XIV SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

REC I FE

AGOSTO 1981

CONTROLE DE QUALIDADE DE CALDA DE CIMENTO PARA INJECAO

- UTILIZACAO DE TRACO VARIAVEL -

TEMA: II

GEOL9 ADILSON L. BARBI

GEOL9 ZSOLT M. GOMBOSSY

ENG9 GILSON H. SIQUEIRA

ITAIPU BINACIONAL

FOZ DO IGUACU - PR

207

1. INTRODUQAO

Para a execurao de um tratamento de fundagao por injegao de

cimento em nivel tecnico satisfat6rio , nao basta a definigao

da calda adequada atraves de extensos estudos delaboratorio,

se nao se controla o produto aplicado no campo.

A experiencia tem mostrado uma diferenca muito grande entre

as propriedades da calda preparada em laboratorio e aquela

injetada.

Os motivos sao varios e resultantes de uma serie de fatores

externos e internos ao processo de trabalho , aos quais soma

se ainda diferenca de sensibilidade dos equipamentos, de vo

lumes envolvidos e ate mesmo de nivel entre pessoal de labo

rat6rio e de campo.

Em Itaipu , foi estabelecida uma sistematica de ensaios que

permitiu a pronta detecgao das variagoes das propriedades

da calda preparada no campo em relagao a valores pre-determi

nados. Isto condicionou a utilizagao de um trago variavel e

cortanto sujeito a ajustes nas proporgoes dos constituintes,

com o objetivo de manter a calda Centro dos padroes minimos

especificados.

Este trabalho objetiva expor o metodo implantado e os resul

tados obtidos numa primeira fase do tratamento.

2. ESTUDOS DE LABORATORIO PARA DEFINIQAO DO TRAQO MAIS ADEQUADO

Tendo em vista os aspectos peculiares do tratamento proposto,

seja quanto a profundidade a ser atingida , seja pela necessi

dade de altas produgoes mensais , estabeleceu-se que a calda

a ser utilizada deveria apresentar boas qualidades de injeta

bilidade nao apenas no momento de sua preparagao , mas apos

longas distancias de bombeamento . Com isto, poder -se-iam re

duzir os deslocamentos das centrals injetoras com reflexos

diretos na produgao.

Foram entao definidos valores aceitaveis para os diversos pa

rametros de injetabilidade e pesquisada em laboratorio uma

calda que os atendesse . Inicialmente desenvolveram-se dois

programas para diversos tragos agua: cimento, variando de

0,57:1 ate 2 :1 em peso , com e sem adigao de porcentagens va

navels de bentonita.

Os ensaios realizados em laboratorio mostraram os resultados

209

apresentados nas figuras 1 e 2, os quais, analisados sob os

diversos aspectos , indicaram a calda A:C = 1:1 com 2 % de ben

tonita em relarao ao peso de cimento , como o trago basico.

3. CONTROLE DE QUALIDADE DA CALDA

Como consequencia das variacoes na qualidade dos componentes

da calda, os valores pre-determinados e assumidos como padrao

para alguns parametros da mesma tiveram que ser frequentemen

to ajustados, por&m sempre respeitando a tolerancia inicial

mente definida.

Para isto foi implantada uma sistematica de ensaios objeti

vando controlar as variacoes e as propriedades de injetabili

dade, reologicas e mecanicas da calda no campo em relacao

aos valores determinados em laboratorio, a cada lote de ci

mento ou bentonita chegado a obra.

3.1. CONTROLE DE LABORATORIO

Teve a finalidade de definir para cada partida de cimen

to ou bentonita as caracteristicas da calda a serem as

sumidas como referencia no controle de Campo. Sua fre

quencia foi estabelecida como mensal visando acompanhar

tambem a influencia da estocagem dos componentes.

Obviamente as condicoes diferentes de trabalho nos dois

locais permitem a aceitagao de pequenas variacoes entre

os resultados.

Este controle compreendeu as determinagoes seguintes:

- Fator de sedimentacao e tempo de escoamento, este 61

timo utilizando o funil do Corps of Engineers, modifi

cado.

