caracterização experimental de pastas de cimento reforçadas

Caracterização Experimental de Pastas de Cimento Reforçadas com Fibras de PVA e Polipropileno

Carlos Felipe Pereira Rodrigues

]

Rio de Janeiro

Março de 2014

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia de Petróleo da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.

Orientadores:

Reila Vargas Velasco

Paulo Couto

ii

CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DE PASTAS DE CIMENTO

REFORÇADAS COM FIBRAS DE PVA E POLIPROPILENO


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA DE PETRÓLEO DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO DE PETRÓLEO

Examinado por:

________________________________________________________

Profª. Reila Vargas Velasco, D. Sc.

________________________________________________________

Prof. Paulo Couto, D. Eng.

________________________________________________________

Prof. Romildo Dias Toledo Filho, D. Sc.

________________________________________________________

Profª. Vivian Karla Castelo Branco Louback Machado Balthar, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL MARÇO DE 2014

iii

Rodrigues, Carlos Felipe Pereira

Caracterização Experimental de Pastas de Cimento Reforçadas com Fibras de PVA e Polipropileno /Carlos Felipe Pereira

Rodrigues. – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2014.

XII, 91 p.: il.; 29,7 cm.

Orientadores: Reila Vargas Velasco, Paulo Couto

Projeto de Graduação – UFRJ/Escola Politécnica/ Curso de

Engenharia de Petróleo, 2014.

Referências Bibliográficas: p.76 – 78.

1. Introdução. 2. Cimentação de Poços de Petróleo. 3. Programa Experimental. 4. Métodos de Ensaio. 5. Apresentação e análise de Resultados. 6. Conclusões. I. Velasco, Reila et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia de Petróleo. III. Caracterização Experimental de Pastas de Cimento Reforçadas com

Fibras de PVA e Polipropileno

iv

AGRADECIMENTOS

Agradeço aos meus pais, por terem me dado condições de cursar na UFRJ, por

serem presentes na minha vida e nunca deixarem me faltar nada.

À minha mãe Almira, e às minhas avós, que sempre acreditaram no meu

potencial, me incentivaram, não deixando eu desistir do meu objetivo.

À minha namorada Silvana, que sempre esteve ao meu lado, me incentivando e

confortando nos momentos difíceis.

Aos amigos e familiares que foram compreensivos e entenderam minha ausência

nesse período, além de terem me dado apoio para continuar o projeto.

Ao professor Romildo, que acreditou em mim e propôs o tema desenvolvido no

trabalho. E pela genialidade em resolver problemas que pareciam sem solução.

Às professoras e co-orientadoras, Reila e Vivian, que sempre estiveram

dispostas a ajudar, e nunca desistiram, mesmo nos momentos difíceis do projeto. Devo

grande parte do trabalho à elas, pela dedicação e paciência em me ensinar e tirar

dúvidas.

Ao coordenador Paulo Couto, por sempre esclarecer dúvidas e atender a pedidos,

mesmo com prazos apertados.

Aos técnicos do LABEST Eduardo, Clodoaldo, Alessandro, Júlio, Renan e

Rodrigo que estavam sempre dispostos a me ajudar nos ensaios.

Aos colegas do LABEST, pelas conversas e descontração durante as esperas

entre ensaios.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro de Petróleo.

Caracterização Experimental de Pastas de Cimento Reforçadas

com Fibras de PVA e Polipropileno


Março/2014

Orientadores: Reila Vargas Velasco

Paulo Couto

Curso: Engenharia de Petróleo

A indústria do petróleo tem se deparado com desafios para a exploração e

produção nas regiões do pré-sal. As características dessa camada tornam inviável o

emprego de pastas cimentícias convencionais na cimentação. A forma de ruptura frágil

das pastas convencionais proporciona uma maior formação de fraturas na bainha

cimentícia, que pode comprometer a sua vedação hidráulica, principalmente em poços

com formações mal consolidadas e salinas. Para a cimentação primária de poços nessas

condições torna-se necessário o emprego de pastas com alta capacidade de deformação.

Para este fim, neste trabalho foram desenvolvidas e caracterizadas experimentalmente

pastas reforçadas com fibras de PVA e de polipropileno com diferentes teores (0,50% e

0,75%). As pastas foram avaliadas no estado fresco, pelos ensaios de fluido livre, massa

específica aparente e mini-espalhamento. No estado endurecido, as pastas foram

avaliadas pelos ensaios de estabilidade, compressão uniaxial e tração na flexão. Os

resultados dos experimentos apontam os benefícios do reforço fibroso no fluido livre e

estabilidade, enquanto a massa específica não foi alterada. O valor de resistência à

compressão não foi alterado de forma expressiva com a utilização do reforço fibroso. Os

maiores benefícios observados foram nas curvas carga versus deslocamento obtidas a

partir dos ensaios de resistência à tração na flexão, na região pós-fissuração, onde as

fibras proporcionaram maior capacidade de absorção de energia às pastas.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Petroleum Engineer.

Mechanical Characterization of Cement Slurries Reinforced with

PVA and Polypropylene Fibers


March/2014

Advisor: Reila Vargas Velasco

Paulo Couto

Course: Petroleum Engineering

The oil industry has been facing challenges for exploration and production in the

regions of the pre-salt reservoirs. The characteristics of the salt formation make use of

conventional cement pastes in cementing, unfeasible. The form of brittle fracture of

conventional pastes provides increased formation of cracks in the cement sheath that

can compromise your hydraulic seal especially in wells with poorly consolidated and

salt formations. For the primary cementing of wells in these conditions it becomes

necessary to use pastes with a high deformation capacity that can be provided by the use

of fibrous reinforcement. For this purpose, this study developed and characterized

experimentally pastes reinforced with PVA and polypropylene levels ( 0.50 % and 0.75

% ) fibers. The fresh pastes were evaluated in the tests of free fluid, density and mini-

slump. In the hardened state, the pastes were evaluated for stability tests, uniaxial

compression and bending tests. The experimental results show the benefits of fiber

reinforcement in stability and in the free fluid, while the density was not altered. The

maximum compression strength was not changed significantly with the use of fibrous

reinforcement. The greatest benefits were seen in the load versus displacement curves

obtained from the tests of tensile strength in bending, the post-rupture region, where the

pastes reinforced with fibers showed higher capacity of energy absorption.

vii

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................... 1

1.1 Motivação .......................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ............................................................................................................ 2

1.3 Estrutura do Trabalho ........................................................................................ 3

CAPÍTULO 2 CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO ...................................... 4

2.1 Introdução .......................................................................................................... 4

2.1.1 Cimentação Primária ............................................................................................ 6

2.1.2 Cimentação Secundária ........................................................................................ 8

2.1.3 Equipamentos usados na cimentação .................................................................. 10

2.2 Pasta Cimentícia .............................................................................................. 11

2.2.1 Aditivos e adições para pastas cimentícias ......................................................... 12

2.3 Operações que requerem pastas cimentícias especiais .................................... 14

2.3.1 Cimentação em grandes profundidades .............................................................. 14

2.3.2 Poços Alta pressão e temperatura (HPHT) ........................................................ 15

2.3.3 Poços em zonas de sal ......................................................................................... 16

2.4 Reforço fibroso em pastas cimentícias ............................................................ 17

2.4.1 Comportamento reológico ................................................................................... 18

2.4.2 Resistência à compressão .................................................................................... 20

2.4.3 Resistência à tração na flexão............................................................................. 21

CAPÍTULO 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL ........................................................ 23

3.1 Caracterização dos Materiais ........................................................................... 23

3.1.1 Cimento ............................................................................................................... 23

3.1.2 Sílica 325# ........................................................................................................... 26

3.1.3 Aditivo Superplastificante ................................................................................... 27

3.1.4 Agente Modificador de Viscosidade .................................................................... 28

3.1.5 Fibra de Polipropileno ........................................................................................ 28

3.1.6 Fibra de PVA ....................................................................................................... 30

3.1.7 Água .................................................................................................................... 31

3.2 Dosagens das Pastas ......................................................................................... 32

3.2.1 Ensaio de Compatibilidade e Ponto de Saturação .............................................. 32

3.2.2 Dosagem da pasta de Referência ........................................................................ 36

3.2.3 Dosagem das Pastas com Reforços Fibrosos ...................................................... 37

3.3 Preparo das Pastas ............................................................................................ 38

viii

3.4 Cura das Pastas ................................................................................................ 40

CAPÍTULO 4 MÉTODOS DE ENSAIO ..................................................................... 42

4.1 Ensaios das Pastas no Estado Fresco ............................................................... 42

4.1.1 Massa Específica Aparente ................................................................................. 42

4.1.2 Fluido Livre ......................................................................................................... 43

4.1.3 Mini-Espalhamento ............................................................................................. 45

4.1.4 Reologia .............................................................................................................. 46

4.2 Ensaios das pastas no estado endurecido ......................................................... 47

4.2.1 Estabilidade ......................................................................................................... 47

4.2.2 Resistência à Compressão Uniaxial .................................................................... 48

4.2.3 Resistência à Tração na Flexão .......................................................................... 50

CAPÍTULO 5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS ........................ 54

5.1 Propriedades das Pastas no Estado Fresco ....................................................... 54

5.1.1 Massa Específica Aparente ................................................................................. 54

5.1.2 Fluido Livre ......................................................................................................... 55

5.1.3 Ensaio de Mini-espalhamento ............................................................................. 56

5.1.4 Ensaio de Reologia .............................................................................................. 58

5.2 Propriedades das Pastas no Estado Endurecido ............................................... 59

5.2.1 Estabilidade ......................................................................................................... 59

5.2.2 Compressão Uniaxial .......................................................................................... 62

5.2.3 Tração na Flexão ................................................................................................ 67

CAPÍTULO 6 CONCLUSÕES .................................................................................... 74

ix

Lista de Figuras

Figura 1 - Esquema de revestimento de poços (THOMAS et al., 2004). ......................... 5

Figura 2 – Divisões do anular e suas interfaces ( BEZERRA, 2006). .............................. 6

Figura 3– Poço com falha na cimentação primária (Adaptado de THOMAS et al.,

2004). ........................................................................................................................ 8

Figura 4 - Esquema dos equipamentos básicos de cimentação (Adaptado de

MITCHELL et al, 2006). ........................................................................................ 11

Figura 5 – Esquema da camada pré-sal. ......................................................................... 17

Figura 6 – Curvas de velocidade versus viscosidade de pastas (FAGUNDES, 2012). .. 19

Figura 7 - Equipamento Shimadzu Modelo EDX 800. .................................................. 24

Figura 8 – Picnômetro a gás AccPYC 1330. .................................................................. 25

Figura 9 - Granulômetro a laser Malvern Mastersizer. .................................................. 25

Figura 10 - Distribuição granulométrica das partículas de cimento (FAGUNDES, 2008).

................................................................................................................................. 26

Figura 11 – Sílica 325#. .................................................................................................. 26

Figura 12 - Aditivo Superplastificante Hormitec - SP430 (Anchortec). ........................ 27

Figura 13 - VMA - Rheomac UW 410(BASF). .............................................................. 28

Figura 14 - Fibra de Polipropileno. ................................................................................ 28

Figura 15 – Fibras de polipropileno (a) Análise da seção transversal; (b) Análise da

seção longitudinal (BARGHIGIANI, 2013). .......................................................... 29

Figura 16 - Fibra de PVA. .............................................................................................. 30

Figura 17 – Fibras de PVA: (a) Análise da seção transversal; (b) Análise da seção

longitudinal (BARGHIGIANI, 2013). .................................................................... 31

Figura 18 - Deonizador e tanque de armazenamento de água. ....................................... 31

Figura 19 – Ensaio de Compatibilidade e Ponto de Saturação: (a) Funil e base; (b)

Proveta graduada; (c) Ensaio sendo realizado. ....................................................... 33

Figura 20 - Curvas de tempo de escoamento versus teor de aditivo da pasta ................ 35



Figura 23 – Equipamentos (a) balança digital; (b) misturador; (c) Espátula e Funil ..... 39

Figura 24 – (a) Câmara úmida; (b) banho de rampa; (c) Banho de armazenamento. .... 41

Figura 25 - Balança de Lama Convencional. ................................................................. 42

Figura 26 - Ensaio de Água livre – Erlenmeyer e Proveta graduada. ............................ 43

x

Figura 27 - Consistômetro atmosférico. ......................................................................... 44

• Figura 28 – Ensaio de espalhamento ( a) funil invertido; (b) vertendo pasta. ........ 45

Figura 29 – Viscosímetro rotativo Fann......................................................................... 46

Figura 30 – Ensaio Estabilidade: (a) Moldes; (b) divisão do corpo de prova; (c) ensaio

sendo realizado. ....................................................................................................... 48

Figura 31 – Compressão Uniaxial: (a) Maquina Shimadzu UH-F 1000kN; (b)

configuração do ensaio. ........................................................................................... 49

Figura 32 – Tração na Flexão: (a) Maquina Shimadzu AGX 100KN; (b) Setup do

ensaio. ...................................................................................................................... 51

Figura 33 – Determinação da tenacidade na flexão (Tb)................................................ 52

Figura 34 - Espalhamento: (a) Pasta PP0,50 sem VMA; (b) Pasta PP0,50 com 0,025%

de VMA; (c) Pasta PP0,50 com 0,050% de VMA; (d) Pasta PP0,50 com 0,100% de

VMA. ...................................................................................................................... 56

Figura 35 – Espalhamento das pastas: (a) PR; (b) PP0,50; (c) PP0,75. ......................... 58

Figura 36 - Curvas típicas tensão versus deformação da pasta de referência e das pastas

reforçadas com fibras de polipropileno. .................................................................. 62

Figura 37 – Modos de ruptura da pasta PP0,50%. ......................................................... 64

Figura 38 – Modos de ruptura da pasta PP0,75%. ......................................................... 64

Figura 39 - Curvas típicas tensão versus deformação da pasta de referência e das pastas

reforçadas com fibras de PVA. ............................................................................... 65

Figura 40 – Modos de ruptura da pasta PVA0,50%. ...................................................... 66

Figura 41 – Modos de ruptura da pasta PVA0,75%. ...................................................... 66

Figura 42 – Curvas carga versus deslocamento das pastas reforçadas com fibra de

polipropileno. .......................................................................................................... 67

Figura 43 – Modos de ruptura dos corpos de prova: (a) Pasta PP0,50%; (b) Pasta

PP0,75%. ................................................................................................................. 69

Figura 44 – Curvas carga versus deslocamento das pastas reforçadas com fibra de PVA.

................................................................................................................................. 70

Figura 45 - Modos de ruptura dos corpos de prova: (a) Pasta PVA0,50%; (b) Pasta

PVA0,75%. ............................................................................................................. 71

Figura 46 - Curvas tensão versus deformação da PR: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d)

................................................................................................................................. 81

Figura 47 - Curvas tensão versus deformação da pasta PP0,50%: (a) CP01; (b) CP02;

(c) CP03; (d) CP04. ................................................................................................. 82

xi

Figura 48 - Curvas tensão versus deformação da pasta PP0,75%: (a) CP01; (b) CP02;

(c) CP03; (d) CP04; (e) CP05. ................................................................................ 83

Figura 49 - Curvas tensão versus deformação da pasta PVA0,5%: (a) CP01; (b) CP02;

(c) CP03; (d) CP04; (e) CP05; (f) CP06, (g) CP07; (h) CP08. ............................... 84

Figura 50 - Curvas tensão versus deformação da pasta PVA0,75%: (a) CP01; (b) CP02;

(c) CP03; (d) CP04; (e) CP05. ................................................................................ 85

Figura 51 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PR: (a) CP01; (b) CP02; (c)

CP03; (d) CP04; (e) CP05; (f) CP06. ...................................................................... 87

Figura 52 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PP0,50%: (a) CP01; (b) CP02;

(c) CP03. ................................................................................................................. 88

Figura 53 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PP0,75%: (a) CP01; (b) CP02;

(c) CP03; (d) CP04; (e) CP5; (f) CP6. .................................................................... 89

Figura 54 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PVA0,50%: (a) CP01; (b) CP02;

(c) CP03; (d) CP04; (e) CP5; (f) CP6. .................................................................... 90

Figura 55 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PVA0,75%: (a) CP01; (b) CP02;

(c) CP03; (d) CP04; (e) CP5; (f) CP6. .................................................................... 91

xii

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Composição química do cimento CPP classe G. .......................................... 24

Tabela 2 - Características do superplastificante Hormitec 430. ..................................... 27

Tabela 3 - Características físicas das fibras de polipropileno. ....................................... 29

Tabela 4 - Características das fibras de PVA. ................................................................ 30

Tabela 5 - Pastas avaliadas inicialmente. ....................................................................... 34

Tabela 6 – Composição da pasta referência PR325. ...................................................... 36

Tabela 7 - Composição da pasta de referência com VMA(PR). ................................... 37

Tabela 8 – Composição das pastas com fibra de PVA. .................................................. 38

Tabela 9 – Composição das pastas com fibra de polipropileno. .................................... 38

Tabela 10 - Resultados de Massas Específicas Aparentes. ............................................ 55

Tabela 11 - Resultados ensaios de fluido livre. .............................................................. 56

Tabela 12 – Resultados de mini-espalhamento. ............................................................. 57

Tabela 13 - Propriedades reológicas da pasta PR325 (27ºC). ........................................ 59

Tabela 14 – Resultados de estabilidade. ......................................................................... 60

Tabela 15 – Resultados de estabilidade das pastas com VMA e com fibras. ................. 61

Tabela 16 – Valores médios das propriedades mecânicas na compressão uniaxial da

pasta de referência e das pastas reforçadas com fibras de polipropileno. ............... 63

Tabela 17 - Valores médios das propriedades mecânicas na compressão uniaxial da

pasta de referência e das pastas reforçadas com PVA. ........................................... 65

Tabela 18 – Valores médios das propriedades mecânicas na tração na flexão da pasta de

referência e das pastas reforçadas com polipropileno. ............................................ 68

Tabela 19 - Valores médios das propriedades mecânicas na tração na flexão da pasta de

referência e das pastas reforçadas com PVA. ......................................................... 70

Tabela 20 – Valores médios dos índices de tenacidade de acordo com a norma japonesa.

