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1
Diego Brasil Ribeiro
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
INFLUÊNCIA DA VERMICULITA EXPANDIDA NAS PROPRIEDADES DO CIMENTO PORTLAND ESPECIAL PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE
PETRÓLEO.
Diego Brasil Ribeiro
Orientadora: Profª. Dra. Dulce Maria de Araújo Melo
Co-orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo
Natal/RN, 2010
2
Diego Brasil Ribeiro
DIEGO BRASIL RIBEIRO
INFLUÊNCIA DA VERMICULITA EXPANDIDA NAS PROPRIEDADES DO CIMENTO PORTLAND ESPECIAL PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE
PETRÓLEO.
Natal/RN, 2010
Monografia apresentada ao
programa de recursos humanos da ANP
para o setor petróleo e gás- PRH30 da
Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, referente à especialização em
Ciência e Tecnologia de Materiais
Aplicada a Indústria do Petróleo e Gás
Natural. Sob a orientação da Prof.ª Dr.ª
Dulce Maria de Araújo Melo e co-
orientação do Prof. Dr. Marcus A. F. Melo
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Diego Brasil Ribeiro
DIEGO BRASIL RIBEIRO
INFLUÊNCIA DA VERMICULITA EXPANDIDA NAS PROPRIEDADES DO CIMENTO PORTLAND ESPECIAL PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE
PETRÓLEO.
Monografia aprovada como requisito para obtenção da especialização
em Ciência e Tecnologia de Materiais Aplicados à indústria de Petróleo e Gás
Natural, pelo programa de recursos humanos da ANP (Agência Nacional de
Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) para o setor de petróleo e gás-
PRH30, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
_________________________________________
Prof.ª Dr.ª Dulce Maria de Araújo Melo Universidade Federal do Rio Grande do Norte
_________________________________________ Prof. Dr. Marcus Antonio de Freitas Melo
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
_________________________________________ Prof. Dr. Antonio Eduardo Martinelli
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Natal/RN -2010
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Diego Brasil Ribeiro
RIBEIRO, Diego Brasil – Influência da vermiculita expandida nas propriedades
do cimento portland especial para cimentação de poços de petróleo. Projeto
Final, UFRN, Graduação em Materiais.Natal – RN, Brasil
Orientadora: Profª. Dra. Dulce Maria de Araújo Melo
Co-orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo
RESUMO
Na construção de um poço de petróleo uma das mais importantes operações
realizadas é a cimentação do poço. Essa se realizada de maneira correte irá
proporcionar estabilidade mecânica e segurança durante toda sua vida útil. A
cimentação consiste no trabalho de bombeio de pastas de cimento por dentro
do revestimento até que a pastas esteja posicionada no espaço anular,
promovendo o isolamento das zonas produtoras. O sucesso da cimentação do
poço esta diretamente ligada às propriedades que a pasta deve possuir para
atender as condições de poço tais como tempo de espessamento,
propriedades reológicas, propriedades mecânicas, e perda de filtrado. Porém
mesmo com todas essas propriedades bem controladas ainda podem ocorrer
problemas relacionados à bainha de cimento após a cimentação, um deles é a
migração de gás que ocorre no chamado tempo de transito da pasta causado
pela perda de pressão hidrostática da pasta. Aditivos expansivos vêm sendo
utilizados para evita a migração de gás, nesse contexto que se encaixa a
vermiculita expandida onde suas partículas atuarão como amortecedor,
prevenindo a perda da pressão hidrostática da massa de cimento da coluna no
reservatório durante o caminho percorrido na cimentação; previne as trincas. A
adição de vermiculita promove um aumento na consistência das pastas, uma
pequena diminuição nas propriedades mecânicas e não altera o tempo de pega
das pastas, pois não participa da cinética de hidratação. A vermiculita
expandida se apresenta como uma boa alternativa para a migração de gás.
Palavras-chaves: Migração de gás, cimentação, vermiculita.
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Diego Brasil Ribeiro
AGRADECIMENTOS
À Deus, por iluminar o meu caminho e me dar forças para seguir
sempre em frente;
Aos meus pais, Alberto e Socorro, e ao meu irmão, Danilo, pelo
amor e apoio imprescindível em todos os momentos da minha vida;
À professora Dulce Maria de Araújo Melo, pela orientação e
oportunidade de fazer parte do Laboratório de Cimentos;
Aos professores Marcus e Martinelli, por terem feito parte da
minha formação como engenheiro;
À PETROBRAS, Petróleo Brasileiro S/A e a ANP,Agência
Nacional do Petróleo, Gás Natural e Bicombustíveis , pelo suporte financeiro e
a companhia CIMESA-SE pelo fornecimento de cimento utilizado no trabalho;
Ao Laboratório de Cimentos e seu corpo técnico, pela
oportunidade de desenvolver produtos e processos e contribuir para a minha
formação como Engenheiro de Materiais;
À todos os meus amigos do LABCIM e LABTAM, pelo
companheirismo e momentos de descontração;
Aos amigos, Claudio, Ilton e Rodolpho, pelo incentivo e pelo apoio
constantes;
Em especial, a Raphaela Albuquerque, pelo amor e apoio
constante.
6
Diego Brasil Ribeiro
LISTA DE FIGURAS FIGURA 1: Processo de Fabricação do cimento Portland ..................... 18
FIGURA 2: Micrografia Eletrônica de Varredura do Cimento após 3 h de
Hidratação. (LIMA, 2004) ................................................................................. 20
FIGURA 3: Micrografia Eletrônica de Varredura do Cimento após 10 h de
Hidratação (LIMA, 2004) .................................................................................. 20
FIGURA 4: Curvas de Resistência à Compressão de Pastas Puras
Obtidas a Partir da Hidratação dos Principais Compostos do Clínquer em
Função do Tempo(ZAMPIERI, 1989). .............................................................. 21
FIGURA 5: Taxas de Hidratação dos Principais Compostos do Clínquer
nas Pastas de Cimento em Função do Tempo. (ZAMPIERI, 1989) ................. 21
FIGURA 6: Micrografia Eletrônica de Varredura mostrando a Morfologia
da Fase C-S-H(NASCIMENTO, 2006) ............................................................. 24
FIGURA 7: Micrografia Eletrônica de Varredura mostrando a fase
Portlandita. (LIMA, 2004) ................................................................................. 24
FIGURA 8: Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita. (LIMA,
2004) ................................................................................................................ 25
FIGURA 9: Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita (LIMA,
2004). ............................................................................................................... 25
FIGURA 10: Cimentação Primária (Costa, 2004) .................................. 29
FIGURA 11: Tampão de cimento ........................................................... 30
FIGURA 12: Squezze ............................................................................ 31
FIGURA 13: Misturador de Palheta Chandler Modelo 80-60, com
Controlador de velocidade ............................................................................... 34
FIGURA 14: Consistômetro atmosférico ................................................ 35
FIGURA 15: Moldes Plásticos ............................................................... 36
FIGURA 16: Banho Termostático .......................................................... 37
FIGURA 17: Raio-X da Vermiculita micron expandida .......................... 41
FIGURA 18: Microscopia eletrônica com aumento de 100x .................. 41
FIGURA 19: Microscopia eletrônica com aumento de 250x .................. 42
FIGURA 20: Pasta de cimento com vermiculita expandida mícron, na
concentração de 12 %, durante a medida reológica. ....................................... 43
FIGURA 21: Viscosidade Plástica ......................................................... 44
7
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 22: Limite de Escoamento ....................................................... 44
FIGURA 23: Gel Inicial........................................................................... 45
FIGURA 24: Gel Final ............................................................................ 45
8
Diego Brasil Ribeiro
LISTA DE TABELAS
TABELA 1: calor de hidratação das fases do cimento Portland. ............ 22
TABELA 2: Hidratação dos componentes silicatos do clínquer ............. 23
TABELA 3: Classes do cimento Portland (Campos et al., 2002). .......... 26
TABELA 4: Composição das Pastas ..................................................... 33
TABELA 5: Composição da vermiculita ................................................. 39
TABELA 6: Identificação das Cartas Cristalográficas ............................ 40
TABELA 7: Parâmetros Reológicos ....................................................... 43
TABELA 8: Valores de resistência a compressão ................................. 46
TABELA 9: Tempo de espessamento .................................................... 46