- Viscosidade dinamica e limite de escoamento ("yield

point" ), determinados atraves de viscosimetro de ci

lindros coaxiais da Contraves.

- Porcentagem de lixiviacao apos 50 ciclos no extrator

Soxhlet.

- Massa especifica, utilizando balanga Baroid de deter

minagao direta.

- Inicio de pega, pelo metodo MB-1 da ABNT.

210

- Resistencia a compressao uniaxial.

A tabela 1 mostra os valores obtidos em ensaios corres

pondentes a sete partidas de cimento.

CONTROLETEMPO DE VISCOS. LIMITS DE TEMPO DEAGITAcAO DINI.MICA ESCOAM ESCOAM .

I(min.) (Cp) ( m2) (Se g.)

FATOR DESEDIM.(%)

NSI(ykm3)INICIO DE

PEGA(horo)

RESISTCOMP

km2

1 2 18 0,094 13 ' 2 4 1,49 5:40 50

2 2 19 0,099 13 7 3 1,50 5:50 63

3 2 17 0,082 12 6 5 1,51 6:20 67

4 2 13 0 , 031 11:6 5 1,48 6:40 69

5 2 13 0,039 11:9 7 1,49 7:00 70

6 2 15 0,055 12 : 5 4 1,50 6:50 71

7 2 16 0,051 125 5 1,50 7:40 -

TABELA 1 - Determinocao de valores padrao em Ioboratdrio

Observam-se ao longo dos controles dispersoes ate certo

ponto apreciiveisprincipalmente nas caracteristicas reo

logicas da calda, indicando variaroes nas propriedades

do cimento e/ou bentonita. Como a estocagem foi planeja

da dentro de normas rigidas de controle, com rodizio

constante impedindo o envelhecimento de um determinado

lote, as dispersoes observadas nos resultados acima fo

ram caracterizadas como consequentes unicamente das va

riacoes de qualidade dos componentes, em cada lote.

3.2. CONTROLE DE CAMPO

Face as condicoes menos favoraveis no campo, propician

do com maior facilidade a ocorrencia de diversos tipos

de erros, os ensaios de controle ali realizados obedece

ram a uma frequencia diaria.

De modo a permitir uma visao geral das caracteristicas

do produto injetado em todas as frentes, bem Como co

nhecer a influencia dos equipamentos de preparagao e de

injecao da calda, os ensaios foram realizados a cada

dia em uma central diferente. A tabela 2 mostra a media

dos valores obtidos em 11 etapas dQ controle. Comparan

do os resultados com aqueles determinados no laboratorio

verifica-se uma variagao ainda maior entre os valores.

211

Esta observarao sugere a interferencia de outros fato

res na qualidade da calda, alem das variacoes do cimen

to e bentonita, conforme estabelecido ate entao.

CONTROLE ENSAI OS DE CAMPON9TA V L E TE FS P R C

1M 15 24 014 -14,2 3 143 57 42

J 22 5 0,06 1,6 3 0 ,01 0,7 10

2 M 44 19 0,09 12 ,4 9 1,44 - 52

J 43 1 0,01 0 ,6 2 - - 7

M 18 26 0,13 1 3 144 54 56

3 22 5 002 0 2 0 ,03 0 ,7 1e4 M 10 15 0,05 13,1 3 1 . 38 6 15 53

J 5 4 0 , 01 - - 0,00 - 23

s - M 34 25 013 13 5 144 5 15 3$

J 2T 10 0 12 4 0 04 6 66

M 54 23 0 11 13,4 4 140 - 543 44 9 0,06 0,5 1 0,03 - is

7 M 42 21 0 ,10 1315 4 1 ,45 44 47

3 37 2 0,05 2 ,0 5 0,02 - 11

8 M 51 38 015 16 ,5 2 1 ,49 7,1 57

3 37 22 0,06 48 2 002 1 ,4 13

9 M 45 30 0 ,12 1 2 1 ,41 - -3 37 12 OP 5 5 ,3 3 0 .03 - -

M 34 23 011 13,5 2 1 ,45 6 ,4 4910

3 33 7 0 , 07 1 4 0,P 3 1 ,3 21

F 11 M 23 23 009 130 4 146 - -J 23 7 0,03 1 ,0 3 05 - -

M - Media oritimetico dos volores

S - Desvio podrl oTA - Tempo de agitocoo em minutos

V - Viscosidode em CpLE - Limite de escoamento (g/cm2)

FS - Fator de sedimentocoo (%)

D - Densidade g/cm3IP - Inicio de pego (h: min.)

