 y 27,4 MPa,
respectivamente.
Superficie específica
La superficie específica por Blaine indica un valor de 399 m2/kgf cumpliendo con el requisito
indicado en la normativa venezolana COVENIN 487:1993, donde este valor debe ser mínimo de
280 m2/kgf.
4 Se realizaron los ensayos a 2 días y no a los 3 días como se establece en normativa vigente porque sólo se
autorizó la realización de probetas cúbicas los días miércoles. Los lunes y martes en el departamento de control de
calidad de la planta concretera San Antonio de El Valle perteneciente a la Fábrica Nacional de Cemento debían
continuar con sus actividades ordinarias.
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Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
24
Expansión volumétrica por autoclave
La expansión volumétrica por autoclave fue del 0,4%, cumpliéndose con la exigencia de no ser
mayor al 0,8%. Cumpliéndose el requisito establecido en la normativa venezolana COVENIN
491:1994. Vale resaltar que el aparato de Autoclave utilizado es un Boeked LCC-019 con presión
máxima de 4,0 MPa y calibrador-medidor de barra de pasta de cemento es un Humbolt H-3250.3
con apreciación 0,0001” y 0,400” de rango, este aparato pertenece a la Planta cementera de la
Fábrica Nacional de Cemento ubicada en Ocumare del Tuy, Edo. Miranda..
Tiempo de fraguado
El tiempo para el fraguado inicial y final del cemento es de 167 ± 7 minutos y 245 ± 15 minutos,
respectivamente. Cumpliéndose el requisito establecido en la normativa venezolana COVENIN
493:1992, la cual, indica que el tiempo de fraguado inicial y final del cemento debe ser mínimo
45 minutos y máximo 480 minutos, respectivamente.
Calor de hidratación
No fue posible la realización de este ensayo por la dificultad de encontrar reactivos para la
realización por disolución química según norma COVENIN 495:1992. Referente, a realizar otro
método que no requiere reactivos es el de la botella de Langavant, el cual, pertenece a una planta
cementera ubicada en Pertigalete, Estado Anzoátegui pero no pudo ser posible su aplicación
porque se informó que el termómetro de 0,1ºC de apreciación se encuentra dañado.
4.2. Caracterización de los catalizadores gastados de craqueo catalítico
4.2.1 Composición química
El análisis químico del catalizador gastado de craqueo catalítico realizado por espectroscopia se
presenta en la Tabla 6.
Tabla 6: Composición química del catalizador gastado de craqueo catalítico
Composición (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O + K2O PAF R.I.
FCC gastado 44,48 44,21 0,63 0,21 1,76 0,09 0,59 3,29 --
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Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
25
Se puede destacar el alto contenido de SiO2 y Al2O3 en catalizadores gastados, cuya suma de
óxidos es del 88,69%. Con estos porcentajes de SiO2 y Al2O3 se presume que este residuo pueda
funcionar como una puzolana, siempre y cuando, se corrobore la fijación de cal a temperatura
ambiente, en presencia de agua, formando compuestos con propiedades hidráulicas. O bien,
determinando el ´índice de actividad puzolánica establecido en la norma COVENIN 3135:1994.
4.2.2 Composición mineralógica
El estudio mediante difracción de Rx pone de relieve que estas muestras presentan un alto
contenido en material amorfo o poco cristalino. En la Figura 3 se evidencia que los únicos picos
de difracción observados, corresponden a una zeolita similar a la estructura mineralógica de la
Faujasite de magnesio aunque con mayor cantidad de alúmina en su composición química.
Figura 3: Difragtograma del FCC gastado proveniente de la Refinería Amuay. (Milles, 2012)
La desviación en la línea base observada en la zona 2θ = 15-30º, así como la formación de picos
pocos definidos es característico de materiales amorfos, esto resulta lógico si se toma en cuenta
que es un material usado durante el proceso de ruptura catalítica, el cual, experimenta
tratamientos rigurosos en el regenerador modificando su comportamiento y estructura mineral,
que se pone de manifiesto en la consecuente pérdida de su actividad para el proceso de craqueo.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
26
4.2.3 Estudio microestructural: Microscopia Electrónica de Barrido (MEB)
Los estudios por Microscopia Electrónica de Barrido (MEB), muestran diferencias apreciables en
las morfologías de ambos catalizadores. En el catalizador “Fino”, se puede observar la existencia
de partículas irregulares siendo esferas fracturadas; mientras que el catalizador “Grueso”
principalmente las partículas observadas son esféricas. (Ver Foto 1.a y 1.b de la Figura 4).