TABELA 10: Volume de água livre ........................................................ 47
9
Diego Brasil Ribeiro
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ............................................................................... 5
LISTA DE FIGURAS ................................................................................ 6
LISTA DE TABELAS ................................................................................ 8
SUMÁRIO ................................................................................................ 9
1 INTRODUÇÃO ............................................................................... 11
2 ASPECTOS TEÓRICOS ................................................................ 12
2.1 Vermiculita ............................................................................... 12
2.2 Cimento Portland ..................................................................... 15
2.2.1 Histórico .............................................................................. 15
2.2.2 Produção e composição do clinquer ................................... 16
2.2.3 Hidratação ........................................................................... 19
2.2.4 Classificação do cimento Portland ...................................... 26
2.3 Cimentação ............................................................................. 27
2.3.1 Tipos de cimentação ........................................................... 28
3 METODOLOGIA ............................................................................. 32
3.1 Caracterização da vermiculita ................................................. 32
3.1.1 Composição química ........................................................... 32
3.1.2 Difração de raios-X ............................................................. 32
3.1.3 Microscopia eletrônica de varredura ................................... 32
3.1.4 Densidade da vermiculita expandida .................................. 33
3.2 Preparação e caracterização tecnológica das pastas ............. 33
3.2.1 Mistura das pastas .............................................................. 34
3.2.2 Homogeneização das pastas .............................................. 34
3.2.3 Ensaios reológicos .............................................................. 35
3.2.4 Ensaio de resistência a compressão ................................... 36
3.2.5 Ensaio de consistometria .................................................... 37
10
Diego Brasil Ribeiro
3.2.6 Ensaio de água livre ............................................................ 37
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................... 38
4.1 Caracterização da vermiculita ................................................. 38
4.1.1 Composição química ........................................................... 39
4.1.2 Difração de raios-X ............................................................. 40
4.1.3 Microscopia eletrônica de varredura ................................... 41
4.1.4 Densidade da vermiculita expandida .................................. 42
4.2 Caracterização tecnológica ..................................................... 42
4.2.1 Ensaios reológicos .............................................................. 42
4.2.2 Ensaio de resistência a compressão ................................... 45
4.2.3 Ensaio de consistometria .................................................... 46
4.2.4 Ensaio de água livre ............................................................ 47
5 CONCLUSÕES .............................................................................. 48
6 Referencias .................................................................................... 49
11
Diego Brasil Ribeiro
1 INTRODUÇÃO
A operação de cimentação é uma das mais importantes realizadas em
um poço de petróleo. Pode ser definida como a operação que ocorre após o
término da perfuração e consiste no bombeio de uma pasta de cimento, que irá
preencher o espaço anular com o objetivo de compor a vedação entre as zonas
permeáveis, impedindo a intercomunicação de fluidos da formação que ficam
por trás do revestimento, bem como propiciar suporte à coluna de revestimento
(OLIVEIRA, 2004, VLACHOU e et al, 1997; THOMAS, 2001).
Para que a operação de cimentação ocorra de forma segura é
necessária que a mesma seja projetada de forma a atender as condições
especificas do poço, tais com temperatura e pressão. Sendo assim vários
testes laboratoriais são realizados para prognosticar o comportamento da pasta
de cimento quando esta for posta frente às condições do poço.
Mesmo após todos os testes laboratoriais podem ocorrer problemas na
cimentação primaria, tais como a migração de gás. Esse tipo de problema é de
difícil detecção e controle, ocorrendo devido à diferença de pressão entre
zonas permeáveis e contendo gás. Para que a migração de gás aconteça à
pressão hidrostática da coluna de cimento se torne menor que a pressão da
formação. Durante o processo de hidratação do cimento Portland parte da
pressão hidrostática deixa de ser transmitida e a ocorre uma queda na pressão
hidrostática o que pode gerar o problema de migração de gás. Pastas
compressivas ou contendo ar pode se contrapor ao processo de contração
devido à hidratação evitando assim uma queda brusca na pressão
Uma das possíveis alternativas para a prevenção da migração de gás,
durante o tempo de cimentação, em poços de petróleo é o uso de cimentos
compressivos compostos com aditivos que tem um grau mínimo de destruição
e modulo de elasticidade. A vermiculita, mineral encontrado em grande
quantidade na região nordeste, pode ser usada como aditivo para formulação
de pastas cimento que atendam essas propriedades.
É nesse contexto que esse trabalho tem como objetivo a avaliação das
propriedades de pastas leves compósitas de cimento Portland/vermiculita
expandida.
12
Diego Brasil Ribeiro
2 ASPECTOS TEÓRICOS
2.1 Vermiculita
A vermiculita é um argilomineral da família das micáceas, geralmente
formada pela alteração hidrotérmica, como a biotita (ADISSON, 1995),
constituída de silício, alumínio, magnésio, ferro e água, em proporções
variáveis. A fórmula química típica da vermiculita pode ser escrita:
(Mg, Ca)0,7(Mg, Fe, Al)6,0[(Al,Si)8O20](OH)4.8H2O.
A célula unitária da vermiculita é do tipo 2:1, constituída por duas folhas
tetraédricas e uma folha octaédrica entre elas. As folhas tetraédricas são
compostas por tetraedros de silício (SiO4), onde ocasionalmente o silício pode
ser substituído isomorficamente pelo alumínio. As folhas octaédricas são
formadas de átomos de alumínio, oxigênio e hidrogênio, compondo Al(OH),
onde o alumínio pode ser substituído por magnésio, ferro, ou por outros
elementos. As camadas TOT (tetraedro-octaedro-tetraedro) são separadas por
duas ou mais camadas de moléculas de água arranjadas em um formato ou
estrutura hexagonal, onde os cátions trocáveis, principalmente o magnésio, e
também o cálcio e o sódio, encontram-se localizados entre as folhas de
moléculas de água (ROSENBURG, 1969; PARENTE e OLIVEIRA, 1986)
A estrutura cristalina da vermiculita, e as cargas envolvidas nela,
encontram-se desbalanceadas, principalmente por substituições isomórficas
nas camadas tetraédricas do Si4+ pelo Al3+. Essas substituições podem ser
parcialmente compensadas por outras substituições; porém, existe um excesso
de cargas negativas, ou seja, há uma deficiência de cargas positivas, as quais
conduziriam a manter a eletroneutralidade do sistema. Esta deficiência de
cargas é compensada pelos cátions trocáveis, que conforme foi colocado
anteriormente são o magnésio, o cálcio, o alumínio e o sódio (ASSUNÇÃO,
1985). Esses cátions trocáveis dão uma excelente propriedade às vermiculitas,
essa característica é devido às fracas ligações entre os íons e as lamelas s,
permitindo que os mesmos sejam removidos e substituídos
estequiometricamente, sem alteração da estrutura das lamelas.
Há alguns anos atrás, o termo vermiculita era mal definido, sendo
aplicado a todo mineral micáceo lamelar que fosse capaz de expandir ou
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Diego Brasil Ribeiro
esfoliar quando aquecidos. Através de estudos químicos e difração de raios-X,
foi demonstrado que muitos minerais até então classificados como vermiculita
eram, na verdade, camadas interestratificadas de mica-vermiculita e clorita-
vermiculita, que depois foi comprovado que também poderia ocorrer
interestratificações ternárias e quaternárias de vermiculita com ilita, clorita e/ou
montmorilonita. Isso pode ser corroborado por estudos de caracterização
tecnológica das vermiculitas de Santa Luzia (PB) e Sancrelândia (GO)
(UGARTE et al.,2005). Além disso, também existe mistura lateral de vermiculita
e clorita na mesma camada estrutural. Dessa forma, existe uma grande
variabilidade na estrutura cristalina dentro da mesma jazida, fazendo com que
a sua caracterização mineralógica se torne difícil (SANTOS, 1992).