................................................................................................................................. 72

Tabela 21 – Valores médios dos índices de tenacidade para um deslocamento limite de

0,5mm. ..................................................................................................................... 73

1

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ______________________________________________________________________

1.1 Motivação

A cimentação de poços de petróleo é uma operação fundamental durante a

perfuração de um poço. A cada fase perfurada é necessário que seja feita a cimentação

da área entre a formação e o revestimento. A cimentação do espaço anular deve garantir

o isolamento hidráulico entre a formação e o revestimento, além de promover

estabilidade estrutural ao poço para a operação de perfuração continue com segurança.

A pasta de cimentação deve ser bombeada no estado fluido por dentro do revestimento

até o espaço anular, onde a pasta cimentícia vai sofrer a pega e endurecer. Devido a

grandes variações de pressão e temperatura que um poço é submetido, as pastas

cimentícias devem ser dosadas e confeccionadas para cada tipo de poço.

A pasta cimentícia convencional normalmente tem baixa ductilidade, possuindo

baixa capacidade de deformação e com modo de ruptura frágil. Esta propriedade a torna

mais suscetível a falhas e fissuras, que afetam a integridade da bainha de cimento,

comprometem a segurança do poço podendo diminuir a vida útil do anular. Com a

depletação de poços em áreas mais rasas e o aumento da demanda de produção de

petróleo, nasce uma necessidade de perfurar poços em zonas mais complexas. Para a

perfuração de poços em formações frágeis, pouco consolidadas, zonas salinas e poços

de alta pressão e temperatura, é necessário dosar e produzir pastas com características

especiais, que garantam sua integridade no estado endurecido.

Portanto, as condições do poço perfurado são determinantes para a realização do

projeto de uma pasta cimentícia. Atualmente, existe uma grande variedade de materiais

no mercado para aplicação em pastas para cimentação de poços de petróleo. Entre tais

materiais, alguns tipos de fibras têm sido adotados para o combate à perda de circulação

em poços. Adicionalmente, a fibra consiste em um material que, ao ser adicionado em

matrizes cimentícias, proporciona benefício em sua capacidade de deformação.

O uso de fibras em pastas cimentícias modifica o modo de ruptura da pasta. As

pastas cimentícias sem adição de fibras apresentam um modo de ruptura frágil, ou seja,

2

quando as fissuras são abertas, há a possibilidade de perda de fluidos e até mesmo o

desmoronamento do anular para dentro do poço. Por outro lado, as pastas fibrosas têm

uma maior capacidade de deformação, o que garante um maior controle de fissuração e

evita sua ruptura frágil. Este comportamento mais dúctil das pastas com a adição de

fibras beneficia a durabilidade do anular e diminui as falhas na cimentação primária,

evitando assim a necessidade de uma cimentação secundária.

1.2 Objetivos

Os objetivos gerais desse trabalho foram o desenvolvimento e caracterização

experimental de pastas cimentícias dúcteis com uso de fibras de polipropileno e fibras

de álcool polivinílico (PVA).

As pastas foram confeccionadas com cimento Portland CPP classe G e sílica

325#, como materiais granulares. A sílica 325# consiste em quartzo finamente moído

(SiO2) e é um material bastante utilizado em pastas de cimentação de poços de petróleo.

Este tipo de sílica é utilizado em pastas cimentícias para combater a retrogressão de

resistência. A perda de capacidade resistente de pastas cimentícias ocorre em poços ao

longo de sua vida útil, geralmente, quando submetidos a temperaturas superiores a

230ºF (110ºC) (CAMPOS et al, 2002). O uso dessa sílica ajuda a diminuir a perda de

resistência e manter a matriz cimentícia íntegra por mais tempo, gerando um melhor

aproveitamento e maior vida útil da cimentação do poço.

Além dos materiais granulares, as pastas foram compostas de água e

superplastificante Hormitec. O superplastificante foi adotado para possibilitar uma

redução na relação água-cimento da pasta, beneficiando o seu desempenho mecânico

sem prejudicar sua capacidade de bombeamento.

A pasta de referência dosada foi reforçada com fibras para promover um

aumento de sua capacidade de deformação. Foram usadas as fibras de polipropileno e

PVA de 6mm de comprimento, ambas nos teores de 0,50% e 0,75% (em substituição ao

volume de pasta).

3

As pastas foram caracterizadas no estado fresco por meio de ensaios de água

livre, massa específica e miniabatimento. Enquanto no estado endurecido as pastas

foram submetidas aos ensaios de estabilidade, compressão uniaxial e tração na flexão.

1.3 Estrutura do Trabalho

Este trabalho está organizado em seis capítulos:

O capítulo 1 faz uma breve introdução ao tema, apresentando a motivação, os

objetivos e a estrutura do trabalho.

O Capítulo 2 apresenta uma introdução sobre cimentação de poços e a revisão

bibliográfica sobre as cimentação de poços em zonas de maior demanda de uma pasta

de cimentação com mais capacidade de deformação além de uma revisão bibliográfica

sobre os materiais utilizados em pastas de cimentação, dando foco nos materiais usados

no projeto.

O Capítulo 3 aborda o programa experimental com foco na caracterização dos

materiais, mostrando o método de dosagem e preparo das pastas.

O Capítulo 4 apresenta todos os métodos de ensaios adotados para a avaliação

experimental das pastas.

O Capítulo 5 mostra os resultados obtidos em cada ensaio para todas as pastas

em estudo, incluindo discussões e considerações a partir dos resultados.

No Capítulo 6 encontram-se as conclusões a partir dos resultados obtidos nos

ensaios.

4

CAPÍTULO 2 CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO ______________________________________________________________________

2.1 Introdução

A cimentação primária faz parte da etapa de perfuração de um poço de petróleo

e consiste no preenchimento do espaço anular formado entre o revestimento e a parede

do poço. A cimentação é necessária para a fixação do revestimento à formação e

promove o isolamento entre a coluna de revestimento e a formação, impedindo a

passagem de fluidos não desejados. Além disso proporciona estabilidade mecânica ao

poço, sendo de extrema importância no processo de perfuração do poço. Durante a

perfuração de um poço existem operações que desempenham um importante papel,

começando pela perfuração em si, passando por alargamento, repassamento, conexões e

manobras e terminando com o revestimento do poço e a cimentação do anular.

O poço é perfurado em fases, cujo número depende das características das zonas

a serem perfuradas e da profundidade final prevista. Cada fase possui um diâmetro

diferente, que é reduzido ao longo da profundidade e determinado pela broca utilizada

na perfuração. Além da rotação, raspagem e trituração da broca tem-se o auxílio do

fluido de perfuração, cuja função é fornecer a pressão hidrostática no interior do poço

suficiente para mantê-lo estável,de forma que a pressão da formação não exceda o seu

limite de ruptura. Geralmente o número de fases de um poço é de três ou quatro. Cada

uma das fases é concluída com a descida de uma coluna de revestimento e sua

cimentação (THOMAS et al., 2004).

Pode-se calcular o número de fases e o comprimento das colunas de

revestimento utilizando os dados da janela operacional do poço. Enquanto a composição

das colunas é determinada em função das solicitações previstas durante a descida no

poço e ao longo de sua vida útil. O limite inferior da janela operacional é o maior valor

entre as curvas de pressão de poros e a pressão de colapso inferior da formação, e

determina o menor peso de fluido possível. A curva de pressão de fratura superior

estabelece o limite superior e limita o peso máximo de fluido.

5

Resumindo, caso o peso do fluido de perfuração seja menor que o mínimo

permitido ocorrerá a entrada de fluidos da formação para o interior do poço, fenômeno

chamado kick. Agora, se o fluido de perfuração tiver um peso específico maior que o

permitido, a pressão do poço irá exceder a pressão de fratura da formação, fraturando a

formação e causando a perda de circulação, que é a entrada do fluido de perfuração na

formação. Essa perda de circulação faz com que a pressão hidrostática do poço diminua

através da redução do nível do fluido de perfuração, causando também um kick.

Como explicitado na Figura 1 os revestimentos consistem em: tubo condutor,

revestimento de superfície, revestimento intermediário, revestimento de produção e

liner de produção.

Figura 1 - Esquema de revestimento de poços (THOMAS et al., 2004).

Tubo Condutor: é o primeiro revestimento e o menor em extensão, assentado a

pequena profundidade, a fim de sustentar sedimentos superficiais não consolidados. A

principal função é evitar que as formações rasas sejam contaminadas pelo fluido de

perfuração. Outra função dele é dar suporte estrutural aos outros revestimentos, ao BOP

e à cabeça de poço.

Revestimento de Superfície: tem seu comprimento variando entre 100m a

600m descido após o tubo condutor e visa proteger os horizontes superficiais de água de

contaminação pelo fluido de perfuração, óleo ou gás e prevenir o desmoronamento de

formações inconsolidadas. Além de também prover suporte estrutural ao poço.

Revestimento intermediário: tem como objetivo isolar e proteger zonas de alta

ou baixa pressão, zonas de perda de circulação, formações desmoronáveis, formações

6

portadoras de fluidos corrosivos ou contaminantes de lama. Esse revestimento permite o

uso de um fluido mais leve para perfuração de zonas mais profundas.

Revestimento de produção: é o ultimo revestimento do poço, posicionado para

permitir a produção do poço, suportando suas paredes e possibilitando o isolamento

entre os vários intervalos produtores.

Liner de produção: é uma coluna curta de revestimento cimentada no poço

visando cobrir apenas a sua parte inferior, podendo substituir o revestimento

intermediário e o de produção.

Após a descida da coluna de revestimento, finalmente ocorre a cimentação do

poço, onde geralmente o espaço anular entre a tubulação de revestimento e as paredes

do poço é preenchido com pasta cimentícia. A cimentação é realizada para fixar a

tubulação e evitar que haja migração de fluidos entre as diversas zonas permeáveis

atravessadas pelo poço, sendo feita através do bombeio de pasta cimentícia que é

deslocada através da própria tubulação de revestimento. Na Figura 2 está apresentado o

esquema das divisões do anular e suas interfaces.

Figura 2 – Divisões do anular e suas interfaces ( BEZERRA, 2006).

2.1.1 Cimentação Primária

A cimentação primária ocorre a partir do preenchimento do anular existente

entre a coluna de revestimento e a formação com uma pasta cimentícia. É considerada

uma das operações mais importantes na perfuração e consiste na mistura e injeção da

pasta cimentícia dentro dos tubos de revestimento até o anular, onde desloca o fluido de

perfuração presente e preenche o anular. Ao endurecer a pasta cimentícia adere à

tubulação e à formação, promovendo o isolamento da região.

7

Antes da cimentação do poço, alguns parâmetros são importantes e devem ser

levados em consideração, como: a profundidade e tamanho do poço; o tamanho da

coluna de revestimento por onde passará a coluna de produção e a coluna de pasta; a

pressão do reservatório; o tipo de poço e as condições das formações. O fluido de

perfuração deve ser circulado a uma taxa de bombeamento igual ou superior a

velocidade de perfuração, para dar condições e limpeza ao poço. Na cimentação de

poços de gás, a pasta cimentícia deve ser circulada pelo tempo necessário para remover

todo o gás nela contido. Alguns requisitos da pasta também devem ser atendidos, como

baixa viscosidade, densidade suficiente para não fraturar a formação nem permitir a

queda da pressão interna do poço, além de utilizar a menor quantidade possível de

elementos químicos agressivos ao meio ambiente (SMITH, 1990).

A partir da configuração do anular é determinado o regime de bombeamento e a

característica reológica das pastas. A densidade do fluido de perfuração indica a

densidade mínima e compatível da pasta de cimento utilizada e as condições do poço

vão determinar os tipos de aditivos que deverão ser utilizados. Os dados de temperatura

e pressão do poço completam as informações necessárias para a realização do projeto de

pasta mais adequado para cada situação.

Mesmo com todos cuidados é comum a ocorrência de falhas na cimentação

primária (Figura 3). As falhas mais comuns são fissuras e presença de vazios na pasta,

que requerem procedimentos de correção (cimentação secundária) e aumentam o custo

do poço. O encarecimento da exploração propicia a necessidade de pesquisar e

desenvolver novas pastas mais eficazes para cada tipo de uso, diminuindo as falhas e

aumentando a durabilidade da cimentação.

8

Figura 3– Poço com falha na cimentação primária (Adaptado de THOMAS et al., 2004).

2.1.2 Cimentação Secundária

A cimentação secundária consiste em quaisquer operações de cimentação

corretivas realizadas no poço após a execução da cimentação primária. As operações de

cimentação secundárias consistem em tampões de cimento, recimentação e compressão

de cimento.

Os tampões de cimento são realizados quando há perda de circulação, abandono

definitivo ou temporário do poço, isolamento de zonas inferiores, entre outros. O seu

objetivo é isolar alguma zona de interesse particular. A pasta é bombeada para o trecho

alvo com o objetivo de vedar (tamponar) a área. Segundo BEZERRA (2006), os

mesmos são empregados em alguns casos específicos, tais como:

- Perda de circulação de produção de petróleo por motivo desconhecido: neste caso,

o poço é isolado por meio de um tampão de cimento e investigações são realizadas para

identificação do problema;

- Abandono definitivo do poço: quando um poço não apresenta mais produção

suficiente ou apresenta alguma falha grave de estabilidade;

9

- Abandono temporário do poço: quando um poço ora possui boa produção, ora não

compensa sua exploração. Esse tipo de poço recebe tampões temporários, que são

rompidos posteriormente por meio de operações de perfuração;

- Operação de desvio de poço: poços direcionais podem ser perfurados a partir de

poços verticais a partir de certa profundidade. Nesse caso, ocorre a execução do tampão

no poço vertical, onde o redirecionamento do poço ocorre acima do tampão;

- Compressão de cimento: a falha de um trecho da cimentação que apresenta

vazamento (petróleo, gás e/ou água), mas que apresenta estabilidade mecânica é

corrigida por meio da compressão de cimento, que também adota tampões de cimento.

A recimentação é realizada por meio da circulação da pasta cimentícia por trás do

revestimento, através dos canhoneios. Se não for possível a circulação da pasta realiza-

se o squeeze.

A compressão de cimento (squeeze) consiste na injeção forçada de um pequeno

volume de pasta cimentícia sob pressão. A área é isolada e a pressão é aplicada a partir

da superfície para forçar a pasta a penetrar todos os vazios de forma eficaz. A pasta é

projetada especificamente para cada tipo de problema, seja uma microfissura ou um

grande vazio. Por isso, o tipo de pasta cimentícia adotada é muito importante, e um

projeto mal feito pode não solucionar completamente o problema e selar todos os

vazios.

É importantíssima a efetividade da vedação hidráulica entre os intervalos

produtores, uma cimentação deficiente ou até mesmo a inexistência de cimentação em

alguns pontos podem causar muitos prejuízos, tanto a nível econômico, técnico e de

segurança. Se ocorrer a comunicação entre os fluidos ocorrerá produção de fluidos

indesejáveis, perda de circulação (kicks), causando prejuízo no controle de

reservatórios.