Figura 4: Micrografías MEB. a) Fino y b) Grueso
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
27
En cuanto a las superficies de ambos catalizadores (Foto 2.a y 2.b de la Figura 4), se observa que
presentan una superficie rugosa.
El microanálisis realizado sobre los granos de ambos catalizadores revela que tienen como
elementos mayoritarios Si y Al, presentando los dos catalizadores una relación Si/Al de 0,98,
valores cercanos a los obtenidos por análisis químico correspondiente a 1,01 para catalizador
“Fino” y catalizador “Grueso”.
También, se han observado algunos cristales de Ca depositados sobre las superficies de las
esferas. (Foto 3.a y 3.b de la Figura 4)
4.2.4 Granulometría láser
Las granulometrías láser realizadas tanto a los catalizadores “Fino” como los catalizadores
“Grueso” se presentan en la Figura 5. En esta se aprecia que la distribución de “Fino” es
bimodal, mientras que la distribución del catalizador “Grueso” es monomodal.
Figura 5: Granulometría láser para catalizadores “Fino” y “Grueso”
Para el catalizador “Fino”, el tamaño de partícula varía entre 2,024 μm y 83,969 μm con tamaño
medio de partícula de 30,187 μm, mientras que para el catalizador “Grueso”, el tamaño de
partícula es mayor, ya que varía entre 48,994 μm y 141,196 μm, presentando un tamaño medio de
partícula de 83,631μm.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
28
4.3. Estudio de cemento Portland tipo I con incorporación de los catalizadores gastados de
craqueo catalítico
Uno de los objetivos de este trabajo de investigación es el estudio del comportamiento del
cemento Portland tipo I en los que se han incorporado distintos porcentajes de catalizadores
“Fino” y “Grueso”, de acuerdo con las especificaciones indicadas en la normas venezolanas
vigentes COVENIN 3134:2004.
4.3.1 Exigencias químicas
Los resultados experimentales obtenidos, tanto del cemento base, como de los cementos con
incorporación de los catalizadores (Fino y Grueso) se muestran en la Tabla 7.
Tabla 7: Análisis realizados según exigencias químicas
Muestras
Exigencias químicas PAF
(%)
Sulfatos
(%)
Álcalis
(%)
Cemento base, tipo I-R 1,100 2,510 1,560
Catalizador gastado “Fino” 4,020 0,010 0,590
Catalizador gastado “Grueso” 3,690 0,013 0,590
Cemento con “Fino” 10% 1,830 2,140 1,463
20% 1,860 1,890 1,366
Cemento con “Grueso” 10% 1,720 2,140 1,463
20% 1,900 1,810 1,366
Los resultados obtenidos indican que el cemento Portland tipo I elaborados con
catalizadores cumplen las exigencias químicas requeridas por las normas vigentes venezolanas,
ya que todos los valores están dentro de los límites exigidos:
El valor de Pérdida Al Fuego (PAF) exigido por la norma es menor o igual a 5%,
cumpliendo con esta exigencia.
Respecto a los sulfatos, el valor especificado en norma debe ser inferior al 4% y el
resultado obtenido en esta investigación para los catalizadores gastados por sí solos es de
0,013%, con lo cual, se evidencia el cumplimiento de esta exigencia. Asimismo, se evidencia en
los cementos combinados o adicionados en sus diferentes proporciones estudiadas, se encuentran
por debajo del valor especificado en norma, siendo el valor más alto de dichas proporciones de
2,140%.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
29
Respecto a los residuos insolubles, las exigencias químicas en norma para cementos
portland con adiciones de puzolanas no exige la realización de estos ensayos porque su
incorporación es después de la obtención del Clinker, es decir, este residuo no ingresa al horno
donde dichos residuos insolubles pueden afectar los ladrillos refractarios.