A principal característica que diferencia a vermiculita de outras micas,
como a moscovita, é que quando as placas de vermiculita são submetidas a
temperaturas acima de 900°C, a água de hidratação contida entre as suas
milhares de lâminas se transforma em vapor, expulsando-a de modo
irreversível, constituindo flocos. A esfoliação ou piro expansão ocorre na
direção perpendicular ao plano basal e provoca um aumento de até 20 vezes o
volume inicial.
Esse fenômeno é chamado de esfoliação e faz com que a vermiculita
expandida tenha baixa densidade (entre 0,15 e 0,25 g/cm2), área de superfície
específica entre 6,0 a 8,0 g/cm3 e capacidade de troca catiônica elevada (100 a
130 meq/100 g), tendo o potássio e o magnésio como principais cátions
trocadores. Esta propriedade especial, de expansão, concede ao mineral uma
grande importância industrial, em decorrência da diversidade de aplicações,
seja como isolante térmico e acústico, na purificação de águas residuais ricas
em sais dissolvidos e na remoção de camadas poluentes de petróleo na
superfície de águas oceânicas, entre muitas outras. (Santos, 1989).
Cada floco aprisiona ar em seu interior que promove a propriedade
isolante à vermiculita expandida. Com isso o produto da expansão é resistente
ao fogo, inodoro, não irrita a pele, não condutor elétrico, absorvente acústico e
pode absorver água até 5 vezes o seu peso (DEER et al., 1996)
O processamento da vermiculita pode ser efetuado através de dois
métodos, que são: (a) via seca; e (b) via úmida ou combinação úmido/seca. No
caso de processamento a seco, o minério e previamente submetido à
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Diego Brasil Ribeiro
secagem. Em regiões de baixos índices pluviométricos pode ser realizada em
pátios, com o calor do sol. Em lugares onde os índices de pluviometria são
altos, o minério deve ser primeiramente seco em secadores rotatórios. Por
outro lado, quando o minério está associado a argilas, o processamento a
úmido é aconselhável (Castro, 1996).
Em geral, a concentração de vermiculita visa à obtenção de produtos
classificados, conforme citados mais adiante, limitando ao máximo o conteúdo
de impurezas não expansíveis. Com isso, melhora-se o rendimento dos fornos
expansores. No processo a seco utilizam-se com bastante freqüência peneiras
convencionais para as granulometrias grosseiras e peneiras especiais para as
granulometrias finas.
A operação de moagem normalmente é feita em moinhos de impacto,
que produzem a separação das placas de maior espessura, evitando a
cominuição excessiva do produto. É importante ressaltar que os processos de
lavra e de beneficiamento devem manter a granulometria com o mínimo de
alterações possíveis, já que o valor do concentrado decresce com o
decréscimo da granulometria. A primeira etapa de concentração separa os pós,
que correspondem à maior parte da massa que alimenta a usina. A seguir, se
classifica o minério, em 4 ou 5 faixas granulométricas, para finalmente cada
uma dessas faixas serem separadas por gravimetria em um separador
pneumático. Estes nada mais são do que um túnel de vento, no qual as
partículas são separadas em função de sua densidade. A separação ocorre
pelas diferentes trajetórias das partículas quando submetidas à corrente de ar.
As placas de vermiculita são arrastadas e depositadas em coletores de
produto; enquanto que as pedras ou partículas esféricas são depositadas em
coletores de rejeito (Castro, 1996).
Os processos em via úmida ou úmida/seca variam em função dos
seguintes fatores: (a) do tipo de jazida; (b) da composição do minério; (c) da
disponibilidade de água; (d) da quantidade de reservas; e (e) capacidade da
usina de beneficiamento. O minério associado a minerais argilosos deve ser
primeiro deslamado em classificadores helicoidais, e separados da ganga por
gravimetria utilizando-se espirais, mesas vibratórias ou ainda jigues. Os
produtos devem ainda por razões de economia de energia ser submetidos a
desaguamento e em seguida a secagem em secadores rotatórios. Nestes
15
Diego Brasil Ribeiro
últimos, a temperatura do ar não deve ser superior a 200°C, sob risco de
produzir pré-expansão da vermiculita. Os produtos secos devem ser separados
em faixas granulométricas através de peneiras e concentrado em
classificadores pneumáticos (Castro, 1996).
A vermiculita tem uma vasta aplicação industrial, após a sua expansão
térmica. No processo de esfoliação térmica da vermiculita, a água interlamelar
é expulsa de forma irreversível, gerando um considerável aumento do volume,
em relação ao volume original. Esta propriedade tem sido decisiva para a
grande quantidade de aplicações na indústria e tem sido um fator na
determinação da qualidade do minério e dos produtos finais (concentrados), ao
ponto de ser objeto de padronização por diversas entidades como a ASTM, a
ABNT e a The Vermiculite Association (Castro, 1996). Entre as propriedades
utilizadas para se avaliar a qualidade dos concentrados encontram-se a
granulometria, densidade, massa especifica aparente (m.e.a), teor de
vermiculita (%), condutividade térmica, temperatura de amolecimento e
umidade, entre outras.
2.2 Cimento Portland
2.2.1 Histórico
O termo cimento originou-se de “caementum”, nome dado a uma pedra
natural de um rochedo na Roma antiga. Já era utilizado pelos egípcios há
alguns milhares de anos antes de cristo, composto de gesso e calcário
calcinado para unir as pedras de seus monumentos. Os gregos e romanos
misturaram a cal dos egípcios com água, areia e pedra fragmentada,
originando o primeiro concreto da história. Na idade média, houve um grande
declínio no uso do cimento, só retornando em 1756, quando John Smeanton
encarregou de reconstruir o farol de Eddystone, desenvolvendo uma
argamassa resultante da queima de argila e cal.
No século XIX descobriu-se que determinadas rochas na ilha de
Portland, no sul da Inglaterra, rudimentarmente tratadas, permitiam a obtenção
de um ligante que endurecia ao ar, ou mesmo debaixo de água. A este ligante
chamou-se cimento Portland. A partir desta descoberta, procurou-se encontrar
na natureza substâncias rochosas que permitissem, quando misturadas nas
16
Diego Brasil Ribeiro
proporções convenientes e sujeitas a tratamentos adequados, conduzir à
produção de um ligante idêntico a cimento Portland natural (MEHTA, 1994;
ZAMPIERI, 1989) John Aspdim como o objetivo de produzir um ligante com as mesmas
características ao encontrado na ilha de Portland, estabeleceu os princípios
fundamentais para a produção de cimento, a partir de calcário, argila e carvão,
que ainda hoje se mantém como base da produção do cimento, beneficiando
obviamente as muitas inovações tecnológicas. O cimento assim obtido chama-
se de cimento Portland artificial, ou normal. E em 1873, o produto começou a
ser aditivado com gesso cru (sic!) e cloreto de cálcio, visando regular seu
tempo de pega (ZAMPIERI, 1989).
Os cimentos são caracterizados pela propriedade de adquirirem
resistência mecânica ao serem misturados com a água e de não a perder
quando em contato com esta. São pertencentes à classe dos chamados
aglomerantes hidráulicos (Barbosa, 2004)
Finalmente em 1844, Isaac Charles Johnson, diretor da fabrica de
cimentos Francis White, estabeleceu os princípios modernos de produção do
cimento Portland, isto é, a fabricação em presença de fase líquida obtida a
altas temperaturas, sendo, portanto, Johnson o verdadeiro inventor do atual
cimento Portland. A partir de 1900, o cimento Portland adquiriu importância
transcendental nas obras de engenharia (ZAMPIERI, 1989).
Os cimentos essencialmente produzidos a partir de uma mistura de
calcário e argila, resultado de uma moagem de um produto chamado Clínquer,
obtido pelo cozimento até a fusão incipiente da mistura de calcário e argila
convenientemente dosada e homogeneizada, a qual é. Os componentes
químicos adicionada pequena quantidade de gesso (sulfato de cálcio)
principais do cimento Portland são a cal (CaO) – de 60 % a 67 %, sílica (SiO) –
de 17 % a 25 %, alumina (Al O ) – de 3 % a 8 % e óxido de ferro (Fe O ) – de
0,5 % a 6 %.
