AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE PASTAS DE CIMENTO … · 2019. 1. 29. · PASTAS DE...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

FLANK MELO DE LIMA

AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE

PASTAS DE CIMENTO PARA POÇOS DE PETRÓLEO COM

ADIÇÃO DE PLASTIFICANTES

Dissertação Nº 10/PPgCEM

Natal

2006

FLANK MELO DE LIMA

AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE

PASTAS DE CIMENTO PARA POÇOS DE PETRÓLEO COM

ADIÇÃO DE PLASTIFICANTES

Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.Área de concentração: Polímeros e compósitos.

ORIENTADOR: Antonio Eduardo Martinelli CO-ORIENTADOR: Dulce M. A. Melo

Natal

2006

Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca

Central Zila Mamede

Lima, Flank Melo de.

Avaliação do comportamento reológico de pastas de

cimento para poços de petróleo com adição de plastificantes /

Flank Melo de Lima. – Natal, RN, 2006.

141 f.

Orientador : Antonio Eduardo Martinelli.

Co-orientador : Dulce M. A. Melo.

Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Rio Grande

do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de

Pós-graduação em Engenharia de Materiais.

1.Cimento Portland especial - Dissertação. 2. Cimentação

de poços – Dissertação. 3. Reoogia – Dissertação. 4.

Plastificantes - Dissertação. I. Martinelli, Antonio Eduardo. II.

Melo, Dulce M. A. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU

666.942.3

Aos meus pais, Sebastião e Maria José, que lutaram com tantas dificuldades para que seus filhos pudessem ter uma das maiores heranças que se pode deixar: o estudo.

Aos meus irmãos Cleiton, Flávia e Flávio, pelo apoio e confiança em mim depositada. E a Roseane que durante todo o tempo vem me apoiando e participando da minha vida, compartilhando alegria e amor, apesar das dificuldades.

“O que prevemos raramente ocorre; o que menos esperamos

geralmente acontece”

Benjamin Disraeli

AGRADECIMENTOS

O caminho percorrido desde o início de minha chegada ao Laboratório de

Cimentos – UFRN, até a fase conclusiva desta dissertação foi gratificante e nele

muitas pessoas foram envolvidas. Cada uma delas foi de grande importância em

determinada etapa ou até mesmo estiveram presentes durante toda a execução do

trabalho de pesquisa. Trabalho este que é sempre uma atividade coletiva, a qual a

participação de todos os envolvidos é de suma importância à sua realização.

O que hoje posso garantir é que toda a colaboração recebida foi

imprescindível para a conclusão deste trabalho. Talvez não consiga me expressar

tão bem e não agradecer o suficiente perante toda a ajuda recebida ou até mesmo

incorrer no erro de, por algum descuido, deixar de citar alguém. Entretanto, é

necessário correr este risco.

Desta forma, gostaria de agradecer:

Primeiramente a Deus pela fonte de todo conhecimento e por guiar bem os

meus passos;

A minha família pelo acompanhamento e pela paciência que sempre me

demonstraram ao longo de minha vida acadêmica, e que sempre me

apoiaram na conquista de meus ideais;

A Roseane Maria, o meu imenso agradecimento pelo apoio incondicional,

incentivo constante e, sobretudo, por muita compreensão e carinho (Não irei

esquecer!);

Agradeço a Érika, que sempre se mostrou prestativa e competente, auxiliando

na realização dos ensaios, fazendo sempre o possível para nos receber e dar

atenção;

A Túlio pelos ensinamentos dos ensaios e pelas inúmeras oportunidades de

discussão de aspectos relevantes do trabalho, pelas conversas do dia-a-dia e

troca de experiências de vida;

A Erica Gurgel pela grande amizade que cultivamos, pelo apoio e incentivo e

sobre tudo pela sinceridade mútua entre nós (Vai fazer falta!);

À Andrea Aladim, pela amizade, convivência, admiração e sobre tudo pelas

boas horas de companhia (Vai me dar saudades!).

Heriberto pela amizade e pela caminhada conjunta no laboratório;

A Julio que não mediu esforços para ajudar na realização dos ensaios não

deixo apenas meus agradecimentos, muito menos os ensinamentos nos

testes, deixei pra ele a amizade que foi construída;

A Fernando pelas críticas, sugestões e boas horas de conversa;

A Ulisses, sobre tudo por sua solicitude e competência;

Aos amigos que aqui fiz que serão lembrados sempre com muito carinho: em

especial, a Wskley, Rogério e Kleber, pela convivência, ajuda, atenção e troca

de experiências durante todo o trabalho; de modo também singular Maria

Roseane, Andreza, Ana Cecília, Bruna Melina, Daniele, Nina, que também

fizeram parte da legião de colaboradores.

Quero agradecer, também, a Profa Dulce pela co-orientação, por suas

palavras e por sua competência e ao meu orientador Prof. Martinelli, a quem

devo agradecer a orientação em todas as etapas do presente trabalho e,

acima de tudo, à compreensão e a confiança em mim depositada;

Por fim, gostaria de agradecer ao Laboratório de Cimento (LABCIM/UFRN) e

a Petrobras pela colaboração e apoio e a todos aqueles que direta ou

indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho;

RESUMO

Pastas de cimento do tipo Portland são usadas para isolamento de poços de petróleo. Esse procedimento é realizado por meio do bombeio da pasta no espaço anular entre o poço e a coluna de revestimento, de modo a se obter fixação e vedação eficiente e permanente. Para isso o comportamento reológico da pasta de cimento é um componente de extrema importância para o processo de cimentação. Atualmente, diversos materiais alternativos são utilizados em pastas para cimentação, objetivando a modificação e a melhoria de suas propriedades, principalmente no que diz respeito ao aumento de fluidez. Isso pode ser alcançado por meio da utilização de novos aditivos do tipo plastificantes, capazes de suportar as diversas condições de poços, promovendo às pastas propriedades compatíveis às condições encontradas, permitindo, ainda, um tempo suficiente de trabalhabilidade para a completa execução do serviço de cimentação. Assim, se as propriedades reológicas da pasta são bem caracterizadas, a perda de carga e o regime de fluxo podem ser prognosticados corretamente. Contudo, essa caracterização é difícil do ponto de vista experimental. Modelos reológicas capazes de descrever o que ocorre, deverão ser capazes de predizer a deformação da pasta de cimento com razoável exatidão. Portanto, a finalidade deste trabalho foi o estudo e a caracterização reológica de pastas constituídas de cimento Portland classe especial, água e aditivos do tipo plastificante, a base de lignossulfonato, melamina e policarboxilato, em temperaturas na faixa de 27°C a 72°C. Os testes foram realizados de acordo com as recomendações práticas da norma API RP 10B. Os resultados dos ensaios demonstraram a grande eficiência e o poder dispersivo do policarboxilato, para todas as temperaturas estudadas. O aditivo promoveu uma alta fluidez, sem efeitos de sedimentação. O aumento das concentrações de lignossulfonato e melamina não reduziu os parâmetros reológicos (viscosidade plástica e limite de escoamento). Também foi verificado que esses aditivos não foram compatíveis com o tipo de cimento utilizado. Por fim, os modelos reológicos avaliados foram capazes de descrever o comportamento das pastas apenas para faixas de temperatura e concentração de cada tipo de aditivo.

Palavras-Chaves: Cimentação de poços, Cimento Portland especial, Reologia,

Plastificantes.

ABSTRACT

The isolation of adjacent zones encountered during oilwell drilling is carried out by Portland-based cement slurries. The slurries are pumped into the annular positions between the well and the casing. Their rheological behavior is a very important component for the cementing process. Nowadays, several alternative materials are used in oilwell cementing, with goal the modification and the improvement of their properties, mainly the increase of the fluidity. And this can be reached by using plasticizers additives able to account for different oilwell conditions, yielding compatible cement slurries and allowing enough time for the complete cementing operation. If the rheological properties of the slurry are properly characterized, the load loss and flow regime can be correctly predicted. However, this experimental characterization is difficult. Rheological models capable of describing the cement slurry behavior must be capable of predicting the slurry cement deformation within reasonable accuracy. The aim of this study was to characterize rheologically the slurries prepared with a especial class of Portland cement, water and plasticizers based on lignosulfonate, melamine and polycarboxylate at temperatures varying from 27°C to 72°C. The tests were carried out according to the practical recommendations of the API RP 10B guidelines. The results revealed a great efficiency and the dispersive power of the polycarboxylate, for all temperatures tested. This additive promoted high fluidity of the slurries, with no sedimentation. High lignosulfonate and melamine concentrations did not reduce the rheological parameters (plastic viscosity and yield stress) of the slurries. It was verified that these additives were not compatible with the type of cement used. The evaluated rheological models were capable of describing the behavior of the slurries only within concentration and temperature ranges specific for each type of additive.

