Using spent fluid catalytic cracking (FCC) catalyst as pozzolanic addition - a review

Uso del catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC) como adición puzolánica - revisión

Spent fluid catalytic cracking (FCC) catalyst is an oil industry by-product from fluidised-bed catalytic cracking units. This residue is mainly formed by an active component (faujasite type zeolite Y) in an amorphous aluminosilicate matrix. It mainly consists of up to 90% silica and alumina. This paper reports an extensive literature review regarding the characterisation and mechanical and durability properties of mortar and concrete added to this material. FCC has been studied lately due to its pozzolanic characteristics and the good performance of concrete mixtures using FCC as cement replacement.

El catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC) es un residuo procedente de las unidades de ruptura catalítica en lecho fluido de la industria del petróleo. Este residuo está conformado principalmente por un componente activo (zeolita Y - tipo faujasita) en una matriz de aluminosilicato amorfo. Su composición química es básicamente sílice y alúmina en porcentajes hasta de un 90%. En este artículo se presenta una amplia revisión de diferentes investigaciones realizadas sobre la caracterización y evaluación de las propiedades mecánicas y de durabilidad, en morteros y concretos de cemento adicionados con este material. Dicho residuo en los últimos años ha sido objeto de diferentes estudios, dado que posee propiedades puzolánicas y un buen comportamiento de las mezclas que lo contienen al ser utilizado como reemplazo de material cementante.

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Uso del catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC) como adición puzolánica - revisión Using spent fluid catalytic cracking (FCC) catalyst as pozzolanic addition a review

Nancy Torres Castellanos¹ y Janneth Torres Agredo²

¹ Ingeniera Civil. M.Sc., en estructuras. Estudiante de Doctorado en Ciencia y Tecnología de los Materiales, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. Colombia. Docente, Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá, Colombia. nancy.torres@escuelaing.edu.co. ² Ingeniera de Materiales. Ph.D., en Ingeniería énfasis en Ingeniería de Materiales. Grupo de Investigación Materiales y Medio Ambiente, GIMMA. Docente, Universidad Nacional de Colombia, Palmira, Colombia. jtorresa@unal.edu.co.

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RESUMEN

Palabras clave: cemento portland, adiciones, residuo de craqueo catalítico, durabilidad.

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ABSTRACT

Keywords: Portland cement, additions, catalytic cracking residue, durability.

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Recibido: junio 18 de 2009 Aceptado: junio 23 de 2010

Introducción

El concreto reforzado es uno de los materiales más usados debido a sus innumerables ventajas. Por simple comparación, entre la producción mundial de concreto y la población del planeta se ha llegado a la conclusión de ser el concreto lo que más consume el hombre, después del agua (Fernández, 2002).

Actualmente el principal material cementante es el cemento portland; sin embargo, su producción genera gran cantidad de gases de efecto invernadero (Gartner, 2004). La disminución de estos gases durante la producción de cemento se puede lograr disminuyendo el consumo de combustible, o reduciendo la producción de clínker a través de la incorporación de adiciones minerales en el momento de la fabricación de morteros o concretos (Price et al., 1999). Por lo tanto, es una práctica común utilizar en las mezclas adiciones como reemplazo de material cementante, que por lo general son subproductos de otros procesos o materiales de origen natural.

Entre los beneficios que se consiguen con el uso de puzolanas se destaca la mejora de resistencias mecánicas en morteros y concretos, y el aumento de la durabilidad (ACI 201, 2001). Se considera que en el futuro el uso de un concreto sin adiciones puzolánicas o materiales cementantes será una excepción a la regla (Malhotra y Mehta, 1996). El uso de estos materiales residuales puzolánicos trae un beneficio medioambiental doble: por un lado, la sustitución de parte de ce-mento, y por otro, el consumo de los materiales residuales de o-tros procesos industriales, que de no utilizarse tendrían que alma-cenarse en vertederos controlados (Roskovic y Biegovic, 2005).