2.2.2 Produção e composição do clinquer O cimento é essencialmente produzido a partir da mistura de calcário e
argila. Basicamente, as matérias-primas do cimento Portland são: calcário,
17
Diego Brasil Ribeiro
sílica, alumina, óxido de ferro e sulfato de cálcio, sendo que os quatros
primeiros óxidos são usados para produção clínquer.
O sulfato de cálcio é usado na forma de gesso (CaSO4 do. 2H O) ou
hemidrato (CaSO4 . 1/2 H2 O), ou CaSO4 ou uma mistura dos três; este é
adicionado posteriormente, durante a etapa de moagem, para controle da
hidratação inicial do cimento, uma vez que na ausência desse, a pasta de
cimento sofreria uma pega muito rápida e irreversível (TAYLOR, 1997).
Durante a preparação do cru ou da farinha (sic!), além da dosagem das
matérias-primas, grande atenção é dedicada à moagem e homogeneização
das mesmas, uma vez que tanto a granulometria quanto à homogeneização
são fatores de fundamental importância para o desenvolvimento das reações
de clinquerização e qualidade do produto (LEA, 1938)
O processo de fabricação do cimento consiste em retirar o calcário da
jazida, levá-lo ao britador para diminuir seu tamanho e misturá-los a argila. Em
seguida, a mistura é levada a um moinho de bolas para gerar um pó bem fino
(farinha de cru). Esse pó é bombeado até os silos onde é feito o
balanceamento das proporções adequadas à produção do cimento por meio de
peneiras. Após o processo de balanceamento, o pó é colocado em um forno
rotativo até uma temperatura de cerca de 1.450 °C, fornecendo uma energia
necessária às reações químicas de formação do clínquer de cimento. Ao sair
do forno, o clínquer é resfriado para manter as características físico-químicas
do produto final e, em seguida, o mesmo é moído juntamente com o sulfato de
cálcio. O resultado desta última moagem é o cimento pronto para ser
comercializado (SANTOS JÚNIOR, 2006; NELSON, 1990).
Um esquema bem simplificado do processo de fabricação do cimento
Portland (KIHARA e MARCIANO, 1995).
18
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 1: Processo de Fabricação do cimento Portland
FONTE: KIHARA e MARCIANO, 1995.
Durante o processo de fabricação mostrado acima, a mistura bem
proporcionada dos quatros principais componentes químicos, Cal, Sílica (SiO2),
Alumina (Al2O3 ), Óxido de ferro (Fe2O3 ) reagem entre si, dando origem a uma
série de produtos complexos tais como, o silicato tricálcio, silicato dicálcio,
aluminato tricálcio e o ferroaluminato de cálcio (TAYLOR,1997)
Dos quatro componentes principais designados na química do cimento
pelas letras C, S, A e F, cálcio, silício, alumínio e ferro respectivamente,
derivam os compostos fundamentais mais complexos que determinam as
propriedades do cimento:
• Aluminato tricálcico (C3A) – reage rapidamente com a água e cristaliza-se em
poucos minutos. É o constituinte do cimento que apresenta o maior calor de
hidratação. Controla a pega inicial e o tempo de endurecimento da pasta, mas
é o responsável pela baixa resistência aos sulfatos fase aluminato constitui 5-
10% do clínquer, reage rapidamente com água e pode causar indesejável e
rápido endurecimento (Taylor, 1992). É o composto do cimento que apresenta
maior velocidade de hidratação, embora seja o composto de menor
concentração no cimento classe G. Sua função é de grande importância, já que
juntamente com o gesso é um dos principais responsáveis pelo controle do
tempo de pega e pela suscetibilidade ao ataque de águas sulfatadas. O seu
teor é inversamente proporcional ao tempo de espessamento e à água livre, e
diretamente proporcional à viscosidade, ao limite de escoamento, aos géis e à
19
Diego Brasil Ribeiro
resistência à compressão. Estas propriedades físicas devem ser perfeitamente
ajustadas na fase de projeto da pasta;
• Ferro-aluminato tetracálcico (4C AF) – é o componente que dará coloração
cinzenta ao cimento, devido à presença de ferro. Este libera baixo calor de
hidratação e reage menos rapidamente que o C3A. Controla a resistência a
corrosão química do cimento;
• Silicato tricálcico (3C S) –; Alita é o mais importante constituinte do clínquer, o
qual se apresenta na faixa de 50-70%, reage rapidamente com água e
desenvolve resistência em curas superiores a 28 dias (Taylor, 1992). É o
composto de maior concentração no cimento classe G, depois do C3A é o que
apresenta maior velocidade de hidratação. A sua concentração é inversamente
proporcional ao tempo de espessamento e à água livre, e diretamente
proporcional à viscosidade, ao limite de escoamento aos géis e à resistência à
compressão
• Silicato dicálcico (C2S) – A Belita constitui 15-30%, reage lentamente com
água, assim contribui pouco para a resistência durante os primeiros 28 dias,
mas substancialmente para o aumento de resistência em idades superiores
(Taylor, 1992). É o composto do cimento que apresenta menor velocidade de
hidratação, exerce pouca influência sobre as propriedades físicas iniciais das
pastas de cimento preparadas com o cimento classe G, no entanto tem grande
contribuição na resistência final do cimento
2.2.3 Hidratação
Na medida em que se adiciona água ao cimento Portland tem-se, quase
que instantaneamente, o início de uma série complexa de reações de
dissolução e a formação de novas fases hidratadas. Após algum tempo, em
função da trama estabelecida por essas novas fases geradas, obtém-se um
produto de apreciável resistência mecânica. Analisada sob esse aspecto, a
hidratação do cimento Portland representa a transformação das fases anidras
20
Diego Brasil Ribeiro
e metaestáveis do clínquer Portland (alita, belita, aluminato e ferro-aluminato
cálcicos), cujos campos de estabilidade envolvem via de regra temperaturas
superiores a 1000ºC, em novas fases hidratadas estáveis sob condições
ambientes (UCHIKAWA, 1986).
Os maiores constituintes do cimento Portland hidratado são silicato de
cálcio hidratado (C-S-H) e hidróxido de cálcio (CH), ambos são produzidos
principalmente pela reação entre alita e água (Kjellsen, 2004). O CH é um
mineral que pode ocupar mais de 26% por volume da pasta de cimento
(Beaudoin et al., 1998) e é o responsável pelo pH alcalino da pasta de
cimento.
Nas micrografias eletrônicas de varredura, Figuras 5 e 6, observam-se a
morfologia do cimento após 3 h e 10 h de hidratação.
FIGURA 2: Micrografia Eletrônica de Varredura do Cimento após 3 h de Hidratação. (LIMA,
2004)
FIGURA 3: Micrografia Eletrônica de Varredura do Cimento após 10 h de Hidratação (LIMA,
2004)
21
Diego Brasil Ribeiro
As reações de pega e endurecimento do cimento são bastante
complexas, pelo fato de ser o cimento uma mistura heterogênea de vários
compostos que se hidratam mais ou menos independentemente, dando origem
aos compostos hidratados responsáveis pelas propriedades aglomerantes do
cimento (Paula et al., 2002).
Então para melhor compreender o processo de hidratação do cimento
Portland é necessário analisar separado do comportamento exibido pelas
diversas fases que compõem o clínquer. Nesse sentido, reproduz-se na Figura
7 as curvas de resistência à compressão das pastas puras obtidas por meio da
mistura das principais fases do clínquer com água. Na Figura 8, por outro lado,
encontram-se retratadas graficamente as taxas de hidratação desses
compostos, na pasta de cimento, em função do tempo.
FIGURA 4: Curvas de Resistência à Compressão de Pastas Puras Obtidas a Partir da
Hidratação dos Principais Compostos do Clínquer em Função do Tempo(ZAMPIERI, 1989).