Keywords: Oil well cementing, Special Portland cement, Rheology, Plasticizers.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1– Esquema de um poço de petróleo.............................................................31

Figura 2 – Monômero de um lignossulfonato ............................................................39

Figura 3 – Monômero de uma polimelamina sulfonato de sódio ...............................40

Figura 4 - Monômero de um policarboxilato ..............................................................41

Figura 5 – Esquematização de uma molécula de policarboxilato..............................42

Figura 6 – Efeito da defloculação dos grãos de cimento...........................................44

Figura 7 - (a) Floculação do sistema cimento-água (b) dispersão do sistema com a

adição de um plastificante.........................................................................................45

Figura 8 – Casos de repulsão: (a) partículas repelidas devido à mesma carga; (b)

partículas repelidas devido à sobreposição do polímero plastificante.......................47

Figura 9 - (a) Ilustração do mecanismo de repulsão eletrostática para a cadeia de

naftaleno e melamina (b) Ilustração do mecanismo de repulsão estérica para a

cadeia de policarboxilato...........................................................................................48

Figura 10 – Tipos de fluido: (A) Newtoniano, (B) Binghaminiano, (C) Pseudoplástico,

(D) Dilatante e (E) Pseudoplástico com limite de escoamento..................................52

Figura 11– Curvas de viscosidade de fluido: (A) Newtoniano; (B) Binghamiano ou

plástico ideal; (C) pseudoplástico; (D) dilatante. .......................................................53

Figura 12 – Curva de fluxo (A) e de viscosidade (B), do fluido Binghamiano ou

plástico. .....................................................................................................................55

Figura 13 – Curvas de fluxo (A) e de viscosidade (B) para fluidos que seguem a lei

de potência, em escala logarítmica. ..........................................................................56

Figura 14 – Curvas de fluxo (A) e de viscosidade (B) do fluido de potência, com limite

de escoamento ou modelo de Herschell-Buckley......................................................57

Figura 15 – (a) Misturador de Palheta Chandler Modelo 80-60, com Controlador de

Velocidade; (b) Esquema Ilustrativo do Misturador. ..................................................66

Figura 16 – (a) Consistômetro Atmosférico Chandler Modelo 1200; (b) Esquema

Ilustrativo do Consistômetro Atmosférico. .................................................................67

Figura 17 – Viscosímetro Rotativo de Cilindros Coaxiais Chandler Modelo 3500.....68

Figura 18 – Programa de teste do viscosímetro........................................................69

Figura 19 – Fluxograma da metodologia utilizada.....................................................70

Figura 20 – Viscosidade plástica das pastas aditivadas com lignossulfonato. ..........72

Figura 21 – Viscosidade plástica das pastas aditivadas com melamina. ..................73

Figura 22 – Viscosidade plástica das pastas aditivadas com policarboxilato. ...........74

Figura 23 – Comparativo entre os valores de viscosidade plástica dos aditivos:

lignossulfonato, melamina e policarboxilato. .............................................................75

Figura 24 – Limite de escoamento das pastas aditivadas com lignossulfonato. .......76

Figura 25 – Redução percentual do limite de escoamento das pastas aditivadas com

lignossulfonato. .........................................................................................................77

Figura 26 – Limite de escoamento das pastas aditivadas com melamina.................78

Figura 27– Redução percentual do limite de escoamento das pastas aditivadas com

melamina...................................................................................................................79

Figura 28 – Limite de escoamento das pastas aditivadas com policarboxilato. ........80

Figura 29 – Redução percentual do limite de escoamento das pastas aditivadas com

policarboxilato. ..........................................................................................................81

Figura 30 – Comparativo entre os valores de limites de escoamento das pastas

aditivadas com lignossulfonato, melamina e policarboxilato. ....................................82

Figura 31 – Gel inicial das pastas aditivadas com lignossulfonato............................83

Figura 32 – Gel inicial das pastas aditivadas com melamina. ...................................85

Figura 33 - Redução percentual do gel inicial das pastas aditivadas com melamina.

..................................................................................................................................86

Figura 34 – Gel inicial das pastas aditivadas com policarboxilato.............................87

Figura 35 - Redução percentual do gel inicial das pastas aditivadas com

policarboxilato. ..........................................................................................................88

Figura 36 – Gel final das pastas aditivadas com lignossulfonato. .............................89

Figura 37 – Gel final das pastas aditivadas com melamina. .....................................90

Figura 38 – Gel final das pastas aditivadas com policarboxilato. ..............................91

Figura 39 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com lignossulfonato

segundo o modelo de Ostwald de Waale. .................................................................92

Figura 40 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com melamina segundo

o modelo de Ostwald de Waale.................................................................................93

Figura 41– Índice de comportamento das pastas aditivadas com policarboxilato


Figura 42 – Índice de consistência das pastas aditivadas com lignossulfonato


Figura 43 – Índice de consistência das pastas aditivadas com melamina segundo o

modelo de Ostwald de Waale....................................................................................96

Figura 44 – Índice de consistência das pastas aditivadas com policarboxilato


Figura 45 – Limite de escoamento real das pastas aditivadas com lignossulfonato. 98

Figura 46 – Limite de escoamento real das pastas aditivadas com melamina..........99

Figura 47 – Limite de escoamento real das pastas aditivadas com policarboxilato. .99

Figura 48 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com lignossulfonato

segundo o modelo de Herschell-Buckley. ...............................................................100

Figura 49 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com melamina segundo

o modelo de Herschell-Buckley. ..............................................................................101

Figura 50 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com policarboxilato


Figura 51– Índice de consistência das pastas aditivadas com lignossulfonato


Figura 52 – Índice de consistência das pastas aditivadas com melamina segundo o

modelo de Herschell-Buckley. .................................................................................104

Figura 53 – Índice de consistência das pastas aditivadas com carboxilato segundo o

modelo de Herschell-Buckley. .................................................................................105

Figura 54 – Índices de correlação das pastas aditivadas com lignossulfonato. ......106

Figura 55 – Índices de correlação das pastas aditivadas com melamina................107

Figura 56 - Índices de correlação das pastas aditivadas com policarboxilato. ........108

LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Classificação e características do cimento API/ASTM. .............................29

Tabela 2- Composição química dos cimentos API. ...................................................30

Tabela 3 – Ensaios físicos e especificação para cimento Portland especial. ............59

Tabela 4 – Ensaios químicos de cimento Portland especial e especificações para

cimentos CPP classe G e Portland especial. ............................................................60

Tabela 5 – Características e propriedades dos plastificantes. ..................................61

Tabela 6 – Características e propriedades do anti-espumante. ................................61

Tabela 7 – Composição das pastas preparadas com lignossulfonato.......................64

Tabela 8 - Composição das pastas preparadas com melamina................................64

Tabela 9 - Composição das pastas preparadas com carboxilato. .............................65

Tabela 10 – Parâmetros do processo de homogeneização/aquecimento das pastas

de cimento.................................................................................................................68

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

# Abertura Mesh de peneira

% Percentual

Constante de proporcionalidade

Taxa de cisalhamento

Tensão de cisalhamento

0 Limite de escamento real

L Limite de escamento

p Viscosidade plástica

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

API American Petroleum Institute

ASTM American Society of Testing anda Materials

C2F Fluorato dicálcico

C2S Silicato dicálcico

C3A Aluminato tricálcico

C3S Silicato tricálcico

C4AF Ferro aluminato tetracálcico

C8A3F Ferro aluminato octacálcico

CIMESA Cimento Sergipe S.A

cm Centímetro

cP Centi Poise

CP Cimento Portland

CPP Cimento Portland para poços de petróleo

CSH Silicato de cálcio hidratado

eq Equivalente

et al Entre outros

F Força

FAC Fator água/cimento ou relação água/cimento

ft Unidade inglesa de comprimento (pé)

g Grama

G Tipo de classe de cimento Portland

gal Galão

Gf Gel final

Gi Gel inicial

K Índice de consistência

L Comprimento

L Litro

lbf Libra-força

LE Limite de escoamento

log Logaritmo

LS Lignossulfonatos

Máx Máximo

Mesh Tipo de classificação de abertura de peneira

min Minuto

mm Milímetro

n Índice de comportamento ou de fluxo

NBR Norma Brasileira

NS Naftaleno sulfonado ou naftaleno

ºC Grau Celsius

ºF Grau Fahrenheit

Pa Pascal

PC Policarboxilatos ou polimetacrilatos

Pé Unidade inglesa de comprimento

pH Potencial hidrogeniônico

PMS Polimelaminas sulfonadas

PNS Polinaftalenos sulfonados

R² Índice de correlação

rpm Rotações por minuto

RS Resistência a sulfatos

s Segundo

SE Sergipe

SI Sistema Internacional

t Tempo

T Tempo

VP Viscosidade plástica

Z Pozolana

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................19

1.1. OBJETIVOS .......................................................................................................22

2. CIMENTO PORTLAND.........................................................................................23

2.1. GENERALIDADES.............................................................................................23

2.2. CONCEITO ........................................................................................................23

2.3. COMPOSIÇÃO DO CIMENTO PORTLAND ......................................................24

2.4. CONSTITUIÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER......................................24

2.5. CLASSIFICAÇÃO DOS CIMENTOS ..................................................................26

2.5.1. Variação da Composição Química...............................................................26

2.5.2. Classificação .................................................................................................27

3. CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO........................................................31

3.1. TIPOS DE CIMENTAÇÕES ...............................................................................31

3.1.1. Cimentação Primária.....................................................................................32

3.1.2. Cimentação Secundária................................................................................32

3.2. ADITIVOS PARA CIMENTAÇÃO .......................................................................33

3.2.1. Controladores de Filtrado.............................................................................33

3.2.2. Estendedores e Adensantes. .......................................................................34

3.2.3. Aceleradores de Pega...................................................................................35

3.2.4. Retardadores de Pega...................................................................................35

3.2.5. Dispersantes ou Redutores de Fricção .......................................................36

4. ADITIVOS PLASTIFICANTES..............................................................................37

4.1. PRINCIPAIS ADITIVOS PLASTIFICANTES COMERCIALIZADOS...................37

4.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS..........................................................38