4.3.2 Exigencias físicas
4.3.2.1.- Resistencia a la compresión de probetas cúbicas
En las Tablas 8, 9, 10 y la Figura 6 se recogen los resultados obtenidos de las resistencias a
compresión a 2, 7 y 28 días de los morteros preparados con incorporación de FCC “Fino” y; en
las Tablas 11, 12, 13 y la Figura 7 se presentan las resistencias para los morteros con
incorporación de FCC “Grueso”. Las Figuras 8 y 9, muestran las pérdidas o ganancias de
resistencias a la compresión con respecto al mortero de cemento patrón tanto de FCC gastado
“Fino” y “Grueso”.
Tabla 8: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Fino a 2 días
Edad Mortero
cem/FCC Peso (gr)
Densidad
(gr/cm3)
Compresión (MPa) Compresión media
(MPa) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3
2 días
100/0
274,20
272,63
274,60
2,19 ± 0,01
13,7
13,5
12,3
11,4
12,1
12,5
11,4
12,1
12,5
12,4 ± 0,8
90/10 Fino
267,50
268,10
273,07
2,16 ± 0,02
10,8
10,7
10,5
10,6
10,8
11,5
10,6
11,0
11,5
10,9 ± 0,4
80/20 Fino
263,50
266,93
267,20 2,13 ± 0,02
9,0
9,4
8,7
9,2
8,9
8,6
9,1
8,8
8,8 8,9 ± 0,3
Tabla 9: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Fino a 7 días
Edad Mortero
cem/FCC Peso (gr)
Densidad
(gr/cm3)
Compresión (MPa) Compresión media
(MPa) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3
7 días
100/0
275,10
274,20
276,40 2,20 ± 0,02
22,0
22,9
20,6
19,9
20,4
19,4
21,0
19,4
22,1 20,9 ± 1,2
90/10 Fino
269,43
272,30
273,33
2,17 ± 0,02
20,2
22,1
20,8
22,5
21,1
23,2
21,8
20,7
22,2
21,6 ± 0,9
80/20 Fino
263,13
265,73
269,23
2,13 ± 0,02
17,3
18,7
18,0
19,7
17,7
16,3
17,5
19,0
17,5
18,0 ± 1,0
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
30
Tabla 10: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Fino a 28 días
Edad Mortero
cem/FCC Peso (gr)
Densidad
(gr/cm3)
Compresión (MPa) Compresión media
(MPa) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3
28 días
100/0
277,10
270,45
278,40 2,20 ± 0,03
27,7
29,7
27,7
28,0
27,1
26,7
28,8
27,0
27,6 27,8 ± 0,8
90/10 Fino
271,05
264,10
275,10
2,16 ± 0,03
30,0
32,9
35,3
29,8
34,0
35,1
35,8
35,0
28,8
33,0 ± 2,6
80/20 Fino
263,00
268,00
270,90
2,14 ± 0,02
30,3
31,3
28,3
29,1
28,2
28,5
33,9
29,8
31,2
30,1 ± 1,8
Figura 6: Resistencia a la compresión de probetas cúbicas de mortero de cemento Portland con FCC Fino
Tabla 11: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Grueso a 2 días
Edad Mortero
cem/FCC Peso (gr)
Densidad
(gr/cm3)
Compresión (MPa) Compresión media
(MPa) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3
2 días
100/0
274,20
272,63
274,60
2,19 ± 0,01
13,7
13,5
12,3
11,4
12,1
12,5
11,4
12,1
12,5
12,4 ± 0,8
90/10 Grueso
264,63
269,63
271,37
2,15 ± 0,03
9,4
10,8
9,1
9,2
9,0
8,9
9,1
9,1
9,0
9,3 ± 0,5
80/20 Grueso
259,30
261,80
261,27 2,09 ± 0,01
7,1
6,8
7,3
7,3
6,9
7,3
7,3
6,9
7,3 7,1 ± 0,2
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
31
Tabla 12: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Grueso a 7 días
Edad Mortero
cem/FCC Peso (gr)
Densidad
(gr/cm3)
Compresión (MPa) Compresión media
(MPa) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3
7 días
100/0
275,10
274,20
276,37 2,20 ± 0,02
22,0
22,9
20,6
19,9
20,4
19,4
21,0
19,4
22,1 20,9 ± 1,2
90/10 Grueso
267,05
268,65
272,40
2,15 ± 0,02
17,8
16,7
19,6
19,4
21,1
17,4
17,7
17,3
17,7
18,3 ± 1,3
80/20 Grueso
260,53
260,15
260,20
2,08 ± 0,02
14,9
15,8
14,2
14,1
14,3
14,6
17,3
16,0
16,3
15,3 ± 1,0