10

2.1.3 Equipamentos usados na cimentação

Os elementos básicos usados na cimentação e completação de poços são:

- Plugues de Borracha – Os plugues de borracha são divididos entre plugues de topo e

de fundo. São utilizados para impedir que a pasta cimentícia entre em contato com os

fluidos anteriores ou posteriores, durante o deslocamento da pasta no interior do

revestimento. Outra utilidade desses plugues é a remoção do fluido de perfuração que

possa ter ficado na parede da tubulação de revestimento ou no fundo do poço;

- Colar Flutuante – São posicionados uma a três juntas acima da sapata flutuante. A

função desse colar é impedir o refluxo de cimento para dentro da tubulação de

revestimento.

- Centralizador – É utilizado para otimizar o deslocamento da pasta pelo anular,

melhorando a centralização da tubulação de revestimento em relação ao espaço do poço.

- Limpador de revestimento – Este equipamento serve para limpeza interna do

revestimento, possui uma raspadeira helicoidal que contem fios flexíveis que rodam

axialmente quando o fluido escoa pela seção tubular do revestimento.

- Sapata Flutuante – São utilizadas para auxiliar a passagem das tubulações através do

poço, assim como controlar a passagem de fluido pela tubulação.

Na Figura 4 está explicitado o esquema dos equipamentos usados na cimentação.

11

Figura 4 - Esquema dos equipamentos básicos de cimentação (Adaptado de MITCHELL et al, 2006).

2.2 Pasta Cimentícia

Os cimentos são essencialmente produzidos a partir de uma mistura de calcário e

argila. O cimento Portland, fundamental para a construção civil, resulta da moagem de

um produto denominado clínquer, obtido pelo cozimento até fusão incipiente da mistura

de calcário e argila convenientemente dosada e homogeneizada, à qual é adicionada

pequena quantidade de gesso (sulfato de cálcio) (THOMAS et al., 2004).

O cimento é o principal constituinte das pastas para cimentação de poços de

petróleo. O American Petroleum Institute (API) classificou os cimentos Portland em

classes, que são designadas pelas letras de A a J. As classes mais utilizadas atualmente

são a G e H, pois são compatíveis com aditivos aceleradores ou retardadores de pega e

podem ser usados praticamente em todas as condições previstas para os cimentos das

demais classes.

12

A pasta cimentícia é desenvolvida para suportar condições severas de

temperatura e pressão além da possível presença de fluidos corrosivos. A temperatura

sofre grande variação ao longo do poço, podendo estar abaixo de 0ºC ou acima de

300ºC em certos pontos. Além da grande variação de pressão que pode chegar até

30000 psi em poços mais profundos.

Além de resistir a altas pressões e temperaturas, a pasta deve ser projetada para

que no estado fresco apresente densidade, trabalhabilidade, tempo de espessamento,

perda de fluido e desenvolvimento de resistência em acordo com às necessidades do

poço. Além disso, a pasta não pode sofrer pega durante seu bombeamento, apresentar

água livre, deve preencher todo o espaço anular e precisa apresentar resistência ao

influxo de fluido. Após endurecer, a pasta deve resistir aos ataques químicos do

ambiente, apresentar propriedades mecânicas que suportem as tensões geradas ao longo

de todas as operações executadas e proporcionar o isolamento do revestimento

(BOSMA et al., 1999).

Segundo MITCHELL et al (2006), ao determinar as características e

desempenho de uma pasta, são recomendados os testes de temperatura, pressão,

resistência a compressão e tração, reologia e durabilidade.

2.2.1 Aditivos e adições para pastas cimentícias

Os principais aditivos utilizados para modificar as propriedades das pastas

cimentícias são os seguintes: aceleradores de pega, retardadores de pega, estendedores,

adensantes, dispersantes, controladores de filtrado, controladores de perda de

circulação, agente de retrogração de resistência entre outros.

A demanda por novos aditivos com propriedades especiais e alto desempenho

continua aumentando. Estas exigências incluem fatores como a faixa de densidade de

aplicação, estabilidade térmica, economia, faixa de viscosidade, taxa de solubilidade,

sinergismo com co-aditivos e resistência à variabilidade do cimento (MITCHELL et al,

2006).

Aceleradores de pega: encurtam o tempo de reação para o endurecimento da pasta. No

caso de pastas de cimentação, promovem uma redução no tempo de espessamento e um

13

aumento na taxa de desenvolvimento de resistência à compressão da pasta. São

utilizados em casos que requer uma pasta de baixa densidade ou em formações de baixa

temperatura.

Retardadores de pega: os cimentos utilizados em cimentação de poços, API classes

A,C,G e H, não permanecem fluidos o período necessário para seu bombeamento para

aplicações em poços acima de 38°C (100°F). Para aumentar esse tempo é necessário

utilizar aditivos retardadores de pega.

Estendedores: são utilizados para reduzir a densidade da pasta ou aumentar o

rendimento, já que possuem peso específico inferior ao do cimento e permitem a

redução da quantidade deste material na pasta. Pastas cimentícias convencionais

normalmente têm o peso específico superior a 15lbm/gal. Os poços com ocorrência de

severas perdas de circulação e aqueles perfurados em formações com baixa pressão de

fratura necessitam do uso de estendedores para reduzir a pressão hidrostática da coluna

de fluido durante a cimentação.

Adensantes: são utilizados para aumentar a densidade da pasta de cimentação para

controle ou poços de alta pressão. É necessário o uso de adensantes para ultrapassar

densidade de 17lbm/gal.

Dispersantes: são usados em pastas de cimentação para melhorar as propriedades

reológicas relacionadas ao escoamento das pastas, reduzindo a viscosidade aparente, o

limite de escoamento e a força gel. São usados principalmente para diminuir a fricção

durante o bombeamento. Reduzem a pressão de bombeamento de superfície e a potência

necessária para bombear a pasta para dentro do poço, e diminuem a pressão exercida

sobre as formações frágeis, possivelmente evitando perda de circulação.

Controladores de filtrado: combatem a perda de água da pasta para a formação e

mantêm a coesão da pasta, retendo a água em seu interior.

Controladores de perda de circulação: materiais que ajudam a controlar a perda de

pasta para as formações em contato com o poço.

Agente de retrogressão de resistência: são adições e não aditivos, incorporados às

pastas de cimento, com o objetivo de evitar e/ou reduzir o fenômeno de regressão de

14

resistência, que ocorre com frequência em poços geotérmicos ou que sejam submetidos

a ciclos de injeção de vapor para incremento da recuperação secundária de petróleo.

2.3 Operações que requerem pastas cimentícias especiais

O objetivo de toda cimentação é que seja perfeita e não sejam necessárias

operações de correção, ou seja, cimentação secundária. Para isso deve-se principalmente

projetar uma pasta ideal para cada condição enfrentada.

O aumento da complexidade da operação como em poços com grande

profundidade, alta temperatura, alta pressão, formações pouco consolidadas ou salinas

demanda pastas de alto desempenho.

2.3.1 Cimentação em grandes profundidades

As operações de cimentação em grandes profundidades são muito mais críticas

que às de poços rasos. O que aumenta a necessidade de melhores revestimentos e maior

qualidade da cimentação. Segundo SMITH (1990) a cada nova profundidade, diferentes

condições serão exigidas do projeto, dentre elas:

• Altas temperaturas, zonas super pressurizadas e áreas com diversos tipos

de fluidos corrosivos, exigindo um maior isolamento e pastas de baixa

permeabilidade;

• Aumento no comprimento do revestimento, diminuição dos espaços

anulares e dificuldades de mover as tubulações durante a cimentação;

• Altas cargas sobre as tubulações, influenciando as cargas que deverão ser

suportadas pela bainha de cimento;

• Longos intervalos de tempo entre tirar a broca e descer as tubulações de

revestimento antes da cimentação, o que exige um maior tempo de pega

da pasta;

• Sistema de fluidos de perfuração muito mais pesados;

15

• Maiores dificuldades em selar o topo dos liners para evitar a canalização

de gás.

Ainda de acordo com SMITH (1990) em poços de grande profundidade a

diferença de temperatura do fundo para a cabeça do poço pode ser maior que 40 °C,

portanto a utilização de retardadores de pega é fundamental nas operações de

cimentação. Para minimizar problemas em linhas longas de cimentação e/ou zonas de

formações frágeis e evitar a perda de parte ou todo cimento para as formações,

ferramentas de controle devem ser adotadas, como a cimentação em etapas. Nestas

formações a pressão hidrostática dos fluidos somada à pressão de fricção não devem

exceder o gradiente de fratura da formação.

O conhecimento da temperatura do poço é um fator primordial na seleção dos

aditivos químicos a serem utilizados numa operação de cimentação de poços profundos.

Uma superestimava da temperatura dos poços devido a sua alta profundidade pode levar

o engenheiro a projetar erroneamente as pastas, acarretando em falhas e até em

fissurações na bainha cimentante.

2.3.2 Poços Alta pressão e temperatura (HPHT)

Assim como os poços profundos, existem poços com grande variação do

gradiente de pressão ou temperatura ao longo da profundidade do poço. Segundo

ROCHA e AZEVEDO (2008), um poço é definido como HPHT caso tenha temperatura

de fundo superior a 150ºC (300ºF) e pressão de poros superior a 15lb/gal ou que exija o

uso de um BOP (Blow Out Preventer) com pressão requerida acima de 10.000 psi.

Quando submetido a temperaturas superiores a 110ºC, o cimento Portland

hidratado apresenta perda significativa de resistência à compressão e este fenômeno

conhecido por regressão da resistência (MEHTA e MONTEIRO, 1994). A retrogressão

de resistência ainda não é bem conhecido, e é tema de muitos trabalhos o seu

funcionamento e suas possíveis consequências para bainha de cimento de poços

(BEZZERA, 2006).

O principal composto responsável pela resistência mecânica à compressão do

cimento Portland é o C-S-H que apresenta estrutura parcialmente cristalina (MEHTA e

16

MONTEIRO, 1994). Com o aumento da temperatura, observa-se a desidratação do

cimento Portland, ocorrendo mudança de fase no C-S-H, sendo responsável pelo

fenômeno da retrogressão de resistência. Para minimizar os efeitos da retrogressão de

resistência, a indústria da cimentação de petróleo adiciona sílica cristalina em até 40%

de substituição do cimento com o objetivo de incrementar a reação pozolânica

(NELSON et al, 1990 e HEWLETT et al, 2004).

A adição de sílica cristalina, na forma de pó de sílica (silica flour) ou na forma

de areia de sílica (silica sand) modifica a trajetória deste processo natural da conversão

e vem sido utilizada na indústria para combater a retrogressão de resistência. De um

modo geral, pode-se afirmar que a redução da retrogressão de resistência pode ser

conseguida por meio da redução da relação CaO/SiO2 na pasta de cimento. É por isso

que é adotada a adição de sílica como forma de se reduzir tal relação. Pastas com

relação CaO/SiO2 inferior a 1 apresentam baixa retrogressão de resistência e baixa

permeabilidade (NELSON et al, 1990). A diferença entre o pó de sílica e a areia de

sílica está em sua granulometria. Enquanto o pó de sílica apresenta partículas inferiores

a 75µm, a areia de sílica apresenta partículas entre 75µm e 210µm (BEZERRA, 2006).

2.3.3 Poços em zonas de sal

A zona de sal em campos produtores atuam como armadilhas (traps),

aprisionando o petróleo contido em formações abaixo da zona salina (Figura 5). Esse

conceito possibilitou a descoberta de reservas na zona do pré-sal em altíssimas

profundidades, o que aumentou a demanda por novas pastas de alta performance. As

rochas salinas encontradas em zonas petrolíferas possuem estruturas cristalinas. Suas

deformações são dependentes do tempo quando submetidas a dado nível de tensão

cisalhante.

17

Figura 5 – Esquema da camada pré-sal.

As zonas de sal submetem os poços a grandes tensões devido às suas

características elasto-plásticas. Operacionalmente, isso pode causar a redução

progressiva do diâmetro do poço, enforcamento da broca de perfuração, prisão da

coluna, podendo levar ao fechamento do poço, além de desvios na trajetória do poço. É

necessário o uso de pastas com elevada capacidade de absorver energia para suportar as

altas tensões impostas pelas zonas salinas. Para se obter esse tipo de pasta com alta

capacidade de deformação é utilizado a adição de fibras em sua composição. A seguir

será apresentada uma revisão bibliográfica sobre características de pastas fibrosas.

2.4 Reforço fibroso em pastas cimentícias

No Laboratório de Estruturas e Materiais do PEC/COPPE/UFRJ foram e estão

sendo desenvolvidos trabalhos em que são estudadas adições de fibras em matrizes

cimentícias. Dentre as fibras adotadas estão as de polipropileno, de aço, PVA,

volastonita e sisal. Para esse trabalho em específico serão utilizadas as fibras de PVA e

Polipropileno em diversas concentrações em uma pasta de referência especificada

previamente.

A pasta de cimento Portland convencional, misturado a densidade normal, tem

baixa ductilidade, tornando-a frágil. Esta propriedade o torna mais suscetível a fissuras

18

pós-cimentação. Materiais fibrosos sintéticos são frequentemente adicionados para

tornar a pasta mais dúctil e para reduzir os efeitos da quebra ou destruição parcial da

pasta na perfuração ou por outras tensões no fundo do poço. Materiais fibrosos

transmitem tensões localizadas mais uniformemente por toda a pasta, melhorando assim

a resistência ao impacto e à quebra. Fibras de nylon com comprimento de até 1mm têm

sido comumente usadas porque são resistentes, conferindo resistência à impacto e à

tração. Látex particulado também atua melhorando a ductilidade da pasta e na

resistência à flexão, sendo utilizado em concentrações de até 5% em substituição ao

volume de massa cimentícia. Mais recentemente, foi relatado que fibras a base de sílica

melhoram a resistência à compressão, à flexão e tração (MITCHEL et al, 2006).

Foi verificado que as fibras têm sido empregadas como reforço em concretos e

pastas para que fossem aumentadas suas capacidades de deformação. Ao aumentar a

capacidade de deformação das pastas consegue-se prevenir e melhorar a perda de

circulação além de servir como uma boa solução para cimentação em formações pouco

consolidadas.

O anular cimentado é submetido a condições extremas, e como o cimento após

endurecer possui um comportamento frágil, podem ocorrer fraturas prematuras. Além

disso, as próprias operações de perfuração e completação podem causar danos à

cimentação e à formação. A fim de prevenir a perda de circulação é comum a utilização

de materiais que possam formar redes sobre as fraturas e poros. Sendo assim

importantíssimo o estudo de novas fibras para melhorar o desempenho da cimentação

em áreas cada vez mais complicadas como no pré-sal.

2.4.1 Comportamento reológico

A incorporação de fibras à matriz cimentícia prejudica o comportamento

reológico da pasta, diminuindo a trabalhabilidade, o que pode causar um aumento da

porosidade da pasta. Fatores como relação de aspecto e tipo de fibra são importantes nas

propriedades reológicas das misturas. Segundo VELASCO (2008) a relação de aspecto

é dada pela relação entre o comprimento da fibra e seu diâmetro (l/d), o desempenho do

compósito é diretamente proporcional a relação de aspecto da fibra. Para se obter

19

maiores acréscimos nas propriedades é necessário o uso de fibras que possuam uma

maior relação de aspecto.

Quanto maior for o comprimento da fibra, maior será também a influência na

perda de fluidez da pasta. Como para cimentação de poços é necessário que a pasta

tenha uma boa trabalhabilidade para que seja bombeada e não entupa os equipamentos

de poço, a escolha da fibra certa é essencial para o sucesso da cimentação, ficando

restrito o uso de fibras curtas, normalmente abaixo de 12mm de comprimento.

BALTHAR (2010) testou pastas com diferentes teores de fibras de polipropileno

e chegou a conclusão que teores superiores a 0,75% tornam a pasta inviável para uso em

cimentação de poços.

FAGUNDES (2012) realizou ensaios de reologia para três pastas diferentes, a

primeira sem adição de fibra e outras duas com adição de 0,25% e 0,50% no volume de

fibras de polipropileno. Determinou assim que quanto mais aumentou a concentração de

fibras na mistura, maior foi a viscosidade e assim menor sua trabalhabilidade e maior a

tensão de fricção da pasta, dificultando o bombeamento da mesma. Os resultados estão

apresentados na Figura 6.

50 100 150 200 250

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Vis

co

sid

ad

e (

mP

a.s

)

Velocidade (rpm)

PR

PP0,25

PP0,50

Figura 6 – Curvas de velocidade versus viscosidade de pastas (FAGUNDES, 2012).

BARGHIGIANI (2013) realizou ensaios de reologia para cinco pastas

diferentes, incluindo pastas com adição de fibra de polipropileno e de PVA nos teores

de 0,50% e 0,75% em substituição ao volume de material cimentício. A pasta de

referência sem adição de fibras teve o limite de escoamento determinado em 17,09Pa.

