concretos autoadensáveis de alto desempenho com catalisador residual do craqueamento ...

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CONCRETOS AUTOADENSÁVEIS DE ALTO DESEMPENHO COM
CATALISADOR RESIDUAL DO CRAQUEAMENTO CATALÍTICO FLUIDO
(ECAT) DE REFINARIAS DE PETRÓLEO

Étore Funchal de Faria

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de
Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Doutor em Engenharia Civil.
Orientador(es): Eduardo M. R. Fairbairn
Marcos Martinez Silvoso

Rio de Janeiro
Julho de 2012
CONCRETOS AUTOADENSÁVEIS DE ALTO DESEMPENHO COM
CATALISADOR RESIDUAL DO CRAQUEAMENTO CATALÍTICO FLUIDO
(ECAT) DE REFINARIAS DE PETRÓLEO

Étore Funchal de Faria

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ
COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM
CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.

Examinada por:

________________________________________________
Prof. Eduardo de Moraes Rego Fairbairn, Dr. Ing.

________________________________________________
Prof. Marcos Martinez Silvoso, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Romildo Dias Toledo Filho, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Guilherme Chagas Cordeiro, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Jardel Pereira Gonçalves, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Luís Marcelo Marques Tavares, Ph.D.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
JULHO DE 2012
Faria, Étore Funchal de
Concretos Autoadensáveis de Alto Desempenho com
Catalisador Residual do Craqueamento Catalítico Fluido
(Ecat) de Refinarias de Petróleo / Étore Funchal de Faria.
– Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2012.
XXII, 222 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Eduardo de Moraes Rego Fairbairn
Marcos Martinez Silvoso
Tese (doutorado) – UFRJ / COPPE / Programa de
Engenharia Civil, 2012.
Referencias Bibliográficas: p. 200-211.
1. Concretos Autoadensáveis. 2. Concretos de Alto
Desempenho. 3. Catalisador de Equilíbrio. I. Fairbairn,
Eduardo de Moraes Rego et al. II. Universidade Federal
do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil.
III. Título.

iii
Dedico este meu trabalho à minha Esposa
Karla, à minha Mãe Gilda e ao meu grande
amigo e mestre Quintiliano.
iv
AGRADECIMENTOS
Nesta minha jornada tenho que agradecer a muita gente que me ajudou, fosse
realizando os trabalhos comigo, fosse apenas com uma palavra de incentivo ou de
orientação. Ou os dois juntos.

Agradeço a Deus por todas as coisas que acontecem comigo: as boas, como
alegrias, e as ruins, como lições aprendidas.

À minha família pela compreensão e apoio nos momentos difíceis. Ela é meu
esteio e fortaleza.

Aos meus orientadores didáticos e amigos, professores Eduardo Fairbairn,
Marcos Silvoso e Romildo Toledo Filho pela oportunidade de poder continuar
estudando e pesquisando com vocês.

À Furnas Centrais Elétricas S.A. (Eletrobrás Furnas), nas pessoas do Eng.
Cláudio Guilherme Branco da Motta e do Eng. Celso José Pires Filho, à PETROBRAS
S.A., nas pessoas do Eng. Vicente Gullo e do Eng. Ubirajara Ribeirinho Teles, e à
ITAIPU BINACIONAL, nas pessoas do Eng. Marco Aurélio Viana Escobar, do Eng.
Ademar Sérgio Fiorini, do Eng. Renato O´Leary Costard, do Arquiteto Francisco
Solano López Paredes e do Eng. Carlos Roberto de Toledo Leonardi, pela
oportunidade de utilizar parte do meu tempo de trabalho para o meu desenvolvimento
profissional e pelo incentivo aos estudos.

À HOLCIM Cimentos, através do Rodrigo Müller, e à Fábrica Carioca de
Catalisadores S.A., através do Sidney Martins, pelo apoio com o fornecimento de
matéria-prima para o desenvolvimento dos estudos desta Tese.

Aos colegas Rodrigo Amado e Erlon Portugal pelo imenso e inestimável apoio
nas realizações dos ensaios laboratoriais.

v
Ao Prof. Luis Marcelo e aos colegas Rangler e Alessandro, do Laboratório de
Tecnologia Mineral – LTM/COPPE/UFRJ, pela disponibilização de equipamentos e de
horas de técnicos para o apoio na moagem do material estudado.