Tabla 13: Ensayos mecánicos de morteros de cemento mezclado con FCC Grueso a 28 días
Edad Mortero
cem/FCC Peso (gr)
Densidad
(gr/cm3)
Compresión (MPa) Compresión media
(MPa) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3
28 días
100/0
277,10
270,45
278,40 2,20 ± 0,01
27,7
29,7
27,7
28,0
27,1
26,7
28,8
27,0
27,6 27,8 ± 0,8
90/10 Grueso
269,23
272,63
272,30
2,17 ± 0,01
27,3
23,8
25,1
24,8
24,4
23,7
25,7
25,9
27,4
25,3 ± 1,3
80/20 Grueso
260,63
261,93
263,84 2,10 ± 0,01
24,0
25,2
24,9
25,0
22,5
23,1
25,6
25,2
24,6 24,5 ± 1,0
Figura 7: Resistencia a la compresión de probetas cúbicas de mortero de cemento Portland con FCC Grueso
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
32
Vale resaltar que la norma COVENIN 3135:1994 permite determinar a partir de resistencia a la
compresión, el Índice de Actividad Puzolánica (IAP), que no es más que la relación entre las
resistencia a compresión de los morteros de cemento combinado (FCC gastado) y el mortero de
cemento patrón, (Ver Ecuación 1). Este índice es aceptado siempre y cuando la relación sea
mayor o igual al 75%.
Ecuación 1: Índice de Actividad Puzolánica indicada en norma COVENIN 3135:1994
IAP = (Resistencia mortero combinado con puzolana / Resistencia mortero Cemento base) x 100%
(Ec. 1)
Sin embargo, en esta investigación, los resultados de resistencia de morteros combinados con
respecto al mortero patrón, se expresan como la pérdida de resistencia a la compresión en días de
curado o hidratación de las probetas cúbicas, tal como se observan en las Figuras 8 y 9, indicando
que el valor para que sea aceptado las combinaciones en estudio no pueden ser menor a -25%.
0 2 7 28
-40%
-30%
-20%
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
-12%
3%
19%
-28%
-14%
8%
90 / 10 Fino 80 / 20 Fino
Edad (días)
% d
e p
érd
ida
de
re
sis
ten
cia
Figura 8: Pérdida de resistencia a compresión por FCC “Fino” con respecto al cemento base
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
33
0 2 7 28
-50%
-40%
-30%
-20%
-10%
0%
10%
-25%
-12%-9%
-43%
-27%
-12%
90 / 10 Grueso 80 / 20 Grueso
Edad (días)
%d
e p
érd
ida
de
re
sis
ten
cia
Figura 9: Pérdida de resistencia a compresión por FCC “Grueso” con respecto al cemento base
Los resultados obtenidos indican que la incorporación de FCC tanto “Fino” como de “Grueso”,
produce un comportamiento que depende de la finura del catalizador y de su porcentaje,
incorporando además el tiempo de hidratación.
Así, a los 2 días de hidratación, tanto para una incorporación de FCC “Fino” como de “Grueso”,
se produce una disminución de la resistencia a compresión con respecto al patrón (Ver figuras 8 y
9), además, esta disminución es tanto mayor cuanto mayor es el porcentaje de catalizador
incorporado.
Una sustitución por peso de cemento en un 10% de FCC “Fino”, a los 7 días de hidratación,
produce un aumento de la resistencia a la compresión con respecto al mortero de referencia de un
3%, mientras que para una sustitución de cemento por un 10% de FCC “Grueso”, dicha
resistencia disminuye produciéndose una pérdida de 12% con respecto a la patrón.
A esta edad de hidratación, 7 días, la sustitución del 20% de cemento por FCC gastado “Fino” y
“Grueso” producen una disminución de las resistencias a compresión; siendo la máxima pérdida
para la sustitución de 80/20 “Grueso” que supone un 27% con respecto al mortero de referencia.