4.2.1. Lignossulfonatos...........................................................................................38

4.2.2. Melamina ........................................................................................................40

4.2.3. Policarboxilatos.............................................................................................41

4.3. INTERAÇÕES CIMENTO-PLASTIFICANTES ...................................................42

4.3.1. O cimento Portland e a água ........................................................................43

4.3.2. Mecanismo de ação dos aditivos plastificantes.........................................45

4.3.2.1. Interações físicas .........................................................................................46

4.3.2.2. Interações químicas .....................................................................................48

5. REOLOGIA ...........................................................................................................50

5.1. GENERALIDADES.............................................................................................50

5.2. DEFINIÇÕES .....................................................................................................51

5.3. MODELOS REOLÓGICOS ................................................................................52

5.3.1. Modelo de Bingham ......................................................................................54

5.3.2. Modelo de Ostwald de Waale .......................................................................55

5.3.3. Modelo de Herschell-Buckley.......................................................................57

6. MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................59

6.1. MATERIAIS UTILIZADOS..................................................................................59

6.2. VARIÁVEIS INDEPENDENTES .........................................................................62

6.3. VARIÁVEIS DEPENDENTES.............................................................................63

6.4. VARIÁVEIS INTERVENIENTES ........................................................................63

6.5. CÁLCULO DE PASTA........................................................................................64

6.6. PREPARAÇÃO DAS PASTAS ...........................................................................65

6.7. MISTURA DAS PASTAS....................................................................................66

6.8. HOMOGENEIZAÇÃO DAS PASTAS .................................................................67

6.9. ENSAIOS REOLÓGICOS ..................................................................................68

7. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................71

7.1. COMPORTAMENTO REOLÓGICO DAS PASTAS DE ACORDO O MODELO

DE BINGHAM............................................................................................................71

7.1.1. Viscosidade plástica .....................................................................................71

7.1.2. Limite de escoamento...................................................................................75

7.1.3. Gel inicial .......................................................................................................82

7.1.4. Gel final ..........................................................................................................88


DE OSTWALD DE WAALE (MODELO DE POTÊNCIA) ...........................................91

7.2.1. Índice de comportamento.............................................................................91

7.2.2. Índice de consistência ..................................................................................94


DE HERSCHELL-BUCKLEY.....................................................................................97

7.3.1. Limite de escoamento real ...........................................................................97

7.3.2. Índice de comportamento...........................................................................100

7.3.3. Índice de consistência ................................................................................102

7.4. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE OS MODELOS REOLÓGICOS DE

BINGHAM, OSTWALD DE WAALE E HERSCHELL-BUCKLEY.............................105

7.4.1. Índice de correlação dos modelos reológicos..........................................105

8. CONCLUSÕES ...................................................................................................109

REFERÊNCIAS.......................................................................................................111

GLOSSÁRIO...........................................................................................................121

ANEXOS .................................................................................................................128

Introdução

Flank Melo de Lima

19

Capítulo 1

1. INTRODUÇÃO

Pastas de cimento designam uma mistura fluida de cimento, água e,

possivelmente, cargas adicionais (ROSQUOËTA, 2004). E na cimentação primária

de poços de óleo ou gás, estas são misturadas no equipamento antes de serem

bombeadas para dentro do poço e deslocada para o intervalo entre o revestimento e

a formação rochosa. A cimentação é uma das operações mais importantes

executadas no poço. Denomina-se cimentação primária a cimentação de cada

coluna de revestimento, logo após a sua descida no poço. Seu objetivo básico é

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 espaço anular. Estas operações são

executadas em todas as fases do poço, sendo previstas no programa do mesmo.

Sem o completo isolamento de zonas, o poço nunca alcançará seu completo

potencial como poço produtor de óleo ou gás (HODNEA, 2000).

A pasta de cimento é um sistema reativo: reações químicas entre as

fases sólidas e a água de mistura para formação de novas espécies, possuindo

propriedades relacionadas (VLACHOU, 1997). Esse é o procedimento de hidratação,

que promove alterações nas propriedades mecânicas da pasta. A evolução química

e microestrutural das pastas de cimento durante as primeiras horas de hidratação

têm sido tema para diversos estudos (TAYLOR, 1991; METHA, 1994).

Em cimentação de poços de petróleo, sistemas de cimento Portland

são rotineiramente projetados para faixas de temperaturas desde abaixo de 0°C a

350°C (700°F) (VLACHOU, 1996 (b)). Cimentos para poços de petróleo encontram

faixas de pressão desde a pressão atmosférica em poços rasos até

200 MPa (30.000 psi) em poços profundos. Além das severas condições de

temperatura e pressão, os cimentos para poços precisam ser projetados para

Introdução

Flank Melo de Lima

20

suportar formações rochosas frágeis e porosas, fluidos corrosivos e fluidos

pressurizados na formação. Para atender a vasta faixa de condições físico-químicas,

se faz necessário o uso de sistemas compostos com cimento e aditivos. Esses

aditivos modificarão o comportamento do sistema de cimentício de maneira ideal,

permitindo o sucesso da colocação da pasta entre o revestimento e a formação

rochosa, desenvolvendo rápida resistência compressiva e isolamento adequado de

zonas durante o tempo de vida do poço (NELSON, 1990).

A Reologia de pastas de cimento é também um tema bastante

estudado (TATTERSAL, 1983; GUILLOT, 1990; VLACHOU, 1996 (a)), buscando

correlações entre o comportamento reológico e os comportamentos químicos,

microestrutural e mecânico das pastas antes da pega (JIANG, 1992; UCHIKAWA,

1987; NONAT, 1994; JIANG, 1995). O comportamento reológico da pasta de

cimento é um componente de extrema importância para o projeto do processo de

cimentação. Somente se a as propriedades reológicas da pasta são bem

caracterizadas a perda de carga e o regime de fluxo podem ser prognosticadas

corretamente. Contudo, essa caracterização é difícil do ponto de vista experimental.

Pastas de cimento são suspensões concentradas de partículas grosseiras e de

medidas reológicas sujeitas à diversos efeitos de perturbação (VLACHOU, 2000).

Esses incluem a combinação das paredes do dispositivo de medida (ORBAN, 1986;

TATTERSALL, 1983; MANNHEIMER, 1991; BANFILL, 1991), migração das

partículas devido às forças centrífugas (DENIS, 19--?), migração induzida por

cisalhamento ou migração induzida por gravidade (LEIGHTON, 1987; PHILLIPS,

1991; HUSBANT, 1994; ACRIVOS, 1995; COUSSOT, 1995).

Alem disso, dependendo do processo de mistura, tempo de bombeio,

pressão de topo no poço e geometria do mesmo, diferentes quantidades de energia

são absorvidas pelas pastas, antes destas curarem. Esses parâmetros controlam as

diferentes propriedades reológicas da pasta de cimento. O sucesso do serviço de

cimentação demanda o máximo de controle dessas propriedades da pasta de

cimento (HODNEA, 2000).

Modelos reológicas capazes de descrever o que ocorre em um amplo

intervalo de estados entre um sólido elástico e um fluído viscoso, deverão ser

capazes de predizer ou prognosticar a deformação da pasta cimento com razoável

Introdução

Flank Melo de Lima

21

exatidão. Geralmente, características de deformação da pasta de cimento são

examinadas usando-se testes de fluxo consistindo-se de tensão de cisalhamento

versus taxa de cisalhamento. Das curvas de fluxo também é possível gerar uma

relação entre viscosidade e taxa de cisalhamento. Existindo modelos reológicos

independentes do tempo é possível ajustar os dados de tensão de cisalhamento,

taxa de cisalhamento e viscosidade para especificar tendências. Contudo nenhum

modelo está livre de erros estatísticos (NEHDI, 2004).

