diego brasil ribeiro -...

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Diego Brasil Ribeiro

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

INFLUÊNCIA DA VERMICULITA EXPANDIDA NAS PROPRIEDADES DO CIMENTO PORTLAND ESPECIAL PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE

PETRÓLEO.


Orientadora: Profª. Dra. Dulce Maria de Araújo Melo

Co-orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo

Natal/RN, 2010

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DIEGO BRASIL RIBEIRO


PETRÓLEO.

Natal/RN, 2010

Monografia apresentada ao

programa de recursos humanos da ANP

para o setor petróleo e gás- PRH30 da

Universidade Federal do Rio Grande do

Norte, referente à especialização em

Ciência e Tecnologia de Materiais

Aplicada a Indústria do Petróleo e Gás

Natural. Sob a orientação da Prof.ª Dr.ª

Dulce Maria de Araújo Melo e co-

orientação do Prof. Dr. Marcus A. F. Melo

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DIEGO BRASIL RIBEIRO


PETRÓLEO.

Monografia aprovada como requisito para obtenção da especialização

em Ciência e Tecnologia de Materiais Aplicados à indústria de Petróleo e Gás

Natural, pelo programa de recursos humanos da ANP (Agência Nacional de

Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) para o setor de petróleo e gás-

PRH30, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

_________________________________________

Prof.ª Dr.ª Dulce Maria de Araújo Melo Universidade Federal do Rio Grande do Norte

_________________________________________ Prof. Dr. Marcus Antonio de Freitas Melo

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

_________________________________________ Prof. Dr. Antonio Eduardo Martinelli

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Natal/RN -2010

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RIBEIRO, Diego Brasil – Influência da vermiculita expandida nas propriedades

do cimento portland especial para cimentação de poços de petróleo. Projeto

Final, UFRN, Graduação em Materiais.Natal – RN, Brasil

Orientadora: Profª. Dra. Dulce Maria de Araújo Melo

Co-orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo

RESUMO

Na construção de um poço de petróleo uma das mais importantes operações

realizadas é a cimentação do poço. Essa se realizada de maneira correte irá

proporcionar estabilidade mecânica e segurança durante toda sua vida útil. A

cimentação consiste no trabalho de bombeio de pastas de cimento por dentro

do revestimento até que a pastas esteja posicionada no espaço anular,

promovendo o isolamento das zonas produtoras. O sucesso da cimentação do

poço esta diretamente ligada às propriedades que a pasta deve possuir para

atender as condições de poço tais como tempo de espessamento,

propriedades reológicas, propriedades mecânicas, e perda de filtrado. Porém

mesmo com todas essas propriedades bem controladas ainda podem ocorrer

problemas relacionados à bainha de cimento após a cimentação, um deles é a

migração de gás que ocorre no chamado tempo de transito da pasta causado

pela perda de pressão hidrostática da pasta. Aditivos expansivos vêm sendo

utilizados para evita a migração de gás, nesse contexto que se encaixa a

vermiculita expandida onde suas partículas atuarão como amortecedor,

prevenindo a perda da pressão hidrostática da massa de cimento da coluna no

reservatório durante o caminho percorrido na cimentação; previne as trincas. A

adição de vermiculita promove um aumento na consistência das pastas, uma

pequena diminuição nas propriedades mecânicas e não altera o tempo de pega

das pastas, pois não participa da cinética de hidratação. A vermiculita

expandida se apresenta como uma boa alternativa para a migração de gás.

Palavras-chaves: Migração de gás, cimentação, vermiculita.

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AGRADECIMENTOS

À Deus, por iluminar o meu caminho e me dar forças para seguir

sempre em frente;

Aos meus pais, Alberto e Socorro, e ao meu irmão, Danilo, pelo

amor e apoio imprescindível em todos os momentos da minha vida;

À professora Dulce Maria de Araújo Melo, pela orientação e

oportunidade de fazer parte do Laboratório de Cimentos;

Aos professores Marcus e Martinelli, por terem feito parte da

minha formação como engenheiro;

À PETROBRAS, Petróleo Brasileiro S/A e a ANP,Agência

Nacional do Petróleo, Gás Natural e Bicombustíveis , pelo suporte financeiro e

a companhia CIMESA-SE pelo fornecimento de cimento utilizado no trabalho;

Ao Laboratório de Cimentos e seu corpo técnico, pela

oportunidade de desenvolver produtos e processos e contribuir para a minha

formação como Engenheiro de Materiais;

À todos os meus amigos do LABCIM e LABTAM, pelo

companheirismo e momentos de descontração;

Aos amigos, Claudio, Ilton e Rodolpho, pelo incentivo e pelo apoio

constantes;

Em especial, a Raphaela Albuquerque, pelo amor e apoio

constante.

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LISTA DE FIGURAS FIGURA 1: Processo de Fabricação do cimento Portland ..................... 18

FIGURA 2: Micrografia Eletrônica de Varredura do Cimento após 3 h de

Hidratação. (LIMA, 2004) ................................................................................. 20

FIGURA 3: Micrografia Eletrônica de Varredura do Cimento após 10 h de

Hidratação (LIMA, 2004) .................................................................................. 20

FIGURA 4: Curvas de Resistência à Compressão de Pastas Puras

Obtidas a Partir da Hidratação dos Principais Compostos do Clínquer em

Função do Tempo(ZAMPIERI, 1989). .............................................................. 21

FIGURA 5: Taxas de Hidratação dos Principais Compostos do Clínquer

nas Pastas de Cimento em Função do Tempo. (ZAMPIERI, 1989) ................. 21

FIGURA 6: Micrografia Eletrônica de Varredura mostrando a Morfologia

da Fase C-S-H(NASCIMENTO, 2006) ............................................................. 24

FIGURA 7: Micrografia Eletrônica de Varredura mostrando a fase

Portlandita. (LIMA, 2004) ................................................................................. 24

FIGURA 8: Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita. (LIMA,

2004) ................................................................................................................ 25

FIGURA 9: Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita (LIMA,

2004). ............................................................................................................... 25

FIGURA 10: Cimentação Primária (Costa, 2004) .................................. 29

FIGURA 11: Tampão de cimento ........................................................... 30

FIGURA 12: Squezze ............................................................................ 31

FIGURA 13: Misturador de Palheta Chandler Modelo 80-60, com

Controlador de velocidade ............................................................................... 34

FIGURA 14: Consistômetro atmosférico ................................................ 35

FIGURA 15: Moldes Plásticos ............................................................... 36

FIGURA 16: Banho Termostático .......................................................... 37

FIGURA 17: Raio-X da Vermiculita micron expandida .......................... 41

FIGURA 18: Microscopia eletrônica com aumento de 100x .................. 41

FIGURA 19: Microscopia eletrônica com aumento de 250x .................. 42

FIGURA 20: Pasta de cimento com vermiculita expandida mícron, na

concentração de 12 %, durante a medida reológica. ....................................... 43

FIGURA 21: Viscosidade Plástica ......................................................... 44

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FIGURA 22: Limite de Escoamento ....................................................... 44

FIGURA 23: Gel Inicial........................................................................... 45

FIGURA 24: Gel Final ............................................................................ 45

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LISTA DE TABELAS

TABELA 1: calor de hidratação das fases do cimento Portland. ............ 22

TABELA 2: Hidratação dos componentes silicatos do clínquer ............. 23

TABELA 3: Classes do cimento Portland (Campos et al., 2002). .......... 26

TABELA 4: Composição das Pastas ..................................................... 33

TABELA 5: Composição da vermiculita ................................................. 39

TABELA 6: Identificação das Cartas Cristalográficas ............................ 40

TABELA 7: Parâmetros Reológicos ....................................................... 43

TABELA 8: Valores de resistência a compressão ................................. 46

TABELA 9: Tempo de espessamento .................................................... 46

TABELA 10: Volume de água livre ........................................................ 47