A los 28 días de curado, se obtienen los mejores resultados con la sustitución de cemento por un
10% y un 20% de FCC gastado “Fino” ya que presentan un aumento de las resistencias de un
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
34
19% y un 8%, respectivamente con respecto al mortero patrón. Por el contrario, el cemento
sustituido en un 10% y un 20% de FCC gastado “Grueso” disminuyen la resistencia a compresión
de 9% y 12%, respectivamente respecto al mortero patrón.
Por lo tanto, de acuerdo con las exigencias recogidas en la normativa venezolana 3134:2004 para
las resistencias iniciales y normales a 3, 7 y 28 días, se asevera que el cemento Portland tipo I
habiendo sido sustituido en peso por un 10% y un 20% de FCC gastado “Fino” y un 10% del
residuo “Grueso” se pueden elaborar cementos adicionados clasificados como Cemento Portland
con adición de Puzolana (CPPZ). Mientras que la proporción FCC 80/20 “Grueso” no cumple
con el índice de actividad puzolánica de mínimo un 75% de la resistencia a la compresión del
mortero patrón para 7 y 28 días, o bien, la pérdida de resistencia es menor al -25%.
4.3.2.2.- Determinación de la superficie específica
El valor de la finura Blaine es un parámetro fundamental, ya que juega un papel importante en el
comportamiento posterior de los materiales estudiados. La Tabla 14 presenta los resultados
obtenidos para los catalizadores “Fino” y “Grueso” con y sin haber sido sustituidos por cemento.
Tabla 14: Superficie específica por el aparato Blaine
Superficie
específica
Blaine
(m2/kgf)
Cemento base
Portland Tipo I
Cemento base/Catalizador
Fino
Cemento base/Catalizador
Grueso
100/0 90/10 80/20 0/100 90/10 80/20 0/100
399 419 440 593 377 353 165
Vale resaltar que el valor de la finura repercute en las reacciones de hidratación, por tanto, a
mayor finura se tendrá mayor extensión de las reacciones de hidratación, dando lugar a un mayor
desarrollo en la formación de silicatos cálcicos hidratados. Aluminatos cálcicos hidratados y
geles por unidad de volumen que implican el aumento de la resistencia a la compresión o a un
mayor desarrollo de la reacción puzolánica.
El valor de la superficie específica Blaine obtenido para el catalizador “Fino” es superior a la de
los “Grueso”. En los casos del cemento adicionado con estos catalizadores vale resaltar que
ambos cumplen con las exigencias de la norma 3134:2004 para cemento CPPZ1 y CPPZ2, siendo
mayores a 300 m2/kgf y 320 m
2/kgf, respectivamente.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
35
4.3.2.3.- Expansión volumétrica por autoclave
La posibilidad del ensayo es estimar el posible riesgo de expansión tardía producida por ciertos
óxidos potencialmente inestables como pueden ser: el óxido de calcio y óxido de magnesio,
ambos libres.
Por tanto, este ensayo se realiza con las mezclas cemento/catalizador del 80/20, tanto para Fino
como para Grueso, ya que, si la máxima incorporación de catalizador cumple con la expansividad
menor al 0,800% según lo establecido en la normativa venezolana vigente, entonces se
presentaran menos problemas de inestabilidad de volumen al incorporar proporciones del 10% de
FCC gastado.
A continuación, en la Tabla 15, se presentan los resultados obtenidos que ponen de relieve que la
sustitución de cemento Portland por el 20% de catalizador gastado “Fino” y “Grueso”, no
ocasionan expansión volumétrica mayor al 0,8%, cumpliendo con las exigencias físicas de la
norma venezolana COVENIN 3134:2004.
Tabla 15: Expansión volumétrica por Autoclave.
Expansión volumétrica
por autoclave
(%)
Cemento base
Portland Tipo I
Cemento base/Catalizador
Fino
Cemento base/Catalizador
Grueso
100/0 80/20 80/20
0,400 -0,137 -0,015
4.3.2.4.- Tiempo de fraguado por aguja de Vicat
El fraguado es el período de tiempo en el cual se disuelven en la fase líquida de la pasta los
componentes del catalizador y del cemento para posteriormente precipitar otros productos y
constituir la fase sólida definitiva. Durante este proceso la pasta va perdiendo su plasticidad y
adquiriendo su rigidez hasta quedar definitivamente endurecida, es decir, el tiempo de
trabajabilidad de la pasta de cemento.