20

As reforçadas com fibras de PVA nas concentrações de 0,50% e 0,75% tiveram o limite

de escoamento em 79,02Pa e 106,40Pa, respectivamente. Enquanto as que levaram

reforço com fibras de polipropileno tiveram o limite de escoamento calculado em

150,48Pa e 348,24Pa, para as concentrações de 0,50% e 0,75% respectivamente. Com

isso viu que a fibra de Polipropileno tem maior impacto na viscosidade da pasta.

2.4.2 Resistência à compressão

O maior efeito das fibras sobre o comportamento das pastas sobre compressão

acontece após o início da fissuração. As fibras na pasta ligam as superfícies das fissuras,

criando pontes de tensões, que retarda a propagação das fissuras e previne uma falha

catastrófica com a fragmentação do corpo de prova. O efeito sobre a resistência à

compressão com o uso de fibra é variado.

A adição das fibras pode acarretar uma maior viscosidade na pasta, diminuindo a

trabalhabilidade o que pode aumentar porosidade nas pastas e diminuir a resistência à

compressão e o modulo de elasticidade do material. De outra forma, o uso de fibra pode

causa o efeito de confinamento da matriz, diminuindo a segregação da pasta, podendo

resultar em um aumento de resistência à compressão.

Mesmo que tenha uma diminuição na resistência, a adição de fibras promove um

aumento na capacidade de absorção de energia do material, tornando a pasta mais dúctil

após a fissuração. Isto evita a formação de fraturas maiores e o colapso do corpo de

prova.

MORRIS et al. (2003) estudaram as propriedades mecânicas de diferentes pastas

de cimento, entre elas pastas com adição de látex e fibras. Com a adição do látex,

ocorreu uma grande melhora no comportamento elástico, mas também houve uma perda

inversamente proporcional para resistência à compressão. Enquanto com a adição de

fibras poliméricas houve uma melhora no comportamento elástico e somente uma

pequena variação na resistência. Utilizando um teor de 0,40% de fibras de polímero, a

resistência da pasta de referência que era de 5,24GPa ficou em 5,07Kpsi, enquanto o

módulo de elasticidade passou de 5,48Kpsi para 2,56GPa, confirmando que a adição de

fibras tornou a pasta mais dúctil. Além disso, MORRIS et al (2003) também fizeram

21

uma análise qualitativa comparando a pasta de referência e três pastas com diferentes

teores de fibra (0,20%, 0,40% e 0,60%). O resultado dessa análise mostra que o teor de

0,4% seria o ideal para evitar a quebra, deterioração e desagregação do cimento durante

uma tarefa de perfuração, salientando também que o teor de 0,40% não ocorreu nenhum

incoveniente durante a mistura das pastas.

BALTHAR (2010) determinou a resistência à compressão uniaxial com pastas

de cimentação leve para diferentes teores de fibras de PVA e polipropileno. A análise

estatística para as pastas com 0,50% e 1,00% de fibras de PVA determinou que não

houve mudança significativa nos resultados de tensão de ruptura, módulo de

elasticidade, coeficiente de Poisson, deformação axial e deformação lateral em relação

aos resultados obtidos para pasta de referência sem fibras. As misturas com adição de

0,50% e 0,75% de polipropileno apresentaram uma diminuição de 17,1% e 17,6% na

resistência à compressão em relação a pasta de referência. Além disso, o reforço de

0,50% e 0,75% de polipropileno provocou ,respectivamente, reduções no módulo de

elasticidade de 11,5% e 6,2%.

FAGUNDES (2012) realizou ensaios de compressão uniaxial para pastas de

cimentação utilizando cimento e silica ativa como material cimentício com reforço

fibroso. Os ensaios foram feitos para três tipos de pastas, a pasta de referência sem

adição de fibra e pastas com adição de 0,25% e 0,50% de polipropileno. Observou-se

que com a adição de 0,50% não aconteceu mudança na resistência à compressão em

relação a pasta de referência. Em contra partida com 0,25% de polipropileno houve uma

queda de 11,8% nessa propriedade. Podendo ser explicado por algum erro durante o

processo do ensaio, como problema de concentração de tensões causado por falha no

faceamento. O módulo de elasticidade não sofreu alteração significativa para nenhuma

das três pastas.

2.4.3 Resistência à tração na flexão

A pasta de cimentação tem um comportamento frágil, com baixa ductilidade e

com a resistência à tração bem menor que à compressão. Materiais fibrosos são

utilizados em adição à pasta para torna-la mais dúctil. As fibras inseridas na matriz

cimentícia funcionam como pontes, que transmitem as tensões entre as fissuras,

22

aumentando a capacidade de deformação e a resistência à quebra e ao impacto. Após a

fissuração da matriz, as fibras servem para diminuir a velocidade de propagação,

evitando uma ruptura frágil, aumentando a energia necessária para que ocorra a ruptura

do material.

Além do aumento de tenacidade, a diminuição da propagação das fissuras

proporcionada pelo uso das fibras provoca uma diminuição da porosidade e

permeabilidade da bainha de cimento, aumentando a resistência da pasta à entrada de

fluidos e agentes agressivos, melhorando o isolamento da coluna de revestimento e

aumentando a durabilidade da cimentação.

BALTHAR (2010) determinou a resistência à tração na flexão de pastas de

cimentação leves com diferentes teores de fibras de PVA e polipropileno. Os resultados

mostraram que a tensão de primeira fissura diminuiu em 26,7% e 10,7%

respectivamente, para os teores de 0,50% e 1,00% de PVA. Foi obtida, também uma

máxima tensão de pós-fissuração de 97% do valor de tensão de primeira fissura, com a

concentração de 1,00% de fibra de PVA. Para as pastas reforçadas com polipropileno,

os resultados indicaram uma redução de 30,7% na tensão de primeira fissura para ambas

concentrações de 0,50% e 0,75%. Além disso, a adição de 0,75% permitiu alcançar uma

máxima tensão pós-fissuração igual ao resultado referente à carga de primeira fissura.

Um aumento na ductilidade foi conseguido para todas as pastas com reforços fibrosos,

sendo maior a medida que foi aumentada a concentração de fibras, para ambas as fibras,

com vantagem para fibra de PVA.

FAGUNDES (2012) determinou a resistência à tração na flexão de pastas de

cimentação com adição de 0,25% e 0,50% de fibras de polipropileno. Verificou-se que,

com o aumento do teor de fibra de polipropileno na pasta, houve um sensível

decréscimo na resistência à tração na flexão. De acordo com a análise estatística não

houve diferença significativa entre os módulos de ruptura das pastas de referência e com

adição de 0,25% de polipropileno. No entanto, com adição de 0,50% de polipropileno

houve um decréscimo de 25,7% para essa propriedade. Os módulos de elasticidade das

pastas com 0,25% e 0,50% de polipropileno foram respectivamente iguais a 88,1% e

71,4% do valor alcançado pela pasta de referência.

23

CAPÍTULO 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL ______________________________________________________________________

Neste capítulo serão apresentados os materiais utilizados para a confecção das

pastas de alto desempenho, incluindo as suas propriedades e métodos de caracterização.

Também será apresentado o procedimento de dosagem das pastas e as metodologias de

preparo, condicionamento e cura das pastas.

3.1 Caracterização dos Materiais

No trabalho foram utilizados os seguintes materiais para o desenvolvimento das

pastas: (i) Cimento Portland CPP Classe G, produzido pela Holcim; (ii) Sílica 325#; (iii)

Aditivo Superplastificante Hormitec, produzido pela Anchortec; (iv) Agente

modificador de viscosidade – VMA, Rheomac UW 410 produzido pela empresa BASF;

(v) Fibras de polipropileno de 6mm, NeoFibra, da empresa Neomatex; (vi) Fibras de

PVA de 6mm, Kuralon, da empresa Kurakay; (vii) Água deionizada proveniente da rede

de abastecimento da cidade do Rio de Janeiro. A seguir veremos com mais detalhes os

materiais utilizados.

3.1.1 Cimento

Foi utilizado o cimento Portland CPP classe G produzido pela Holcim.

Atualmente este é o cimento mais utilizado para confecção de pastas para cimentação de

poços por ser capaz de suportar as severas condições de pressão e temperatura nos

poços de petróleo. O cimento classe G, fabricado em conformidade com a norma API,

pode ser utilizado sem aditivos até profundidades de 2440m.

Na Tabela 1 está a composição química do cimento classe G, em teor de óxidos,

determinada por análises semiquantitativas realizadas por espectroscopia por

fluorescência de energia dispersiva de raios-X. O ensaio foi realizado no equipamento

24

Shimadzu, modelo EDX 800, do Laboratório de Estruturas e Materiais da COPPE/UFRJ

(Figura 7).

Figura 7 - Equipamento Shimadzu Modelo EDX 800.

Tabela 1 – Composição química do cimento CPP classe G.

Composto químico Composição (%)

SiO2 15,79

Al2O3 3,52

Fe2O3 5,57

CaO 69,04

K2O 0,58

SO3 4,02

SrO 0,28

TiO2 0,21

MnO 0,09

NaO2 0,38

Perda ao fogo 0,99

A massa específica do cimento é de 3,24g/cm3 (27,0 lb/gal). O ensaio para

determinar a massa específica foi realizado no Picnômetro a gás AccuPyc 1330

(Micromeritics), no LABEST/COPPE/UFRJ (Figura 8).

25

Figura 8 – Picnômetro a gás AccPYC 1330.

A distribuição granulométrica do cimento foi realizado no aparelho Malvern

Mastersizer, do Laboratório de Estruturas e Materiais da COPPE/UFRJ (Figura 9). Por

ser inerte quimicamente, o álcool etílico absoluto P.A. foi adotado como fluido

dispersante. O diâmetro abaixo do qual se situam 50% das partículas (D50) do cimento é

de 19,1 µm. Na Figura 10 está apresentado o gráfico do ensaio de distribuição

granulométrica.

Figura 9 - Granulômetro a laser Malvern Mastersizer.

Figura 10 - Distribuição granulométrica das partículas de cimento (FAGUNDES, 2008).

3.1.2 Sílica 325#

A sílica 325# (Figura

considerada um pó de sílica

(VENTRUZ, 2014). Como sua numeração já determina, essa sílica é formada por

quartzo moído finamente e passado em peneira de

representa o tamanho de 44µm, o

partículas(D90) possuam diâmetro abaixo de 44µm.

Distribuição granulométrica das partículas de cimento (FAGUNDES, 2008).

Figura 11) é uma sílica inerte, composta basicamente por SIO

considerada um pó de sílica, normalmente, com garantia de pureza de

. Como sua numeração já determina, essa sílica é formada por

quartzo moído finamente e passado em peneira de malha número 325

representa o tamanho de 44µm, ou seja, espera-se que, praticamente, quase

) possuam diâmetro abaixo de 44µm.

Figura 11 – Sílica 325#.

26

Distribuição granulométrica das partículas de cimento (FAGUNDES, 2008).

e, composta basicamente por SIO2,

tia de pureza de 99%

. Como sua numeração já determina, essa sílica é formada por

malha número 325 (mesh), que

, quase todas as

27

3.1.3 Aditivo Superplastificante

Foi inserido em todas as pastas o Hormitec SP430 (Figura 12), um aditivo

superplastificante da empresa Anchortec. A base de sua formulação é de naftaleno e é

um aditivo líquido de segunda geração. Na Tabela 2 estão representadas as

características do produto.

Tabela 2 - Características do superplastificante Hormitec 430.

Base Formulação Naftaleno

Massa Específica (kg/dm3) 1,20 - 1,22

pH 7,5 a 8,5

Teor de Sólidos (%) 39,0 a 42,0

Figura 12 - Aditivo Superplastificante Hormitec - SP430 (Anchortec).

3.1.4 Agente Modificador

Para evitar alta segregação e exsudação nas pastas testadas foi utilizado um agente

modificador de viscosidade

composto quimicamente por polímeros de celulose de alto peso molecular. O nome

comercial deste agente modificador de

Rheomac UW 410 (Figura

Figura

3.1.5 Fibra de Polipropileno

A fibra de polipropileno utilizada foi a NeoFibra , da empresa Neomatex (

14). Essa fibra é composta por filamentos de polipropileno extremamente finos obtidos

através de extrusão. Eles recebem tratamentos superficiais que facilitam a dispersão no

concreto e depois são cortados

6mm de comprimento.

odificador de Viscosidade

segregação e exsudação nas pastas testadas foi utilizado um agente

modificador de viscosidade (VMA). O VMA é um aditivo em pó fino e branco


comercial deste agente modificador de viscosidade fabricado pela empresa BASF é

Figura 13).

Figura 13 - VMA - Rheomac UW 410(BASF).

Fibra de Polipropileno

A fibra de polipropileno utilizada foi a NeoFibra , da empresa Neomatex (

). Essa fibra é composta por filamentos de polipropileno extremamente finos obtidos


concreto e depois são cortados em comprimentos variados. O tamanho utilizado foi o

Figura 14 - Fibra de Polipropileno.

28

segregação e exsudação nas pastas testadas foi utilizado um agente

. O VMA é um aditivo em pó fino e branco


a empresa BASF é

A fibra de polipropileno utilizada foi a NeoFibra , da empresa Neomatex (Figura

). Essa fibra é composta por filamentos de polipropileno extremamente finos obtidos


em comprimentos variados. O tamanho utilizado foi o de

29

A Tabela 3 apresenta as características físicas das fibras, informadas pelo

fabricante. O fabricante declara ainda que essa fibra tem excelente resistência alcalina, é

imputrescível, não enferruja, sendo quimicamente inerte.

Tabela 3 - Características físicas das fibras de polipropileno.

Comprimento (mm) 6

Diâmetro (µm) 12

Massa Específica (g/cm3 – lb/gal) 0,94 – 7,85

Ponto de fusão (ºC - ºF) 160 - 320

Ponto de Ignição (ºC - ºF) 365 - 689

Relação de aspecto (1/d) 500

Através do ensaio de microscopia realizado por BARGHIGIANI (2013) não foi

possível determinar o valor do diâmetro e a forma da seção transversal das fibras ao

observá-las transversalmente (Figura 15a). No entanto, ao observá-las

longitudinalmente foi possível confirmar o diâmetro médio fornecido pelo fabricante

(Figura 15b).

(a) (b)

Figura 15 – Fibras de polipropileno (a) Análise da seção transversal; (b) Análise da seção longitudinal (BARGHIGIANI, 2013).

30

3.1.6 Fibra de PVA

A fibra de PVA utilizada foi a de nome comercial KURALON, modelo RMH182

com 6mm de diâmetro da empresa KURARAY (Japão) (Figura 16). Esta fibra é

composta por filamentos de PVA extremamente finos.

Figura 16 - Fibra de PVA.

De acordo com a Tabela 4 seguem as características da fibra informadas pelo

fabricante:

Tabela 4 - Características das fibras de PVA.

Comprimento (mm) 6

Diâmetro da fibra (µm) 14

Peso específico (g/cm3 – lb/gal) 1,3 – 10,85

Tensão de escoamento (MPa) 1900

Elasticidade (%) 5%

Módulo de Young (GPa) 43

Na Figura 17a é possível observar que as fibras de PVA também apresentaram

danos em suas seções transversais ao serem cortadas. Com a análise da seção

longitudinal da fibra foi possível analisar o diâmetro da fibra, conforme mostrado na

Figura 17b, onde é possível observar que a fibra apresenta diâmetro médio compatível

com o valor fornecido pelo fabricante (BARGHIGIANI, 2013).

31

(a) (b)

Figura 17 – Fibras de PVA: (a) Análise da seção transversal; (b) Análise da seção longitudinal (BARGHIGIANI, 2013).

3.1.7 Água

A água utilizada em todas as pastas foi proveniente da rede de abastecimento da

cidade do Rio de Janeiro, passando por três diferentes filtragens mecânicas e pelo

processo de deionização. Após o processo de filtragem e deonização, a água é

armazenada em um tanque de PVC de 30 litros (Figura 18).

Figura 18 - Deonizador e tanque de armazenamento de água.

32

3.2 Dosagens das Pastas

A composição onde ocorre o melhor desempenho de pastas de cimentação que

utilizam sílica 325# é entre 35% a 40% de sílica e 100% de cimento, nos teores de

massa (MIRANDA, 2008). Portanto utilizou-se na pasta de referência o cimento CPP

classe G e a sílica 325#, nos teores de 100% e 37% respectivamente. Em seguida, foram

determinados os teores de água e do superplastificante Hormitec, simultaneamente,

realizando os ensaios de compatibilidade e ponto de saturação entre os materiais

cimentícios e o aditivo. Segundo MIRANDA (2008), em pastas com cimento e sílica

325# o teor ótimo de água fica entre 30% e 40%. Portanto as relações entre água-

cimento utilizadas foram de 0,30, 0,35 e 0,40 e, em seguida, foram feitas as curvas de

tempo de escoamento versus teor de aditivo para determinar a melhor relação água-

material cimentício (a/mc) e o teor ótimo de aditivo.