Las puzolanas se clasifican, de acuerdo con su origen, en puzolanas naturales (cenizas volcánicas, tobas volcánicas, zeolitas, tierras de diatomeas) y puzolanas artificiales (cenizas volantes, arcillas activadas térmicamente, humo de sílice, entre otras) (Taylor, 1967; Yu, 2002; Xincheng, 1995). En los últimos años se ha reportado la utilización de otro material con carácter puzolánico que mejora el comportamiento de los conglomerantes que lo incorporan; es el caso del catalizador usado de craqueo catalítico (FCC por las siglas en inglés de Fluid Catalityc Cracking), procedente de la industria del petróleo. Se ha encontrado que este material actúa como una puzolana muy activa desde las primeras edades de curado (Soriano, 2008; Payá et al., 2001; Antiohos et al., 2006).

El presente artículo se concentra en la descripción del catalizador usado (FCC), donde se reportan las investigaciones realizadas al respecto cuando éste es utilizado como reemplazo de material cementante. Su uso es importante desde el punto de vista ambiental y económico, pues además de ser un residuo industrial, su inclusión en las mezclas como reemplazo de material cementante llevará al desarrollo de concretos de alto desempeño. De allí su interés a nivel local y mundial.

Residuo de craqueo catalítico

El craqueo catalítico es un proceso de la industria petroquímica cuyo objetivo es la modificación de la estructura molecular de ciertos hidrocarburos para obtener combustibles de calidad extra para automotores; y también, el de producir compuestos aromáticos, así como benceno y tolueno a partir de naftas seleccionadas (Domone, 2007). El catalizador usado para este proceso de craqueo es un un material conformado por una zeolita tipo Y, la cual es un aluminosilicato cristalino y microporoso constituido por tetraedros de [SiO₄]^4- y [AlO₄]^5-. Durante el proceso de ruptura catalítica, este catalizador experimenta tratamientos rigurosos en el regenerador que modifica su comportamiento, formando así un material amorfo con su consecuente pérdida de actividad para el proceso de craqueo (Agamez Pertuz et al., 2006). Durante el uso de estos catalizadores en las unidades de craqueo, parte de ellos (ECAT) son retirados por tener baja actividad y sustituidos por nuevos catalizadores; y otra parte (EPCAT) se recogen en precipitadores electroestáticos (García et al., 2006).

Los estudios realizados sobre materiales fabricados con este subproducto han revelado que no son peligrosos, pues cumplen con los requisitos medioambientales exigidos (Furimsky, 1996; Nan, Su et al., 2000).

Actividad puzolánica y propiedades mecánicas

(Pacewska et al., 1998) compararon la fijación A continuación se presentan resultados de diferentes investigacio-nes sobre la caracterización del residuo y su inclusión como reem-plazo del cemento, para medir su reactividad.

(Pacewska et al., 1998) compararon la fijación de cal de varias puzolanas en pastas de cemento, entre ellas el FCC, el humo de sílice (HS) y las cenizas volantes (CV).

Concluyeron que el fraguado se veía acelerado por la presencia de las puzolanas, destacándose el FCC. En cuanto al porcentaje de cal fijada, encontraron que a los 28 días de curado este parámetro fue similar para el HS y el FCC. En el caso de las resistencias mecánicas, las pastas adicionadas con FCC mostraron mejoras de resistencias a partir de los siete días de curado, siendo superiores a las demás pastas estudiadas.

Pacewska et al. (2000) también estudiaron la influencia de diferentes porcentajes de sustitución del FCC por cemento y dedujeron que una pequeña adición de FCC entre el 5-10% de sustitución de ce-mento, actuó como acelerador del sistema. Sin embargo, para adiciones superiores de catalizador, de más de un 10%, el calor liberado después de 72 horas disminuyó, probablemente porque se formaban menores cantidades de fase CSH.

También se han realizado estudios sobre la influencia del tamaño de partícula de los dos residuos generados en el proceso (ECAT y EPCAT). Pacewska et al. (2002) determinaron, a partir de estudios de calorimetría, que si la sustitución de cemento por EPCAT estaba entre el 5-10 %, el proceso de hidratación se aceleraba; en cambio, para rangos superiores del 10% el calor liberado disminuía. En el caso de las muestras con ECAT el calor de hidratación fue menor. También hallaron que el material más fino (EPCAT) fijó más hidróxido de calcio, en comparación con el ECAT.