RC - Resistencia a compressoo simples -14 dios ( kg/cmz )TE - Tempo de escoamento (seg/1000 mf )

TABELA 2 - Ensaios de campo poro controle do calda injetado

Partiu-se entao para o estudo de todos os fatores com

possibilidade de interferir e principalmente alterar as

propriedades da calda, com o objetivo de

dispersoes verificadas.

minimizar as

212

4. FATORES CONDICIONANTES DE DISPERSAO NO CONTROLE DE CALDA

A execugao de um tratamento por injecao de cimento/bentonita,

extenso e complexo como o proposto, a condicionada por uma

serie de fatores, que podem ser enquadrados em duas catego

rias:

- externos, ou seja, aqueles que no dependem do processo de

injecao adotado.

- internos, ligados diretamente ao mesmo.

Dentre os primeiros, podem-se mencionar:

a- variagoes de temperatura da calda durante o processo de

injecao;

b- mudanga nas propriedades e caracteristicas do cimento e

aditivos a cada partida, com o tempo, e condig6es de ar

mazenamento;

c- tixotropia da bentonita;

d- efeito da agitagao violenta provocada pelo bombeamento;

e- variagao da perda de carga nas canalizacoes;

f- erro na dosagem da calda, principalmente quando se tra

balha com componentes a granel.

Na segunda categoria enumeram-se:

a- definigao da distancia maxima entre a central injetora

e o furo;

b- tempo de hidratacao da bentonita;

c- manutengao deficiente dos equipamentos de preparagao da

calda;

d- tempo de agitagao.

Definidos os fatores acima como aqueles de maior influencia

nos resultados ate entao obtidos, o proximo passo foi a eli

minagao paulatina dos mesmos, obtida conforme descrito a se

guir:

4.1. TEMPERATURA DA CALDA

Sabe-se que o aumento de temperatura condiciona uma se

rie de mudangas nas propriedades da calda, melhorando

a estabilidade , reduzindo a viscosidade porem diminuin

do o tempo de inicio de pega.

213

9

76

t0-s6 -

0 -

9

B

1

,B

20 25 30 55 45

Temp#ro/uro (1

Fig ..3 - Voriocdo dos prnpriedades au co/dv cvm o , x.scimo do Mmp.i faro

Durante o verso a temperatura da aqua utilizada no pre

paro da calda na obra de Itaipu normalmente supera os

350C, especificados coino limite de aceitabilidade para

a calda. Com o processo de bombeamento, a temperatura

da calda facilmente chegava a 40 ou ate 45°C. 0 proble-

ma foi contornado incluindo-se no circuito de retorno

uma serpentine de cobre envolta por gelo, dimensionada

de modo a garantir uma temperatura maxima de 25°C com

vazao de 50 f/min.

4.2. TEMPO DE HIDRATAO DA BENTONITA

A definigao do tempo de hidratagao minimo necessario pa

ra que a bentonita pudesse ser utilizada sem alteragao

das suas qualidades foi importante pars execucao de

grandes volumes mensais de trabalho. Os estudos mostra

ram que o tempo previamente estipulado de 24 horas pode

ria ser reduzido substancialmente.

A figura 4 sintetiza os estudos efetuados e mostra que,

a partir de 8 horas de hidratagao, a bentonita ja pode

ser utilizada. Este valor foi adotado pela obra, sendo

responsavel por grande aceleracao dos trabalhos alem de

214

eliminar a necessidade de manter elevados volumes de

bentonita em hidratacao.