FIGURA 5: Taxas de Hidratação dos Principais Compostos do Clínquer nas Pastas de
Cimento em Função do Tempo. (ZAMPIERI, 1989)
22
Diego Brasil Ribeiro
As análises das FIGURA 4 e FIGURA 5 permitem observar que, dentre
as fases que compõe o clínquer, apenas os silicatos cálcicos (alita e belita)
podem produzir com água pastas de expressivas resistências mecânicas.
Confrontando-se as curvas de resistência das pasta, obtidas com essas
duas fases, constata-se que a hidratação dos cristais de alita, em função de
sua reatividade relativamente maior, proporciona, já a curtas idades,
significativos valores de resistência mecânica. A belita, por sua vez, mostra
uma evolução menos acentuada de valores exigindo para iguais resistências
um tempo de hidratação maior. (ZAMPIERI, 1989)
Por outro lado, embora os aluminatos e ferroaluminatos cálcicos exibam
pastas com resistências relativamente menos expressivas, a grande
reatividade do C3A (manifestada por sua rápida taxa de hidratação) torna esse
composto particularmente importante na definição de tempo de pega e para a
resistência inicial do cimento (LEA, 1938)
A reação de hidratação do cimento Portland é um processo exotérmico e
libera muita energia, na TABELA 1 está exposto o calor de hidratação das
fases do cimento Portland.
TABELA 1: calor de hidratação das fases do cimento Portland.
REACÕES DE HIDRATAÇÃO -H (J/g) hidratação completa
2C3S + 7H C3S2H4 (C-S-H) + 3CH
2C2S + 5H C3S2H4 (C-S-H) + CH
250
880
23
Diego Brasil Ribeiro
2C3A + 12H → [C4AHX + C2AH8] Hidratados hexagonais metaestáveis → 2C3AH6 Hidratados cúbicos estáveis
420
C4AF + 10H + 2CH → [C4(A, F)HX + C2(A, F)H8 ] Hidratados hexagonais metaestáveis →
2C3(A, F)H6 Hidratados cúbicos estáveis
2.2.3.1 Hidratação das fases silicatos de cálcio:
Os silicatos de cálcio correspondem a 75% da composição do
cimento, reagem com a água formando silicatos de cálcio hidratados e
hidróxido de cálcio (TABELA 2). O processo de hidratação do C3S (Alita) e
C2S (Belita) é exotérmico e acontece simultaneamente, porem a hidratação do
C3S é bem mais rápida do que a do C2S e libera mais hidróxido de cálcio.
TABELA 2: Hidratação dos componentes silicatos do clínquer
Silicatos tricálcicos SiO2-3CaO + 4.5H2O = SiO2-CaO-2.5H2O + 2Ca
(OH)2
Silicatos bicálcicos SiO2-2CaO + 3.5H2O = SiO2-CaO-2.5H2O +
Ca(OH)2
O hidróxido de cálcio é responsável pelo ph alcalino da pasta de
cimento. Os silicatos monocálcicos hidratados formados podem também ser
chamados de gel de tobermorita ou fase C-S-H, que é o composto que
conforma a estrutura do cimento hidratado e principal responsável pelas
propriedades mecânicas do cimento hidratado (NELSON, 1990).
Adicionalmente pode-se dizer que a fase C-S-H possui estrutura praticamente
amorfa. Como pode ser observado na FIGURA 6.
24
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 6: Micrografia Eletrônica de Varredura mostrando a Morfologia da Fase C-S-
H(NASCIMENTO, 2006)
Além do C-S-H, a hidratação da alita e belita proporciona a formação de
uma quantidade significativa de hidróxido de cálcio (portlandita), avaliada
respectivamente em 49% e 22% do material de partida, o qual praticamente
não contribui para resistência mecânica dessas pastas.
A Portlandita (CH) possui morfologia bem definida, de forma cristalina e
prismática, com tendência à forma hexagonal, como pode ser observado na
FIGURA 7.
FIGURA 7: Micrografia Eletrônica de Varredura mostrando a fase Portlandita. (LIMA, 2004)
2.2.3.2 Hidratação dos aluminatos de cálcio
A hidratação do C3A é muito importante para as condições reológicas
durante as primeiras horas de hidratação do cimento (GRIESSER, 2002). Este
composto ao reagir com o gesso hidratado (CaSO4.2H2O), controla a sua
25
Diego Brasil Ribeiro
hidratação, uma vez que a ausência desses ocorreria o enrijecimento muito
rápido da pasta de cimento Portland, conhecido como pega instantânea, que
prejudica as propriedades físicas da pasta (NELSON,1990).
Na presença do gesso, o C3A altera substancialmente seu processo de
hidratação, dando lugar inicialmente a um composto de formulação complexa,
denominado etringita, como pode ser observado nas FIGURA 8 e FIGURA 9.
FIGURA 8: Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita. (LIMA, 2004)
FIGURA 9: Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita (LIMA, 2004).
A hidratação do C4AF em presença de gesso promove a formação de
fases similares, as quais se distinguem pela substituição parcial do Al pelo Fe.
É comum observar-se a terminologia “AFt" e “AFm" para designar,
respectivamente, a etringita e o monosulfoaluminato impuros decorrentes da
substituição parcial do Al pelo Fe e do SO4 por outros ânions.
26
Diego Brasil Ribeiro
2.2.4 Classificação do cimento Portland
Os tipos de cimento Portland são até certo ponto baseados na
composição química ou propriedades físicas. Tais como área superficial
específica, e em testes de desempenho, tais como tempo de pega ou
desenvolvimento de resistência à compressão. Rápido endurecimento de
cimento Portland tem sido produzido por vários caminhos, tais como variando a
composição aumentando o teor de alita e através moagem bastante fina do
clínquer (Taylor, 1992).
O instituto americano de petróleo (API) classifica o cimento Portland em
oito classes designadas de A a J, em função da composição química, que deve
estar arranjada de acordo com a profundidade as quais podem ser aplicadas,
pressões e temperaturas aos quais estão expostos (Campos et al., 2002).
TABELA 3: Classes do cimento Portland (Campos et al., 2002).
Tipo Características
Classe A Utilizado em profundidades de até 1830 m (6.000 pés) quando não há necessidade de propriedades especiais.
Classe B Utilizado em profundidades de até 1830 m em condições onde não há a necessidade de moderada a alta resistência a sulfato.
Classe C Utilizado em profundidades de até 1830 m em condições onde há necessidade de uma alta resistência à compressão inicial.
Classe D Utilizado em profundidades de até 1830 m a 3050 m (10.000 pés) sob condições de pressões e temperaturas de moderadas a altas.
Classe E Utilizado em profundidades de até 3050 m a 4270m (14.000 pés) sob condições de pressões e temperaturas altas.
Classe F Utilizado em profundidades de até 3050 m a 4880 m (16.000 pés) sob condições de pressões e temperaturas extremamente altas.
Classe G e H
Utilizados em operações básicas de cimentação de poços de petróleo de revestimentos de superfície até profundidade de 2440m (8.000 pés), podendo ainda ser utilizado com uma série de aditivos químicos de modo a contemplar uma série de aplicações distintas a depender da profundidade e temperatura.
27
Diego Brasil Ribeiro
Classe J para uso como produzido, em profundidades de 3 660 m até 4 880 m, sob condições de pressão e temperatura extremamente elevadas.
Neste trabalho, o cimento utilizado na formulação das pastas foi o
portland classe especial (NBR 9831), desenvolvido pela Petróleo Brasileiro S.A.
– Petrobras para atender a condições e temperaturas exigidas pelos poços de
petróleo.
A utilização do cimento Portland classe especial é a mesma do cimento
Portland classe G. Sendo que a classe especial apresenta diferenças no que
diz respeito às pastas puras, isto é, o primeiro possui 2 % a mais de teor de
água em peso de cimento, granulometria entre 17,5 % e 20,5 % em relação à
granulometria de 325 mesh, perda ao fogo de no máximo 2 %, teor de C3S de
55 a 65 % e um máximo de 1 % de conteúdo alcalino total (Campos et al.,
2002).