Aos colegas do Laboratório de Estruturas e Materiais da COPPE/UFRJ e do
Laboratório de Tecnologia do Concreto de Itaipu, pelos apoios técnico e
administrativo, em especial ao Eng. Químico Joelcio Mancino, que contribuiu bastante
com seus conhecimentos para as análises químicas realizadas, e ao Técnico João
Bernardino.

Aos meus amigos Ederli, Reila, Guilherme e a muitos outros não citados aqui,
que contribuíram para que este trabalho fosse realizado.
vi
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)

CONCRETOS AUTOADENSÁVEIS DE ALTO DESEMPENHO COM
CATALISADOR RESIDUAL DO CRAQUEAMENTO CATALÍTICO FLUIDO
(ECAT) DE REFINARIAS DE PETRÓLEO

Étore Funchal de Faria

Julho/2012

Orientadores: Eduardo de Moraes Rego Fairbairn
Marcos Martinez Silvoso

Programa: Engenharia Civil

A presente Tese versa sobre a utilização de um catalisador residual, chamado
Ecat, como substituto parcial de cimento na produção de Concretos Autoadensáveis de
Alto Desempenho (60 MPa e 80 MPa).Os teores estudados foram de 5%, 10% e 15%. O
material, provindo das Unidades de Craqueamento Catalítico Fluido de refinarias de
petróleo, é 95% silicoaluminoso. O Ecat foi pesquisado em pastas, “in natura” e moído
(pozolana). Os resultados mostraram que o resíduo “in natura” atua beneficamente no
empacotamento da mistura granular seca. Já o Ecat moído pode ser aplicado como
pozolana, por ser reativo. As propriedades mecânicas das pastas foram melhoradas. A
viscosidade apresentou aumento conforme os teores de Ecat nas pastas. Nos concretos,
utilizou-se o Ecat moído pozolânico. A substituição parcial do cimento pelo material
manteve as propriedades reológicas e mecânicas e melhorou a durabilidade dos
concretos, pela redução da absorção capilar de água e da penetração de íons cloreto e
pelo menor ganho de massa na exposição ao sulfato de sódio. A retração autógena foi
reduzida, enquanto a retração por secagem apresentou comportamento diverso para as
duas classes de concretos.

vii
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)

HIGH PERFORMANCE SELF-COMPACTING CONCRETES WITH FLUID
CATALYTIC CRACKING CATALYST RESIDUE (ECAT) FROM PETROLEUM
REFINERY

Étore Funchal de Faria

July/2012

Advisors: Eduardo de Moraes Rego Fairbairn
Marcos Martinez Silvoso

Department: Civil Engineering

The present Thesis concerns the use of a residual catalyst, called Ecat, as a
partial substitute for cement mass in production of High Performance Self-Compacting
Concretes (60 MPa e 80 MPa). The concentrations studied were 5%, 10% and 15%. The
material, arising from the Fluid Catalytic Cracking Units of oil refineries, is 95% silico-
aluminous. Ecat was initially studied in pastes, "as-received" and ground (pozzolan).
The results showed that the residue "as received" acts beneficially on the packaging of
dry granular mixture. Since the ground Ecat can be applied as pozzolan, to be reactive.
The mechanical properties of pastes have been improved. The viscosity showed an
increase as the levels of Ecat in pastes. In concretes, the pozzolanic ground Ecat was
used. The partial substitution of cement by the material maintained the rheological and
mechanical properties and improved the durability of concretes by reducing the
capillary absorption of water and chloride ion penetration, and by a lower weight gain
of the samples for concretes with Ecat under exposure to sodium sulfate. Autogenous
shrinkage was reduced, while drying one presented adverse behavior for the two
concrete classes.