3.2.1 Ensaio de Compatibilidade e Ponto de Saturação

O objetivo desse ensaio é verificar a compatibilidade entre os materiais

cimentícios e o superplastificante utilizado, determinando também o teor ótimo de

superplastificante, ou seja, o ponto de saturação da pasta. Essas características são

avaliadas por um gráfico do tempo de escoamento versus a porcentagem de aditivo. O

ponto de saturação é definido a partir do qual a adição de aditivo não fornece uma

redução significativa no tempo de escoamento. Para realização do ensaio foi utilizado o

Funil de Marsh com sua base (Figura 19a), onde a pasta é inserida e escoa em uma

proveta graduada em até 1000 ml (Figura 19b). Marca-se o tempo do escoamento da

mesma pasta nos intervalos de tempo: 10min, 30min e 60min. Na Figura 19c pode ser

visto o ensaio sendo realizado.

(a)

Figura 19 – Ensaio de Compatibilidade e Ponto de Saturação: (a) Funil e base; (b) Proveta graduada; (c)

O procedimento realizado

• Pesagem e homogeneização dos materiais cimentícios em um saco

plástico;

• Pesagem do superplastificante e da água diretamente no copo do

misturador;

• Ajuste do misturador para 2970rpm

homogeneizados em um tempo de até 1 minuto;

• Após inserção dos materiais cimentícios, deixar o misturador

funcionamento por 8minutos;

• Após 8 minutos, desligar o misturador e deixar

e 30s;

• Depois desse tempo, religa

• Inserir toda pasta no funil com o orifício

de toda pasta no

cronometrar o tempo até a pasta atingir a marca de 1000ml na proveta;

• Após medição, deixar a pasta num béquer fechado com plástico e em

repouso, até a próxima leitura;

(b)

Ensaio de Compatibilidade e Ponto de Saturação: (a) Funil e base; (b) Proveta graduada; (c) Ensaio sendo realizado.

O procedimento realizado para o ensaio está apresentado a seguir.

Pesagem e homogeneização dos materiais cimentícios em um saco

Pesagem do superplastificante e da água diretamente no copo do

o misturador para 2970rpm, e inserção dos materiais

izados em um tempo de até 1 minuto;

Após inserção dos materiais cimentícios, deixar o misturador

cionamento por 8minutos;

Após 8 minutos, desligar o misturador e deixar a pasta repousar por 1min

Depois desse tempo, religa-se o misturador por 10 segundos;

Inserir toda pasta no funil com o orifício inferior fechado. Após inserção

toda pasta no funil, liberar o orifício para fluxo do material e


Após medição, deixar a pasta num béquer fechado com plástico e em

até a próxima leitura;

33

(c)

Ensaio de Compatibilidade e Ponto de Saturação: (a) Funil e base; (b) Proveta graduada; (c)

está apresentado a seguir.

Pesagem e homogeneização dos materiais cimentícios em um saco

Pesagem do superplastificante e da água diretamente no copo do

, e inserção dos materiais

Após inserção dos materiais cimentícios, deixar o misturador em

a pasta repousar por 1min

o misturador por 10 segundos;

inferior fechado. Após inserção

liberar o orifício para fluxo do material e


Após medição, deixar a pasta num béquer fechado com plástico e em

34

• Repetir o mesmo procedimento para os intervalos de 30 e 60 minutos.

Antes de cada intervalo, a pasta deve ser homogeneizada com uma

espátula e levada ao misturador por 10 segundos.

Como dito anteriormente, os ensaios de compatibilidade e ponto de saturação

foram realizados em pastas com relação água-material cimentício de 0,30, 0,35 e 0,40.

Na Tabela 5 estão apresentados os teores de água, cimento e sílica 325# das pastas

avaliadas.

Tabela 5 - Pastas avaliadas inicialmente.

Materiais Teores dos Materiais (% da massa em relação ao cimento)

a/mc = 0,30 a/mc = 0,35 a/mc = 0,40

CPP Classe G

Sílica 325#

Água

100

37

30

100

37

35

100

37

40

Após feitos os ensaios, foi determinado que a melhor relação a/mc é de 0,40

devido ao comportamento observado das curvas, percebeu-se que houve uma menor

variação do tempo de escoamento entre os diferentes intervalos de leitura para o mesmo

teor de aditivo. O teor de aditivo considerado ótimo foi de 0,50%, percebe-se que não

houve muita mudança nas curvas utilizando teores superiores. Essa pasta de referencia

inicial foi nomeada como PR325.

Na Figura 20 pode ser observado o gráfico de tempo de escoamento versus teor de

aditivo para pasta com relação a/mc igual a 0,30. Percebe-se que não ocorre um

fechamento das curvas de escoamento com o aumento do teor de aditivo. Em contra

partida, para os teores de água de 0,35 e 0,40 ocorre o fechamento das curvas com o

aumento de aditivo. Porém para as curvas com o teor de 0,35 de a/mc (Figura 21) não é

possível determinar um ponto onde os tempos de escoamento se encontram.

Com a análise da Figura 22 observa-se que para a pasta com teor de a/mc em 0,40

houve uma menor variação do tempo de escoamento entre os diferentes intervalos de

leitura para o mesmo teor de aditivo. Além de ocorrer um encontro dos pontos a partir

da concentração de 0,5% de superplastificante.

35

Figura 20 - Curvas de tempo de escoamento versus teor de aditivo da pasta

com relação a/mc igual a 0,30.



0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Tem

po d

e E

scoa

men

to (

s)

Teor de Aditivo (%)

10 minutos

30 minutos

60 minutos

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Tem

po d

e E

scoa

men

to (

s)

Teor de Aditivo (%)

10 minutos

30 minutos

60 minutos

36



Após os ensaios de compatibilidade e ponto de saturação, e dos resultados de

estabilidade das possíveis pastas de referência (com relações a/mc iguais a 0,30, 0,35 e

0,40), define-se a pasta com relação a/mc a 0,40 e com teor de 0,5% de

superplastificante como a pasta de referência. Os resultados de estabilidade das pastas

para determinar a pasta de referência estão apresentados no Capítulo 5.

3.2.2 Dosagem da pasta de Referência

As massas dos componentes da pasta de referência, denominada PR325 estão

apresentadas na Tabela 6.

Tabela 6 – Composição da pasta referência PR325.

Materiais Massa*

(g) Consumo (kg/m3)

Cimento Sílica 325#

Água Superplastificante

600,08 222,03 322,68 10,28

1000,14 370,05 537,80 17,13

*As massas de materiais correspondem àquelas necessárias para a confecção de um volume de pasta igual a 600 ml.

Após a incorporação dos reforços fibrosos, as pastas, mesmo sendo fluidas, não se

mostraram homogêneas e ocorreu a formação de grumos pelas fibras. Para promover

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Tem

po d

e E

scoa

men

to (

s)

Teor de Aditivo (%)

10 minutos

30 minutos

60 minutos

37

melhor homogeneidade às pastas fibrosas, foi utilizado um agente modificador de

viscosidade (VMA). O VMA, Rheomac UW410 (BASF), foi utilizado em substituição

em massa de cimento, sendo testado os teores de 0,025%, 0,050% e 0,100%. O teor de

VMA igual a 0,100% apesar de visivelmente aumentar a viscosidade, foi o que

proporcionou a melhor dispersão da fibra e com isso maior homogeneidade.

A composição da pasta de referência com adição do VMA está explicitada na

Tabela 7.

Tabela 7 - Composição da pasta de referência com VMA (PR).


3.2.3 Dosagem das Pastas com Reforços Fibrosos

A partir da pasta de referência (PR) foram utilizadas as fibras de PVA e de

polipropileno (PP) em frações volumétricas iguais a 0,50% e 0,75%. Obtendo assim as

seguintes pastas fibrosas: PP0,50 (fração volumétrica de fibras de polipropileno igual a

0,50%), PP0,75 (fração volumétrica de fibras de polipropileno igual a 0,75%), PVA0,50

(fração volumétrica de fibras de PVA igual a 0,50%) e PVA0,75 (fração volumétrica de

fibras de PVA igual a 0,75%).

Na Tabela 8 encontra-se a composição das pastas com adição de fibra de PVA e

na Tabela 9 a composição das pastas produzidas com fibra de polipropileno.

Materiais Massa* (g) Consumo (kg/ m3)

Cimento 599,48 999,14

Sílica 325# 222,03 370,05

Água 322,68 537,80

Superplastificante 10,28 17,17

VMA 0,60 1,00

38

Tabela 8 – Composição das pastas com fibra de PVA.

Materiais Massa(g) – PVA0,50 Massa(g) – PVA0,75

Cimento 596,48 594,98

Sílica 325# 220,92 220,36

Água 321,06 320,26


VMA 0,5971 0,5956

Fibra de PVA 3,90 5,85


Tabela 9 – Composição das pastas com fibra de polipropileno.

Materiais Massa(g) – PP0,50 Massa(g) – PP0,75

Cimento 596,48 594,98

Sílica 325# 220,92 220,36

Água 321,06 320,26


VMA 0,5971 0,5956

Fibra de Polipropileno 2,82 4,23


3.3 Preparo das Pastas

O preparo das pastas foi realizado de acordo com um procedimento adaptado da

ABNT NBR 9831 (2006) e do PROCELAB (CAMPOS et al, 2005).

No preparo das Pastas foram utilizados diversos equipamentos (Figura 23) e

utensílios do laboratório, alguns deles estão listados : Balança digital, Misturador de

palhetas Waring Blendor (Chandler), Espátula, Funil, Béquer, Proveta etc.

39

(a) (b) (c)

Figura 23 – Equipamentos (a) balança digital; (b) misturador; (c) Espátula e Funil

O procedimento de preparo das pastas foi feito na seguinte ordem cronológica:

• O cimento e a sílica 325# foram pesados em um saco plástico com ajuda de

um béquer na balança digital;

• O agente modificador de viscosidade (VMA) foi pesado na balança digital

em um recipiente a parte;

• Com o cimento e a sílica 325# já pesados, estes foram homogeneizados com

a agitação no mesmo saco plástico onde foram pesados;

• Direto no copo do misturador, o superplastificante Hormitec e, em seguida, a

água deionizada foram pesados;

• O copo do misturador foi posicionado no equipamento, o qual foi ligado a

uma velocidade de 2970 rpm;

• Após a agitação dos líquidos por 10 segundos, o cimento e a sílica 325#

foram inseridos no copo do misturador através do funil e logo após foi

inserido o agente modificador de viscosidade. Este procedimento de inserção

dos materiais sólidos foi realizado durante um minuto;

• Após a total inserção dos grãos, o misturador era desligado e então, com o

auxílio de uma espátula, as paredes do misturador eram raspadas;

40

• Enfim, o misturador era religado com todos os materiais sendo a mistura

efetuada por um período de 10 minutos;

• Para o preparo das pastas fibrosas com o misturador religado, após 4 minutos

iniciou-se a inserção das fibras, em pequenas proporções, continuamente por

1 minuto;

• Após a inserção total das fibras, a mistura era continuada com todos os

materiais até completar 10 minutos.

3.4 Cura das Pastas

Após ser preparada, a pasta era transferida para os moldes, que eram

preenchidos em duas camadas, onde em cada camada foram realizados cinco voltas de

movimentos lentos circulares com um bastão de vidro. Isto é feito para eliminar as

bolhas provenientes da mistura dos materiais. Primeiramente os moldes são submetidos

à cura por um período de 24 horas em uma câmara úmida (Figura 24a), com

temperatura ambiente e umidade relativa do ar de aproximadamente 22ºC e 100%

respectivamente. Após 24 horas os corpos de prova são desmoldados e inseridos em um

banho térmico preenchido com água a temperatura ambiente de 22ºC (Figura 24b).

Nesse banho, os corpos de prova sofrem um aumento de temperatura controlado a

0,33ºC/min até a temperatura final de cura de 74ºC. Atingindo os 74ºC os corpos são

transferidos de banho e ficam nessa temperatura durante 7 dias (Figura 24c). Ao término

dos 7 dias, retiram-se os corpos de prova para serem resfriados naturalmente imersos na

água.

41

(a) (b) (c)

Figura 24 – (a) Câmara úmida; (b) banho de rampa; (c) Banho de armazenamento.

Esse tipo de cura a 74ºC tem como base as condições de um poço a uma

profundidade total de 5900 metros (2000 m de lâmina d’água + 3900 m de formação), e

um poço com temperatura estática de 74ºC (165ºF).

42

CAPÍTULO 4 MÉTODOS DE ENSAIO ______________________________________________________________________

Neste capítulo serão apresentadas e descritas as metodologias de ensaio que

determinam as propriedades da pasta no estado fresco e endurecido.

4.1 Ensaios das Pastas no Estado Fresco

Neste tópico serão apresentados e descritos os ensaios realizados nas pastas no

estado fresco. Os ensaios realizados foram: massa específica, fluido livre, espalhamento

e reologia.

4.1.1 Massa Específica Aparente

Neste ensaio foi utilizada a balança de lama convencional (Figura 25).

Figura 25 - Balança de Lama Convencional.

O procedimento está descrito a seguir:

• A pasta é colocada no copo da balança até que a mesma fique cheia, verifica-

se a formação de bolhas e se for preciso utiliza-se um bastão para realizar

movimentos circulares e retirar as possíveis bolhas.

• Após cheia, é pressionada a tampa no copo da balança, até ficar

completamente fechada e ocorrer o transbordamento de pasta.

43

• Fecha-se bem o copo com a tampa e retira o excesso de pasta escorrido com

água, com o cuidado de fechar o orifício para não entrar água ou sair mais

pasta.

• Por fim coloca-se a balança no seu anteparo e anota-se o valor de massa

específica quando a bolha se encontra centralizada e a balança estável. A

precisão da balança é 0,01 g/cm³ ou 0,05 lb/gal.

4.1.2 Fluido Livre

A determinação do conteúdo de fluido livre pode ser feito com uma proveta ou

com um Erlenmeyer. Neste trabalho o ensaio foi realizado utilizando o Erlenmeyer

(Figura 26). Todos os ensaios foram realizados conforme está descrito no API

Specification 10A (2002) do American Petroleum Institute e na ABNT NBR9831

(2006).

• A pasta primeiramente é preparada e deixada no consistômetro atmosférico

(Figura 27) por 20 minutos;

• É vertido no Erlenmeyer 760g de pasta, com cuidado para não sujar muito

suas laterais. O frasco é vedado com um plástico filme e em seguida posto

em uma bancada onde fica livre de qualquer vibração .

• Após duas horas retira-se o plástico filme e com ajuda de uma pipeta e uma

proveta graduada, mede-se o volume de líquido exsudado da pasta.

Figura 26 - Ensaio de Água livre – Erlenmeyer e Proveta graduada.

44

Figura 27 - Consistômetro atmosférico.

O teor de água livre é determinado pela equação 1.

�� = 100.��. ρ

pm

Equação 1

Onde: Ta - Teor de água livre (%);

Va - Volume de água livre (ml);

mp - Massa inicial da pasta (g);

ρ - Massa específica da pasta (g/cm3).

45

4.1.3 Mini-Espalhamento

Este ensaio tem como objetivo avaliar a fluidez e a trabalhabilidade do material,

a qual é feita através da determinação do diâmetro médio da pasta após esta ser inserida

em uma espécie de funil sobre uma folha graduada com diversos diâmetros.

O procedimento do ensaio é apresentado a seguir.

• Prepara-se a pasta como descrito no item 3.3;

• Centraliza o funil com a folha graduada (Figura 28a);

• É feito a inserção da pasta dentro do funil até o total preenchimento (Figura

28b);

• Após inserção da pasta, retira-se o funil devagar na direção vertical;

• Após a pasta parar de escoar, com o auxílio de uma espátula e uma régua é

feito a medição do diâmetro da pasta.

(a) (b)

• Figura 28 – Ensaio de espalhamento ( a) funil invertido; (b) vertendo pasta.

4.1.4 Reologia

O ensaio de reologia

sendo realizado de acordo com os procedimentos descritos na ABNT NBR 9831 (2006)

com o conjunto rotor-rob R1/B1 à 27ºC


• A pasta foi preparada

3.3;

• A pasta foi inserida no copo do viscosímetro aquecido à 27ºC

• O copo térmico foi posicionado de modo que o nível da pasta ficasse

alinhado com a marcação de nível do rotor.C

velocidade de 300 rpm e após 60 segundos é realizada a primeira leitura;

• Após a primeira leitura, a velocidade foi ajustada para 200 rpm e

passando 20 segundos é realizada a segunda leitura;

• Após a segunda leitura, a rotação foi ajustada para 100 rpm e

terceira leitura

• Logo em seguida, a velocidade foi alterada para 600 rpm e mantida por

60 segundos. Após esse tempo, o motor foi desligado por 10 segundos e,

novamente ligado na velocidade de 3 rpm. O valor da máxima deflexão

foi lido para o cálculo do gel inicial;

O ensaio de reologia foi realizado no viscosímetro rotativo Fann

lizado de acordo com os procedimentos descritos na ABNT NBR 9831 (2006)

rob R1/B1 à 27ºC.