Pastas de cimento são suspensões coloidais nas quais as interações

entre as partículas podem conduzir a formação de várias microestruturas (JARNY,

2005). Dependendo de como tais estruturas respondem à tensão de cisalhamento

ou à taxa de deformação, observam-se diferentes tipos de comportamento

macroscópico do fluxo (MEWIS, 1976; BIRD, 1982; COUSSOT, 1999). A maneira

usual para descrever o fluxo do estado constante de pastas de cimento frescas

envolve os modelos reológicos de Bingham, Herschel-Bulkley, Ellis, Casson ou

Eyring (ATZENI, 1985). As propriedades de fluxo de pastas de cimento frescas e

homogêneas evoluíram continuamente com o tempo (OTSUBO, 1980). Sob

circunstâncias limite (torque e velocidade de rotação) a viscosidade aparente diminui

e depois aumenta, passando por um valor mínimo. O primeiro regime é dominado

por um fenômeno de defloculação sob taxa de cisalhamento constante

(comportamento tixotrópico) (BANFILL, 1981; LAPASIN, 1983). Uma vez que este

fenômeno alcançou algum equilíbrio, o comportamento estagna por causa do

processo de hidratação. Esse segundo efeito é irreversível.

Atualmente, a busca por materiais alternativos a serem utilizados em

cimentação de poços de petróleo é uma atividade em pleno desenvolvimento. Os

desafios dizem respeito à modificação e a melhoria de suas propriedades. Materiais

alternativos devem ser adicionados na forma de aditivos de forma a não alterar a

metodologia de preparação de pastas e cimentação atualmente adotadas pelas

companhias de serviço. A alta trabalhabilidade, usando plastificantes tradicionais é

perdida em 30 min, dependendo principalmente da dosagem na mistura. A perda de

trabalhabilidade ocorre devido à formação de alguns hidratos na mistura e a

coagulação de partículas de cimento liofóbicas, redução da fase líquida e aumento

de viscosidade (AIAD, 2003). Esse tipo de problema deverá ser contornado por meio

Introdução

Flank Melo de Lima

22

da utilização de novos aditivos químicos capazes de suportar as diversas condições

de poços, promovendo às pastas de cimento propriedades compatíveis às condições

encontradas, permitindo, ainda, um tempo suficiente de trabalhabilidade para a

completa execução do serviço de cimentação.

1.1. OBJETIVOS

Considerando a importância do estudo de aditivos plastificantes, a

necessidade do seu emprego como componente dispersivo em pastas para

cimentação de poços de petróleo, o crescimento do consumo desses aditivos, a

existência no mercado de grande quantidade desses materiais. Assim, os objetivos

gerais deste trabalho:

Avaliar o efeito do uso dos aditivos plastificantes no comportamento reológico

de pastas para cimentação de poços.

Avaliar quantitativamente o efeito dos aditivos plastificantes a base de

policarboxilatos comparativamente aos aditivos correntes de melamina e

lignossulfonatos.

Delimitados os objetivos gerais, os mesmos podem ser desdobrados

em objetivos específicos, a saber:

Caracterização reológica de três aditivos plastificantes a base de

lignossulfonato, melamina e policarboxilato;

Avaliação comparativa do efeito dispersivo dos aditivos em estudo;

Avaliação do comportamento reológico dos aditivos em diferentes

temperaturas;

Avaliação comparativa do comportamento reológico da pastas em três

diferentes modelos reológicos.

Revisão bibliográfica

Flank Melo de Lima

23

Capítulo 2

2. Cimento Portland

2.1. GENERALIDADES

O material mais utilizado para cimentação de poços em geral é o

cimento Portland. De fato, as excepcionais qualidades desse material possibilitaram

ao homem moderno promover mudanças expressivas em obras de engenharia, por

exemplo, em cimentação de poços de petróleo. Apesar de suas qualidades e de seu

uso generalizado, novos desafios têm sido propostos aos pesquisadores da área

cimenteira, particularmente no que diz respeito ao consumo, utilização e melhorias

dos cimentos e à adequação do produto às diversas solicitações de um poço de

petróleo (GOUVÊA, 1994).

2.2. CONCEITO

Os cimentos pertencem à classe de materiais denominados

aglomerantes hidráulicos. Esta denominação compreende aquelas substâncias que

endurecem uma vez misturadas com a água e resistem a esta com o passar do

tempo (KIHARA, 1983). Os cimentos são essencialmente produzidos a partir de uma

mistura de calcário e argila. O cimento Portland resulta 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

adicionada pequena quantidade de gesso (sulfato de cálcio) (TAYLOR, 1998). Os

componentes químicos principais do cimento Portland são a cal (CaO) – de 60 % a

67 %, sílica (SiO2) – de 17 % a 25 %, alumina (Al2O3) – de 3 % a 8 % e óxido de


Flank Melo de Lima

24

ferro (Fe2O3) – de 0,5 % a 6 %. Estes componentes também são indicados pelas

letras C, S, A e F para a cal, sílica, alumina e óxido de ferro, respectivamente.

2.3. COMPOSIÇÃO DO CIMENTO PORTLAND

Dos quatro componentes principais designados na química do cimento

pelas letras C, S, A e F, 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;

Ferro-aluminato tetracálcico (C4AF) – 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 (C3S) – é o principal componente do cimento e o que

responde pela sua resistência mecânica inicial (1 a 28 dias). Sua hidratação

começa em poucas horas e desprende quantidade de calor inferior ao C3A;

Silicato dicálcico (C2S) – reage lentamente com a água e libera baixo

calor de hidratação. Apresenta baixa resistência mecânica inicial, mas

contribui significativamente com o aumento da resistência ao longo do tempo.

2.4. CONSTITUIÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER

Apesar de ser dado que o clínquer é constituído principalmente de

quatro fases identificadas classicamente por C3S, C2S, C3A e C4AF, a cristalização

dessas fases é função da composição e finura da mistura de calcário com argila, do


Flank Melo de Lima

25

tratamento térmico (condições de clinquerização e resfriamento) e das reações de

fusão em fase sólida e líquida (______ & VALARELLI, 1975). Outrossim, clínqueres

industriais contém impurezas de elementos secundários tais como o Al, Fe, Mg, Na,

K, Cr, Ti, Mn, P, sob a forma de soluções sólidas. Além disso, freqüentemente,

aparecem dois outros dois compostos individualizados, o periclásio (MgO) em

clínqueres magnesianos e a cal livre (CaO) em clínqueres com alto teor de cal ou

com problemas no processo de fabricação (TAYLOR, 1998; ZAMPIERE, 1989])

A seguir são analisados, sucintamente, os principais componentes do

clínquer:

Aluminato tricálcico (C3A) – apresenta-se em geral, como um

cimento vítreo junto com o C4AF no clínquer. Este cimento é denominado de

fase intersticial no clínquer. Quando se apresenta cristalizado devido a um

resfriamento lento do clínquer ao sair do forno, tem formato

cúbico (JAWED et al, 1983). O C3A forma soluções sólidas com o Fe2O3, MgO

e álcalis, aliás, a presença de álcalis (Na2O) faz com que o C3A cristalize em

forma acicular; sendo também denominado de Celita e reage rapidamente

com a água, cristalizando-se em poucos minutos (TAYLOR, 1998). É o

constituinte do cimento que apresenta o maior calor de hidratação;

Ferro aluminato tetracálcico (C4AF) – Também conhecido como

Brownmillerire ou ferrita, constitui-se em o C3A, a fase intersticial do clínquer,

não sendo na verdade um composto definido, mais sim uma solução sólida

variando de C2F a C8A3F (______ & VALARELLI, 1975). É o componente que

dará coloração cinzenta ao cimento, devido à presença de ferro. Libera baixo

calor de hidratação e reage menos rapidamente que o C3A e controla a

resistência a corrosão química do cimento (ZAMPIERE, 1989);

Silicato tricálcico (C3S) – componente que pode formar

compostos sólidos com os elementos Al, Fe, Mg, Na, K, Cr, Ti e F, tendo

esses ou alguns desses elementos em forma de óxido, até cerca de 3 % de

sua composição. Apresenta-se ao microscópio, em geral, em forma

hexagonal e também recebe o nome genérico de Alita (______ & VALARELLI,

1975); é o principal componente da maioria dos clínqueres de cimento

portland, todavia, durante o resfriamento do clínquer, pode se decompor em


Flank Melo de Lima

26

C2S e cal livre, o que torna o clínquer defeituoso e em conseqüência, o

cimento com desempenho inferior (______, 1998). Depois do C3A, é o

componente do clínquer que apresenta maior velocidade de hidratação, que

se inicia em poucas horas, o que origina a resistência inicial do cimento;

Silicato dicálcico (C2S) – Também conhecido genericamente

como belita, ao microscópio óptico, aparece mais freqüentemente sob a forma

arredondada, podendo ainda aparecer sob a forma de reentrâncias e

saliências que se assemelham a dedos, sendo chamado assim, C2S digitado

(PETRUCCI, 1994);

Magnésia – pode ocorrer nos clínqueres tanto em soluções

sólidas como, se em quantidades importantes, aparecer em forma cristalina,

denominada periclásio.