24h

3h

3

Fat or de sedimentoyoo(%)

S20

W y 11,611,4 4

ti1 3 6 12 24

Tempo de hidrotocoo (horns)

F q4 - Comporfomento do co/do com o tempo de hidrofocoo de bentonailo

4.3. TIXOTROPIA DA BENTONITA

Corresponde a propriedade deste produto reestruturar-se

quando mantido em repouso. A suspensao perde a estabili

dade e o material se aglutina originando pontos de alta

concentracao. Dosagens efetuadas corn o material nestas

condicoes podem levar a erros grosseiros, quase sempre

pelo excesso deste aditivo. 0 resultado sera uma calda

com caracteristicas extremamente diferentes das espera

das. A solugao para este problema foi retornar a bento

nita ao misturador pelo menos uma vez por turno, de pre

ferencia no inicio deste. A observacao sistematica do

material em hidratacao pode sugerir outras repeticoes

do processo de dispersao. Embora de influencia discuti

vel sobre o produto final,foi mantida durante todo o pro

cesso de injecao a seguinte sequencia de entrada dos ma

215

teriais no misturador: aqua-bentonita-cimento, sendo es

to ultimo adicionado apos a completa dispersao da bento

nita anteriormente hidratada.

4.4. NORMALIZAQAO DE TECNICA DE TRABALHO

Ao contrario de outras empresas, a Itaipu Binacional

foi constituida por pessoal de diferentes filosofias de

trabalho, cada um trazendo sua experiencia propria. Foi

entao necessaria uma padronizagao da tecnica a ser ado

tada atraves de normas escritas e bem definidas, com o

que se conseguiu um desempenho homogeneo do quadro de

pessoal envolvido.

4.5. DISTANCIA MAXIMA ENTRE A CENTRAL E 0 FURO

Conforme exposto anteriormente, havia grande interesse

em ampliar ao maximo a distancia entre a central de in

jecao e o furo a ser tratado, tendo em vista a alta pro

dugao mensal requerida. Em fungao da geometria dos blo

cos e do escalonamento das plataformas de concreto a

partir das quais os trabalhos seriam realizados, foi es

tabelecida uma distancia de 80 m.

Por este motivo, os estudos foram conduzidos testando

se a calda no retorno ap6s um percurso minimo de 160 m.

Cam o andamento dos ensaios foi verificado que as per

das de carga induzidas por esta distancia no traziam

alteragoes apreciaveis nas propriedades da calda, mesmo

para altas press6es. 0 diametro interno de 1 1/4" das

mangueiras utilizadas parece ter colaborado para isto.

4.6. COMPONENTES DA CALDA

Os controles anteriores eliminaram uma serie de fatores

condicionantes de grandes variacoes das propriedades da

calda. Entretanto,o controle de campo persistia apresen

tando pouca correspondencia com os valores padrao deter

minados no laboratorio, para o cimento e bentonita em

uso.

Isto atraiu a atengao para intensificagao do conhecimen

to dos componentes solidos da calda.

0 primeiro passo foi comparar algumas das suas proprie

dades com as definidas nas especificacoes e determinar

216

as reais implicacoes de suas variagoes.

Aquelas recomendavam cimento tipo I-b, corn superficie

especifica Blaine igual a 5.000 cm2/g e menos de 1 % de

retengao na peneira 200. Como o cimento fornecido a

Itaipu a proveniente de diversas fabricas, todas as par

tidas foram amostradas e ensaiadas , determinando-se,alem

das propriedades acima, a densidade real. A tabela 3

mostra os resultados do controle efetuado durante o ano

de 1980.

CIMENTO BENTONITA

% retida % retida superficie LL % retida#I 200 ## 325 especifica % # 200 (g/an3

Blaine /cant

5,8 32,5 3568 402 0,4 2,60

3,6 - 3448 350 0,9 2,44

1,3 - 3534 357 2,6 2,58

1,3 - 3531 - - -

1,6 - 3518 309 2,9 2,53

2,4 - 3442 357 2,6 2,60

7 26,3 3163 391 1,0 2,44

3,7 15,4 3479 372 0,5 2,42

6,2 31,3 3618 - - -

8,2 23,8 3723 - - -

Tab. 3 - Controle de cimento e bentonita.