2.3 Cimentação
Cimentação é uma operação onde uma pasta de cimento é forçada a
descer através de um revestimento até sair na outra extremidade deste,
preenchendo o espaço entre o revestimento e as paredes do poço a uma altura
pré-determinada acima do fundo do poço. A função dessa bainha de cimento é
promover o isolamento zonal do poço e dar sustentação e estabilidade ao
revestimento.
O primeiro uso do cimento em poço de petróleo ocorreu na Califórnia em
1883, mas só a partir de 1903, parte do poço de petróleo começou a ser
cimentada como forma de combater as infiltrações de água que podem levar a
perdas, utilizando-se o cimento Portland em um processo manual de mistura
com água, para obtenção de pasta de cimento (cimentação, 1998)
Em 1905, Al Perkins funda o que seria, nos próximos anos, a maior
empresa californiana na especialidade, e em 1910, patenteou o método de
bombear a pasta para o poço, com tampões metálicos à frente e atrás desta,
para evitar contaminação, sendo deslocada por vapor, água ou fluido de
perfuração. [Nelson, 1990]
28
Diego Brasil Ribeiro
Em 1919, Erle Halliburton parte para o "MidContinent", onde fundou sua
própria empresa, Halliburton Cementing Co., que se tornou, por sua vez, a
maior empresa da especialidade e em 1922 Halliburton patenteou o misturador
com jatos (jet mixer) automatizando a mistura de pasta, ampliando as
possibilidades operacionais, fazendo com que a prática de cimentar os
revestimentos fosse adotada pela maioria das companhias.
Naquela época aguardava-se de 7 a 28 dias para o endurecimento do
cimento. Mas, a partir de 1923, alguns fabricantes americanos e europeus de
cimento passaram a produzir cimentos especiais para a indústria do petróleo
(LIMA, 2004). Alem disso com o aparecimento dos aditivos os tempos de pega
podem ser controlados e reduzidos, hoje em dia as pastas se mantêm com
trabalhabilidade a altas temperaturas e pressões, em geral 4h a partir desse
tempo a pasta endurece rapidamente e as atividades no poço podem ser
retomadas apenas de 8 h a 12 h após a execução da cimentação
(Schlumberger, 1984).
2.3.1 Tipos de cimentação
2.3.1.1 Cimentação Primária
Denomina-se cimentação primária à cimentação de cada coluna de
revestimento, levada a efeito logo após a sua descida no poço. A cimentação
primária tem como objetivo colocar uma pasta de cimento não contaminada em
determinada posição no espaço anular entre o poço e a coluna de
revestimento, de modo a se obter fixação e vedação eficiente e permanente
deste anular durante toda a vida útil do poço.
29
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 10: Cimentação Primária (Costa, 2004)
2.3.1.2 Cimentação Secundária
A cimentação secundária trata-se de todas as operações que são
realizadas no poço de petróleo após a cimentação primária. Essas operações
são realizadas para corrigir erros da cimentação primária ou falhas que a
bainha de cimento possa ter durante sua vida útil. Há três tipos de cimentação
secundária: tampão de cimento, recimentação e compressão de cimento ou
squezze.
Os tampões de cimento consistem em bombear certo volume de pastas
para o poço com o objetivo de tamponar um trecho do poço. São usados nos
casos de perda de circulação, abandono definitivo ou temporário do poço,
como base para desvios, compressão de cimento, impedir o fluxo de fluidos
através de canhoneados entre a formação e o interior do revestimento [Mota,
2003]. A FIGURA 11 exemplifica um tampão de cimento.
30
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 11: Tampão de cimento
A recimentação é a correção da cimentação primária, quando o cimento
não alcança a altura desejada no anular ou ocorre canalização severa. O
revestimento é canhoneado em dois pontos. A recimentação só é feita quando
se consegue circulação pelo anular, através do canhoneamento em dois
pontos. Para possibilitar a circulação com retorno, a pasta é bombeada através
de coluna de perfuração, dotada de retentor de cimento para permitir a
pressurização necessária para a movimentação da pasta pelo anular.
Por fim a compressão de cimento ou squezze, FIGURA 12, consiste na
injeção forçada de pequeno volume de cimento sob pressão, que visa corrigir
localmente a cimentação primária, sanar vazamentos no revestimento ou
impedir a produção de zonas que passaram a produzir quantidade excessiva
de água ou gás. Exceto em vazamentos, o revestimento é canhoneado antes
da compressão propriamente dita [Nelson, 1990].
32
Diego Brasil Ribeiro
3 METODOLOGIA
3.1 Caracterização da vermiculita
3.1.1 Composição química A determinação da composição química foi feita através de fluorescência
de raios X (FRX) por energia dispersiva em um equipamento Shimadzu modelo
EDX-820. Os espectros de fluorescência de raios X foram obtidos utilizando-se
cerca de 300 mg de vermiculita na forma de um pó fino depositado em uma
porta-amostra formado por um filme plástico de polietileno, que apresenta baixa
absorção de raios X na faixa de energia de interesse.
3.1.2 Difração de raiosX
As amostras foram caracterizadas por difração de raios X em um
equipamento da Shimadzu modelo XRD-7000 utilizando-se uma fonte de
radiação de CuKα com voltagem de 30kV, corrente de 30 mA . Os dados foram
coletados na velocidade do goniômetro de 0,02° 2θ por passo com tempo de
contagem de 1,0 segundo por passo e coletados de 3 a 70º 2θ, utilizando o
spin cm 120rpm para diminuir erros causados pela orientação preferencial das
argilas. A interpretação qualitativa do espectro foi efetuada por comparação
com padrões contidos no banco de dados JCPDS (ICDD-2002).
3.1.3 Microscopia eletrônica de varredura
A caracterização morfológica dos materiais foi feita por microscopia
eletrônica de varredura. Os exames microscópicos das amostras foram
realizados em um microscópio eletrônico de varredura da Philips modelo XL3o
ESEM. O procedimento de preparação dos materiais para a análise consistiu
na deposição de uma porção do sólido sobre uma fita adesiva de carbono
fixada no porta-amostra.
33
Diego Brasil Ribeiro
3.1.4 Densidade da vermiculita expandida
A vermiculita expandida apresenta grande quantidade de vazios entre
sua lamelas fazendo com que sua densidade se torne muito baixa, menor do
que a da água. Logo não foi possível medir a densidade pelo método de Le
Chatelier usando água e depois álcool, porque mesmo assim a densidade da
vermiculita é menor do que a do álcool. Na picnometria foi utilizado o N-
hexano, mas por esse líquido ser muito volátil não foi possível verificar a
densidade do material. Só foi possível determinar a densidade da vermiculita
pelo método de tentativa e erro, fazendo uma pasta de cimento, água e
vermiculita e verificando a sua densidade na balança de lama.
3.2 Preparação e caracterização tecnológica das pastas
A composição das pastas compósitas de cimento/vermiculita está
exposta na TABELA 4 abaixo:
TABELA 4: Composição das Pastas
Cimento Água Vermiculita
expandida
0% 491,26 g 443,39 g 0 (g)
3% 496,71 g 423,04 g 14,90g
6% 502,29 g 402,22 g 30,14 g
9% 507,99 g 380,94 g 45,72 g
12% 513,82 g 359,17 g 61,66 g
É importante ressaltar que todas as pastas possuem a mesma
composição independente da granulometria da vermiculita e ainda que todas
as pastas e ainda que todos os sistemas foram projetadas para atingir
densidade de 13Lb/Gal.
Após os sistemas de pastas já formuladas começa a preparação
propriamente dita, com a pesagem de todos os materiais utilizados na
34
Diego Brasil Ribeiro
preparação das pastas, em uma balança analítica Tecnal Mark 3100 com
resolução de 0,01g Posteriormente a pesagem dos foi realizada a mistura seca
do cimento Portland e vermiculita expandida, onde a mesma foi
homogeneizada manualmente.