Wang-Lung et al. (2003), caracterizaron el EPCAT y estudiaron la fijación de cal en pastas de cemento adicionadas, reportando que el residuo contenía partículas de formas irregulares y estaban compuestas básicamente por faujasita, cuarzo, caolinita y mullita y llegando a la conclusión de que la fijación de cal aumentó con el porcentaje de sustitución de EPCAT. Resultados similares fueron encontrados por (Jung-Hsiu, Wu et al., 2003). Adicionalmente, Kung-Chung et al. (2001) estableció que los morteros adicionados con este residuo exhiben mayor resistencia a la compresión debido a su alta reactividad.

Con el fin de aumentar la reactividad del ECAT los investigadores Yun-Sheng et al. (2005) sometieron el material a una temperatura de 650 °C, evidenciando incremento en las resistencias mecánicas del 8% al 18% para morteros y del 7% al 11% en los concretos adicionados, con respecto a las muestras de referencia.

Igualmente, Nan Su et al. (2000) estudiaron las propiedades del EPCAT y el ECAT. Informaron que los morteros sustituidos con EPCAT en porcentajes del 5 al 15% mostraron resistencias mayores que los sustituidos con ECAT, debido a que las partículas de EPCAT son mucho más pequeñas que las de ECAT. A la misma conclusión llegaron los investigadores Hsiu-Liang et al. (2004). En las figuras 1, 2, 3 y 4 se muestra la morfología de las partículas de estos dos residuos y las fases cristalinas presentes de acuerdo con un ensayo de difracción de rayos X.

Por otro lado, Pacewska et al. (2002:133-142) estudiaron las ventajas que puede tener la molienda del FCC, hallando que las pastas adicionadas con el catalizador molido consumieron más hidróxido de calcio (Ca(OH)₂) con respecto a la muestra control y a las adicionadas con el catalizador original. De igual manera, Payá J. et al. (1999); Basaldella E. et al. (2006) y Pacewska B. et al. (2002) recomiendan disminuir el tamaño de partícula del FCC para incrementar la resistencia a compresión de morteros adicionados con él. Torres et al. (2008, 2009) realizaron un estudio preliminar sobre la actividad puzolánica de un catalizador gastado procedente de una industria petrolera colombiana, hicieron mediciones de resistencia a la compresión y de consumo de Ca(OH)₂ y concluyeron que este material presenta buena reactividad, haciéndolo apto para la elaboración de morteros y concretos adicionados.

Se han llevado a cabo análisis comparativos del FCC con respecto al metacaolín (MK). Payá J. et al. (2003) establecieron que el FCC es similar al MK tanto en su composición química como en su actividad puzolánica. Esta comparación fue realizada en pastas de cemento, encontrando un porcentaje óptimo del 15 al 20% de reemplazo de cemento por FCC.

Payá. et al. (2001) evaluaron la actividad puzolánica del FCC mediante el estudio de la fijación del Ca(OH)₂, incluyendo además la utilización del Humo de Sílice (HS) y del MK para comparar esta propiedad. Concluyeron que para edades tempranas de curado, el FCC fija porcentajes de cal en un 34%, dato muy similar al obtenido con el HS y muy superior al del MK.

(Payá. et al, 2002) elaboraron probetas de mortero para ensayos de flexión y compresión usando como adición CV, HS, FCC, la ceniza de cáscara de arroz (RHA) y la ceniza de lodo de depuradora (SSA). Los autores encontraron que todas las puzolanas (excepto las CV), disminuyeron la trabajabilidad de los morteros cuando se reemplazaron en un 10% de cemento. Para las resistencias mecánicas, concluyeron que la combinación de la CV con otra puzolana, mejora estas resistencias sobre todo a edades de curado largas (28-90 días). Adicionalmente, (Payá, et al, 2002) compararon los valores del factor de eficacia cementante de puzolanas tales como el HS, RHA, MK y FCC. Con los resultados obtenidos, ordenaron la reactividad de éstas de la siguiente manera: FCC>MK>RHA> HS.

Estos mismos investigadores evaluaron propiedades de morteros con FCC y una adición de fibras álcali resistente (AR), hallando que la inclusión del FCC en morteros con fibras AR fue positiva ya que se mantuvo la resistencia a flexotracción, con un aumento muy considerable de la resistencia a compresión.