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SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ............................................................................... 5

LISTA DE FIGURAS ................................................................................ 6

LISTA DE TABELAS ................................................................................ 8

SUMÁRIO ................................................................................................ 9

1 INTRODUÇÃO ............................................................................... 11

2 ASPECTOS TEÓRICOS ................................................................ 12

2.1 Vermiculita ............................................................................... 12

2.2 Cimento Portland ..................................................................... 15

2.2.1 Histórico .............................................................................. 15

2.2.2 Produção e composição do clinquer ................................... 16

2.2.3 Hidratação ........................................................................... 19

2.2.4 Classificação do cimento Portland ...................................... 26

2.3 Cimentação ............................................................................. 27

2.3.1 Tipos de cimentação ........................................................... 28

3 METODOLOGIA ............................................................................. 32

3.1 Caracterização da vermiculita ................................................. 32

3.1.1 Composição química ........................................................... 32

3.1.2 Difração de raios-X ............................................................. 32

3.1.3 Microscopia eletrônica de varredura ................................... 32

3.1.4 Densidade da vermiculita expandida .................................. 33

3.2 Preparação e caracterização tecnológica das pastas ............. 33

3.2.1 Mistura das pastas .............................................................. 34

3.2.2 Homogeneização das pastas .............................................. 34

3.2.3 Ensaios reológicos .............................................................. 35

3.2.4 Ensaio de resistência a compressão ................................... 36

3.2.5 Ensaio de consistometria .................................................... 37

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3.2.6 Ensaio de água livre ............................................................ 37

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................... 38

4.1 Caracterização da vermiculita ................................................. 38

4.1.1 Composição química ........................................................... 39

4.1.2 Difração de raios-X ............................................................. 40

4.1.3 Microscopia eletrônica de varredura ................................... 41

4.1.4 Densidade da vermiculita expandida .................................. 42

4.2 Caracterização tecnológica ..................................................... 42

4.2.1 Ensaios reológicos .............................................................. 42

4.2.2 Ensaio de resistência a compressão ................................... 45

4.2.3 Ensaio de consistometria .................................................... 46

4.2.4 Ensaio de água livre ............................................................ 47

5 CONCLUSÕES .............................................................................. 48

6 Referencias .................................................................................... 49

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1 INTRODUÇÃO

A operação de cimentação é uma das mais importantes realizadas em

um poço de petróleo. Pode ser definida como a operação que ocorre após o

término da perfuração e consiste no bombeio de uma pasta de cimento, que irá

preencher o espaço anular com o objetivo de compor a vedação entre as zonas

permeáveis, impedindo a intercomunicação de fluidos da formação que ficam

por trás do revestimento, bem como propiciar suporte à coluna de revestimento

(OLIVEIRA, 2004, VLACHOU e et al, 1997; THOMAS, 2001).

Para que a operação de cimentação ocorra de forma segura é

necessária que a mesma seja projetada de forma a atender as condições

especificas do poço, tais com temperatura e pressão. Sendo assim vários

testes laboratoriais são realizados para prognosticar o comportamento da pasta

de cimento quando esta for posta frente às condições do poço.

Mesmo após todos os testes laboratoriais podem ocorrer problemas na

cimentação primaria, tais como a migração de gás. Esse tipo de problema é de

difícil detecção e controle, ocorrendo devido à diferença de pressão entre

zonas permeáveis e contendo gás. Para que a migração de gás aconteça à

pressão hidrostática da coluna de cimento se torne menor que a pressão da

formação. Durante o processo de hidratação do cimento Portland parte da

pressão hidrostática deixa de ser transmitida e a ocorre uma queda na pressão

hidrostática o que pode gerar o problema de migração de gás. Pastas

compressivas ou contendo ar pode se contrapor ao processo de contração

devido à hidratação evitando assim uma queda brusca na pressão

Uma das possíveis alternativas para a prevenção da migração de gás,

durante o tempo de cimentação, em poços de petróleo é o uso de cimentos

compressivos compostos com aditivos que tem um grau mínimo de destruição

e modulo de elasticidade. A vermiculita, mineral encontrado em grande

quantidade na região nordeste, pode ser usada como aditivo para formulação

de pastas cimento que atendam essas propriedades.

É nesse contexto que esse trabalho tem como objetivo a avaliação das

propriedades de pastas leves compósitas de cimento Portland/vermiculita

expandida.

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2 ASPECTOS TEÓRICOS

2.1 Vermiculita

A vermiculita é um argilomineral da família das micáceas, geralmente

formada pela alteração hidrotérmica, como a biotita (ADISSON, 1995),

constituída de silício, alumínio, magnésio, ferro e água, em proporções

variáveis. A fórmula química típica da vermiculita pode ser escrita:

(Mg, Ca)0,7(Mg, Fe, Al)6,0[(Al,Si)8O20](OH)4.8H2O.

A célula unitária da vermiculita é do tipo 2:1, constituída por duas folhas

tetraédricas e uma folha octaédrica entre elas. As folhas tetraédricas são

compostas por tetraedros de silício (SiO4), onde ocasionalmente o silício pode

ser substituído isomorficamente pelo alumínio. As folhas octaédricas são

formadas de átomos de alumínio, oxigênio e hidrogênio, compondo Al(OH),

onde o alumínio pode ser substituído por magnésio, ferro, ou por outros

elementos. As camadas TOT (tetraedro-octaedro-tetraedro) são separadas por

duas ou mais camadas de moléculas de água arranjadas em um formato ou

estrutura hexagonal, onde os cátions trocáveis, principalmente o magnésio, e

também o cálcio e o sódio, encontram-se localizados entre as folhas de

moléculas de água (ROSENBURG, 1969; PARENTE e OLIVEIRA, 1986)

A estrutura cristalina da vermiculita, e as cargas envolvidas nela,

encontram-se desbalanceadas, principalmente por substituições isomórficas

nas camadas tetraédricas do Si4+ pelo Al3+. Essas substituições podem ser

parcialmente compensadas por outras substituições; porém, existe um excesso

de cargas negativas, ou seja, há uma deficiência de cargas positivas, as quais

conduziriam a manter a eletroneutralidade do sistema. Esta deficiência de

cargas é compensada pelos cátions trocáveis, que conforme foi colocado

anteriormente são o magnésio, o cálcio, o alumínio e o sódio (ASSUNÇÃO,

1985). Esses cátions trocáveis dão uma excelente propriedade às vermiculitas,

essa característica é devido às fracas ligações entre os íons e as lamelas s,

permitindo que os mesmos sejam removidos e substituídos

estequiometricamente, sem alteração da estrutura das lamelas.

Há alguns anos atrás, o termo vermiculita era mal definido, sendo

aplicado a todo mineral micáceo lamelar que fosse capaz de expandir ou

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esfoliar quando aquecidos. Através de estudos químicos e difração de raios-X,

foi demonstrado que muitos minerais até então classificados como vermiculita

eram, na verdade, camadas interestratificadas de mica-vermiculita e clorita-

vermiculita, que depois foi comprovado que também poderia ocorrer

interestratificações ternárias e quaternárias de vermiculita com ilita, clorita e/ou

montmorilonita. Isso pode ser corroborado por estudos de caracterização

tecnológica das vermiculitas de Santa Luzia (PB) e Sancrelândia (GO)

(UGARTE et al.,2005). Além disso, também existe mistura lateral de vermiculita

e clorita na mesma camada estrutural. Dessa forma, existe uma grande

variabilidade na estrutura cristalina dentro da mesma jazida, fazendo com que

a sua caracterização mineralógica se torne difícil (SANTOS, 1992).

A principal característica que diferencia a vermiculita de outras micas,

como a moscovita, é que quando as placas de vermiculita são submetidas a

temperaturas acima de 900°C, a água de hidratação contida entre as suas

milhares de lâminas se transforma em vapor, expulsando-a de modo

irreversível, constituindo flocos. A esfoliação ou piro expansão ocorre na

direção perpendicular ao plano basal e provoca um aumento de até 20 vezes o

volume inicial.