viii
ÍNDICE

ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................ xii
ÍNDICE DE TABELAS .............................................................................................. xix
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES ........................................................... xxii
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 1
1.1. Contextualização e Motivação ........................................................................... 1
1.2. Objetivos ............................................................................................................ 4
1.3. Estrutura do Trabalho ......................................................................................... 5
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 6
2.1. Craqueamento Catalítico Fluido ......................................................................... 6
2.1.1. Esquema de Processamento numa UFCC ................................................. 7
2.1.2. Catalisador ................................................................................................ 9
2.2. Catalisador Residual – Ecat .............................................................................. 10
2.2.1. Ecat como Adição Mineral em Materiais Cimentícios ............................ 16
2.3. Concretos Autoadensáveis de Alto Desempenho ............................................. 30
2.3.1. Reologia ................................................................................................... 35
2.3.2. Retração ................................................................................................... 43
2.3.3. Durabilidade ............................................................................................ 46
3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................... 50
3.1. Materiais ........................................................................................................... 50
3.1.1. Ecat: recebimento, homogeneização e moagem ...................................... 52
3.2. Programa Experimental .................................................................................... 55
3.3. Propriedades Físico-químicas........................................................................... 57
3.3.1. Análise Química ....................................................................................... 57
3.3.2. Classificação Granulométrica ................................................................. 58
3.3.3. Massa Específica ..................................................................................... 59
3.3.4. Superfície Específica – B.E.T. ................................................................. 60
3.3.5. pH ............................................................................................................. 61
3.3.6. Difração de Raios-X ................................................................................ 61
3.3.7. Análises Termogravimétrica e Termogravimétrica Derivada ................. 62
3.3.8. Perda ao Fogo ......................................................................................... 64
3.3.8. Resíduo Insolúvel ..................................................................................... 65
3.3.9. MEV ......................................................................................................... 66
ix
3.3.10. Funil de Marsh ......................................................................................... 67
3.3.11. Atividade Pozolânica ............................................................................... 69
3.3.11.1. Índice de Atividade Pozolânica com Cimento Portland ................. 69
3.3.11.2. Índice de Atividade Pozolânica com Cal ........................................ 71
3.3.12. Compacidade Experimental ..................................................................... 72
3.4. Propriedades Reológicas .................................................................................. 74
3.4.1. Miniabatimento (Mini-Slump) ................................................................. 74
3.4.2. Viscosidade .............................................................................................. 75
3.4.3. Abatimento do Tronco de Cone (Slump) .................................................. 76
3.4.4. Espalhamento (Slump Invertido) ............................................................. 77
3.4.5. Funil “V” ................................................................................................. 78
3.4.6. Caixa “L” ................................................................................................ 79
3.4.7. Reômetro BTRHEOM .............................................................................. 81
3.5. Propriedades Mecânicas ................................................................................... 82
3.5.1. Comportamento sob Compressão Uniaxial ............................................. 82
3.5.2. Comportamento sob Tração na Compressão Diametral ......................... 85
3.6. Estabilidade Dimensional ................................................................................. 87
3.6.1. Retração Autógena .................................................................................. 87
3.6.2. Retração por Secagem ............................................................................. 89
3.7. Durabilidade ..................................................................................................... 91
3.7.1. Absorção Total e Capilar de Água .......................................................... 91
3.7.2. Penetração Acelerada de Íons Cloreto .................................................... 95
3.7.3. Exposição à Solução de Sulfato de Sódio ................................................ 96
3.8. Produção e Armazenamento ............................................................................. 97
3.8.1. Pastas ....................................................................................................... 97
3.8.2. Concretos ................................................................................................. 99
4. RESULTADOS, ANÁLISES E DISCUSSÕES ................................................... 103
4.1. Materiais – Propriedades ................................................................................ 103
4.1.1. Agregados .............................................................................................. 103
4.1.2. Cimento Portland CP V-ARI Plus ......................................................... 104
4.1.3. Sílica Ativa ............................................................................................. 109
4.1.4. Ecat ........................................................................................................ 110
4.1.5. Superplastificante .................................................................................. 121
4.2. Pastas – Propriedades ..................................................................................... 123
4.2.1. Compacidade ......................................................................................... 125
4.2.2. Termogravimetria .................................................................................. 127
4.2.3. Propriedades Reológicas ....................................................................... 142
4.2.4. Propriedades Mecânicas ....................................................................... 145
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