Para este trabajo de investigación se han estudiado dos variables que pueden afectar directamente
el tiempo de fraguado; por un lado, la adición de los catalizadores a la pasta de cemento, por otro
lado, la cantidad de agua adicionada.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
36
Influencia de la adición del catalizador sobre el tiempo de fraguado
Para el estudio de la influencia de la adición, en primer lugar se determina el agua de consistencia
normal siendo 154 ml, es decir, se determina la cantidad de agua requerida para que en la pasta
pura de cemento Portland tipo I (patrón), la penetración de la barra de consistencia (llamada en
norma barra B) del aparato de Vicat sea 10±1 mm según norma venezolana COVENIN 486:87.
En las Tablas 16 y 17 se presentan los resultados obtenidos para el cemento patrón y las diferentes
sustituciones parciales de cemento por catalizadores gastados “Fino” y “Grueso” (10% y 20% sobre el
peso del cemento).
Tabla 16: Tiempo de fraguado: Fino (agua de consistencia normal constante)
Agua de
consistencia
normal constante
(ml)
Cemento / FCC
Fino (%)
Principio de
fraguado
(min)
Final de
fraguado
(min)
Tiempo de
fraguado (min)
154
100/0 167±7 245±15 78±22
90/10 76±6 110±10 44±16
80/20 48±8 75±7 27±15
Tabla 17: Tiempo de fraguado: Grueso (agua de consistencia normal constante)
Agua de
consistencia
normal constante
(ml)
Cemento / FCC
Grueso (%)
Principio de
fraguado
(min)
Final de
fraguado
(min)
Tiempo de
fraguado (min)
154
100/0 167±7 245±15 78±22
90/10 73±4 123±11 50±15
80/20 23±10 60±2 37±12
Cuando se sustituye los catalizadores gastados “Fino” y “Grueso” en un 10% y un 20% por peso
del cemento, además, de mantener el agua de consistencia normal constante se afirma que solo
los catalizadores gastados de la Refinería Amuay, en las proporciones 90% de cemento base y
10% de FCC “Fino” y Grueso” (90/10), cumplen con los requisitos establecidos en normativa
venezolana.
Vale resaltar que los tiempos iniciales de fraguado que cumplen con el requisito de la norma, tal
como el cemento base/FCC Fino: 90/10, se inicia entre 90 y 104 minutos antes que la pasta
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
37
patrón (100/0). Asimismo, el tiempo final de fraguado culmina antes que la pasta patrón entre
130 y 160 minutos.
Para el cemento base/FCC Grueso: 90/10, el tiempo inicial de fraguado se inicia entre 91 y 105
minutos antes que la pasta patrón. Asimismo, el tiempo final de fraguado culmina antes que la
pasta patrón entre 128 y 158 minutos.
Por tanto, se asevera que el catalizador gastado en las condiciones de agua de consistencia normal
constantes, adelantan el tiempo de fraguado inicial y final cuando se mantiene la cantidad de agua
requerida para alcanzar la consistencia normal constante de la pasta de cemento patrón.
Influencia del agua de consistencia normal sobre el tiempo de fraguado
En las Tablas 18 y 19 se presentan los resultados obtenidos para el cemento patrón y las
diferentes sustituciones por catalizadores gastados “Fino” y “Grueso” (10% y 20% sobre el peso
del cemento).
Tabla 18: Tiempo de fraguado: Fino (agua de consistencia normal variable)
Agua de
consistencia
normal variable
(ml)
Cemento / FCC
Fino (%)
Principio de
fraguado
(min)
Final de
fraguado
(min)
Tiempo de
fraguado (min)
154 100/0 167±7 245±15 78±22
178 90/10 142±4 209±20 67±24
205 80/20 119±1 178±2 59±3
Tabla 19: Tiempo de fraguado: Grueso (agua de consistencia normal variable)
Agua de
consistencia
normal variable
(ml)
Cemento / FCC
Grueso (%)
Principio de
fraguado
(min)
Final de
fraguado
(min)
Tiempo de
fraguado (min)
154 100/0 167±7 245±15 78±22
172 90/10 139±5 224±5 87±10
197 80/20 127±6 231±20 94±26
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Capítulo IV: Resultados y discusión
38
El agua de consistencia normal aumenta cuando se incorporan catalizadores gastados. Este
aumento es mayor en el caso de FCC “Finos” debido a que este catalizador presenta una mayor
superficie específica, por lo tanto mayor demanda de agua para una misma trabajabilidad de las
pastas.