Esse fenômeno é chamado de esfoliação e faz com que a vermiculita

expandida tenha baixa densidade (entre 0,15 e 0,25 g/cm2), área de superfície

específica entre 6,0 a 8,0 g/cm3 e capacidade de troca catiônica elevada (100 a

130 meq/100 g), tendo o potássio e o magnésio como principais cátions

trocadores. Esta propriedade especial, de expansão, concede ao mineral uma

grande importância industrial, em decorrência da diversidade de aplicações,

seja como isolante térmico e acústico, na purificação de águas residuais ricas

em sais dissolvidos e na remoção de camadas poluentes de petróleo na

superfície de águas oceânicas, entre muitas outras. (Santos, 1989).

Cada floco aprisiona ar em seu interior que promove a propriedade

isolante à vermiculita expandida. Com isso o produto da expansão é resistente

ao fogo, inodoro, não irrita a pele, não condutor elétrico, absorvente acústico e

pode absorver água até 5 vezes o seu peso (DEER et al., 1996)

O processamento da vermiculita pode ser efetuado através de dois

métodos, que são: (a) via seca; e (b) via úmida ou combinação úmido/seca. No

caso de processamento a seco, o minério e previamente submetido à

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secagem. Em regiões de baixos índices pluviométricos pode ser realizada em

pátios, com o calor do sol. Em lugares onde os índices de pluviometria são

altos, o minério deve ser primeiramente seco em secadores rotatórios. Por

outro lado, quando o minério está associado a argilas, o processamento a

úmido é aconselhável (Castro, 1996).

Em geral, a concentração de vermiculita visa à obtenção de produtos

classificados, conforme citados mais adiante, limitando ao máximo o conteúdo

de impurezas não expansíveis. Com isso, melhora-se o rendimento dos fornos

expansores. No processo a seco utilizam-se com bastante freqüência peneiras

convencionais para as granulometrias grosseiras e peneiras especiais para as

granulometrias finas.

A operação de moagem normalmente é feita em moinhos de impacto,

que produzem a separação das placas de maior espessura, evitando a

cominuição excessiva do produto. É importante ressaltar que os processos de

lavra e de beneficiamento devem manter a granulometria com o mínimo de

alterações possíveis, já que o valor do concentrado decresce com o

decréscimo da granulometria. A primeira etapa de concentração separa os pós,

que correspondem à maior parte da massa que alimenta a usina. A seguir, se

classifica o minério, em 4 ou 5 faixas granulométricas, para finalmente cada

uma dessas faixas serem separadas por gravimetria em um separador

pneumático. Estes nada mais são do que um túnel de vento, no qual as

partículas são separadas em função de sua densidade. A separação ocorre

pelas diferentes trajetórias das partículas quando submetidas à corrente de ar.

As placas de vermiculita são arrastadas e depositadas em coletores de

produto; enquanto que as pedras ou partículas esféricas são depositadas em

coletores de rejeito (Castro, 1996).

Os processos em via úmida ou úmida/seca variam em função dos

seguintes fatores: (a) do tipo de jazida; (b) da composição do minério; (c) da

disponibilidade de água; (d) da quantidade de reservas; e (e) capacidade da

usina de beneficiamento. O minério associado a minerais argilosos deve ser

primeiro deslamado em classificadores helicoidais, e separados da ganga por

gravimetria utilizando-se espirais, mesas vibratórias ou ainda jigues. Os

produtos devem ainda por razões de economia de energia ser submetidos a

desaguamento e em seguida a secagem em secadores rotatórios. Nestes

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últimos, a temperatura do ar não deve ser superior a 200°C, sob risco de

produzir pré-expansão da vermiculita. Os produtos secos devem ser separados

em faixas granulométricas através de peneiras e concentrado em

classificadores pneumáticos (Castro, 1996).

A vermiculita tem uma vasta aplicação industrial, após a sua expansão

térmica. No processo de esfoliação térmica da vermiculita, a água interlamelar

é expulsa de forma irreversível, gerando um considerável aumento do volume,

em relação ao volume original. Esta propriedade tem sido decisiva para a

grande quantidade de aplicações na indústria e tem sido um fator na

determinação da qualidade do minério e dos produtos finais (concentrados), ao

ponto de ser objeto de padronização por diversas entidades como a ASTM, a

ABNT e a The Vermiculite Association (Castro, 1996). Entre as propriedades

utilizadas para se avaliar a qualidade dos concentrados encontram-se a

granulometria, densidade, massa especifica aparente (m.e.a), teor de

vermiculita (%), condutividade térmica, temperatura de amolecimento e

umidade, entre outras.

2.2 Cimento Portland

2.2.1 Histórico

O termo cimento originou-se de “caementum”, nome dado a uma pedra

natural de um rochedo na Roma antiga. Já era utilizado pelos egípcios há

alguns milhares de anos antes de cristo, composto de gesso e calcário

calcinado para unir as pedras de seus monumentos. Os gregos e romanos

misturaram a cal dos egípcios com água, areia e pedra fragmentada,

originando o primeiro concreto da história. Na idade média, houve um grande

declínio no uso do cimento, só retornando em 1756, quando John Smeanton

encarregou de reconstruir o farol de Eddystone, desenvolvendo uma

argamassa resultante da queima de argila e cal.

No século XIX descobriu-se que determinadas rochas na ilha de

Portland, no sul da Inglaterra, rudimentarmente tratadas, permitiam a obtenção

de um ligante que endurecia ao ar, ou mesmo debaixo de água. A este ligante

chamou-se cimento Portland. A partir desta descoberta, procurou-se encontrar

na natureza substâncias rochosas que permitissem, quando misturadas nas

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proporções convenientes e sujeitas a tratamentos adequados, conduzir à

produção de um ligante idêntico a cimento Portland natural (MEHTA, 1994;

ZAMPIERI, 1989) John Aspdim como o objetivo de produzir um ligante com as mesmas

características ao encontrado na ilha de Portland, estabeleceu os princípios

fundamentais para a produção de cimento, a partir de calcário, argila e carvão,

que ainda hoje se mantém como base da produção do cimento, beneficiando

obviamente as muitas inovações tecnológicas. O cimento assim obtido chama-

se de cimento Portland artificial, ou normal. E em 1873, o produto começou a

ser aditivado com gesso cru (sic!) e cloreto de cálcio, visando regular seu

tempo de pega (ZAMPIERI, 1989).

Os cimentos são caracterizados pela propriedade de adquirirem

resistência mecânica ao serem misturados com a água e de não a perder

quando em contato com esta. São pertencentes à classe dos chamados

aglomerantes hidráulicos (Barbosa, 2004)

Finalmente em 1844, Isaac Charles Johnson, diretor da fabrica de

cimentos Francis White, estabeleceu os princípios modernos de produção do

cimento Portland, isto é, a fabricação em presença de fase líquida obtida a

altas temperaturas, sendo, portanto, Johnson o verdadeiro inventor do atual

cimento Portland. A partir de 1900, o cimento Portland adquiriu importância

transcendental nas obras de engenharia (ZAMPIERI, 1989).

Os cimentos essencialmente produzidos a partir de uma mistura de

calcário e argila, resultado de uma moagem de um produto chamado Clínquer,

obtido pelo cozimento até a fusão incipiente da mistura de calcário e argila

convenientemente dosada e homogeneizada, a qual é. Os componentes

químicos adicionada pequena quantidade de gesso (sulfato de cálcio)

principais do cimento Portland são a cal (CaO) – de 60 % a 67 %, sílica (SiO) –

de 17 % a 25 %, alumina (Al O ) – de 3 % a 8 % e óxido de ferro (Fe O ) – de

0,5 % a 6 %.