Observam-se claramente variagoes, porem sempre abaixo

dos valores aceitaveis.

Da mesma forma , a bentonita, cujo controle a apresenta

do na mesma tabela, mostra variagoes sensiveis a cada

partida.

Estes fatores, externos ao processo de trabalho adotado,

mas com forte influ&ncia sobre o produto injetado, re

presentavam o ponto critico do controle. A primeira pro

videncia tomada no sentido de atenuar esta influencia

foi rever as condigoes de armazenamento , anteriormente

ja definidas no sentido de no permitir envelhecimento

ou hidratagao do estoque. Isto foi possivel atraves da

compatibilizagao entre os volumes adquiridos e consumi

dos por mes, permitindo rodizio constante do produto ar

mazenado. Esperava- se com isto eliminar mais um elemen

217

to desfavoravel a homogeneidade da calda.

Este acompanhamento mais apurado sobre os componentes

permitiu que se detetassem variagoes principalmente da

bentonita dentro de uma mesma partida. Passou-se a in

vestigar este problema atraves de ensaios de laborato

rio, onde pode ser demonstrada a existencia de pelo me

nos tres tipos daquele produto com viscosidade diferen

te, apesar do mesmo fator de hidratacao, como mostra a

tabela 4.

T A B E L A 4

TIPO DE

BENTONITAI II III

C 0 R CINZA AMARELO-CLARO AMARELO-ESCURO

IIISCOSIDADE COMHIDRATA DE 20:1EM VOLUME (Cp) 2,23 5,12 6,23

Partindo-se para a controle de campo, verificou-se que

para cada tipo de bentonita utilizada se obtinham mudan

gas sensiveis nas propriedades da calda. Procurou-se en

to determiner, para cada um, a porcentagem com que a

mesma deveria ser dosada de maneira a obter uma calda

de propriedades proximas aquelas aceitaveis e pre-deter

minadas em laboratorio para aquela partida. 0 estudo

consistiu na preparagao de calda A:C = 1:1 com relagao

B:C variando desde 0,8 ate 1,8 para cada grupo de visco

sidade de bentonita hidratada na relagao 20:1. Notou-se

que abaixo de 0,8 (B:C) a calda nao atendia em termos

de Fator de Sedimentagao a acima de 2,0 pela viscosida

de crescente.

Foram entao determinados para cada uma destas caldas o

fator de sedimentagao e viscosidade dinamica ap6s tem

pos variaveis de agitagao violenta no misturador.

Para um tempo de 2 minutos observou-se que para qual

quer trago nao se conseguia manter o Fator de Sedimenta

gao dentro da faixa requerida sem elevar a viscosidade

dinamica a niveis inaceitaveis.

Ja para 30 minutos estes dois parametros eram facilmen-

te controlados e no variavam sensivelmente a partir

deste tempo.

No entanto, 30 minutos de agitagao foi considerado pre

218

judicial ao andamento dos trabalhos por interferir nega

tivamente corn a produgao.

Tragados os graficos para um tempo de 15 minutos (fig.

5) verificou-se que havia condigoes de controlar aque

las propriedades.

Isto foi feito procurando-se a viscosidade da bentonita

hidratada colocada nas abcissas, correspondente ao pon

to em que a curva representativa do Fator de Sedimenta

gao caisse para valores abaixo de 10 % e a de viscosida

de dinamica fosse inferior a 20 cp. A partir destes da

dos foi elaborado o abaco da figura 6, corn o qual, sa

bendo-se a viscosidade da bentonita hidratada corn a re

lagao agua:bentonita =20:1, pode-se determinar a sua

porcentagem em peso capaz de manter a calda A:C = 1:1

corn fator de sedimentagao no maximo de 10 % e a viscosi

dade dinamica menor que 20 cp, apos 15 min de agitagao.

A aplicagao deste abaco nos trabalhos de campo resultou

numa sensivel homogeneizagao da caida.

A tabela 5 mostra os resultados dos ensaios de campo,

obtidos apos a introdugao deste controle, onde nota-se

claramente uma maior proximidade dos valores encontra

dos corn aqueles admitidos como padrao.