Figura 29 – Viscosímetro rotativo Fann.


sta foi preparada de acordo com o procedimento de

asta foi inserida no copo do viscosímetro aquecido à 27ºC

O copo térmico foi posicionado de modo que o nível da pasta ficasse

om a marcação de nível do rotor.Com o equipamento ligado


Após a primeira leitura, a velocidade foi ajustada para 200 rpm e

passando 20 segundos é realizada a segunda leitura;

Após a segunda leitura, a rotação foi ajustada para 100 rpm e

terceira leitura, após 20 segundos;

Logo em seguida, a velocidade foi alterada para 600 rpm e mantida por



foi lido para o cálculo do gel inicial;

46

Fann (Figura 29),

lizado de acordo com os procedimentos descritos na ABNT NBR 9831 (2006)

de acordo com o procedimento descrito no item

asta foi inserida no copo do viscosímetro aquecido à 27ºC (80ºF);

O copo térmico foi posicionado de modo que o nível da pasta ficasse

om o equipamento ligado na


Após a primeira leitura, a velocidade foi ajustada para 200 rpm e

Após a segunda leitura, a rotação foi ajustada para 100 rpm e foi feita a

Logo em seguida, a velocidade foi alterada para 600 rpm e mantida por



47

• O motor foi desligado e a pasta repousou por 10 minutos. Depois desse

tempo, o motor foi ligado na velocidade de 3 rpm e, assim como no gel

inicial, a máxima deflexão foi lida para o cálculo do gel final da pasta.

4.2 Ensaios das pastas no estado endurecido

Neste tópico serão apresentadas e descritas as metodologias dos ensaios

realizados nas pastas no estado endurecido. Os ensaios realizados foram: estabilidade,

resistência à compressão uniaxial e resistência à tração na flexão.

4.2.1 Estabilidade

Este ensaio foi realizado para todas as pastas utilizadas no trabalho, conforme

procedimento descrito a seguir.

• Foram feitos a montagem dos moldes e a vedação utilizando fita veda rosca

além de graxa para auxiliar na vedação e na desmoldagem (Figura 30a);

• A pasta foi preparada conforme descrito previamente no item 3.3;

• Após a homogeneização no consistômetro a pasta foi vertida nos moldes, foi

utilizado um bastão para remoção das bolhas;

• Os moldes foram fechados e levados ao banho térmico a temperatura

controlada de 27ºC;

• Passadas 24 horas os corpos foram desmoldados e levados para o

faceamento, onde foram cortados em 4 partes iguais: T (topo), M1 (meio 1),

M2 (meio 2), F (fundo) (Figura 30b);

• Depois de cortados, as amostras são mantidas dentro de um béquer com água

e as mesmas são pesadas ;

• A massa das amostras imersas foram determinadas de 2 formas: Totalmente

imersas sem tocar as paredes do béquer e depois com a massa das amostras

apoiadas no fundo do béquer (Figura 30c);

48

• Com os valores coletados, determina-se a estabilidade da pasta. Considera-se

que a pasta é estável se a mesma tiver uma diferença menor que 0,06g/cm³

entre as massas específicas do TOPO e FUNDO e se o rebaixamento da

pasta após endurecida no molde for menor que 5mm.

(a) (b) (c)

Figura 30 – Ensaio Estabilidade: (a) Moldes; (b) divisão do corpo de prova; (c) ensaio sendo realizado.

4.2.2 Resistência à Compressão Uniaxial

Para os ensaios de resistência à compressão uniaxial foram utilizados corpos de

prova cilíndricos com dimensões de 50 mm de diâmetro e 100 mm de altura. O

principal objetivo deste ensaio é obter a curva tensão versus deformação da pasta no

estado endurecido. Foi utilizada a prensa Shimadzu UH-F 1000kN (Figura 31a) com

auxílio de sensores de deslocamento (Figura 31b) e um computador. A velocidade de

carregamento nos ensaios foi de 0,005mm/min.

Todos os corpos de prova precisam ser faceados para que as superfícies

inferiores e superiores do cilindro fiquem planas, lisas e paralelas, evitando assim que

aconteça a ruptura precoce do cilindro por concentração de tensão. O procedimento de

faceamento é realizado com a ajuda de um torno mecânico, no laboratório de

faceamento do LABEST/COPPE/UFRJ.

49

(a) (b)

Figura 31 – Compressão Uniaxial: (a) Maquina Shimadzu UH-F 1000kN; (b) configuração do ensaio.

O procedimento para a produção dos corpos de prova destinados ao ensaio de

compressão está apresentado a seguir.

• Prepara-se, conforme o item 3.3, um volume de pasta equivalente a nove

cilindros;

• Primeiramente preenche-se somente a metade do volume do molde, um

bastão de vidro é utilizado para eliminar possíveis bolhas de ar;

• Após girar o bastão de maneira uniforme e contínua, o restante da pasta é

vertido no molde até preenchê-lo totalmente, e novamente é utilizado o

bastão a fim de eliminar as bolhas de ar;

• O excesso de pasta no cilindro é retirado com uma espátula, tentando deixar

bem plana a parte superior da pasta no cilindro;

• Os corpos de prova ficam em cura durante 24h, em um ambiente onde a

umidade relativa fica próxima de 100% e a temperatura em 22ºC. Para isso é

usado um armário de aço selado com acrílico e silicone, de forma a evitar a

perda de umidade;

• Os corpos de prova são desmoldados e, em seguida, colocados em um banho

térmico com temperatura inicial de 22ºC, onde é aquecido até a temperatura

final de 74ºC, onde permanecem durante 7 dias;

• Ao final de 7 dias o banho é desligado e ocorre o resfriamento natural até a

temperatura ambiente de 22ºC;

• Após resfriados os corpos de prova são desmoldados e encaminhados para o

faceamento, onde é possível corrigir possíveis imperfeições na superfície,

além de padronizar seu tamanho para o ensaio;

• Após faceados, Os corpos de pro

Neste ensaio, são utilizados sensores elétricos fixados na zona central do corpo

de prova. As cargas e os deslocamentos axiais são registrados no computador por um

sistema de aquisição de dados. Com esses dados, é p

versus deformação, e com isso determinar o módulo de elasticidade, através da Equação

2:

� = � �

� � �

Onde:

E - Módulo de Elasticidade (GPa);

- Tensão equivalente a 40% da tensão máxima (

- Tensão correspondente à deformação

- Deformação axial correspondente à tensão de

- Deformação igual a 5 x 10

4.2.3 Resistência à Tração na Flexão

Os ensaios de resistência à

AGX 100KN (Figura 32a).

corpos de provas na forma

largura e 228mm de comprimento. Todas as pastas

por 7 dias em banho térmico a 74ºC assim como no ensaio de resistência a compressão

uniaxial. Foi realizado o ensaio de fl

da carga nos limites do terço central do prisma, de acordo a ABNT NBR 12142 (1991)

(Figura 32a).

Após resfriados os corpos de prova são desmoldados e encaminhados para o


além de padronizar seu tamanho para o ensaio;

Os corpos de prova são levados para o ensaio na prensa.



sistema de aquisição de dados. Com esses dados, é possível plotar uma curva Tensão

deformação, e com isso determinar o módulo de elasticidade, através da Equação

�

��

Equação 2

Módulo de Elasticidade (GPa);

Tensão equivalente a 40% da tensão máxima (MPa);

Tensão correspondente à deformação εa1 (MPa);

Deformação axial correspondente à tensão de εa2 (mm/mm);

Deformação igual a 5 x 10-5 mm/mm.

à Tração na Flexão

Os ensaios de resistência à tração na flexão foram realizados na prensa

Para o ensaio de resistência à tração na flexão são utilizados

corpos de provas na forma de prismas com dimensões de 50mm de altura, 50mm de

largura e 228mm de comprimento. Todas as pastas foram preparadas e


uniaxial. Foi realizado o ensaio de flexão em quatro pontos (Figura 32b)


50

Após resfriados os corpos de prova são desmoldados e encaminhados para o


são levados para o ensaio na prensa.



ossível plotar uma curva Tensão

deformação, e com isso determinar o módulo de elasticidade, através da Equação

tração na flexão foram realizados na prensa Shimadzu

Para o ensaio de resistência à tração na flexão são utilizados

de prismas com dimensões de 50mm de altura, 50mm de

foram preparadas e sofreram cura


b), com aplicação


51

(a) (b)

Figura 32 – Tração na Flexão: (a) Maquina Shimadzu AGX 100KN; (b) Setup do ensaio.

Com os dados de carga, é possível calcular a resistência à tração na flexão

(módulo de ruptura). O cálculo do módulo de ruptura é apresentado na Equação 3.

�� =�� . �

�. ℎ

Equação 3

Onde:

fF - Resistência à tração na flexão (MPa);

Fr - Carga onde ocorreu a ruptura do corpo de prova (N);

L - Dimensão medida entre os apoios (mm);

B - Largura do corpo de prova (mm);

h - Altura do corpo de prova (mm).

Através do ensaio de tração na flexão, obtém-se uma curva carga versus

deslocamento, a partir da qual calcula-se a tenacidade do material. O índice de

tenacidade é um fator que determina a capacidade de deformação do material.

52

4.2.3.1 Índice de Tenacidade

O índice de tenacidade das pastas pode ser calculado através das curvas carga

versus deslocamento obtidas pelos ensaios de flexão. A tenacidade é um importante

fator a ser determinado para materiais cimentícios reforçados com fibras. Quanto maior

esse fator maior a capacidade do material de absorver energia.

Existem diversas normas que podem ser utilizadas para calcular o índice de

tenacidade. A norma japonesa JCSE-SF4 (1983) tem sido bastante utilizada para

materiais cimentícios por não depender do valor de deslocamento de primeira fissura.

Esta norma avalia a tenacidade dos compósitos pela capacidade de absorção de

energia até uma deflexão limite. A tenacidade (Tb) é definida como a energia necessária

para se fletir uma viga até uma deflexão limite no meio do vão igual a L/n, sendo n

igual a 150 (VELASCO, 2008). A tenacidade (Tb) é calculada pela área (integral) da

região abaixo da curva carga versus deslocamento. Neste trabalho foi adotado o

deslocamento limite em 1,2mm (Figura 33).

Figura 33 – Determinação da tenacidade na flexão (Tb).

A partir do valor de tenacidade (Tb), um fator de tenacidade na flexão (FT) é

definido pela equação 4.

53

FT = ��

��

.�

�. ℎ��

Equação 4

Onde,

FT : Índice de tenacidade na flexão (kgf/cm2 ou MPa);

Tb : Tenacidade na flexão (kgf.cm ou J);

δtb : Deflexão equivalente a L/n (cm ou J);

b : Largura do corpo de prova(cm ou mm);

hmed : Altura média do corpo de prova (cm ou mm);

L: Vão entre apoios do corpo de prova durante o ensaio (cm ou mm).

54

CAPÍTULO 5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS ______________________________________________________________________

Neste capítulo serão apresentados os resultados dos ensaios realizados na pasta

de referência e nas pastas fibrosas (polipropileno e PVA), no estado fresco e também no

estado endurecido.

5.1 Propriedades das Pastas no Estado Fresco

No estado fresco foram feitos os ensaios de fluido livre, massa específica

aparente, espalhamento e reologia. Através dos ensaios foi possível determinar algumas

propriedades dos compósitos, como a massa específica aparente, a estabilidade da pasta

pelo teor de água exsudada e a trabalhabilidade através do ensaio de espalhamento.

5.1.1 Massa Específica Aparente

Os valores de massa específica aparente da pasta de referência e das pastas

fibrosas foram obtidos a partir do ensaio com a balança de lama convencional.

Verificou-se que a variação observada nos valores de massa específica não foi

significativa, isso é explicado por ter sido adicionado baixos teores de fibras à pasta.

Todas as pastas deste estudo são consideradas pastas normais. Segundo

MIRANDA (2008), as pastas são consideradas leves quando suas massas específicas

forem inferiores a 1,7 g/cm³ (14 lb/gal), normais quando estiverem entre 1,70 g/cm³ (14

lb/gal) e 1,92 g/cm³ (16 lb/gal) e pesadas quando as massas específicas são superiores a

1,92 g/cm³ (16 lb/gal). Foram realizados 2 ensaios para cada pasta, segue na Tabela 10 a

média os resultados dos ensaios:

55

Tabela 10 - Resultados de Massas Específicas Aparentes.

Pasta Massa Específica Aparente

(g/cm3)

Massa Específica Aparente

(lb/gal)

PR 1,91 15,95

PP0,50 1,90 15,90

PP0,75 1,89 15,80

PVA0,50 1,89 15,75

PVA0,75 1,87 15,60

5.1.2 Fluido Livre

O ensaio de água livre determina a quantidade de líquido exsudado e indica a

estabilidade da pasta em seu estado fresco. Na falta de limite estabelecido por norma

para o teor de água livre em pastas de cimentação, iremos considerar a norma ABNT

NBR 9831 (2006). Esta admite um teor máximo de água livre igual a 5,9% para pastas

contendo apenas cimento (CPP – classe G ou classe especial) e água, sendo utilizado

esse limite como parâmetro de referência.

Foi determinada a existência de fase sobrenadante em todos os ensaios

realizados nesse estudo, tanto na referência quanto nas pastas fibrosas. Ou seja, em

nenhuma das pastas estudadas o teor de água livre foi zero. Apesar disso, todas as pastas

ficaram com o teor de fluido livre menor que 5,9%, este limite foi considerado pois é

utilizado para cimentos em geral na NBR 9831 (2006).

Foram feitos 2 ensaios para cada tipo de pasta, e verificou-se que o uso de fibra

diminuiu suavemente o teor de água livre. A explicação disso é que as fibras dispersas

permitiram maior estabilidade à pasta, diminuindo a segregação dos sólidos.

Na Tabela 11 estão apresentados os resultados de fluido livre da referência e das

pastas reforçadas com PVA e polipropileno. Foram realizados dois ensaios para cada

pasta.

56

Tabela 11 - Resultados ensaios de fluido livre.

Pasta Massa (g) Volume (ml) Teor Água livre

PR 759,2 13,1 3,2%

PP0,5 761,8 11,2 2,8%

PP0,75 763,2 11,2 2,8%

PVA0,5 760,8 11,5 2,9%

PVA0,75 766,1 10,5 2,6%

5.1.3 Ensaio de Mini-espalhamento

Como dito no item 3.2, foi adicionado o VMA para melhorar a estabilidade e

acoesão da pasta com adição de fibras, diminuindo assim a segregação. Com isso, foi

aumentada a viscosidade, diminuindo o espalhamento das pastas à medida que se

aumentava o teor de VMA. Na Figura 34 estão as fotos dos espalhamentos para as

diferentes dosagens de VMA testadas na pasta com adição de 0,5% de polipropileno.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 34 - Espalhamento: (a) Pasta PP0,50 sem VMA; (b) Pasta PP0,50 com 0,025% de VMA; (c) Pasta PP0,50 com 0,050% de VMA; (d) Pasta PP0,50 com 0,100% de VMA.

57

A partir da Figura 34, é possível verificar que até o teor de 0,050% de VMA a

pasta não estava totalmente homogênea e ainda havia segregação, sendo 0,100% o teor

de VMA a ser utilizado. Após determinar de que a concentração de VMA utilizada seria

de 0,100%, foram realizados novos espalhamentos com os diferentes teores de fibras.

Os resultados desses ensaios mostram que a inclusão de qualquer fibra irá diminuir a

fluidez da pasta, alterando a sua reologia. Quanto maior o teor de fibras utilizado, menor

o espalhamento. Esta propriedade pode ser explicada pois a adição de fibras à pasta gera

obstáculo ao fluxo da pasta, aumentando a sua viscosidade e diminuindo a

trabalhabilidade. Os resultados do espalhamento das pastas estão apresentados na

Tabela 12.

Tabela 12 – Resultados de mini-espalhamento.

Pasta Espalhamento(mm)

PR 99,0

PP0,50 85,0

PP0,75 68,0

PVA0,50 80,00

PVA0,75 77,00

O ensaio de espalhamento tem a capacidade de mostrar de forma qualitativa o

nível de trabalhabilidade da pasta, além de ser possível observar a ocorrência de

segregação. A partir da Figura 35 é possível observar que todas as pastas estão bem

homogêneas e com ausência de fase segregada.

58

(a) (b)

(c)

Figura 35 – Espalhamento das pastas: (a) PR; (b) PP0,50; (c) PP0,75.