2.2.2 Produção e composição do clinquer O cimento é essencialmente produzido a partir da mistura de calcário e

argila. Basicamente, as matérias-primas do cimento Portland são: calcário,

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sílica, alumina, óxido de ferro e sulfato de cálcio, sendo que os quatros

primeiros óxidos são usados para produção clínquer.

O sulfato de cálcio é usado na forma de gesso (CaSO4 do. 2H O) ou

hemidrato (CaSO4 . 1/2 H2 O), ou CaSO4 ou uma mistura dos três; este é

adicionado posteriormente, durante a etapa de moagem, para controle da

hidratação inicial do cimento, uma vez que na ausência desse, a pasta de

cimento sofreria uma pega muito rápida e irreversível (TAYLOR, 1997).

Durante a preparação do cru ou da farinha (sic!), além da dosagem das

matérias-primas, grande atenção é dedicada à moagem e homogeneização

das mesmas, uma vez que tanto a granulometria quanto à homogeneização

são fatores de fundamental importância para o desenvolvimento das reações

de clinquerização e qualidade do produto (LEA, 1938)

O processo de fabricação do cimento consiste em retirar o calcário da

jazida, levá-lo ao britador para diminuir seu tamanho e misturá-los a argila. Em

seguida, a mistura é levada a um moinho de bolas para gerar um pó bem fino

(farinha de cru). Esse pó é bombeado até os silos onde é feito o

balanceamento das proporções adequadas à produção do cimento por meio de

peneiras. Após o processo de balanceamento, o pó é colocado em um forno

rotativo até uma temperatura de cerca de 1.450 °C, fornecendo uma energia

necessária às reações químicas de formação do clínquer de cimento. Ao sair

do forno, o clínquer é resfriado para manter as características físico-químicas

do produto final e, em seguida, o mesmo é moído juntamente com o sulfato de

cálcio. O resultado desta última moagem é o cimento pronto para ser

comercializado (SANTOS JÚNIOR, 2006; NELSON, 1990).

Um esquema bem simplificado do processo de fabricação do cimento

Portland (KIHARA e MARCIANO, 1995).

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FIGURA 1: Processo de Fabricação do cimento Portland

FONTE: KIHARA e MARCIANO, 1995.

Durante o processo de fabricação mostrado acima, a mistura bem

proporcionada dos quatros principais componentes químicos, Cal, Sílica (SiO2),

Alumina (Al2O3 ), Óxido de ferro (Fe2O3 ) reagem entre si, dando origem a uma

série de produtos complexos tais como, o silicato tricálcio, silicato dicálcio,

aluminato tricálcio e o ferroaluminato de cálcio (TAYLOR,1997)

Dos quatro componentes principais designados na química do cimento

pelas letras C, S, A e F, cálcio, silício, alumínio e ferro respectivamente,

derivam os compostos fundamentais mais complexos que determinam as

propriedades do cimento:

• Aluminato tricálcico (C3A) – reage rapidamente com a água e cristaliza-se em

poucos minutos. É o constituinte do cimento que apresenta o maior calor de

hidratação. Controla a pega inicial e o tempo de endurecimento da pasta, mas

é o responsável pela baixa resistência aos sulfatos fase aluminato constitui 5-

10% do clínquer, reage rapidamente com água e pode causar indesejável e

rápido endurecimento (Taylor, 1992). É o composto do cimento que apresenta

maior velocidade de hidratação, embora seja o composto de menor

concentração no cimento classe G. Sua função é de grande importância, já que

juntamente com o gesso é um dos principais responsáveis pelo controle do

tempo de pega e pela suscetibilidade ao ataque de águas sulfatadas. O seu

teor é inversamente proporcional ao tempo de espessamento e à água livre, e

diretamente proporcional à viscosidade, ao limite de escoamento, aos géis e à

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resistência à compressão. Estas propriedades físicas devem ser perfeitamente

ajustadas na fase de projeto da pasta;

• Ferro-aluminato tetracálcico (4C AF) – é o componente que dará coloração

cinzenta ao cimento, devido à presença de ferro. Este libera baixo calor de

hidratação e reage menos rapidamente que o C3A. Controla a resistência a

corrosão química do cimento;

• Silicato tricálcico (3C S) –; Alita é o mais importante constituinte do clínquer, o

qual se apresenta na faixa de 50-70%, reage rapidamente com água e

desenvolve resistência em curas superiores a 28 dias (Taylor, 1992). É o

composto de maior concentração no cimento classe G, depois do C3A é o que

apresenta maior velocidade de hidratação. A sua concentração é inversamente

proporcional ao tempo de espessamento e à água livre, e diretamente

proporcional à viscosidade, ao limite de escoamento aos géis e à resistência à

compressão

• Silicato dicálcico (C2S) – A Belita constitui 15-30%, reage lentamente com

água, assim contribui pouco para a resistência durante os primeiros 28 dias,

mas substancialmente para o aumento de resistência em idades superiores

(Taylor, 1992). É o composto do cimento que apresenta menor velocidade de

hidratação, exerce pouca influência sobre as propriedades físicas iniciais das

pastas de cimento preparadas com o cimento classe G, no entanto tem grande

contribuição na resistência final do cimento

2.2.3 Hidratação

Na medida em que se adiciona água ao cimento Portland tem-se, quase

que instantaneamente, o início de uma série complexa de reações de

dissolução e a formação de novas fases hidratadas. Após algum tempo, em

função da trama estabelecida por essas novas fases geradas, obtém-se um

produto de apreciável resistência mecânica. Analisada sob esse aspecto, a

hidratação do cimento Portland representa a transformação das fases anidras

20


e metaestáveis do clínquer Portland (alita, belita, aluminato e ferro-aluminato

cálcicos), cujos campos de estabilidade envolvem via de regra temperaturas

superiores a 1000ºC, em novas fases hidratadas estáveis sob condições

ambientes (UCHIKAWA, 1986).

Os maiores constituintes do cimento Portland hidratado são silicato de

cálcio hidratado (C-S-H) e hidróxido de cálcio (CH), ambos são produzidos

principalmente pela reação entre alita e água (Kjellsen, 2004). O CH é um

mineral que pode ocupar mais de 26% por volume da pasta de cimento

(Beaudoin et al., 1998) e é o responsável pelo pH alcalino da pasta de

cimento.

Nas micrografias eletrônicas de varredura, Figuras 5 e 6, observam-se a

morfologia do cimento após 3 h e 10 h de hidratação.

FIGURA 2: Micrografia Eletrônica de Varredura do Cimento após 3 h de Hidratação. (LIMA,

2004)

FIGURA 3: Micrografia Eletrônica de Varredura do Cimento após 10 h de Hidratação (LIMA,

2004)

21


As reações de pega e endurecimento do cimento são bastante

complexas, pelo fato de ser o cimento uma mistura heterogênea de vários

compostos que se hidratam mais ou menos independentemente, dando origem

aos compostos hidratados responsáveis pelas propriedades aglomerantes do

cimento (Paula et al., 2002).

Então para melhor compreender o processo de hidratação do cimento

Portland é necessário analisar separado do comportamento exibido pelas

diversas fases que compõem o clínquer. Nesse sentido, reproduz-se na Figura

7 as curvas de resistência à compressão das pastas puras obtidas por meio da

mistura das principais fases do clínquer com água. Na Figura 8, por outro lado,

encontram-se retratadas graficamente as taxas de hidratação desses

compostos, na pasta de cimento, em função do tempo.

FIGURA 4: Curvas de Resistência à Compressão de Pastas Puras Obtidas a Partir da

Hidratação dos Principais Compostos do Clínquer em Função do Tempo(ZAMPIERI, 1989).

FIGURA 5: Taxas de Hidratação dos Principais Compostos do Clínquer nas Pastas de

Cimento em Função do Tempo. (ZAMPIERI, 1989)

22


As análises das FIGURA 4 e FIGURA 5 permitem observar que, dentre

as fases que compõe o clínquer, apenas os silicatos cálcicos (alita e belita)

podem produzir com água pastas de expressivas resistências mecânicas.