3.2.1 Mistura das pastas
Para efetuar a mistura utilizou-se um misturador Chandler modelo 80-60,
o qual é mostrado na FIGURA 13. A mistura foi realizada ligando-se o
misturador, contendo a água de mistura, em velocidade baixa (4 000 rpm ± 200
rpm), lançando-se neste a mistura seca cimento/vermiculita, por meio de funil
de colo curto, pela abertura central da tampa da jarra, e uma espátula em15s,
durante os quais a velocidade foi mantida constante. O tempo de adição foi
controlado pelo temporizador do misturador. Após toda amostra ter sido
ininterruptamente adicionada à água, deu-se continuidade a agitação em
velocidade alta (12 000 rpm ± 500 rpm) durante 35s, desligando-se, em
seguida, o misturador(NBR,2006).
FIGURA 13: Misturador de Palheta Chandler Modelo 80-60, com Controlador de velocidade
3.2.2 Homogeneização das pastas
35
Diego Brasil Ribeiro
Imediatamente após a mistura das pastas, foi realizada a
homogeneização em um consistômetro atmosférico Chandler modelo 1200
(FIGURA 14), Para cada ensaio as pastas foram homogeneizadas por 20
minutos a uma rotação de 150 ± 15 rpm e na temperatura de 27°C. O
equipamento é dotado de um elemento aquecedor o que permitiu levar as
pastas ate a temperatura de ensaio (27°C e 52°C). Ao final do tempo o
equipamento foi desligado e as pastas foram conduzidas aos ensaios
reológicos, perda de filtrado e água livre (NBR 9831).
FIGURA 14: Consistômetro atmosférico
3.2.3 Ensaios reológicos
As propriedades reológicas das pastas formuladas foram determinadas
através de um viscosímetro rotativo de cilindros coaxiais Chandler modelo 3500
de acordo com a norma NBR 9831.
Depois de homogeneizadas por 20 minutos no consistômetro
atmosférico, as pastas foram vertidas em copo térmico e cisalhadas em
viscosímetro aplicando-se várias taxas de velocidade, de acordo com a norma
de ensaios reológicos definidas pela API. As leituras foram realizadas
aplicando-se taxas de cisalhamento ascendentes e descendentes a intervalos o
de 10 segundos, mantendo-se a temperatura constante determinadas. As
taxas empregadas foram de 3, 6, 10, 20, 60, 100, 200 e 300 rpm.
36
Diego Brasil Ribeiro
Após a leitura de 3 rpm, aumentou-se a velocidade do rotor para 300
rpm, mantendo-a por 1 min. Em seguida, o motor é desligado e após 10 s, o
mesmo foi novamente ligado acionado a 3 rpm, registrando-se a deflexão
máxima observada (Gi). Desligou-se mais uma vez o motor por 10 min, no fim
do qual o motor foi ligado, registrando-se a deflexão máxima observada (Gf)
(NBR 9831).
3.2.4 Ensaio de resistência a compressão
Para a realização do ensaio as pastas foram preparadas seguindo os
procedimentos de pesagem e mistura após isso as pastas foram vertidas em
três moldes plásticos cúbicos com 50 mm de aresta (FIGURA 15) com a ajuda
de um bastão de vidro, golpeando a pasta removendo assim as bolhas de ar
aprisionadas.
FIGURA 15: Moldes Plásticos
Depois de fechados os moldes foram levados à cura em um banho
termostático da Nova Ética modelo 500/3DE (figura xx), foram utilizadas três
tempos de cura (24h, 48h e 7 dias) nesse trabalho e duas temperaturas (38°C
e 60°C). Após o tempo de cura os moldes foram retirados do banho e
desmoldados, em seguida os corpos de prova foram enxutos e medidas as
suas dimensões com um paquímetro. O ensaio dos corpos de prova foi
realizado em uma maquina de ensaios universal Shimadzu Autograph modelo
AG-I controlada pelo programa TRAPEZIUM 2. (NBR 9831, 2006)
37
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 16: Banho Termostático
3.2.5 Ensaio de consistometria
Este ensaio foi realizado preparando-se as pastas conforme já
mencionado, e em seguida, a pasta foi adicionada a uma célula cilíndrica, onde
também foi colocado um conjunto eixo-palheta. Depois de fechada, a célula,
contendo a pasta de cimento, foi levada ao consistômetro pressurizado
Chandler modelo 8240, e colocada sobre a mesa rotativa dentro da câmara de
pressão. Depois da colocação do termopar e do completo preenchimento da
câmara com óleo, iniciou-se a pressurização e o aquecimento da pasta de
acordo com a NBR 9831, até se atingir uma pressão de 5000 psi (34,5 MPa) e
uma temperatura de 125 ºF (52 ºC), por um período de 28 min. Estes
parâmetros foram mantidos constantes até o final do ensaio, ou seja, até a
pasta de cimento atingir uma consistência de 100 Uc (API, 2000; NBR 9831,
2006).
3.2.6 Ensaio de água livre
Na realização deste ensaio a preparada e homogeneizada conforme já
mencionado. Após de homogeneizada a pasta foi então transferida a massa
de 750± para um erlenmeyer por um período de 2 horas,após esse período de
tempo, o volume de água sobrenadante, foi retirado com auxílio de uma
seringa e transferido para uma proveta.
38
Diego Brasil Ribeiro
%Al = Val x ρ x 100
Mp
Al= Conteúdo de água
Val= volume de fluido sobrenadante
Mp=massa inicial da pasta
P=densidade de pasta gramas por centímetro cúbico
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Caracterização da vermiculita
39
Diego Brasil Ribeiro
Como foi mencionado no capitulo anterior antes de formular as pastas
de cimento contendo vermiculita se faz necessário a caracterização da mesma
a seguir estão apresentados os resultados da caracterização da vermiculita
mícron expandida.
4.1.1 Composição química
Na tabela abaixo esta o resultado da analise química da vermiculita
mícron expandida obtido através da Fluorescência de Raios-X. Podemos
observar que ela apresenta teor significativo de Silício, Magnésio, Alumínio e
Ferro, próprio dos aluminossilicatos e que encontram-se dentro das faixas
estabelecidas para a maioria das vermiculitas de interesse econômico. Em
relação aos outros elementos, a baixa concentração que apresentam, não afeta
a qualidade do concentrado da vermiculita.
TABELA 5: Composição da vermiculita
Mícron Expandida
Elemento %
SiO2 45.650MgO 19.257
Al2O3 11.631Fe2O3 9.548CaO 6.085K2O 3.885SO3 1.467P2O5 0.772TiO2 0.651BaO 0.545
Cr2O3 0.178MnO 0.145NiO 0.125SrO 0.047
Rb2O 0.010
40
Diego Brasil Ribeiro
4.1.2 Difração de raiosX
A TABELA 6 indica as cartas de referência para cada um das
Vermiculitas.
TABELA 6: Identificação das Cartas Cristalográficas
PDF Nome Fórmula 26-0911 Ilita ( K , H3 O ) Al2 Si3 Al O10 ( O H )2 45-1371 Magnésio- Ca2 ( Mg , Fe +2 )4 Al ( Si7 Al ) O22 ( 49-1057 Hidrobiotita K - Mg - Al - Si O2 - H2 O 77-0022 Vermiculita ( Mg2.36 Fe.48 Al.16 ) ( Al1.28 Si2.72
No minério da vermiculita foram identificados os filossilicatos vermiculita
(77-0022) como mineral principal e a hidrobiotida (49-1057) em proporção
elevada, a quantidade elevada de hidrobiotita, segundo De la Calle e Suquest
provém de uma alteração mineralógica na seguinte seqüência: (biotita ou
flogopita) ( vermiculita ) ( esmectita ).
Por ser um argilomineral de camadas interestratificadas, outros minerais
formam identificados através do DRX, além dos mencionados anteriormente.
Pequenas quantidades de Ilita(26-0911), e Magnésio-hornblenda (45-1371).
Na vermiculita mícron expandida (FIGURA 17) observou-se
decomposição principalmente das fases da vermiculita e hidrobiotita e maior
definição dos picos das fases de magnésio-hornblenda, esse resultado é
conseqüência da transformação da mistura de vermiculita com hidrobiotita
decorrente do processo de expansão, que provocou o desequilíbrio na
seqüência de empilhamento desses minerais modificando sua rede cristalina.