Álcalis (Na2O e K2O) – combinam-se preferencialmente com o

SO3 do combustível para formar sulfatos;

Cal livre (CaO) – sinal de deficiência de fabricação, forma no

clínquer cristais arredondados associados a alita ou à fase intersticial e

resulta em geral, da combinação incompleta dos constituintes da matéria-

prima (calcário e argila) via queima ou dosagem excessiva de cal. Pode ainda

ser devido à decomposição de belita por resfriamento lento do clínquer

(______, 1998).

2.5. CLASSIFICAÇÃO DOS CIMENTOS

2.5.1. Variação da Composição Química

Controlar a composição do cimento seco na fábrica pode ter um grande

impacto no tempo de cura. Um método é ajustar a composição do cimento, de

maneira que, a quantidade de C3A seja baixa. A hidratação do C3S será então o

fator governante no processo de cura (______, 1998). O retardo para cimentos de


Flank Melo de Lima

27

longo tempo de cura é normalmente obtido com adição de retardadores químicos

tais como o bórax e o amido, que são adicionados durante a manufatura. Outro

método é ajustar-se o tamanho do grão do cimento por meio da moagem. O cimento

terá sua cura mais demorada se for moído grosso. Também a taxa de resfriamento

do clínquer determina, em parte, o C3A disponível para a hidratação. Quanto mais

rápido o clínquer é resfriado, menor é a quantidade de C3A disponível e,

conseqüentemente, mais longa é a cura. A combinação de todas essas alternativas

é a razão que diversos fabricantes se utilizam para produzir cimentos com longo ou

curto tempo de cura (TAYLOR, 1998; LEA, 1998).

2.5.2. Classificação

Para a indústria do petróleo, o Instituto de petróleo Americano - API

classificou os cimentos Portland em classes, designadas pelas letras de A a J

(Tabelas 1.1 e 1.2), em função da composição química do clínquer, que deve estar

adequada às condições de uso, pela distribuição relativa das fases e também

adequada à profundidade e a temperatura dos poços (NELSON, 1990; THOMAS,

2001).

Classe A – corresponde ao cimento Portland comum, usado em poços de até 1

a 830 m de profundidade. Atualmente o uso deste está restrito a cimentação de

revestimento de superfície (em profundidades inferiores a 830 m);

Classe B – para poços de até 1 830 m, quando é requerida moderada

resistência aos sulfatos;

Classe C – também para poços de 1 830m, quando é requerida alta resistência

inicial;

Classe D - Para uso em poços de até 3 050 m, sob condições de temperatura

moderadamente elevadas e altas pressões;

Classe E – para profundidades entre 1 830 m e 4 270 m, sob condições de

pressão e temperatura elevadas;


Flank Melo de Lima

28

Classe F – para profundidades entre 3 050 m e 4 880 m, sob condições

extremamente altas de pressão e temperatura;

Classe G e H – para utilização sem aditivos até profundidades de 2 440 m.

Como têm composição compatível com aceleradores ou retardadores de pega,

estes podem ser usados em todas as condições dos cimentos classes A até E.

As classes G e H são as mais utilizadas atualmente na indústria do petróleo,

inclusive no Brasil;

Classe J – para uso como produzido, em profundidades de 3 660 m até

4 880 m, sob condições de pressão e temperatura extremamente elevadas.


Flank Melo de Lima

29

Tabela 1- Classificação e características do cimento API/ASTM. FONTE: LEA`s, 1998.

Classe API Profundidade de uso Características

A Superfície a 1.830 m Similar ao ASTM classe I

B Superfície a 1.830 m Alta resistência ao sulfato

Baixo teor de C3A

Similar ao ASTM tipo II

C Superfície a 1.830 m Alto teor de C3S e alta área superficial

Alta resistência mecânica no início da pega

Similar ao ASTM tipo III

D Superfície a 3.050 m Pega retardada para maiores profundidades

Média e alta resistência ao sulfato

Moderada resistência a altas temperaturas e altas

pressões

E Superfície a 4.270 m Pega retardada para maiores profundidades


Alta resistência a altas temperaturas e altas pressões

F Superfície a 4.880 m Pega retardada para maiores profundidades


Alta resistência a temperaturas e pressões de altas

profundidades.

G Superfície a 2.440 m Cimento básico para cimentação de poços

Admite uso de aditivos para ajuste de propriedades


H Superfície a 2.440 m Cimento básico para cimentação de poços

Admite uso de aditivos para ajuste de propriedades


Menor área superficial do clínquer em relação ao G


Flank Melo de Lima

30

Tabela 2- Composição química dos cimentos API.

CLASSES A B C D, E e F G H

Comum

Óxido de magnésio (MgO), máximo %

Sulfato (SO3), máximo %

Perda de ignição, máximo %

Resíduos insolúveis, máximo %

Aluminato tricálcico (3Ca.Al2O3), máximo %

6,0

3,5

3,0

0,75

6,0

4,5

3,0

0,75

15

Moderada Resistência ao Sulfato





Silicato tricálcico (3CaO.SiO2), máximo %

Silicato tricálcico (3CaO.SiO2), mínimo %


Alcalinidade total expresso como óxido de sódio

Equivalente (Na2O), máximo %

6,0

3,0

3,0

0,75

8

6,0

3,0

3,0

0,75

8

6,0

3,0

3,0

0,75

8

6,0

3,0

3,0

0,75

58

48

8

0,75

6,0

3,0

3,0

0,75

58

48

8

0,75

Alta Resistência ao Sulfato





Silicato tricálcico (3CaO.SiO2), máximo %

Silicato tricálcico (3CaO.SiO2), mínimo %


Aluminoferrita tetracálcico (4CaO.Al2O3), máximo %

Alcalinidade total expresso como óxido de sódio

Equivalente (Na2O), máximo %

6,0

3,0

3,0

0,75

3

24

6,0

3,0

3,0

0,75

3

24

6,0

3,0

3,0

0,75

3

24

6,0

3,0

3,0

0,75

65

48

3

24

0,75

6,0

3,0

3,0

0,75

65

48

3

24

0,75


Flank Melo de Lima

31

Capítulo 3

3. CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO

3.1. TIPOS DE CIMENTAÇÕES

A cimentação de um poço de petróleo pode ser definida como a

operação realizada para efetuar o bombeio de uma pasta de cimento, que irá

preencher o espaço anular constituído entre a formação rochosa perfurada e o

revestimento metálico descido no poço (Figura 1). Estas operações são executadas

em todas as fases do poço, sendo previstas no programa do mesmo (THOMAS,

2001).

Figura 1– Esquema de um poço de petróleo.


Flank Melo de Lima

32

Sem o completo isolamento de zonas, o poço nunca alcançará seu

completo potencial como poço produtor de óleo ou gás. Dependendo do

procedimento de mistura no equipamento, o tempo de bombeabilidade, geometria do

poço, quantidades diferentes de energia são absorvidas pelas pastas antes das

pastas curarem. Esses parâmetros controlam as diferentes propriedades reológicas

da pasta de cimento. O sucesso do serviço de cimentação demanda o máximo de

controle das propriedades das pastas de cimento (HODNEA et al, 2000).

A quantidade de energia absorvida é conhecida para se ter uma boa

influência na reologia da pasta e no tempo de pega e, desta forma, no sucesso da

operação de cimentação. Procedimentos padrões sugerem um método para simular

a quantidade de energia aplicada durante a operação de cimentação primária em

teste de laboratório para determinação das medidas reológicas.

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. Seu objetivo básico é

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. Estas operações são executadas em

todas as fases do poço, sendo previstas no programa do mesmo (THOMAS, 2001).

3.1.2. Cimentação Secundária

As operações de cimentação secundária são todas as operações de

cimentação realizadas no poço após a execução da cimentação primária.

Geralmente essas operações são realizadas para corrigir deficiências resultantes de

uma operação de cimentação primária mal sucedida. A decisão quanto à


Flank Melo de Lima

33

necessidade ou não da correção de cimentação primária é uma tarefa de grande

importância, pois o prosseguimento das operações, sem o devido isolamento

hidráulico entre as formações permeáveis, pode resultar em danos ao poço

(THOMAS, 2001).

3.2. ADITIVOS PARA CIMENTAÇÃO

Uma boa pasta de cimento para a maioria das operações de

cimentação, deve apresentar baixa viscosidade, não gelificar quando estática,

manter sua consistência o quanto mais constante possível até a ocorrência da pega,

ter baixa perda de filtrado, sem o efeito de separação de água livre ou decantação

de sólidos (NELSON, 1990). Para isso, são realizados testes laboratoriais para o

desenvolvimento de pastas que se adequem a variadas situações, utilizando-se uma

grande variedade de aditivos. Esses aditivos são classificados em: Controladores de

filtrado, aceleradores, retardadores, dispersantes, estendedores, adensantes e

aditivos especiais.