ONTROLE VISCOSID. LIMITE TEMPO FATOR DENSI-

NQ DINAMICA ESCOAM. ESCOAM. SEDIM. DADE 3

(cp) (g/cm2) (seg) (%) (g/cm

1 20 0 , 08 12,7 8,4 1,38

2 7 0,04 11,2 19,6 1,39

3 20 0,08 13,1 3,0 1,37

4 23 0,09 13,2 2,3 1,38

5 18 0 , 07 12,3 2 1,45

6 5,1 0 , 02 11 5,6 1,33

7 11,7 0,04 11,5 14 1,45

8 14 0 , 05 11,9 11 1,45

9 18,7 0,07 12 , 5 7,2 1,47

10 9,5 0,04 11 , 7 11 1,45

11 15 ,5 0,06 12 8,4 1,46

12 19,5 0,07 12,5 6,5 1,45

13 22,5 0,09 13,6 0,5 1,43

14 19 , 3 0,07 12,7 1,4 1,43

Tab. 5 - Resultados do controle de campo apos corregio

de porcentagem de bentonita.

219

6. COMENTARIOS FINAIS

Os controles de calda e a normalizagao da tecnica de injegao

permitiram um acompanhamento seguro do tratamento das funda

goes de Itaipu.

As grandes variacoes de qualidade do cimento e bentonita a

cada partida ou dentro de um mesmo lote tornaram necessaria

a adogao de um traco flexivel , ajustado de acordo com as ca

racteristicas dos produtos fornecidos pelos ensaios de labo

ratorio.

Conseguiu -se assim manter a calda injetada dentro de padr6es

previamente aceitos para qualquer variagao da bentonita, con

forme atestam os resultados do controle de campo.

Fica demonstrada mais uma vez a dificuldade de se trabalhar

com bentonit-a, como consequencia da extrema variacao das suss

propriedades a cada partida.

Isto se aplica tambem ao cimento , com qualidade no mercado

brasileiro bastante inferior aquelas admitidas para calda pa

ra injegao e a dificuldade de se conseguir cimento de melhor

qualidade em quantidade suficiente para trabalhos de grandes

expressao como o relatado.

A sistematica de trabalho e controle adotado nao implicou em

custoc adicionais , visto que sua implantagao e desenvolvimen

to foi efetuada com os equipamentos e pessoal disponiveis no

laboratorio da obra.

7. RESUMO

O controle da calda aplicada no tratamento da fundagao da

Usina Itaipu exigiu um amplo acompanhamento tanto de labora

torio como campo.

Atraves destes , determinaram -se diferengas substanciais na

qualidade da calda em relagao a valores "padrao " pre-estabe

lecidos . Foram entao estudados e eliminados todos os fatores

que pudessem influenciar o seu comportamento , chegando-se a

adogao de am trago variavel na relagao bentonita -cimento co

mo a unica forma de manter a calda com propriedades homoge

neas e aceitaveis.

8. REFEP NCIAS

- Estudo de calda de cimento para injegao

Relatorio interno - Margo/78

- Calda de cimento corn bentonita - Relatorio interno - Maio/79

220

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1 2 J 4 5 6Visco dude do Beek ,ife A' *vtodo (o°)

LEGENDA

IB.C=718

30

25

20

75

70

30

25

/I20

75

70

5

37 2 3 4 5 6Viscnsidode do Bentonite hidrofodo(cP)

^^ - Curvo de sedimentosdo lJj Vo/ores deferminodos opds 15minutos de oyifpWo

Curvo de viscosidode^- - - -. -

B - Bentonite

C - Cimento

fig. 5 - Voriccoo do viscosidode e fotor de sedimentocoo do co /do de cimentocom o viscosidode do bentonife hidrotodo.

222

2,2

2,0

1, 0

0,8

0,6 L3 4 5 6

Viscosidode do Bentonite hidrotodo A.'8-2O .'1(Cp)7

L EGENDA.'

A - Aguo

C - Cimenlo

B - Bentonite

Fig. 6 - Abaco paro o determinacdo do re/acdo B.*C em funcao doviscosidode do bentonite hidrotada.

223