La incorporación de FCC “Fino” cumple con las exigencias físicas aunque ocasionan variaciones
en el fraguado de la pasta, al estudiar la influencia del agua sobre la consistencia normal variable,
se observa que al sustituir el 20% de este residuo, tanto el principio como el final del fraguado
se desarrollan primero, lo cual, se adelanta ligeramente el tiempo de fraguado con respecto a las
proporciones de 90/10 y 100/0.
Al incorporar FCC “Grueso” se cumple con las exigencias físicas aunque ocasionan variaciones
en el fraguado de la pasta, al estudiar la influencia del agua sobre la consistencia normal variable,
se observa que al sustituir el 20% de este residuo, el principio del fraguado se adelanta y el
fraguado final se desarrolla de último, lo cual, se atrasa el tiempo de fraguado con respecto a las
proporciones de 90/10 y 100/0.
4.3.2.5.- Calor de hidratación
La hidratación del cemento se compone de una serie de reacciones exotérmicas que implican un
calentamiento de la masa cementante; el calor desprendido puede elevar la temperatura de la
masa considerablemente, por lo que representa un peligro potencial, por ejemplo, en la
construcción de presas donde se utilizan grandes cantidades de concreto. La norma exige este
ensayo a los 7 días para cemento Portland con adicionados en más de un 20%. No considerando
la adición al 10%.
Vale resaltar, que no fue posible la realización de este ensayo por la dificultad de encontrar
reactivos para la realización por disolución química según norma COVENIN 109:1990.
Referente, a realizar otro método que no requiere reactivos es el de la botella de Langavant, el
cual, pertenece a una planta cementera ubicada en Pertigalete, Estado Anzoátegui pero no pudo
ser posible su aplicación porque se informó que el termómetro de 0,1ºC de apreciación se
encuentra dañado.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Referencias y Normas
39
5. CONCLUSIONES
Las principales conclusiones que se pueden extraer de este trabajo de investigación son:
En relación al estudio de residuo de la industria petrolera FCC:
◦ Los catalizadores gastados de craqueo catalítico provenientes de la Refinería Amuay,
Edo. Falcón, están compuestos en su mayoría de componente, tales como Al2O3 y
SiO2.
◦ Las pruebas realizadas ponen de manifiesto que estos subproductos son aptos para su
aplicación en el sector de la construcción pudiendo ser utilizado como un material
puzolánico.
Respecto al comportamiento de las matrices cementantes con incorporación del FCC:
◦ El cemento Portland tipo I mezclado con los catalizadores “Fino” en las proporciones
de 90/10 y 80/20, además, del catalizador “Grueso” de proporción 90/10 cumplen con
las exigencias químicas y físicas de la norma COVENIN 3134:2004, ya que todos los
valores están dentro de los límites exigidos.
◦ Al mantener el agua de consistencia normal constante en la pasta, se afirma que solo
los catalizadores gastados de la Refinería Amuay, en las proporciones 90% de
cemento base y 10% de FCC “Fino” y Grueso” (90/10), cumplen con los requisitos
establecidos en normativa venezolana y adelantan el tiempo de fraguado inicial y
final.
◦ Acerca de la influencia del agua de consistencia normal sobre el tiempo de fraguado,
se revela que la incorporación de FCC “Fino” en ambas proporciones (90/10 y 80/20)
cumplen con las exigencias físicas. Resaltando que la proporción de FCC “Fino”
80/20, adelanta ligeramente el tiempo de fraguado con respecto a las proporciones de
90/10 y 100/0. Mientras, que la proporción de FCC “Grueso” 80/20, atrasa el tiempo
de fraguado con respecto a las proporciones de 90/10 y 100/0.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Referencias y Normas
40
◦ El FCC “Fino” y “Grueso” presentan buena actividad puzolánica ya que su índice de
actividad puzolánica es superior al 75%, según lo exigido en la norma COVENIN
3135:1994, a excepción del FCC “Grueso” de proporción 80/20.