3.2.1. Controladores de Filtrado

Os controladores de filtrados reduzem a desidratação prematura da

pasta, diminuindo a permeabilidade do reboco de cimento criado e/ou aumentam a

viscosidade do filtrado. Esses controladores dividem-se em duas classes: materiais

finamente divididos e polímeros solúveis em água (MOTA, 2003).

Os polímeros derivados de celulose foram os primeiros a serem

usados como controladores de filtrado, e continuam sendo os mais usados. Têm

como desvantagens de estarem limitados à aplicação em ambientes até 200ºF

(93,3ºC). São eficientes retardadores abaixo de 150ºF (65,5ºC) (NELSON, 1990).


Flank Melo de Lima

34

Dos materiais granulares, são utilizados a bentonita e o látex como

controladores de filtrado. O látex é uma emulsão polimérica constituído de

suspensões leitosas de partículas esféricas de polímeros muito pequenas,

estabilizadas por surfactantes, com conteúdo sólido de até 50 % (MANO, 1990).

O uso dos controladores de filtrado permite adequar às características

da pasta às necessidades do trabalho a ser realizado. O controle de filtrado foi o fato

que permitiu a evolução técnica da compressão de cimento convencional (alta perda

de filtrado, altas pressões e grande volume de pasta) para a técnica da compressão

à baixa pressão (baixa perda de filtrado, baixa pressão, pequeno volume de pasta,

além da circulação do excesso de pasta) (NELSON, 1990).

A perda de filtrado API para uma pasta de cimento sem aditivos

geralmente supera 1500 mL / 30 min. Para operações de tamponamento de

canhoneados, o filtrado deve ser de 70 a 120 mL / 30 min e para preenchimento de

canais finos, não deve ultrapassar 50 mL / 30 min.

3.2.2. Estendedores e Adensantes.

Os estendedores são usados para reduzir a densidade ou aumentar o

rendimento da pasta. São divididos basicamente em três categorias: estendedores

de água (permitem adição de excesso de água), materiais de baixa densidade e

gases (LIMA, 2004).

As argilas e vários agentes viscosificantes permitem a adição de água,

mantendo a homogeneidade da pasta evitando a separação de água, tendo como

mecanismo de ação a absorção de água. A bentonita é a argila mais utilizada como

estendedor para água doce, e a atapulgita para água salgada (NELSON, 1990).

Os adensantes possuem o efeito contrário aos “estendedores”,

aumentando a densidade da pasta.


Flank Melo de Lima

35

3.2.3. Aceleradores de Pega

Os aceleradores de pega aumentam a taxa de hidratação do cimento,

por meio do aumento do caráter iônico da fase aquosa, fazendo com que os

principais componentes do cimento seco (C3S, C2S e C3A) se hidratem e liberem o

Ca(OH)2 mais rapidamente, resultando, assim, numa rápida formação do CSH gel,

que é responsável pela pega do cimento (NELSON, 1990). Os mais utilizados são o

cloreto de sódio e o cloreto de cálcio. Este último apresenta efeitos colaterais como o

aumento do calor de hidratação, aumento da viscosidade, desenvolvimento mais

rápido de resistência à compressão, aumento do encolhimento da pasta e aumento

da permeabilidade final do cimento com redução da resistência do cimento

endurecido a sulfatos. O NaCl a 2 % funciona como acelerador, contudo, em

concentrações maiores do que 6 % apresenta o comportamento contrário,

retardando a pasta (LIMA, 2004; NELSON, 1990).

3.2.4. Retardadores de Pega

São usados como retardadores de pega, celuloses, lignossulfatos e

derivados de açúcar. Estes aditivos inibem a precipitação do hidróxido de cálcio

formando um complexo químico com componentes do cimento não hidratado ou

formando uma camada protetora para os grãos não hidratados, prevenindo o contato

com a água (NELSON, 1990).

Além destes aditivos, são adicionados à pasta de cimento um anti-

espumante, que como o próprio nome sugere, é usado para reduzir a espuma

formada quando a pasta é misturada sem alterar as suas propriedades.

O tempo de espessamento (tempo de bombeio da pasta) é bastante

afetado pelas condições de temperatura e pressão do poço, assim como pelos

aditivos aceleradores e retardadores. As concentrações dos aditivos são definidas


Flank Melo de Lima

36

pela correta estimativa da temperatura e pelo estabelecimento do tempo de

bombeabilidade da pasta necessário em cada operação.

3.2.5. Dispersantes ou Redutores de Fricção

Esses aditivos reduzem a viscosidade aparente, o limite de

escoamento e a força gel das pastas, melhorando suas propriedades de fluxo.

Facilitam a mistura da pasta, reduzem a fricção e permitem a confecção de pastas

de elevada densidade. Os mais comuns são os sulfonados. Alguns controladores de

filtrado possuem propriedades dispersantes incorporados. A adição de dispersantes

pode produzir um efeito secundário indesejável: aumento da água livre e da

decantação dos sólidos, tornando a pasta menos estável (______, 1998).


Flank Melo de Lima

37

Capítulo 4

4. ADITIVOS PLASTIFICANTES

O primeiro uso de aditivos plastificantes sintéticos em cimento foi

realizado pela aditivação de concreto em 1930, quando um corante foi disperso,

usando um ácido naftaleno sulfônico em um pavimento de concreto de cimento

portland nos Estados Unidos (DODSON, 1990). Devido o alto custo desse produto, o

lignossulfonato foi usado como aditivo plastificante desde a década de 40,

entretanto, esse resíduo produzido na fabricação do papel, resultava em retardo de

pega pela falta de controle da quantidade de açúcar nele contida.

Em 1960 no Japão, obteve-se um aditivo do tipo b-naftaleno reduzindo

a relação a/c para a obtenção de altas resistências mecânicas, enquanto que na

Alemanha, foi desenvolvido um plastificantes a base de melamina para melhorar a

trabalhabilidade do concreto mantendo a relação a/c.

Nos últimos anos, a eficiência desses produtos foi superada pelo

desenvolvimento de vários tensoativos poliméricos conhecidos como aditivos a base

de policarboxilatos.

4.1. PRINCIPAIS ADITIVOS PLASTIFICANTES COMERCIALIZADOS

Os aditivos plastificantes atualmente comercializados no Brasil são

geralmente a base de: lignossulfonato, melamina sulfonato, naftaleno sulfonato e

policarboxilatos.

Os aditivos plastificantes convencionais (geralmente a base de

lignossulfonato) promovem uma redução da quantidade de água de amassamento

de até 15 % (RIXON & MAILVAGANAM, 1999). Essa é a principal diferença entre os


Flank Melo de Lima

38

plastificantes e superplastificantes, pois os superplastificantes podem reduzir a água

de amassamento em até 30 % (VERHASSELT e PAIRON, 1989). A exceção é o

aditivo a base de policarboxilato, atualmente denominados de hiperplastificantes,

que podem reduzir a água de amassamento em até 40 %, além de proporcionar uma

melhor retenção de trabalhabilidade nos concretos (HARTMANN, 2002).

4.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS

Atualmente, existem três tipos de aditivos comumente utilizados como

superplastificantes: polimelaminas sulfonadas (PMS), polinaftalenos sulfonados

(PNS) e os policarboxilatos ou polimetacrilatos (PC), conhecidos como

superplastificantes de nova geração (RAMACHANDRAN, 1998).

Os aditivos plastificantes podem ser divididos em quatro

grupos (AÏTCIN, 1998):

Lignossulfonatos ou lignossulfonatos modificados (LS);

Sais sulfonados de policondensado de naftaleno e formaldeído,

usualmente denominados de naftaleno sulfonado ou apenas de

naftaleno (NS);

Sais sulfonatos de policondensado de melamina e formaldeído,

usualmente denominados de melamina sulfonato ou apenas de

melamina (MS);

Policarboxilatos (PC).

4.2.1. Lignossulfonatos

Os lignossulfonatos são conhecidos como aditivos plastificantes de

primeira geração e utilizados como redutores de água normais e em alguns casos


Flank Melo de Lima

39

também como superplastificantes (Figura 2). O lignossulfonato é obtido a partir do

rejeito líquido do processo de extração da celulose da madeira (RIXON, 1999). Esse

subproduto contém uma mistura complexa de produtos provenientes da lignina

(20 % a 30 %), produtos da decomposição da celulose, carboidratos e ácidos

sulfurosos livres ou sulfatos (COLLEPARDI, 1998).

Esses aditivos são beneficiados em dois estágios, com o objetivo de

eliminar os açúcares, carboidratos, sendo algumas vezes passados por

fracionamento para aumentar a massa molecular média. Sua composição pode

variar muito em função do processo de fabricação (neutralização, precipitação e

fermentação) (COLLEPARDI, 1998).