Confrontando-se as curvas de resistência das pasta, obtidas com essas

duas fases, constata-se que a hidratação dos cristais de alita, em função de

sua reatividade relativamente maior, proporciona, já a curtas idades,

significativos valores de resistência mecânica. A belita, por sua vez, mostra

uma evolução menos acentuada de valores exigindo para iguais resistências

um tempo de hidratação maior. (ZAMPIERI, 1989)

Por outro lado, embora os aluminatos e ferroaluminatos cálcicos exibam

pastas com resistências relativamente menos expressivas, a grande

reatividade do C3A (manifestada por sua rápida taxa de hidratação) torna esse

composto particularmente importante na definição de tempo de pega e para a

resistência inicial do cimento (LEA, 1938)

A reação de hidratação do cimento Portland é um processo exotérmico e

libera muita energia, na TABELA 1 está exposto o calor de hidratação das

fases do cimento Portland.

TABELA 1: calor de hidratação das fases do cimento Portland.

REACÕES DE HIDRATAÇÃO -H (J/g) hidratação completa

2C3S + 7H C3S2H4 (C-S-H) + 3CH

2C2S + 5H C3S2H4 (C-S-H) + CH

250

880

23


2C3A + 12H → [C4AHX + C2AH8] Hidratados hexagonais metaestáveis → 2C3AH6 Hidratados cúbicos estáveis

420

C4AF + 10H + 2CH → [C4(A, F)HX + C2(A, F)H8 ] Hidratados hexagonais metaestáveis →

2C3(A, F)H6 Hidratados cúbicos estáveis

2.2.3.1 Hidratação das fases silicatos de cálcio:

Os silicatos de cálcio correspondem a 75% da composição do

cimento, reagem com a água formando silicatos de cálcio hidratados e

hidróxido de cálcio (TABELA 2). O processo de hidratação do C3S (Alita) e

C2S (Belita) é exotérmico e acontece simultaneamente, porem a hidratação do

C3S é bem mais rápida do que a do C2S e libera mais hidróxido de cálcio.

TABELA 2: Hidratação dos componentes silicatos do clínquer

Silicatos tricálcicos SiO2-3CaO + 4.5H2O = SiO2-CaO-2.5H2O + 2Ca

(OH)2

Silicatos bicálcicos SiO2-2CaO + 3.5H2O = SiO2-CaO-2.5H2O +

Ca(OH)2

O hidróxido de cálcio é responsável pelo ph alcalino da pasta de

cimento. Os silicatos monocálcicos hidratados formados podem também ser

chamados de gel de tobermorita ou fase C-S-H, que é o composto que

conforma a estrutura do cimento hidratado e principal responsável pelas

propriedades mecânicas do cimento hidratado (NELSON, 1990).

Adicionalmente pode-se dizer que a fase C-S-H possui estrutura praticamente

amorfa. Como pode ser observado na FIGURA 6.

24


FIGURA 6: Micrografia Eletrônica de Varredura mostrando a Morfologia da Fase C-S-

H(NASCIMENTO, 2006)

Além do C-S-H, a hidratação da alita e belita proporciona a formação de

uma quantidade significativa de hidróxido de cálcio (portlandita), avaliada

respectivamente em 49% e 22% do material de partida, o qual praticamente

não contribui para resistência mecânica dessas pastas.

A Portlandita (CH) possui morfologia bem definida, de forma cristalina e

prismática, com tendência à forma hexagonal, como pode ser observado na

FIGURA 7.

FIGURA 7: Micrografia Eletrônica de Varredura mostrando a fase Portlandita. (LIMA, 2004)

2.2.3.2 Hidratação dos aluminatos de cálcio

A hidratação do C3A é muito importante para as condições reológicas

durante as primeiras horas de hidratação do cimento (GRIESSER, 2002). Este

composto ao reagir com o gesso hidratado (CaSO4.2H2O), controla a sua

25


hidratação, uma vez que a ausência desses ocorreria o enrijecimento muito

rápido da pasta de cimento Portland, conhecido como pega instantânea, que

prejudica as propriedades físicas da pasta (NELSON,1990).

Na presença do gesso, o C3A altera substancialmente seu processo de

hidratação, dando lugar inicialmente a um composto de formulação complexa,

denominado etringita, como pode ser observado nas FIGURA 8 e FIGURA 9.

FIGURA 8: Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita. (LIMA, 2004)

FIGURA 9: Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita (LIMA, 2004).

A hidratação do C4AF em presença de gesso promove a formação de

fases similares, as quais se distinguem pela substituição parcial do Al pelo Fe.

É comum observar-se a terminologia “AFt" e “AFm" para designar,

respectivamente, a etringita e o monosulfoaluminato impuros decorrentes da

substituição parcial do Al pelo Fe e do SO4 por outros ânions.

26


2.2.4 Classificação do cimento Portland

Os tipos de cimento Portland são até certo ponto baseados na

composição química ou propriedades físicas. Tais como área superficial

específica, e em testes de desempenho, tais como tempo de pega ou

desenvolvimento de resistência à compressão. Rápido endurecimento de

cimento Portland tem sido produzido por vários caminhos, tais como variando a

composição aumentando o teor de alita e através moagem bastante fina do

clínquer (Taylor, 1992).

O instituto americano de petróleo (API) classifica o cimento Portland em

oito classes designadas de A a J, em função da composição química, que deve

estar arranjada de acordo com a profundidade as quais podem ser aplicadas,

pressões e temperaturas aos quais estão expostos (Campos et al., 2002).

TABELA 3: Classes do cimento Portland (Campos et al., 2002).

Tipo Características

Classe A Utilizado em profundidades de até 1830 m (6.000 pés) quando não há necessidade de propriedades especiais.

Classe B Utilizado em profundidades de até 1830 m em condições onde não há a necessidade de moderada a alta resistência a sulfato.

Classe C Utilizado em profundidades de até 1830 m em condições onde há necessidade de uma alta resistência à compressão inicial.

Classe D Utilizado em profundidades de até 1830 m a 3050 m (10.000 pés) sob condições de pressões e temperaturas de moderadas a altas.

Classe E Utilizado em profundidades de até 3050 m a 4270m (14.000 pés) sob condições de pressões e temperaturas altas.

Classe F Utilizado em profundidades de até 3050 m a 4880 m (16.000 pés) sob condições de pressões e temperaturas extremamente altas.

Classe G e H

Utilizados em operações básicas de cimentação de poços de petróleo de revestimentos de superfície até profundidade de 2440m (8.000 pés), podendo ainda ser utilizado com uma série de aditivos químicos de modo a contemplar uma série de aplicações distintas a depender da profundidade e temperatura.

27


Classe J para uso como produzido, em profundidades de 3 660 m até 4 880 m, sob condições de pressão e temperatura extremamente elevadas.

Neste trabalho, o cimento utilizado na formulação das pastas foi o

portland classe especial (NBR 9831), desenvolvido pela Petróleo Brasileiro S.A.

– Petrobras para atender a condições e temperaturas exigidas pelos poços de

petróleo.

A utilização do cimento Portland classe especial é a mesma do cimento

Portland classe G. Sendo que a classe especial apresenta diferenças no que

diz respeito às pastas puras, isto é, o primeiro possui 2 % a mais de teor de

água em peso de cimento, granulometria entre 17,5 % e 20,5 % em relação à

granulometria de 325 mesh, perda ao fogo de no máximo 2 %, teor de C3S de

55 a 65 % e um máximo de 1 % de conteúdo alcalino total (Campos et al.,

2002).