41
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 17: Raio-X da Vermiculita micron expandida
4.1.3 Microscopia eletrônica de varredura
O estudo de matérias através da microscopia eletrônica possibilita a
obtenção de informações sobre a morfologia da superfície. Nas FIGURA 18 e
FIGURA 19 é possível visualizar duas micrografias de vermiculita micron
expandida, com aumentos diferentes,nelas pode-se observar claramente o
afastamento das lamelas que é característico desse grupo de materiais após
passar por tratamento térmico de expansão ou esfoliação.
FIGURA 18: Microscopia eletrônica com aumento de 100x
10 20 30 40 50 60
0
2500
5000
7500
10000
12500
15000
MM
M
M
M VHHH
HH
H
V
VV
V
Inte
nsid
ade
(CP
S)
2θ
Vermiculita micron expandida
V_77-0022V
H_49-1057
H
M_45-1371
M
b)
42
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 19: Microscopia eletrônica com aumento de 250x
4.1.4 Densidade da vermiculita expandida
Como já foi descrito a densidade da vermiculita foi obtida através do
método de tentativa e erro onde as pastas de cimento e vermiculita foram
preparas e verificadas suas densidades até que o valor estipulado fosse
confirmado na densidade da pasta, com isso pode se alcançar o valor de
0,80g/cm³.
4.2 Caracterização tecnológica
4.2.1 Ensaios reológicos
Os parâmetros reológicos de viscosidade plástica, limite de escoamento,
gel inicial e gel final estão apresentados na Tabela xx. É importante notar que
não foram realizados testes reológicos com a vermiculita expandida mícron na
concentração de 12 % a temperatura de 27°C porque a pasta ficou muito
viscosa (FIGURA 20), não sendo possível obter as leituras das tensões para
calculo dos parâmetros reológicos.
43
Diego Brasil Ribeiro
FIGURA 20: Pasta de cimento com vermiculita expandida mícron, na concentração de
12 %, durante a medida reológica.
TABELA 7: Parâmetros Reológicos
Viscosidade Plástica (cP)
Limite de Escoamento
lbf/100pé²)
Gel Inicial (lbf/100pé²)
Gel Final (lbf/100pé²)
27°C 52°C 27°C 52°C 27°C 52°C 27°C 52°C
3% 9,90 6,91 4,15 2,54 3 3 5 5
6% 28,06 15,30 7,42 8,55 4 6 7 12
9% 64,74 39,60 22,71 18,79 12 9 13 17
12% -- 157,75 -- 29,22 -- 22 -- 32
Com relação à viscosidade plástica a adição de vermiculita mícron teve
o mesmo efeito nas duas temperaturas como pode ser visto no FIGURA 21. A
um aumento na viscosidade à medida que aumenta a concentração de
vermiculita. Esse aumento pode ser atribuído a vermiculita absolver água, o
que leva a um aumento no atrito entre as partículas presentes na pasta. Outro
ponto a ser observado e já esperado era que as pastas ensaiadas na
temperatura aquecida apresentam menores valores de viscosidade plástica.
44
Diego Brasil Ribeiro
3% 6% 9% 12%0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
Visc
osid
ade
Pla
stic
a (c
P)
Concentraçمo de vermiculita
27°C 52°C
FIGURA 21: Viscosidade Plástica
O limite de escoamento das pastas aumenta com o aumento da
concentração de vermiculita, esse aumento e mostrado na FIGURA 22.
3% 6% 9% 12%0
5
10
15
20
25
30
Lim
ite d
e E
scoa
men
to lb
f/100
pé²)
Concentraçمo de vermiculita
27°C 52°C
FIGURA 22: Limite de Escoamento
Foi observado que a menor concentração da vermiculita expandida
adicionada a pasta de cimento não promoveu alteração significativa nos
valores de limite de escoamento. A partir da adição de 9 % de vermiculita
expandida observa-se um aumento mais acentuado, nas duas temperaturas
estudadas.
Os valores de gel inicial e gel final estão expostos nas figuras FIGURA
23FIGURA 24.
45
Diego Brasil Ribeiro
3% 6% 9% 12%0
5
10
15
20
25
Gel
Inic
ial (
lbf/1
00pé
²)
concentraçمo de vermiculita
27°C 52°C
FIGURA 23: Gel Inicial
3% 6% 9% 12%
5
10
15
20
25
30
35
Gel
Fin
al (l
bf/1
00pé
²)
Concentraçمo de vermiculita
27°C 52°C
FIGURA 24: Gel Final
Pode ser observado que tanto os valores de gel inicial e gel final
aumentam com o aumento da concentração de vermiculita, é importante
observar também que os valores de Gi e Gf para a mesma concentração na
temperatura ambiente, entretanto para a temperatura aquecida esses valores
se tornam mais distantes devido ao efeito da temperatura que acelera a
cinética de hidratação do cimento.
4.2.2 Ensaio de resistência a compressão ´ Os dados de resistência à compressão das pastas aditivadas com
vermiculita expandida para os tempos de cura de 24 h, 48 h e 7 dias
46
Diego Brasil Ribeiro
encontram-se na TABELA 8: Valores de resistência a compressão. É possível
observar que à medida que se aumenta a concentração de vermiculita há uma
pequena diminuição nos valores provavelmente provocada pelo aumento de
bolhas de ar agregadas e presas as suas lamelas.
TABELA 8: Valores de resistência a compressão
24 hs 48 hs 7 dias
38°C 60°C 38°C 60°C 38°C 60°C
3% 4,47 5,51 5,33 8,83 8,81 11,36
6% 3,27 4,93 4,89 5,62 8,04 7,13
9% 2,98 4,41 4,91 4,79 7,42 7,51
12% 4,00 4,77 4,76 5,52 6,75 7,86
4.2.3 Ensaio de consistometria
Os resultados dos tempos de espessamento das pastas são
apresentados na TABELA 9. É notório que o aumento da concentração de
vermiculita aumenta a consistência inicial da pasta. Porém os tempos totais
não foram influenciados pela adição de vermiculita. Pois ela não participa da
reação química de hidratação do cimento.
As pequenas variações no tempo de pega das pastas provavelmente
estão ligadas a diminuição do fator água/cimento, ou seja, aumento da massa
de cimento.
TABELA 9: Tempo de espessamento
Espessamento 0% 3% 6% 9% 12%
0% 12 15 20 20 22
47
Diego Brasil Ribeiro
25% 13 15 25 30 22
50% 14 15 25 30 24
75% 30 25 25 30 30
50Uc 105min 105min 103min 97min 90min
100Uc 120min 115min 110min 100min 98min
4.2.4 Ensaio de água livre
Os resultados de água livre à temperatura ambiente estão descritos na
TABELA 10: Volume de água livre TABELA 10. As pastas estudadas
apresentaram alto percentual de volume de água livre e esses valorem
diminuem com o aumento da concentração de vermiculita. Fato este explicado
pela grande absorção de água pela vermiculita o que a prende na pasta
TABELA 10: Volume de água livre
% água livre
Vermiculita Micron
3 % 28,92 6 % 21,75 9 % 12,87
12 % 4,00
48
Diego Brasil Ribeiro
5 CONCLUSÕES
Com relação a adição de vermiculita mícron expandida podemos
concluir que:
• Por absorver a água da pasta a adição de vermiculita promove o
aumento da viscosidade das pastas à medida que se aumenta a
concentração;
• Além da viscosidade plástica o aumento da concentração de vermiculita
expandida promove o aumento de todos os demais parâmetros
reológicos;
• A adição de vermiculita expandida promove uma pequena diminuição
nas propriedades mecânicas das pastas, causado pelo aumento das
bolhas de ar nas pastas;
• Houve uma pequena variação nos tempos de espessamento, mas
essas variações não estão ligadas a adição de vermiculita, pois ela não
participa da cinética de reação de hidratação;
• O volume de água livre diminui com o aumento da concentração de
vermiculita expandida, devido à grande absorção de águas por esse
argilomineral.
49
Diego Brasil Ribeiro
6 REFERENCIAS
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