Figura 2 – Monômero de um lignossulfonato. FONTE: RIXOM & MAILVAGANAM, 1999

Os primeiros lignossulfonatos apresentavam problemas, pois

continham altos teores de açucares na sua composição, o que causava grande

retardo da pega e incorporação de ar à mistura. Hoje, esses aditivos são submetidos

processos de purificação para remoção desses açúcares por meio de ultrafiltragem,

tratamento térmico com pH controlado e ainda a fermentação (RIXON, 1999),

reduzindo bastante tais efeitos secundários.

A maior parte dos lignossulfonatos existentes no mercado internacional

situa-se na faixa de massa molecular de 20 a 30.000. Alguns lignossulfonatos mais

polimerizados, entretanto, podem conter frações de massa molecular bem

maiores (RIXON, 1999).


Flank Melo de Lima

40

Os aditivos base lignossulfonato permitem redução de água da mistura

de 8 % a 12 %. Quando usados em altas dosagens podem causar excessivo retardo

da pega e incorporação de grande quantidade de ar (RIXON, 1999).

4.2.2. Melamina

A melamina é um produto obtido a partir de técnicas de polimerização.

Moléculas de melamina são adicionadas as de formaldeído produzindo, trimetilol-

melamina, adicionando-se bissulfito de sódio (NaHSO3) tem-se a sua sulfonatação

(Figura 3).

A polimerização prossegue por reações de condensação dos grupos

hidroxilas presentes nas moléculas de trimetilol-melamina. A massa molecular média

do produto é influenciada pelo tempo de polimerização. O valor ideal e eficiente de

massa molecular média deve estar em torno de 30.000 (GRABIEC &

KRZYWOBLOCKA-LAURÓW, 1997).

Figura 3 – Monômero de uma polimelamina sulfonato de sódio. FONTE: RAMACHANDRAN, 1998.

Esses aditivos, juntamente com os aditivos a base de naftaleno

sulfonato, são conhecidos comercialmente como aditivos plastificantes de 2ª


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41

geração e permitem a redução em até 25 % a quantidade de água da mistura,

quando usados como redutores de água (HSU,1999).

4.2.3. Policarboxilatos

Esses são os aditivos recentemente introduzidos no mercado nacional

e são conhecidos como aditivos plastificantes de alta eficiência ou ainda

hiperplastificantes, pois permitem a redução de água das misturas em até 40 %,

mantendo-se a mesma trabalhabilidade (HSU, 1999). Esses aditivos também

conferem considerável aumento na fluidez dos concretos, fato que permite a

utilização em concretos fluídos e auto-adensáveis e viabilizam a redução de grande

quantidade de água das misturas possibilitando o emprego de concretos de elevada

resistência, trabalhabilidade e durabilidade.

São aditivos poliméricos que apresentam larga distribuição de massa

molecular e sua caracterização química é muito complexa (YAMADA, 2000). As

propriedades desses aditivos são influenciadas pelo comprimento de sua cadeia e

pelo número de reações em uma cadeia de aditivo (DRANSFIELD, 2000) (Figura 4).

Figura 4 - Monômero de um policarboxilato FONTE: RAMACHANDRAN, 1998.

Esses polímeros geralmente possuem grupos carboxílicos (COOH) e

apresentam cadeias laterais de diferentes comprimentos. Onde a dispersão e a

defloculação das partículas de cimento podem ser controladas por meio da mudança


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42

do comprimento dessas cadeias e ainda do comprimento da cadeia central desses

polímeros (Figura 5).

Figura 5 – Esquematização de uma molécula de policarboxilato FONTE: adaptado de LEIDHODT et al., 2000.

O comprimento da cadeia principal desses polímeros produz efeitos na

dispersão e defloculação das partículas de cimento (OHTA, 1997). Os efeitos da

estrutura química dos aditivos plastificantes a base de policarboxilato na fluidez das

pastas de cimento são os seguintes (YAHAMA, 2000):

Para mesma dosagem de aditivo, quanto maior o tamanho da cadeia desse

aditivo, mais fluída é a mistura e menor é o seu tempo de pega;

Quanto maior a quantidade de grupos sulfônicos e carboxílicos presentes nos

polímeros, maior a fluidez do sistema para uma mesma dosagem de

plastificante.

4.3. INTERAÇÕES CIMENTO-PLASTIFICANTES

Os plastificantes são introduzidos em suspensões cimentícias para

melhorar as propriedades reológicas. Eles podem ter uma forte influência na cinética

de hidratação do cimento (FLATT & HOUST, 2001). As propriedades reológicas da

pasta de cimento são controladas por muitos fatores, por exemplo, pela dispersão

entre as partículas devido à técnica de mistura, tipo e quantidade de plastificante

– Grupo sulfônico

– Grupo carboxílico


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43

adicionado, tipo e quantidade dos produtos de hidratação, distribuição do tamanho

das partículas e etc. Isso, desta maneira, dificulta a determinação e descoberta dos

principais fatores e interações existentes entre os diferentes componentes numa

suspensão de cimento com plastificante.

Diferentes plastificantes não produzem a mesma fluidez com o mesmo

cimento, nem o mesmo plastificante produz a mesma fluidez com diferentes

cimentos (RAMACHANDRAN, 1984). Experimentos em laboratório apresentaram

que as propriedades reológicas de certos cimentos são mais sensíveis com respeito

ao tipo e a quantidade de plastificante adicionado comparado com outras

combinações (NKINAMUBANZI, 2000). Isso pode ser expresso por um menor efeito

de fluidez, alto retardamento, segregação e etc. Em diversos casos, esses

fenômenos são chamados de incompatibilidade de plastificantes (HUYNH, 1996;

GRIESSER, 2002).

4.3.1. O cimento Portland e a água

As partículas de cimento Portland quando entram em contato com a

água, que tem molécula polar, apresentam forte tendência à floculação, resultado de

diversos tipos de interações, tais como forças de Van der Waals entre as partículas

(forças eletrostáticas entre regiões com cargas opostas e forte ligação envolvendo

moléculas de água ou compostos hidratados) (LEGRAND & WIRQVIN, 1992). Certa

quantidade de água fica aprisionada entre os grãos de cimento, reduzindo a

disponibilidade de água e a lubrificação da mistura. Tais fenômenos aumentam a

viscosidade da mistura e também reduzem a área específica dos grãos de cimento

disponível para as reações de hidratação.

Em princípio, a hidratação inicia-se logo que os grãos de cimento

entram em contato com a água. Devido à elevada finura das partículas, uma grande

superfície das fases reativas está em contato com a água. Para a distribuição

homogênea da água na mistura e para a adsorção dela pela superfície de todos os


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grãos, as partículas de cimento devem estar defloculadas e manter-se em um alto

grau de dispersão.

Na Figura 6 encontra-se ilustrado o efeito de defloculação dos grãos de

cimento. Todos os tipos de cimento sofrem floculação, de modo que o emprego de

aditivos químicos capazes de reduzir essa tendência é de grande valia à tecnologia

de concreto e pastas de cimento (AÏTCIN, 1998).

Sistema floculado (Aglutinado) Sistema defloculado (Disperso)

Figura 6 – Efeito da defloculação dos grãos de cimento FONTE: AÏTCIN et al., 1998.

Na Figura 7A encontra-se representada a micrografia de partículas de

cimento floculadas em uma suspensão de água-cimento sem aditivo e na Figura 7B

encontra-se representada a micrografia de um sistema disperso com a adição de um

aditivo plastificante. Observa-se que a dispersão promovida pelos aditivos

superplastificantes confere maior homogeneidade à mistura e distribui mais

uniformemente os espaços entre grãos.


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(a)

(b)

Figura 7 - (a) Floculação do sistema cimento-água (b) dispersão do sistema com a adição de um plastificante

FONTE: MEHTA & MONTEIRO, 1994.

4.3.2. Mecanismo de ação dos aditivos plastificantes

Os aditivos plastificantes agem quando adsorvidos nas partículas de

cimento, provocando repulsão eletrostática que resulta na dissociação do cimento

aglomerado em partículas com significativa redução da viscosidade do sistema

cimento-água-aditivo plastificante. Esses aditivos, principalmente os aditivos a base

de lignossulfonatos, também podem reduzir a tensão superficial da água,

aumentando o efeito de “lubrificação” das partículas de cimento (MALHOTRA, 1989).

As interações cimento-plastificantes podem ser divididas em efeitos

físicos e químicos (RONCERO, 2000). Os efeitos físicos ocorrem instantaneamente,


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46

isto é, em t = 0, e inclui a adsorção de plastificante por meio de forças eletrostáticas

e de Van der Waals, mudanças superficiais, indução de forças eletrostáticas

repulsivas e forças de repulsão estérica. Os efeitos químicos são conseqüência da

hidratação do cimento, ou seja, num tempo t > 0. Eles incluem ligações de superfície

em sítios reativos, alteração das reações de hidratação e dos produtos de hidratação

(JOLICOEUR, 1994; JOLICOEUR, 1998).