Adicionalmente, se han realizado estudios en pastas con cal, con el fin de determinar la reactividad del FCC. Payá et al. (2004) analizaron la actividad puzolánica del FCC en pastas cal/catalizador usando diversos activadores químicos y encontraron el siguiente orden de fijación de cal: NaOH < NaOH-yeso < control < CaCl₂ < Na₂SO₄, evidenciando que el FCC es una muy buena puzolana para incluir en pastas y morteros de cal y que la adición de Na₂SO₄ o CaCl₂ mejora la reactividad con la cal. En otro estudio suyo (2007) establecieron como relación óptima (FCC/cal) en el intervalo de (1:1) a (2:1).

También se ha estudiado el reemplazo de arena por FCC. En este caso, Nan su et al. (2001) utilizaron ECAT como reemplazo de arena en morteros, logrando que para una relación agua/cementante de 0,55 y 0,485 se puede reemplazar hasta un 10% de arena sin disminuir la resistencia a compresión del mortero. Lo mismo concluyeron Rattanasak et al. (2001).

Hidratación del FCC en pastas de cemento portland

Payá et al. (2003), para sistemas cal-catalizador, han encontrado como principales productos de hidratación el silicato cálcico hidratado (CSH), aluminatos cálcicos hidratados (CAH) y silicoaluminatos cálcicos hidratados (CASH) de diferentes composiciones, siendo estos productos muy similares a los hallados en pastas con MK. Por otro lado, en los sistemas cemento-FCC reportan los mismos productos.

Borrachero et al. (2002) evaluaron las primeras 48 horas de curado y la evolución de la resistencia mecánica de cemento portland adicionado con FCC molido, denotando que la reactividad del FCC es elevada y que los efectos de tipo puzolánico y de aceleración en la hidratación del cemento son evidentes en tiempos muy cortos de curado. Por su parte, Jung-Hsiu Wu et al. (2003) y Pacewska et al. (2003) afirman que en los sistemas cemento - FCC se produce más C-S-H y menos hidróxido de calcio.

Durabilidad

En cuanto a la durabilidad de morteros y concretos adicionados con FCC, se han hecho estudios del desempeño frente al ataque de sulfatos, carbonatación y cloruros. A continuación se ofrece una breve descripción de los resultados obtenidos.

Pacewska et al. (2000) elaboraron morteros con sustitución de cemento por 10 y 20% de FCC y los sometieron a un ataque con sulfatos y cloruros. Los autores encontraron que para los tiempos de contacto estudiado y las concentraciones escogidas de cloruros y sulfatos, el efecto de estos dos reactivos fue similar, apreciándose un descenso en la resistencia a compresión. Los morteros que contenían el FCC en un 20% prácticamente no se vieron afectados por los medios agresivos. Más adelante (2003) concluyeron que el medio con cloruros es más agresivo que el medio sulfatado para morteros adicionados con FCC. Sin embargo, Zornoza et al. (2009) sugieren que el residuo puede ser usado en estructuras de concreto reforzado expuestos al ataque del ión cloruro.

Bukowska et al. (2004) evaluaron la acción de sulfatos en morteros sustituyendo cemento o arena por FCC. Del estudio de expansión dedujeron que las mayores expansiones se encontraban en norteros donde la estructura de poro en la superficie se había visto degradada a consecuencia de la descomposición de la fase C-S-H.

También se han realizado estudios del comportamiento de norteros adicionados con FCC frente al ataque de cloruro de amonio, presentándose resultados favorables por el uso del residuo (Girbés, 2004).

Piles et al. (2005) estudiaron la durabilidad de morteros de cal, yeso y yeso-cal, con la incorporación de FCC y MK, constatando que la adición de las puzolanas mejoró la durabilidad para los ciclos de hielo-deshielo y el ataque con Na₂SO_4. Con estos resultados los autores estimaron viable la fabricación de dichos materiales compuestos, como morteros de restauración.

Zornoza et al. (2009) realizaron ensayos de carbonatación acelera-dos, encontrando que cuando la relación agua/cementante es baja la tasa de carbonatación en morteros es despreciable y no es modificada por la presencia del FCC. Sin embargo, cuando la relación agua/cementante es media o alta la tasa de carbonatación se incrementa.

Conclusiones

El FCC es un material puzolánico muy activo, el cual presenta alta reactividad a edades tempranas. La inclusión de este material en morteros y concretos de cemento portland, contribuye a mejorar las propiedades mecánicas y de durabilidad de estos materiales.