5.1.4 Ensaio de Reologia

Durante a dosagem da pasta foram realizados 3 ensaios de reologia na pasta com

40% de água e 0,5% de superplastificante, chamada no trabalho de PR325. Os valores

de cada ensaio, assim como os valores médios estão apresentados na Tabela 13. Os

ensaios foram realizados no viscosímetro rotativo Fann de acordo com os

procedimentos descritos na ABNT NBR 9831 (2006). Nessa pasta ainda não tinha sido

inserido o agente modificador de viscosidade (VMA).

59

Tabela 13 - Propriedades reológicas da pasta PR325 (27ºC).

T = 27oC Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Média – CV (%)

Viscosidade Plástica mPa.s (cP)

36,0 (36,0) 37,5 (37,5) 34,5 (34,5) 36,0 (36,0) – 4,2

Limite de Escoamento

Pa (lbf/100pé2) 2,0 (4,3) 2,2 (4,6) 1,9 (3,9) 2,0 (4,3) – 8,3

Gel Inicial Pa (lbf/100pé2)

3,6 (7,5) 4,1 (8,5) 3,6 (7,5) 3,7 (7,5) – 7,9

Gel Final Pa (lbf/100pé2)

11,8 (24,5) 12,3 (25,6) 11,2 (23,5) 11,8 (24,5) – 4,3

5.2 Propriedades das Pastas no Estado Endurecido

Nesse tópico são mostrados os resultados dos ensaios das pastas no estado

endurecido, Os ensaios realizados foram: estabilidade, resistência à compressão e

resistência à tração na flexão

5.2.1 Estabilidade

Considerando os resultados dos ensaios de compatibilidade e ponto de saturação

apresentados no item 3.2.1, foram realizados ensaios de estabilidade utilizando dois

teores diferentes de aditivo para pastas com relação água/sólido de 0,35 e 0,40, para a

determinação da pasta de referência inicial. Na Tabela 14 estão apresentados os

resultados dos ensaios de estabilidade.

60

Tabela 14 – Resultados de estabilidade.

Pasta Amostra ∆ME(g/cm³) Rebaixamento(mm)

PR0,35 0,7%

1 0,02 0 2 0,02 0 3 0,02 0

1 0,08 - PR0,35 2 0,08 - 0,8% 3 0,12 -

4 0,05 - 1 0,01 5,1

PR0,40 2 0,03 2,2 0,4% 3 0,00 4,5

4 0,05 5,5

PR0,40 0,5%

1 0,04 4,1 2 0,03 2,6 3 0,04 3,1

Para a relação de 0,35 de água/sólidos foram usados os teores de 0,7% e 0,8% de

hormitec. Todas as amostras utilizando o teor de 0,7% do superplastificante ficaram

dentro do limite, tanto de rebaixamento quanto de diferença da massa específica entre

topo e fundo. Enquanto as amostras com 0,8% de aditivo foram consideradas instáveis,

devido à diferença entre as massas específicas entre o topo e o fundo ultrapassarem

0,06g/cm3.

Para a relação de água/sólidos igual a 0,40 foram realizados ensaios com 0,4% e

0,5% do superplastificante Hormitec. As amostras com o teor de 0,4% do aditivo foram

consideradas instáveis por terem um rebaixamento superiores a 5,0mm. Com o uso de

0,5% do superplastificante, foi determinado que a pasta ficou dentro dos limites

aceitáveis para utilização em poços de petróleo.

Após os ensaios de ponto de saturação e estabilidade, foi escolhida a pasta com

0,40% de água e 0,5% de superplastificante para adição de fibras. Como explicado no

item 5.1.3, com a adição de um volume de 0,50% de polipropileno teve a necessidade

de utilizar um agente modificador de viscosidade (VMA) na mistura. Na Tabela 15 são

apresentados os resultados dos ensaios da pasta de referência com VMA, além das

pastas reforçadas com fibras de polipropileno e PVA.

61

Tabela 15 – Resultados de estabilidade das pastas com VMA e com fibras.

Pasta Amostra ∆ME(g/cm³) Rebaixamento

PR

1 2 3

0,06 0,05 0,05

5,1 3,7 4,7

PP0,50

1 2 3 4

0,05 0,04 0,05 0,01

0,0 0,0 0,0 0,0

PP0,75

1 2 3 4

0,04 0,00 0,03 0,03

0,0 0,0 0,0 0,0

PVA0,50 1 2 3 4

0,04 0,03 0,03 0,01

2,9 2,6 2,4 3,1

PVA0,75 1 2 3 4

0,04 0,02 0,03 0,04

3,1 2,6 2,4 3,5

Observa-se na Tabela 15 que mesmo adicionando o VMA na composição da

pasta de referência, esta fica no limite para ser considerada uma pasta estável. Após a

inserção das fibras de polipropileno e PVA tem-se uma expressiva melhora na diferença

de densidade entre o topo e o fundo e no rebaixamento das amostras.. Essa melhora

significativa nos resultados do ensaio de estabilidade com a adição de fibras pode ser

explicado pelo fato das fibras atuarem como barreiras, confinando os fluidos na mistura,

diminuindo a exsudação da pasta, evitando assim a segregação da mesma.

Pode-se verificar que ocorreu uma maior melhora nos resultados dos ensaios de

estabilidade das pastas com adição da fibra de polipropileno. Isso pode ser explicado

devido a fibra de polipropileno possuir uma menor massa específica e menor diâmetro,

o que resulta em maior quantidade de filamentos dispersos na pasta cimentícia, além

disso, a fibra de polipropileno apresenta uma maior resistência ao escoamento. Estas

propriedades garantiram a ausência de rebaixamento dos corpos de prova das pastas

reforçadas com polipropileno.

62

5.2.2 Compressão Uniaxial

Nesse tópico estão apresentados os resultados dos ensaios de compressão

uniaxial das pastas de referência (PR), das pastas reforçadas com fibras de polipropileno

(PP0,5 e PP0,75) e das pastas reforçadas com fibras de PVA (PVA0,5 e PVA0,75).

A curva típica considerada foi a curva de um determinado corpo de prova cujo

resultado mais se aproximou do valor médio, calculado, entre todos os corpos do

mesmo ensaio, considerando os valores de resistência à compressão de ruptura (fc,RUP),

deformação axial de ruptura (εRUP) e módulo de elasticidade (E). As curvas típicas

tensão versus deformação da pasta de referência e das pastas reforçadas com teores de

0,50% e 0,75% de polipropileno estão apresentadas na Figura 36. As curvas tensão

versus deformação de todos os corpos de prova são apresentadas no anexo A1.

Figura 36 - Curvas típicas tensão versus deformação da pasta de referência e das pastas reforçadas com

fibras de polipropileno.

Na Tabela 16 se encontra os valores médios de resistência à compressão de

ruptura (fc,RUP), deformação axial de ruptura (εRUP), módulo de elasticidade (E) e seus

respectivos coeficientes de variação da pasta de referência e das pastas com teores de

63

fibra de polipropileno de 0,5% e 0,75%. Os valores médios correspondem a um número

mínimo de três corpos de prova.

Tabela 16 – Valores médios das propriedades mecânicas na compressão uniaxial da pasta de referência e das pastas reforçadas com fibras de polipropileno.

Pasta fc,RUP - CV

MPa(psi) – %

E - CV

(GPa - %) εεεεRUP - CV

(µε - %)

PR 28,62(4151) - 5,50 12,70 - 8,37 3598,02 - 15,29

PP0,5 28,70(4162) - 3,73 11,40 - 2,27 4645,64 - 5,26

PP0,75 24,60(3568) - 6,42 11,71 - 2,62 4271,85 - 9,10

Pelos valores da Tabela 16 e pelo gráfico da Figura 36 percebe-se que a inserção

de fibras de polipropileno alterou as propriedades mecânicas da pasta. Em relação a

adição de 0,50% de fibras, observa-se que a resistência à compressão na ruptura(fc,RUP)

não foi alterada, porém houve uma redução de 10,3% no módulo de elasticidade(E) e

um aumento de 29% na deformação axial de ruptura (εRUP). Enquanto isso, adicionando

0,75% de fibras observou-se uma redução de 14,1% na resistência à compressão, uma

redução de 7,8% no módulo de elasticidade e um aumento de 18,7% na deformação

axial de ruptura. Considerando os coeficientes de variação, a redução no módulo de

elasticidade para as pastas com fibras não foi expressiva.

É possível notar que o aumento da dosagem de fibras introduzidas na pasta

gerou uma diminuição da resistência da mesma, o que pode ser esperado, já que o

aumento da inserção de fibras contribui para o aumento da porosidade do material, além

de retirar material cimentício da pasta, acarretando assim numa perda de resistência. A

explicação da adição de apenas 0,5% não ter alterado a resistência do compósito deve-se

ao pouco volume de fibra adicionado, pois quando o teor foi aumentado para 0,75%,

fica evidente a perda de resistência.

Na Figura 36 observa-se que a adição de 0,75% de fibras de polipropileno

influenciou significativamente o comportamento pós-pico do material, sendo possível

manter a resistência mecânica mesmo após a fissuração, conseguindo atingir uma maior

deformação. Resumindo, consegue-se tornar a pasta mais dúctil adicionando fibra à

matriz, conforme pela pasta PP0,75% cujo ramo desce

em relação à pasta de referência e

Os modos de ruptura dos corpos de prova das pastas com fibras de

polipropileno, PP0,50% e PP0,75%, estão ilustrados na

respectivamente.

Figura

Figura

Analisando as figuras dos modos de rupturas, é possível observar que todos os

corpos de provas apresentaram modo de ruptura do tipo cisalhado e colunar. Nota

também que as fissuras da pasta PP0,75% foram menores, quase imperceptíveis,

fenômeno justificado também pelo comportamento mais dúctil dessa pasta na fase pós

pico.

Na Figura 39 estão

pasta de referência e das pastas

0,75%.

conforme pela pasta PP0,75% cujo ramo descendente do grafico foi mais suave

de referência e à pasta com 0,50% de fibra.


polipropileno, PP0,50% e PP0,75%, estão ilustrados na Figura 37 e na

Figura 37 – Modos de ruptura da pasta PP0,50%.

Figura 38 – Modos de ruptura da pasta PP0,75%.


corpos de provas apresentaram modo de ruptura do tipo cisalhado e colunar. Nota


do também pelo comportamento mais dúctil dessa pasta na fase pós

estão apresentadas as curvas típicas tensão versus

a e das pastas reforçadas com fibra de PVA, nos teores de 0,5% e

64

ndente do grafico foi mais suave


e na Figura 38,


corpos de provas apresentaram modo de ruptura do tipo cisalhado e colunar. Nota-se


do também pelo comportamento mais dúctil dessa pasta na fase pós-

versus deformação da

teores de 0,5% e

65

Figura 39 - Curvas típicas tensão versus deformação da pasta de referência e das pastas reforçadas com

fibras de PVA.

Na Tabela 17 se encontra os valores médios de resistência à compressão de

ruptura (fc,RUP), deformação axial de ruptura (εRUP), módulo de elasticidade (E) e seus

respectivos coeficientes de variação da pasta de referência e das pastas reforçadas com

teores de fibra de PVA de 0,5% e 0,75%. Os valores médios correspondem a um

número mínimo de quatro corpos de prova.

Tabela 17 - Valores médios das propriedades mecânicas na compressão uniaxial da pasta de referência e das pastas reforçadas com PVA.

Pasta fc,RUP - CV

MPa(psi) – %

E - CV (Gpa- %)

εεεεRUP - CV

(µε - %) PR 28,62(4151) - 5,50 12,70 - 8,37 3598,02 - 15,29

PVA0,5 29,73(4311) - 4,24 11,96 - 4,37 4300,31 - 16,11 PVA0,75 28,06(4070) - 5,05 11,29 - 4,67 4354,85 - 12,43

Conforme os valores apresentados na Tabela 17 observa-se que a inserção de

fibras de PVA, independente do teor, não provocou variação na resistência à

compressão do material. Uma tendência a diminuição no módulo de elasticidade foi

notada com o aumento da adição de fibras. E

não ocorreu variação significativa

Na Figura 39 observa

possível indentificar uma sensível melhora no comportamento da curva tensão

deformação da pasta. A pasta PVA0,75% apresentou

capacidade de deformação em relação a pasta de referência.

Segundo MAGALHÃES (2008

aderência química à matriz cimentícia, formando assim uma maior deposição de

produtos hidratados na inte

região. Este fenômeno permite uma menor queda de resistência quando são utilizadas

pastas com fibras de PVA, sendo confirmado pelos resultados da

Os modos de ruptura dos corpos de prova das pastas com fibras de PVA,

PVA0,50% e PVA0,75%, estão ilustrados na

Figura

Figura

a com o aumento da adição de fibras. E, considerando o coeficiente de variação,

significativa no valor da deformação axial de ruptura

observa-se que com a adição de 0,75% de fibras de PVA,

possível indentificar uma sensível melhora no comportamento da curva tensão

A pasta PVA0,75% apresentou uma maior ductilidade e maior


Segundo MAGALHÃES (2008) as fibras de PVA apresentam uma alta


produtos hidratados na interface fibra-matriz, diminuindo assim a porosidade nesta

permite uma menor queda de resistência quando são utilizadas

pastas com fibras de PVA, sendo confirmado pelos resultados da Tabela

Os modos de ruptura dos corpos de prova das pastas com fibras de PVA,

PVA0,50% e PVA0,75%, estão ilustrados na Figura 40 e na Figura 41, respectivamente.

Figura 40 – Modos de ruptura da pasta PVA0,50%.

Figura 41 – Modos de ruptura da pasta PVA0,75%.

66

considerando o coeficiente de variação,

ão axial de ruptura.

se que com a adição de 0,75% de fibras de PVA, é

possível indentificar uma sensível melhora no comportamento da curva tensão versus

uma maior ductilidade e maior

) as fibras de PVA apresentam uma alta


a porosidade nesta

permite uma menor queda de resistência quando são utilizadas

Tabela 17.

Os modos de ruptura dos corpos de prova das pastas com fibras de PVA, denominadas

, respectivamente.

67

Pode-se perceber que os modos de rupturas das pastas reforçadas com fibra de PVA são

parecidos com as pastas PP0,50% e PP0,75%, do tipo colunar e cisalhado. Através das

figuras dos modos de ruptura, verifica-se que um dos benefícios da adição de fibras à

pasta de referência, é que mesmo após a fratura não ocorre o colapso do corpo de prova.

5.2.3 Tração na Flexão

Nesse tópico estão apresentados os resultados dos ensaios de tração na flexão da

pasta de referência (PR), das pastas reforçadas com fibras de polipropileno ( PP0,5% e

PP0,75%) e das pastas reforçadas com fibras de PVA ( PVA0,5% e PVA0,75%).

As curvas típicas carga versus deslocamento da pasta de referência e das pastas

reforçadas com teores de 0,50% e 0,75% de polipropileno estão apresentadas na Figura

42. As curvas carga versus deslocamento de todos os corpos de prova ensaiados da

pasta de referência e das pastas fibrosas são apresentados no Anexo A2.

Figura 42 – Curvas carga versus deslocamento das pastas reforçadas com fibra de polipropileno.

68

Na Tabela 18 estão apresentados os valores médios e os coeficientes de variação

de carga, deslocamento (δF,1aF) e módulo de ruptura na primeira fissura (fF1ªF), assim

como os valores de carga máxima pós-fissuração e seus valores correspondentes de

deslocamento (δPF) e módulo de ruptura(fPF).

Tabela 18 – Valores médios das propriedades mecânicas na tração na flexão da pasta de referência e das pastas reforçadas com polipropileno.

Pasta Primeira Fissura Pós- Fissuração

Carga –CV (kN - %)

fF,1a

F - CV (MPa - %)

δF,1a

F - CV (mm - %)


fPF - CV (MPa - %)

δδδδPF - CV (mm - %)

PR 4,49 – 9,05 6,09 –9,05 0,077 – 9,06 – – –

PP 0,50%

3,62 – 7,13 4,91 –7,13 0,069 – 13,87 2,25 – 2,99 3,05 –2,99 0,029 – 13,87

PP 0.75%

3,18 – 10,93 4,31 –10,93 0,054 – 13,32 2,78 – 10,16 3,77 –10,16 0,034 – 19,50

Os resultados mostrados na Tabela 18 indicaram a redução da tensão de primeira

fissura de 19,4% para a pasta PP0,50% e uma redução de 29,2% para a pasta PP0,75%,

em relação à pasta de referência. Na tensão pós fissuração, a pasta PP0,50% atingiu um

valor de 62,1% em relação a sua primeira fissuração. Enquanto isso, a tensão pós

fissuração da pasta PP0,75% ficou em 87,4% em relação à sua tensão de primeira

fissura, tendo uma maior recuperação na resistência devido ao maior teor de fibras.