2.3 Cimentação

Cimentação é uma operação onde uma pasta de cimento é forçada a

descer através de um revestimento até sair na outra extremidade deste,

preenchendo o espaço entre o revestimento e as paredes do poço a uma altura

pré-determinada acima do fundo do poço. A função dessa bainha de cimento é

promover o isolamento zonal do poço e dar sustentação e estabilidade ao

revestimento.

O primeiro uso do cimento em poço de petróleo ocorreu na Califórnia em

1883, mas só a partir de 1903, parte do poço de petróleo começou a ser

cimentada como forma de combater as infiltrações de água que podem levar a

perdas, utilizando-se o cimento Portland em um processo manual de mistura

com água, para obtenção de pasta de cimento (cimentação, 1998)

Em 1905, Al Perkins funda o que seria, nos próximos anos, a maior

empresa californiana na especialidade, e em 1910, patenteou o método de

bombear a pasta para o poço, com tampões metálicos à frente e atrás desta,

para evitar contaminação, sendo deslocada por vapor, água ou fluido de

perfuração. [Nelson, 1990]

28


Em 1919, Erle Halliburton parte para o "MidContinent", onde fundou sua

própria empresa, Halliburton Cementing Co., que se tornou, por sua vez, a

maior empresa da especialidade e em 1922 Halliburton patenteou o misturador

com jatos (jet mixer) automatizando a mistura de pasta, ampliando as

possibilidades operacionais, fazendo com que a prática de cimentar os

revestimentos fosse adotada pela maioria das companhias.

Naquela época aguardava-se de 7 a 28 dias para o endurecimento do

cimento. Mas, a partir de 1923, alguns fabricantes americanos e europeus de

cimento passaram a produzir cimentos especiais para a indústria do petróleo

(LIMA, 2004). Alem disso com o aparecimento dos aditivos os tempos de pega

podem ser controlados e reduzidos, hoje em dia as pastas se mantêm com

trabalhabilidade a altas temperaturas e pressões, em geral 4h a partir desse

tempo a pasta endurece rapidamente e as atividades no poço podem ser

retomadas apenas de 8 h a 12 h após a execução da cimentação

(Schlumberger, 1984).

2.3.1 Tipos de cimentação

2.3.1.1 Cimentação Primária

Denomina-se cimentação primária à cimentação de cada coluna de

revestimento, levada a efeito logo após a sua descida no poço. A cimentação

primária tem como objetivo colocar uma pasta de cimento não contaminada em

determinada posição no espaço anular entre o poço e a coluna de

revestimento, de modo a se obter fixação e vedação eficiente e permanente

deste anular durante toda a vida útil do poço.

29


FIGURA 10: Cimentação Primária (Costa, 2004)

2.3.1.2 Cimentação Secundária

A cimentação secundária trata-se de todas as operações que são

realizadas no poço de petróleo após a cimentação primária. Essas operações

são realizadas para corrigir erros da cimentação primária ou falhas que a

bainha de cimento possa ter durante sua vida útil. Há três tipos de cimentação

secundária: tampão de cimento, recimentação e compressão de cimento ou

squezze.

Os tampões de cimento consistem em bombear certo volume de pastas

para o poço com o objetivo de tamponar um trecho do poço. São usados nos

casos de perda de circulação, abandono definitivo ou temporário do poço,

como base para desvios, compressão de cimento, impedir o fluxo de fluidos

através de canhoneados entre a formação e o interior do revestimento [Mota,

2003]. A FIGURA 11 exemplifica um tampão de cimento.

30


FIGURA 11: Tampão de cimento

A recimentação é a correção da cimentação primária, quando o cimento

não alcança a altura desejada no anular ou ocorre canalização severa. O

revestimento é canhoneado em dois pontos. A recimentação só é feita quando

se consegue circulação pelo anular, através do canhoneamento em dois

pontos. Para possibilitar a circulação com retorno, a pasta é bombeada através

de coluna de perfuração, dotada de retentor de cimento para permitir a

pressurização necessária para a movimentação da pasta pelo anular.

Por fim a compressão de cimento ou squezze, FIGURA 12, consiste na

injeção forçada de pequeno volume de cimento sob pressão, que visa corrigir

localmente a cimentação primária, sanar vazamentos no revestimento ou

impedir a produção de zonas que passaram a produzir quantidade excessiva

de água ou gás. Exceto em vazamentos, o revestimento é canhoneado antes

da compressão propriamente dita [Nelson, 1990].

31


FIGURA 12: Squezze

32


3 METODOLOGIA

3.1 Caracterização da vermiculita

3.1.1 Composição química A determinação da composição química foi feita através de fluorescência

de raios X (FRX) por energia dispersiva em um equipamento Shimadzu modelo

EDX-820. Os espectros de fluorescência de raios X foram obtidos utilizando-se

cerca de 300 mg de vermiculita na forma de um pó fino depositado em uma

porta-amostra formado por um filme plástico de polietileno, que apresenta baixa

absorção de raios X na faixa de energia de interesse.

3.1.2 Difração de raiosX

As amostras foram caracterizadas por difração de raios X em um

equipamento da Shimadzu modelo XRD-7000 utilizando-se uma fonte de

radiação de CuKα com voltagem de 30kV, corrente de 30 mA . Os dados foram

coletados na velocidade do goniômetro de 0,02° 2θ por passo com tempo de

contagem de 1,0 segundo por passo e coletados de 3 a 70º 2θ, utilizando o

spin cm 120rpm para diminuir erros causados pela orientação preferencial das

argilas. A interpretação qualitativa do espectro foi efetuada por comparação

com padrões contidos no banco de dados JCPDS (ICDD-2002).

3.1.3 Microscopia eletrônica de varredura

A caracterização morfológica dos materiais foi feita por microscopia

eletrônica de varredura. Os exames microscópicos das amostras foram

realizados em um microscópio eletrônico de varredura da Philips modelo XL3o

ESEM. O procedimento de preparação dos materiais para a análise consistiu

na deposição de uma porção do sólido sobre uma fita adesiva de carbono

fixada no porta-amostra.

33


3.1.4 Densidade da vermiculita expandida

A vermiculita expandida apresenta grande quantidade de vazios entre

sua lamelas fazendo com que sua densidade se torne muito baixa, menor do

que a da água. Logo não foi possível medir a densidade pelo método de Le

Chatelier usando água e depois álcool, porque mesmo assim a densidade da

vermiculita é menor do que a do álcool. Na picnometria foi utilizado o N-

hexano, mas por esse líquido ser muito volátil não foi possível verificar a

densidade do material. Só foi possível determinar a densidade da vermiculita

pelo método de tentativa e erro, fazendo uma pasta de cimento, água e

vermiculita e verificando a sua densidade na balança de lama.

3.2 Preparação e caracterização tecnológica das pastas

A composição das pastas compósitas de cimento/vermiculita está

exposta na TABELA 4 abaixo:

TABELA 4: Composição das Pastas

Cimento Água Vermiculita

expandida

0% 491,26 g 443,39 g 0 (g)

3% 496,71 g 423,04 g 14,90g

6% 502,29 g 402,22 g 30,14 g

9% 507,99 g 380,94 g 45,72 g

12% 513,82 g 359,17 g 61,66 g

É importante ressaltar que todas as pastas possuem a mesma

composição independente da granulometria da vermiculita e ainda que todas

as pastas e ainda que todos os sistemas foram projetadas para atingir

densidade de 13Lb/Gal.

Após os sistemas de pastas já formuladas começa a preparação

propriamente dita, com a pesagem de todos os materiais utilizados na

34


preparação das pastas, em uma balança analítica Tecnal Mark 3100 com

resolução de 0,01g Posteriormente a pesagem dos foi realizada a mistura seca

do cimento Portland e vermiculita expandida, onde a mesma foi

homogeneizada manualmente.