Los productos de hidratación en pastas de cemento adicionadas con FCC son muy similares a los producidos en un sistema cemento-metacaolín. Entre los productos de reacción se mencionan CSH, CAH y CASH, de ahí que el comportamiento mecánico de los morteros adicionados con FCC sea similar o aún superior a los adicionados con MK.

A partir del estado actual presentado, se puede concluir que los resultados expuestos contribuirán a la conservación y preservación del medio ambiente, así como a la obtención de mejores prestaciones en morteros y concretos de cemento adicionados con este residuo.

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Nancy Torres Castellanos¹ and Janneth Torres Agredo²

¹ Civil Engineer. M.Sc., in structures. Doctoral student in Science and Technology of Materials, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. Colombia. Professor, Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá, Colombia. nancy.torres@escuelaing.edu.co. ² Materials Engineer. Ph.D., in Engineering emphasis on matter-les Engineering.Grupo de Investigación Materiales y Medio Ambiente, GIMMA. Professor, Universidad Nacional de Colombia, Palmira, Colombia. jtorresa@unal.edu.co.

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ABSTRACT

Keywords: Portland cement, additions, catalytic cracking residue, durability.

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Received: jun 18th 2009

Accepted: jun 23th 2010

Introduction

Reinforced concrete is one of the most widely used materials today due to its numerous advantages. It has been concluded that the product most consumed by man, after water, is concrete by simple comparison between overall concrete production and the world's population (Fernández, 2002).

The main cementitious material is currently Portland cement; however,its production produces large amounts of greenhouse gas (Gartner, 2004). The emission of these gases can be decreased by reducing fuel consumption or reducing clinker production by incorporating mineral admixtures when manufacturing mortar or concrete (Price et al., 1999). It is thus a common practice to use additions to and replacement for cementitious material in mixtures which are usually by-products from other processes or natural materials.

The most noteworthy benefits obtained by using pozzolans are improved mechanical strength in mortars and concretes and increased durability (ACI 201, 2001). It is considered that using concrete lacking adding pozzolanic or cementitious materials will be an exception to the rule in the future (Malhotra and Mehta, 1996).

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Using waste pozzolanic materials brings a double environmental benefit, first by replacing cement and other waste material consumption from other industrial processes and being stored in landfills when not used (Roskovic and Biegovic, 2005).

The pozzolans are classified according to their origin as being natural pozzolans (volcanic ash, volcanic tuff, zeolite, diatomaceous earth) and artificial pozzolans (fly ash, heat-activated clays, silica fume, etc.), (Taylor, 1967; Yu 2002; Xincheng, 1995). The use of other pozzolanic-based materials has been reported in recent years thereby improving the performance of the binders incurporated in it, as in the case of the catalyst used in fluid catalytic cracking (FCC) from the oil industry. It has been found that this material acts as a highly active pozzolan from the early curing times (Soriano, 2008; Payá et al., 2001; Antiohos, et al., 2006).

This article focuses on a description of catalyst waste (FCC) when it is used as a replacement for cementitious material. Its use is important from the environmental and economic perspective. As well as being an industrial waste, its inclusion in the mix as a replacement for cementitious material leads to the development of high performance concrete; hence its local and global interest.

Catalytic cracking residue

Catalytic cracking is a petrochemical process aimed at modifying the molecular structure of certain hydrocarbons, to obtain fuels for high quality engines, or to produce aromatic compounds as well as benzene and toluene from selected naphtha (Domon, 2007). The catalyst used for this cracking process is a material consisting of a type Y zeolite which is a microporous crystalline aluminosilicate consisting of tetrahedra [SiO₄] ^4- and [AlO_4,]^5-. The catalyst undergoes rigorous treatments in the regenerator during the catalytic cracking process which changes its behaviour, forming an amorphous material with consequent loss of activity for the cracking process (Agamez Pertuz et al., 2006). Some of these catalysts (ECAT) are removed in the cracking units as they present low activity and are replaced by new catalysts; the others (EPCAT) are collected in electrostatic precipitators (Garcia et al., 2006).

Studies on materials manufactured with this by-product have shown that they are not dangerous as they comply with environmental requirements (Furimsky, 1996, Nan Su et al., 2000).

Pozzolanic activity and mechanical properties

The following are the results of investigations characterising the residue and its inclusion as a replacement for cement to measure its reactivity.