O deslocamento de primeira fissura teve uma tendência em diminuir a medida

que foi aumentado a concentração de fibras na pasta, chegando numa redução de 29,9%

para pasta PP0,75%, em relação a PR.

Os modos de ruptura dos corpos de prova das pastas reforçadas com fibras de

polipropileno, PP0,50% e PP0,75%, estão apresentados na Figura 43a e na Figura 43b,

respectivamente. Através das figuras é possível observar que todos os corpos

apresentaram uma única fissura que se propagou. A forma de ruptura foi do tipo dúctil e

não foi observado ruptura total em nenhum corpo de prova.

69

(a) (b)

Figura 43 – Modos de ruptura dos corpos de prova: (a) Pasta PP0,50%; (b) Pasta PP0,75%.

A Figura 44 apresenta as curvas típicas carva versus deslocamento da pasta de

referência e das pastas reforçadas com os teores de 0,50% e 0,75% de fibras de PVA.

Os valores médios e os coeficientes de variação de carga, deslocamento e módulo de

ruptura das pastas reforçadas com fibras de PVA, nos teores de 0,50% e 0,75% e os

valores de carga máxima pós-fissuração e seus valores correspondentes de

deslocamento e módulo de ruptura para a pasta PVA0,75 estão apresentados na Tabela

19.

70

Figura 44 – Curvas carga versus deslocamento das pastas reforçadas com fibra de PVA.

Tabela 19 - Valores médios das propriedades mecânicas na tração na flexão da pasta de referência e das pastas reforçadas com PVA.

Pasta Primeira Fissura Pós- Fissuração


fF,1a

F - CV (MPa - %)

δF,1a

F - CV (mm - %)


fF,1a

F - CV (MPa - %)

δPF - CV (mm - %)

PR 4,49 – 9,05 6,09 –9,05 0,077 – 9,06 – – –

PVA 0,50%

4,13 – 4,53 5,61 –4,53 0,064 – 8,14 – – –

PVA 0.75%

3,94 – 7,96 5,35 –7,96 0,062 – 13,07 3,61 – 8,99 4,90 – 8,99 0,139 – 6,04

Os resultados apresentados na Tabela 19 indicaram que a tensão de primeira

fissura diminuiu com o uso de fibra de PVA em 8,1% para pasta PVA0,50% e 12,3%

para pasta PVA0,75%. O uso da fibra de PVA na concentração de 0,50% não foi

suficiente para gerar um pico de carga pós-fissuração enquanto a pasta PVA0,75%

apresentou uma tensão máxima pós fissuração de 91,5% da tensão de primeira fissura.

Em relação ao deslocamento de primeira fissura, foi observado uma tendência de

diminuição dessa propriedade para as pastas com adição de fibra. Pode-se considerar a

71

diferença entre o deslocamento das pastas PVA0,50% e PVA0,75% insignificante. Em

relação à pasta de referência, houve uma diminuição em 20% do deslocamento da pasta

PVA0,75%.

Os modos de ruptura dos corpos de prova das pastas reforçadas com fibras de

PVA, PVA0,50% e PVA0,75%, estão apresentados na Figura 45a e na Figura 45b,

respectivamente. As pastas reforçadas com fibras de PVA apresentaram modo de fratura

similar ao mostrado pelas pastas reforçadas pela fibra de polipropileno. Um detalhe é

que as fissuras estavam mais impercetíveis nessas pastas, havendo necessidade de abrir

um pouco após o ensaio para poder observar com mais clareza as fissuras como

mostrado na Figura 45b. Não foi observado ruptura total em nenhum corpo de prova.

(a) (b)

Figura 45 - Modos de ruptura dos corpos de prova: (a) Pasta PVA0,50%; (b) Pasta PVA0,75%.

A partir dos resultados obtidos, foi possível verificar uma melhora significativa no

comportamento pós fissuração para as pastas reforçadas com as fibras. As pastas

fibrosas foram capazes de manter uma resistência considerável, mesmo após a primeira

fissura. Em relação ao tipo de fibra utilizado, as pastas reforçadas com fibras de

polipropileno apresentaram uma descida mais suave no grafíco carga versus

deslocamento, permitindo maiores deformações. Enquanto as pastas utilizando fibras de

72

PVA tiveram uma melhor resistência, porém com uma descida mais rápida após a

fissuração, não permitindo tanta deformação na pasta.

5.2.3.1 Índice de Tenacidade

Os índices de tenacidade dos compósitos foram calculados de acordo com a

norma japonesa JCI-JSCESF-4 (1983). Considerando um corpo de prova com

L=180mm, e n=150, a tenacidade Tb foi calculada até a deflexão limite de 1,2mm.

Foram utilizados apenas os resultados de dois corpos de prova para o cálculo da

tenacidade para as pastas reforçadas com 0,50% de PVA. As curvas carga versus

deslocamento da pasta PVA0,50% sofrem uma queda muito rápida após a primeira

fissuração, a carga atinge limites próximos a zero antes do deslocamento de 1,2mm. Os

valores médios dos índices de tenacidade são apresentados na Tabela 20.

Tabela 20 – Valores médios dos índices de tenacidade de acordo com a norma japonesa.

Pasta Tenacidade – CV

(KN.mm - %)

Tenacidade – CV

(MPa - %)

PP0,50% 2,054 – 3,12 2,32 – 3,12

PP0,75% 2,65 – 13,04 3,00 – 13,04

PVA0,50% 1,055* - 15,41 1,19 - 15,41

PVA0,75% 1,32 – 11,39 1,49 – 11,39

*O índice de tenacidade para a pasta PVA0,50% foi calculado pela média de apenas 2 corpos de prova.

A fim de analisar melhor a tenacidade das pastas cimentícias entre o momento

de primeiro e segundo pico de tensão, foram feitos os cálculos do índice de tenacidade

para um deslocamento limite de 0,5mm. Os valores médios dos índices de tenacidade

para deslocamento de 0,5mm são apresentados na Tabela 21.

73

Tabela 21 – Valores médios dos índices de tenacidade para um deslocamento limite de 0,5mm.

Pasta Tenacidade – CV

(KN.mm - %)

Tenacidade – CV

(MPa - %)

PP0,50% 1,08 – 2,99 2,59 – 3,12

PP0,75% 1,24 – 7,6 3,37 – 7,6

PVA0,50% 0,84 – 8,13 2,29 – 8,13

PVA0,75% 0,98 – 9,29 2,66 – 9,29

Os resultados obtidos para os índices de tenacidade refletem o comportamento

das curvas carga versus deslocamento das pastas, mostrando que uma maior tenacidade

foi alcançada para as pastas reforçadas com um maior teor de fibras. Pode-se observar

também que mesmo com a carga de primeira fissura mais baixa, as pastas reforçadas

com polipropileno atingiram maiores valores no índice de tenacidade, mostrando que as

pastas reforçadas com polipropileno possuem mais ductilidade e maior capacidade de

absorver energia. Isso pode ser explicado pois as fibras de polipropileno possuem maior

flexibilidade, promovendo maior tenacidade à pasta e uma curva pós fissuração com

descida mais suave. Em contra partida as fibras de PVA são menos flexíveis e possuem

boa aderência às matrizes cimentícias (MAGALHÃES, 2008). Essa propriedade da fibra

de PVA resulta numa queda pós fissuração mais rápida porém com picos maiores,

necessitando maior esforço para o arrancamento das fibras da matriz.

74

CAPÍTULO 6 CONCLUSÕES ______________________________________________________________________

Os objetivos deste trabalho foram o desenvolvimento e caracterização

experimental de pastas cimentícias dúcteis com uso de fibras de polipropileno e de

PVA nas concentrações de 0,50% e 0,75%. O maior desafio foi a dosagem da pasta de

referência para que esta pudesse ter propriedades adequadas para a aplicação em poços

de petróleo e, em seguida, fosse adicionado as fibras.

A pasta de referência com adição do VMA, denominada PR, foi avaliada no seu

estado fresco e no seu estado endurecido. O valor de massa específica aparente obtido

foi de 15,95lb/gal, sendo considerada uma pasta de densidade normal para o uso em

poços de petróleo. A exsudação de fluidos da pasta ficou dentro do limite estabelecido

no trabalho de 5,9%, porém não foi zero, ficando com uma média de 1,725%. Através

do ensaio de espalhamento a pasta PR foi análisada qualitativamente e apresentou uma

boa mobilidade e trabalhabilidade. No ensaio de estabilidade, a pasta mostrou-se

estável, porém ficou no limite na variação de massa específica e rebaixamento.

Nos ensaios de compressão uniaxial e tração na flexão, a pasta de referência

apresentou ruptura frágil e baixa capacidade de deformação. A resistência à compressão

foi de 28,62Mpa e a resistência à tração na flexão de 6,09Mpa.

Foi visto que a adição de fibras não alterou de forma significativa o valor de

massa específica da pasta, o que já era esperado pelo baixo teor de fibras utilizado. Com

o reforço fibroso houve a tendência na diminuição da exsudação de fluidos, as fibras

atuaram no confinamento da água junto à matriz cimentícia. Em relação ao ensaio de

estabilidade, as pastas fibrosas tiveram melhores resultados, com menor rebaixamento e

menores diferenças de massa específica entre o topo e o fundo das amostras. Como

observado no ensaio de espalhamento, a adição das fibras implicou em uma diminuição

do diâmetro caracterizando o aumento da viscosidade e uma menor trabalhabilidade da

pasta, o que demanda uma maior potência de bombeio, podendo causar o entupimento

dos equipamentos do poço. Essa diminuição da trabalhabilidade foi maior quanto maior

foi o volume de fibras utilizado, o uso das fibras de polipropileno causaram um maior

impacto nessa propriedade, com isso, a pasta PP0,75% foi a que apresentou menor

diâmetro no espalhamento.

75

A adição de fibras na pasta de cimento gerou compósitos mais dúcteis quando

submetidos a esforços de compressão e flexão. As pastas reforçadas com a fibra de

polipropileno tiveram uma maior tendência de redução na resistência mecânica. A

resistência à compressão não teve mudança significativa para pasta PP0,50% e diminuiu

em 14,1% na resistência à compressão para pasta PP0,75%. Porém o uso do

polipropileno permitiu um ganho maior de tenacidade, principalmente para a pasta

PP0,75%, que manteve uma resistência residual pós pico, evidenciando uma maior

capacidade de absorver energia. Através dos resultados observou-se que a inserção de

fibras de PVA, independente do teor, não provocou variação na resistência à

compressão do material. Na pasta PVA0,75% foi possível indentificar uma leve

melhora na reação pós-pico da pasta. Apresentando uma maior ductilidade e maior


Nos ensaios de tração na flexão o uso de fibras impediu a ruptura total das vigas,

mesmo após a fissuração da matriz. A adição de fibras de polipropileno causou uma

queda significativa na resistência à flexão, ocorreu redução da tensão de primeira fissura

de 19,4% para a pasta PP0,50% e uma redução de 29,2% para a pasta PP0,75%. Em

contra partida, houve um grande aumento na capacidade de deformação, a tensão pós

fissuração da pasta PP0,75% ficou em 87,4% em relação à tensão de primeira fissura,

tendo uma maior recuperação na resistência devido ao maior teor de fibras. O

comportamento de tração na flexão das pastas reforçadas com fibra de PVA foi um

pouco diferente, não ocorreu uma queda tão significativa na tensão de primeira fissura.

O uso da fibra de PVA na concentração de 0,50% não foi suficiente para gerar um pico

de carga pós-fissuração enquanto a pasta PVA0,75% tem uma tensão máxima após a

fissuração de até 91,5% da tensão da primeira fissura. Porém, o gráfico mostra uma

queda rápida na tensão pós fissuração, mostrando um menor ganho na capacidade de

deformação da pasta em relação às pastas com adição de fibra de polipropileno.

A partir dos resultados dos ensaios, conclui-se que os objetivos do trabalho

foram alcançados. Foi possível a dosagem de pastas cimentícias com propriedades

adequadas para aplicação em poços de petróleo. A adição de fibras permitiu que a pasta

cimentícia com modo de ruptura frágil tivesse um ganho expressivo na capacidade de

deformação e aumento da sua ductilidade.

76

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79

ANEXOS

80

A.1. – CURVAS TENSÃO-DEFORMAÇÃO REFERENTES AOS

ENSAIOS DE COMPRESSÃO UNIAXIAL

A.1.1. Curvas tensão-deformação da pasta de referência, PR

As curvas tensão versus deformação dos corpos de prova (CP01, CP02, CP03,

CP04, CP05, CP06 e CP07) da pasta de referência estão apresentados na Figura 46.

(a) (b)

(c) (d)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP1

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP2

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP3

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP4

Ten

são

(ps

i)

81

(e) (f)

(g)

Figura 46 - Curvas tensão versus deformação da PR: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04; (e) CP05; (f) CP06; (g) CP07.

A.1.2. Curvas tensão-deformação das pastas reforçadas com fibras de

polipropileno

As curvas tensão versus deformação dos corpos de prova (CP01, CP02, CP03 e

CP04) da pasta PP0,50% estão apresentadas na Figura 47.

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP5

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP6

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP7

Ten

são

(psi

)

82

(a) (b)

(c) (d)

Figura 47 - Curvas tensão versus deformação da pasta PP0,50%: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04.


CP04 e CP05) da pasta PP0,75% estão apresentadas na Figura 48.

(a) (b)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP1

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP2

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP3

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP4

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP1

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP2

Ten

são

(psi

)

83

(c) (d)

(e)

Figura 48 - Curvas tensão versus deformação da pasta PP0,75%: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04; (e) CP05.

A.1.3 Curvas tensão-deformação das pastas reforçadas com fibras de PVA


CP04, CP05, CP06, CP07 e CP08) da pasta PVA0,50% estão apresentadas na Figura

49.

(a) (b)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP3

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP4

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP5

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP1

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP2

Ten

são

(psi

)

84

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

Figura 49 - Curvas tensão versus deformação da pasta PVA0,5%: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04; (e) CP05; (f) CP06, (g) CP07; (h) CP08.

As curvas tensão versus deformação dos corpos de prova (CP01, CP02, CP03, CP04e

CP05) da pasta PVA0,75% estão apresentadas na Figura 50.

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP3

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP4

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP5 T

ensã

o (p

si)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP6

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP7

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP8

Ten

são

(psi

)

85

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 50 - Curvas tensão versus deformação da pasta PVA0,75%: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04; (e) CP05.

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP1

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP2

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP3 T

ensã

o (p

si)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MP

a)

Deformação (µε)

CP4

Ten

são

(psi

)

0

725

1450

2175

2900

3625

4350

5075

0 4000 8000 12000 16000 200000

5

10

15

20

25

30

35

Ten

são

(MPa

)

Deformação (µε)

CP5

Ten

são

(psi

)

86

A.2. – CURVAS CARGA-DESLOCAMENTO REFERENTES AOS

ENSAIOS DE TRAÇÃO NA FLEXÃO

A.2.1. Curvas carga-deslocamento da pasta de referência, PR

As curvas carga versus deslocamento dos corpos de prova (CP01, CP02, CP03,

CP04,CP05 e CP06) da pasta de referência estão apresentadas na Figura 52.

(a) (b)

(c) (d)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (k

N)

Deslocamento (mm)

CP1

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP4

87

(e) (f)

Figura 51 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PR: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04; (e) CP05; (f) CP06.

A.2.2. Curvas carga-deslocamento das pastas reforçadas com fibras de

polipropileno

As curvas carga versus deslocamento dos corpos de prova (CP01, CP02 e CP03)

da pasta PP0,50% estão apresentadas na Figura 52

(a) (b)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP6

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP1

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP2

88

(c)

Figura 52 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PP0,50%: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03.


CP04, CP05 e CP06) da pasta PP0,75% estão apresentadas na Figura 53.

(a) (b)

(c) (d)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP1

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP4

89

(e) (f)

Figura 53 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PP0,75%: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04; (e) CP5; (f) CP6.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP6

90

A.2.3 Curvas carga-deslocamento das pastas reforçadas com fibras de PVA


CP04, CP05 e CP06) da pasta PVA0,75% estão apresentadas na Figura 54.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 54 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PVA0,50%: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04; (e) CP5; (f) CP6.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP1

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP4

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP6

91


CP04, CP05 e CP06) da pasta PVA0,75% estão apresentadas na Figura 55.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 55 - Curvas carga versus deslocamento da pasta PVA0,75%: (a) CP01; (b) CP02; (c) CP03; (d) CP04; (e) CP5; (f) CP6.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP1

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,00

1

2

3

4

5

C

arga

(kN

)

Deslocamento (mm)

CP4

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

1

2

3

4

5

Car

ga (

kN)

Deslocamento (mm)

CP6

caracterização experimental de pastas de cimento reforçadas

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