◦ El FCC “Fino” presenta mejor actividad puzolánica que el FCC “Grueso”, la razón
fundamental de este comportamiento se debe a la similitud del tamaño de granos que
tiene este residuo con respecto al tamaño de granos del cemento.
◦ La expansión volumétrica de probetas prismática de pasta con sustitución de cemento
Portland tipo I por FCC “Fino” y “Grueso” en proporciones de 80/20, cumplen con las
exigencias recogidas en la norma venezolana vigente.
Respecto a la determinación de los componentes de los cementos adicionado:
◦ Se comprobó que el cemento Portland tipo I mezclado con el FCC gastado “Fino” en
proporciones 90/10 y 80/20, pueden ser clasificados como cementos Portland con
puzolanas, CPZ1 y CPZ2, respectivamente.
◦ Se comprobó que el cemento Portland tipo I mezclado con el FCC gastado “Grueso”
en proporciones 90/10, puede ser clasificado como cementos Portland con puzolanas,
CPZ1. Pero de menor actividad puzolánica que el cemento mezclado con FCC “Fino”,
por ende, alcanzan menos resistencia a la compresión.
*
* *
*
Como conclusión final a la vista de los resultados obtenidos, se puede aseverar que es viable el
reciclado de los catalizadores gastados de craqueo catalítico generados en la refinería Amuay
ubicada en el Centro Refinador Paraguaná, Estado Falcón, específicamente, en la elaboración de
cementos Portland adicionados con características puzolánicas CPZ1 y CPZ2 para las
proporciones de cemento base / FCC “Fino” de 90/10 y 80/20, respectivamente. Asimismo, de
clasificar como CPZ1 a la proporción de cemento base / FCC “Grueso” de 90/10.
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Referencias y Normas
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Borrachero, M. (2013). Geopolymers based on spent catalyst residue from a fluid catalytic
cracking (FCC) process. Fuel. Volume 109, July 2013, Pages 493–502
Soriano, L., Monzó, J., Bonilla, M., Tashima, M. M., Payá, J., & Borrachero, M. V. (2013).
Effect Of Pozzolans On The Hydration Process Of Portland Cement Cured At Low
Temperatures. Cement and Concrete Composites.
Tashima, M. M., Akasaki, J. L., Melges, J. L. P., Soriano, L., Monzó, J., Payá, J., & Borrachero,
M. V. (2013). Alkali activated materials based on fluid catalytic cracking catalyst residue (FCC):
Influence of SiO2/Na2O and H2O/FCC ratio on mechanical strength and microstructure. Fuel.
Volumen 108, June 2013, Pages 833–839
Viabilidad de reciclar el catalizador gastado de craqueo catalítico sustituyendo parcialmente el cemento Portland tipo I por este residuo
Trabajo de Ascenso: Agregado Referencias y Normas
43
NORMAS VENEZOLANAS
A continuación se presentan las normas de la Comisión Venezolana de Normas Industriales que
fueron consultadas en esta investigación:
COVENIN 28:1992. Cemento Portland. Especificaciones.
COVENIN 109:1990. Cementos hidráulicos. Método de ensayo para análisis químico.
COVENIN 484:1993. Cemento Portland. Determinación de la resistencia a la compresión de
morteros en probetas cúbicas de 50,8 mm de lado.
COVENIN 486:1987. Cemento Portland. Obtención de pastas y morteros de consistencia plástica
por mezclado mecánico.
COVENIN 487:1993. Cemento Portland. Determinación de la finura por medio del aparato
Blaine de permeabilidad.
COVENIN 491:1994. Cemento Portland. Determinación de la expansión en autoclave.
COVENIN 493:1992. Cementos Portland. Determinación del tiempo de fraguado por la aguja de
Vicat.
COVENIN 495:1992. Cemento Portland. Determinación del calor de hidratación.
COVENIN 935:1976. Cementos. Especificaciones para cemento Portland – Escoria.
COVENIN 2503-1990. Arena normalizada para ensayos de cemento. Requisitos.
COVENIN 3134:2004. Cemento Portland con adiciones. Especificaciones.
COVENIN 3135:1994. Puzolanas. Determinación del índice de actividad puzolánica.