Pacewska compared the lime fixation in several cement paste pozzolans,including FCC, silica fume (SF) and fly ash (FA) (Pacewska et al., 1998).

They concluded that setting time seemed to have been accelerate by the presence of pozzolans, especially FCC. They found that 28 days of curing fixed lime was similar for HS and FCC. Pastes having added FCC resistance showed improved mechanical strength after 7 days of curing, this being superior to the other pastes tested.

In a later study, Pacewska studied the influence of different percentages regarding FCC substitution for cement (Pacewska et al.,2000). They concluded that a small addition of FCC (5-10% cement substitution) acted as a system accelerator. However, higher additions of catalyst (over 10%) led to the heat released after 72 hours decreasing, probably because of smaller amounts of calcium silicate hydrate (CSH) phase being formed.

Studies have also been conducted on the influence of particle size from the two wastes generated in the process (EPCAT and ECAT). Pacewska concluded from calorimetry studies that if the substitution of cement by EPCAT was between 5%-10%, then the hydration process became accelerated, but heat released became decreased for percentages above 10% (Pacewska et al., 2002). Hydration heat was lower for samples with ECAT. They also found that the finer material (EPCAT) fixed more calcium hydroxide compared to ECAT.

Wang-Lung characterised EPCAT and studied lime fixation in pozzolan-added cement pastes (Wang-Lung et al., 2003). Following characterisation, the authors reported that the residue contained irregular shaped particles and were mainly composed of faujasite, silica, kaolinite and mullite. They concluded that lime fixation increased percentage EPCAT substitution. Similar results were found by Hsiu-Jung, Wu et al., (2003). Kung-Chung et al.,(2001) found that mortars containing this residue exhibited greater resistance to compression due to their high reactivity.

Yun-Sheng subjected the material to 650°C to increase ECAT reactivity (Yun-Sheng et al., 2005). The authors reported an increase in mechanical strength of between 8% and 18% for mortars and 7% and 11% in added concrete compared to reference samples.

Similarly, Nan Su studied EPCAT and ECAT properties (Nan Su et al,, 2000) and reported that mortars replaced by EPCAT (5% to 15%) showed greater resistance than mortars replaced with ECAT because EPCAT particles are much smaller than those of ECAT. The same conclusion was reached by Hsiu-Liang (Hsiu-Liang et al., 2004). Figures 1, 2, 3 and 4 show the morphology of the particles from these two residues and the crystalline phases presented by Xray diffraction test.

Pacewska has studied the benefits it can have on FCC milling (Pacewska et al., 2002 pp.133-142). The authors found that the pastes added to the catalyst powder consumed more calcium hydroxide (Ca(OH)2) than control sample and those added to the original catalyst. Other authors have recommended reducing FCC particle size to increase the compressive strength of mortars containing it (Payá J et al., 1999; Basaldella E et al., 2006; Pacewska B et al., 2002). Torres made a preliminary study of the pozzolanic activity of a catalyst residue from a Colombian petroleum industry (Torres et al., 2008, 2009). Compressive strength and lime consumption were measured.

The authors concluded that this material presented good reactivity,thereby making it suitable for producing pozzolan-added mortars and concretes.

Comparative studies have been conducted comparing FCC to metakaolin (MK). Payá found that FCC was similar to MK in both chemical composition and pozzolanic activity (Payá J et al., 2003).Cement pastes were compared, finding an optimum 15% to 20% level for cement replacement by FCC.

Payá has evaluated FCC pozzolanic activity involving the study of Ca(OH)₂ fixation which included adding silica fume (SF) and MK for comparing this property (Payá et al., 2001). They concluded that FCC fixed 34% lime for early curing times, this information being very similar to that obtained with HS and very superior to that for MK.

In another study, Paya prepared samples of mortar for bending tests and compressive strength by adding FA, SF, FCC, rice husk ash (RHA) and sewage sludge ash (SSA) (Payá et al., 2002). The authors found that all the pozzolans (except FA) reduced the mortars'workability when they were replaced by 10% cement. They concluded that combining CV with another pozzolan improved mechanical resistance, especially to longer curing times (28-90 days). They also compared cementing efficiency factor values for pozzolans such as HS, RHA, MK and FCC; they arranged their reactivity in the following way: FCC> MK> RHA> SF.