3.2.1 Mistura das pastas

Para efetuar a mistura utilizou-se um misturador Chandler modelo 80-60,

o qual é mostrado na FIGURA 13. A mistura foi realizada ligando-se o

misturador, contendo a água de mistura, em velocidade baixa (4 000 rpm ± 200

rpm), lançando-se neste a mistura seca cimento/vermiculita, por meio de funil

de colo curto, pela abertura central da tampa da jarra, e uma espátula em15s,

durante os quais a velocidade foi mantida constante. O tempo de adição foi

controlado pelo temporizador do misturador. Após toda amostra ter sido

ininterruptamente adicionada à água, deu-se continuidade a agitação em

velocidade alta (12 000 rpm ± 500 rpm) durante 35s, desligando-se, em

seguida, o misturador(NBR,2006).

FIGURA 13: Misturador de Palheta Chandler Modelo 80-60, com Controlador de velocidade

3.2.2 Homogeneização das pastas

35


Imediatamente após a mistura das pastas, foi realizada a

homogeneização em um consistômetro atmosférico Chandler modelo 1200

(FIGURA 14), Para cada ensaio as pastas foram homogeneizadas por 20

minutos a uma rotação de 150 ± 15 rpm e na temperatura de 27°C. O

equipamento é dotado de um elemento aquecedor o que permitiu levar as

pastas ate a temperatura de ensaio (27°C e 52°C). Ao final do tempo o

equipamento foi desligado e as pastas foram conduzidas aos ensaios

reológicos, perda de filtrado e água livre (NBR 9831).

FIGURA 14: Consistômetro atmosférico

3.2.3 Ensaios reológicos

As propriedades reológicas das pastas formuladas foram determinadas

através de um viscosímetro rotativo de cilindros coaxiais Chandler modelo 3500

de acordo com a norma NBR 9831.

Depois de homogeneizadas por 20 minutos no consistômetro

atmosférico, as pastas foram vertidas em copo térmico e cisalhadas em

viscosímetro aplicando-se várias taxas de velocidade, de acordo com a norma

de ensaios reológicos definidas pela API. As leituras foram realizadas

aplicando-se taxas de cisalhamento ascendentes e descendentes a intervalos o

de 10 segundos, mantendo-se a temperatura constante determinadas. As

taxas empregadas foram de 3, 6, 10, 20, 60, 100, 200 e 300 rpm.

36


Após a leitura de 3 rpm, aumentou-se a velocidade do rotor para 300

rpm, mantendo-a por 1 min. Em seguida, o motor é desligado e após 10 s, o

mesmo foi novamente ligado acionado a 3 rpm, registrando-se a deflexão

máxima observada (Gi). Desligou-se mais uma vez o motor por 10 min, no fim

do qual o motor foi ligado, registrando-se a deflexão máxima observada (Gf)

(NBR 9831).

3.2.4 Ensaio de resistência a compressão

Para a realização do ensaio as pastas foram preparadas seguindo os

procedimentos de pesagem e mistura após isso as pastas foram vertidas em

três moldes plásticos cúbicos com 50 mm de aresta (FIGURA 15) com a ajuda

de um bastão de vidro, golpeando a pasta removendo assim as bolhas de ar

aprisionadas.

FIGURA 15: Moldes Plásticos

Depois de fechados os moldes foram levados à cura em um banho

termostático da Nova Ética modelo 500/3DE (figura xx), foram utilizadas três

tempos de cura (24h, 48h e 7 dias) nesse trabalho e duas temperaturas (38°C

e 60°C). Após o tempo de cura os moldes foram retirados do banho e

desmoldados, em seguida os corpos de prova foram enxutos e medidas as

suas dimensões com um paquímetro. O ensaio dos corpos de prova foi

realizado em uma maquina de ensaios universal Shimadzu Autograph modelo

AG-I controlada pelo programa TRAPEZIUM 2. (NBR 9831, 2006)

37


FIGURA 16: Banho Termostático

3.2.5 Ensaio de consistometria

Este ensaio foi realizado preparando-se as pastas conforme já

mencionado, e em seguida, a pasta foi adicionada a uma célula cilíndrica, onde

também foi colocado um conjunto eixo-palheta. Depois de fechada, a célula,

contendo a pasta de cimento, foi levada ao consistômetro pressurizado

Chandler modelo 8240, e colocada sobre a mesa rotativa dentro da câmara de

pressão. Depois da colocação do termopar e do completo preenchimento da

câmara com óleo, iniciou-se a pressurização e o aquecimento da pasta de

acordo com a NBR 9831, até se atingir uma pressão de 5000 psi (34,5 MPa) e

uma temperatura de 125 ºF (52 ºC), por um período de 28 min. Estes

parâmetros foram mantidos constantes até o final do ensaio, ou seja, até a

pasta de cimento atingir uma consistência de 100 Uc (API, 2000; NBR 9831,

2006).

3.2.6 Ensaio de água livre

Na realização deste ensaio a preparada e homogeneizada conforme já

mencionado. Após de homogeneizada a pasta foi então transferida a massa

de 750± para um erlenmeyer por um período de 2 horas,após esse período de

tempo, o volume de água sobrenadante, foi retirado com auxílio de uma

seringa e transferido para uma proveta.

38


%Al = Val x ρ x 100

Mp

Al= Conteúdo de água

Val= volume de fluido sobrenadante

Mp=massa inicial da pasta

P=densidade de pasta gramas por centímetro cúbico

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Caracterização da vermiculita

39


Como foi mencionado no capitulo anterior antes de formular as pastas

de cimento contendo vermiculita se faz necessário a caracterização da mesma

a seguir estão apresentados os resultados da caracterização da vermiculita

mícron expandida.

4.1.1 Composição química

Na tabela abaixo esta o resultado da analise química da vermiculita

mícron expandida obtido através da Fluorescência de Raios-X. Podemos

observar que ela apresenta teor significativo de Silício, Magnésio, Alumínio e

Ferro, próprio dos aluminossilicatos e que encontram-se dentro das faixas

estabelecidas para a maioria das vermiculitas de interesse econômico. Em

relação aos outros elementos, a baixa concentração que apresentam, não afeta

a qualidade do concentrado da vermiculita.

TABELA 5: Composição da vermiculita

Mícron Expandida

Elemento %

SiO2 45.650MgO 19.257

Al2O3 11.631Fe2O3 9.548CaO 6.085K2O 3.885SO3 1.467P2O5 0.772TiO2 0.651BaO 0.545

Cr2O3 0.178MnO 0.145NiO 0.125SrO 0.047

Rb2O 0.010

40


4.1.2 Difração de raiosX

A TABELA 6 indica as cartas de referência para cada um das

Vermiculitas.

TABELA 6: Identificação das Cartas Cristalográficas

PDF Nome Fórmula 26-0911 Ilita ( K , H3 O ) Al2 Si3 Al O10 ( O H )2 45-1371 Magnésio- Ca2 ( Mg , Fe +2 )4 Al ( Si7 Al ) O22 ( 49-1057 Hidrobiotita K - Mg - Al - Si O2 - H2 O 77-0022 Vermiculita ( Mg2.36 Fe.48 Al.16 ) ( Al1.28 Si2.72

No minério da vermiculita foram identificados os filossilicatos vermiculita

(77-0022) como mineral principal e a hidrobiotida (49-1057) em proporção

elevada, a quantidade elevada de hidrobiotita, segundo De la Calle e Suquest

provém de uma alteração mineralógica na seguinte seqüência: (biotita ou

flogopita) ( vermiculita ) ( esmectita ).

Por ser um argilomineral de camadas interestratificadas, outros minerais

formam identificados através do DRX, além dos mencionados anteriormente.

Pequenas quantidades de Ilita(26-0911), e Magnésio-hornblenda (45-1371).

Na vermiculita mícron expandida (FIGURA 17) observou-se

decomposição principalmente das fases da vermiculita e hidrobiotita e maior

definição dos picos das fases de magnésio-hornblenda, esse resultado é

conseqüência da transformação da mistura de vermiculita com hidrobiotita

decorrente do processo de expansão, que provocou o desequilíbrio na

seqüência de empilhamento desses minerais modificando sua rede cristalina.