In a later study, Paya evaluated the properties of mortars having FCC and adding alkali-resistant (AR) fibres (Payá et al., 2003). The authors concluded that incorporating FCC into mortars having AR fibres was positive since flexo-tensile strength was maintained, leading to a very considerable increase in compressive strength.

Additional studies have been carried out using pastes with lime to determine FCC reactivity. In yet a further study, Paya studied FCC pozzolanic activity in lime/catalyst pastes using different chemical activators (Payá et al., 2004). They found the following lime fixation order: NaOH <NaOH-gypsum <control <CaCl₂<Na₂SO₄.The authors concluded that FCC was a very good pozzolan to include in lime pastes and mortars and that adding Na₂SO₄ or CaCl₂ improves reactivity with lime. In a more recent study, Paya established the ideal FCC/cal ratio as being between 1:1 to 2:1 (Payá et al., 2007).

Replacing sand by FCC has also been studied. In this case (Nan et al., 2001), ECAT was used as sand replacement in mortars. It was found that for a 0.55 and 0.485 water/cementitious ratio it was possible to replace up to 10% of sand without reducing the mortar's compressive strength. Rattanasak came to the same conclusion (Rattanasak et al., 2001).

Hydrating FCC in Portland cement pastes

Different compositions of CSH, cal1cium aluminate hydrates (CAH) and calcium aluminosilicate hydrates (CASH) have been found to be the main hydration products for lime - catalyst systems (Payá et al., 2003), these being very similar products to those found in pastes containing MK. The same products appeared to be present in cement-FCC systems.

Borrachero evaluated the first 48 hours of treatment and the evolution of mechanical resistance of Portland cement with added ground FCC (Borrachero et al., 2002). The authors thought that FCC reactivity became raised and that the effects of pozzolanic type and acceleration in cement hydration were evident during very short curing times. Additional reports have stated that more CSH and less calcium hydroxide is formed in cement-FCC systems (Jung-Hsiu Wu et al., 2003; Pacewska et al., 2003).

Durability

Studies of the performance of concrete having added FCC and mortars' durability have been carried out regarding sulphate, carbonation and chloride attack.

Pacewska prepared mortars having 10% to 20% FCC cement substitution and submitted them to attack by sulphates and chlorides (Pacewska et al., 2000). They found that the effect of these two reagents was similar for the contact times studied and the chosen chloride and sulphate concentrations, a decrease being observed in compressive strength. Mortars containing 20% FCC practically did not seem to be affected by the aggressive attacks. Later (Pacewska et al., 2003), the same group concluded that chloride attack was more aggressive than sulphate attack for mortars having added FCC. Nevertheless, (Zornoza et al., 2009), another group suggested that the residue could be used in reinforced concrete structures exposed to chloride attack.

Bukowska evaluated sulphate action on mortars, replacing cement or sand with FCC (Bukowska et al., 2004). Regarding expansion study, they thought that major expansions occurred in mortars where surface pore structure had become degraded due to decomposition of the C-S-H phase. Studies have also been carried out on the behaviour of mortar having added FCC showing an opposite effect to that of assault by ammonium chloride, being proved favourable by the use of the residue (Girbés, 2004).

Piles studied the durability of lime, gypsum and gypsum-lime mortars having FCC and MK incorporation (Piles et al., 2005). They thought that adding pozzolans improved freeze-thaw cycle durability and attack by Na₂SO₄. The authors thus considered that manufacturing these compound materials was viable as restoration mortars.

Zornoza carried out accelerated carbonation tests, finding that when water/binder ratio was low, then carbonation rate in mortars became hardly noticeable and was not modified by the presence of the FCC (Zornoza et al., 2009). Nevertheless, carbonation rate increased when water/binder ratio was average or high.

Conclusions

FCC is a very active pozzolanic material, presenting high reactivity from early curing times. Incorporating this material into Portland cement mortars and concrete helps improve these materials' mechanical properties and durability.

Hydration products in cement pastes having added FCC were very similar to those produced in a cement-metakaolin system. CSS, CAH and CASH were amongst the mentioned reaction products; here, the mechanical behaviour of mortars having added FCC was similar to or even superior than ones having added MK.

The review presented here would suggest that if notice is taken of the results then this will contribute towards the conservation and preservation of the environment as well as obtaining better behaviour in Portland cement mortars and concrete having this added residue.

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