41


FIGURA 17: Raio-X da Vermiculita micron expandida

4.1.3 Microscopia eletrônica de varredura

O estudo de matérias através da microscopia eletrônica possibilita a

obtenção de informações sobre a morfologia da superfície. Nas FIGURA 18 e

FIGURA 19 é possível visualizar duas micrografias de vermiculita micron

expandida, com aumentos diferentes,nelas pode-se observar claramente o

afastamento das lamelas que é característico desse grupo de materiais após

passar por tratamento térmico de expansão ou esfoliação.

FIGURA 18: Microscopia eletrônica com aumento de 100x

10 20 30 40 50 60

0

2500

5000

7500

10000

12500

15000

MM

M

M

M VHHH

HH

H

V

VV

V

Inte

nsid

ade

(CP

S)

2θ

Vermiculita micron expandida

V_77-0022V

H_49-1057

H

M_45-1371

M

b)

42


FIGURA 19: Microscopia eletrônica com aumento de 250x

4.1.4 Densidade da vermiculita expandida

Como já foi descrito a densidade da vermiculita foi obtida através do

método de tentativa e erro onde as pastas de cimento e vermiculita foram

preparas e verificadas suas densidades até que o valor estipulado fosse

confirmado na densidade da pasta, com isso pode se alcançar o valor de

0,80g/cm³.

4.2 Caracterização tecnológica

4.2.1 Ensaios reológicos

Os parâmetros reológicos de viscosidade plástica, limite de escoamento,

gel inicial e gel final estão apresentados na Tabela xx. É importante notar que

não foram realizados testes reológicos com a vermiculita expandida mícron na

concentração de 12 % a temperatura de 27°C porque a pasta ficou muito

viscosa (FIGURA 20), não sendo possível obter as leituras das tensões para

calculo dos parâmetros reológicos.

43


FIGURA 20: Pasta de cimento com vermiculita expandida mícron, na concentração de

12 %, durante a medida reológica.

TABELA 7: Parâmetros Reológicos

Viscosidade Plástica (cP)

Limite de Escoamento

lbf/100pé²)

Gel Inicial (lbf/100pé²)

Gel Final (lbf/100pé²)

27°C 52°C 27°C 52°C 27°C 52°C 27°C 52°C

3% 9,90 6,91 4,15 2,54 3 3 5 5

6% 28,06 15,30 7,42 8,55 4 6 7 12

9% 64,74 39,60 22,71 18,79 12 9 13 17

12% -- 157,75 -- 29,22 -- 22 -- 32

Com relação à viscosidade plástica a adição de vermiculita mícron teve

o mesmo efeito nas duas temperaturas como pode ser visto no FIGURA 21. A

um aumento na viscosidade à medida que aumenta a concentração de

vermiculita. Esse aumento pode ser atribuído a vermiculita absolver água, o

que leva a um aumento no atrito entre as partículas presentes na pasta. Outro

ponto a ser observado e já esperado era que as pastas ensaiadas na

temperatura aquecida apresentam menores valores de viscosidade plástica.

44


3% 6% 9% 12%0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

165

Visc

osid

ade

Pla

stic

a (c

P)

Concentraçمo de vermiculita

27°C 52°C

FIGURA 21: Viscosidade Plástica

O limite de escoamento das pastas aumenta com o aumento da

concentração de vermiculita, esse aumento e mostrado na FIGURA 22.

3% 6% 9% 12%0

5

10

15

20

25

30

Lim

ite d

e E

scoa

men

to lb

f/100

pé²)


27°C 52°C

FIGURA 22: Limite de Escoamento

Foi observado que a menor concentração da vermiculita expandida

adicionada a pasta de cimento não promoveu alteração significativa nos

valores de limite de escoamento. A partir da adição de 9 % de vermiculita

expandida observa-se um aumento mais acentuado, nas duas temperaturas

estudadas.

Os valores de gel inicial e gel final estão expostos nas figuras FIGURA

23FIGURA 24.

45


3% 6% 9% 12%0

5

10

15

20

25

Gel

Inic

ial (

lbf/1

00pé

²)

concentraçمo de vermiculita

27°C 52°C

FIGURA 23: Gel Inicial

3% 6% 9% 12%

5

10

15

20

25

30

35

Gel

Fin

al (l

bf/1

00pé

²)


27°C 52°C

FIGURA 24: Gel Final

Pode ser observado que tanto os valores de gel inicial e gel final

aumentam com o aumento da concentração de vermiculita, é importante

observar também que os valores de Gi e Gf para a mesma concentração na

temperatura ambiente, entretanto para a temperatura aquecida esses valores

se tornam mais distantes devido ao efeito da temperatura que acelera a

cinética de hidratação do cimento.

4.2.2 Ensaio de resistência a compressão ´ Os dados de resistência à compressão das pastas aditivadas com

vermiculita expandida para os tempos de cura de 24 h, 48 h e 7 dias

46


encontram-se na TABELA 8: Valores de resistência a compressão. É possível

observar que à medida que se aumenta a concentração de vermiculita há uma

pequena diminuição nos valores provavelmente provocada pelo aumento de

bolhas de ar agregadas e presas as suas lamelas.

TABELA 8: Valores de resistência a compressão

24 hs 48 hs 7 dias

38°C 60°C 38°C 60°C 38°C 60°C

3% 4,47 5,51 5,33 8,83 8,81 11,36

6% 3,27 4,93 4,89 5,62 8,04 7,13

9% 2,98 4,41 4,91 4,79 7,42 7,51

12% 4,00 4,77 4,76 5,52 6,75 7,86

4.2.3 Ensaio de consistometria

Os resultados dos tempos de espessamento das pastas são

apresentados na TABELA 9. É notório que o aumento da concentração de

vermiculita aumenta a consistência inicial da pasta. Porém os tempos totais

não foram influenciados pela adição de vermiculita. Pois ela não participa da

reação química de hidratação do cimento.

As pequenas variações no tempo de pega das pastas provavelmente

estão ligadas a diminuição do fator água/cimento, ou seja, aumento da massa

de cimento.

TABELA 9: Tempo de espessamento

Espessamento 0% 3% 6% 9% 12%

0% 12 15 20 20 22

47


25% 13 15 25 30 22

50% 14 15 25 30 24

75% 30 25 25 30 30

50Uc 105min 105min 103min 97min 90min

100Uc 120min 115min 110min 100min 98min

4.2.4 Ensaio de água livre

Os resultados de água livre à temperatura ambiente estão descritos na

TABELA 10: Volume de água livre TABELA 10. As pastas estudadas

apresentaram alto percentual de volume de água livre e esses valorem

diminuem com o aumento da concentração de vermiculita. Fato este explicado

pela grande absorção de água pela vermiculita o que a prende na pasta

TABELA 10: Volume de água livre

% água livre

Vermiculita Micron

3 % 28,92 6 % 21,75 9 % 12,87

12 % 4,00

48


5 CONCLUSÕES

Com relação a adição de vermiculita mícron expandida podemos

concluir que:

• Por absorver a água da pasta a adição de vermiculita promove o

aumento da viscosidade das pastas à medida que se aumenta a

concentração;

• Além da viscosidade plástica o aumento da concentração de vermiculita

expandida promove o aumento de todos os demais parâmetros

reológicos;

• A adição de vermiculita expandida promove uma pequena diminuição

nas propriedades mecânicas das pastas, causado pelo aumento das

bolhas de ar nas pastas;

• Houve uma pequena variação nos tempos de espessamento, mas

essas variações não estão ligadas a adição de vermiculita, pois ela não

participa da cinética de reação de hidratação;

• O volume de água livre diminui com o aumento da concentração de

vermiculita expandida, devido à grande absorção de águas por esse

argilomineral.

49


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