4.3.2.1. Interações físicas

As moléculas dos aditivos plastificantes são adsorvidas pelas

partículas de cimento por meio de forças eletrostáticas ou de Van der Waals. A

adsorção varia de acordo com o grupo funcional do aditivo e é maior pela fase

aluminato do que pela fase silicato (UCHIKAWA, 1992).

A presença de SO3 inibe a adsorção do plastificante no C3A e C4AF,

permitindo assim um aumento na adsorção pelos silicatos (C3S e C2S). Isso decorre

da presença dos sulfatos do cimento. A quantidade de aditivo adsorvido depende da

quantidade de sulfatos presentes, que são responsáveis pela redução da adsorção

nas fases aluminatos melhorando a adsorção pelos silicatos e indicando que há um

teor ótimo de sulfatos no cimento que contribui para uma melhor fluidez da mistura

(NAWA et al, 1989).

Esta quantidade adsorvida é menor quando o aditivo é adicionado

algum tempo depois da mistura do cimento com a água, melhorando assim a

trabalhabilidade do sistema. O efeito de retardamento do plastificante é proporcional

à sua concentração e é geralmente maior em cimentos com baixo teor de C3A.

Desse modo, uma menor quantidade de plastificante reage com o C3A, deixando

mais aditivo para ser adsorvido nas outras fases (C3S) e reduzir a reação superficial.

Em cimentos que contém quantidades usuais de C3A, significante retardo pode ser

observado se ocorrer super dosagem de aditivo (TANDIRH et al, 2000).


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Os aditivos plastificantes a base de naftaleno são preferencialmente

adsorvidos pela fase intersticial (aluminato) e pela cal livre, cabendo à fase silicato

de cálcio menor participação no processo (UCHIKAWA, 1992).

Os produtos a base de melamina, naftaleno ou lignossulfonato atuam

principalmente por repulsão eletrostática, isto é, eles são atraídos e adsorvidos pela

superfície carregada das partículas de cimento, conferindo-lhe a mesma carga e,

portanto, provocando repulsão e conseqüente dispersão da mistura. O efeito desse

fenômeno é o aumento da fluidez e a conseqüentemente redução da demanda de

água de amassamento (AÏTCIN, 1998). Com o decorrer da hidratação do cimento

ainda no estado fresco, os polímeros são “aprisionados” pelos produtos hidratados

que precipitam e assim vão perdendo seu efeito. Assim, o sistema é gradualmente

floculado, provocando a diminuição na trabalhabilidade, fenômeno conhecido com

perda de abatimento (AÏTCIN, 1998).

Os produtos a base de policarboxilato também atuam por repulsão

eletrostática, mas não é esse o seu mecanismo principal de ação. Além de agirem

por repulsão eletrostática, a dispersão das partículas de cimento responsável pelo

aumento da fluidez pode ser relacionada a um efeito conhecido como repulsão

estérica que é produzida pela presença de uma longa cadeia lateral ligada em vários

pontos na cadeia central do polímero (Figura 8).

Figura 8 – Casos de repulsão: (a) partículas repelidas devido à mesma carga; (b) partículas repelidas devido à sobreposição do polímero plastificante.

FONTE: UCHIKAWA, 1995


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Esta arquitetura produz forte efeito dispersivo, pois o impedimento do

entrelaçamento das cadeias laterais de diferentes moléculas de aditivos cria uma

capa de adsorção de grande volume que impede a aproximação das partículas de

cimento, oferecendo significativas vantagens como manutenção do abatimento por

mais tempo que os demais aditivos (LEIDHODT et al, 200) (Figura 9).

(a) Ação da Melamina e Naftaleno (b) Ação dom Policarboxilato

Figura 9 - (a) Ilustração do mecanismo de repulsão eletrostática para a cadeia de naftaleno e melamina (b) Ilustração do mecanismo de repulsão estérica para a cadeia de policarboxilato

FONTE: Adaptada de COLLEPARDI et al, 1999.

Outras interações físicas podem ser citadas, como a formação de uma

barreira ao redor do cimento que inibe a sua floculação, e ainda a alteração de

tensão superficial da água.

4.3.2.2. Interações químicas

As interações físicas são sem dúvida as principais interações

relevantes na ação dos plastificantes e envolvem os mecanismos de floculação e

defloculação (RONCERO, 2000). Contudo há também interações químicas entre os

plastificantes que são manifestadas por meio de mudanças na composição da

suspensão aquosa e na morfologia dos hidratos formados. Uma interação entre as

partículas de cimento e as de aditivo plastificante é a adsorção química das

moléculas do aditivo (UCHIKAWA, 1995). Outro mecanismo é a formação de íons


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complexos entre o plastificante e o Ca+2 levando à redução na sua concentração.

Isto contribui para o retardo da pega e, conseqüentemente, redução do tempo de

fluidez até que a suspensão atinja a supersaturação do Ca+2, que é essencial para

iniciar o estágio de aceleração da hidratação (JOLICOUER, 1997).


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Capítulo 5

5. REOLOGIA

5.1. GENERALIDADES

Reologia é a ciência da deformação e do fluxo da matéria, sendo,

portanto, um ramo da física relacionada à mecânica dos corpos deformáveis. Ela

tem como objetivo o estudo das influências que as microestruturas e

macroestruturas exercem sobre as propriedades de escoamento, no interior de um

corpo. A etimologia da palavra “reologia” tem raiz nos significados nos vocábulos

gregos “rheo” (formação) e “logia” (ciência ou estudo). Portanto, reologia é a ciência

que estuda como a matéria se deforma ou escoa, quando está submetido a esforços

originados por forças externas.

Na indústria do petróleo, os conhecimentos básicos da reologia

auxiliam na análise do comportamento reológico dos diversos tipos de fluídos. Entre

outras aplicações, a definição de parâmetros reológicos, por sua vez, permite que se

estime as perdas de pressão por fricção (também denominada perda de carga),

capacidade de transporte e sustentação de sólidos, além de especificar e qualificar

fluidos, materiais viscosificantes, petróleo e derivados (MACHADO, 2002).

Finalmente, é de fundamental importância que sejam utilizados

equipamentos confiáveis e calibrados, além de métodos e procedimentos

certificados, na caracterização reológica e determinação de parâmetros reológicos

dos fluidos utilizados, com o fim de se obter resultados com alto grau de

repetibilidade e reprodutividade, ou seja, próximos da realidade e confiáveis

(MACHADO, 2002).


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5.2. DEFINIÇÕES

Reologia é definida como a ciência da deformação e do fluxo da

matéria. Os fluidos são caracterizados por suas curvas de fluxo, resultado da relação

entre a tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento. O comportamento mais

simples é o comportamento do fluido Newtoniano, o qual possui uma relação linear

entre a tensão e a taxa de cisalhamento (HACKLEY, 2001). A tensão de

cisalhamento desse fluido pode ser descrita pela Equação (1):

= (1)

onde é a tensão de cisalhamento, é a constante de proporcionalidade, a qual é

chamada de coeficiente de viscosidade e é a taxa de cisalhamento. Só um único

ponto é necessário para determinar este comportamento de fluxo (Figura 10).

O estudo das propriedades reológicas das pastas de cimento deve ser

utilizado na determinação do modelo reológico que melhor descreve o escoamento

da pasta, do regime de escoamento e na previsão de pressões geradas nas

operações de cimentação e sua correção (principalmente nas operações de

recimentação). O entendimento e o controle das propriedades reológicas da pasta

nas operações com cimento, visam otimizar a eficiência com que a pasta de cimento

desloca o fluido do espaço anular sob determinado regime de fluxo e a real pressão

exercida sobre as paredes do poço (NELSON, 1990). De uma maneira simples, a

viscosidade da pasta deve ser baixa para facilitar sua penetração nos anulares ou

nos canais, oferecer boas condições de bombeabilidade e aderir fortemente à

formação, cimento primário e revestimento. A viscosidade é função, principalmente,

da razão água-cimento, da granulometria e área superficial do cimento e dos

aditivos.

Pastas de cimento são suspensões coloidais nas quais as interações

entre as partículas podem conduzir à formação de várias microestruturas

(JARNY et al, 2005). Dependendo de como tais estruturas respondem a tensão de

cisalhamento ou taxa de deformação, observa-se diferentes tipos de comportamento


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macroscópico do fluxo (BIRD et al, 1982; COUSSOT, et al, 1999). As maneiras

usuais para descrever o fluxo do estado constante de pastas de cimento frescas

envolve os modelos reológicos de Bingham, Herschel-Bulkley, Ellis, Casson ou

Eyring (ATZENI, 1985). Como apresentado por (OTSUBO et al, 1980), as

propriedades de fluxo de pastas de cimento frescas e homogêneas evoluem

continuamente com o tempo.

5.3. MODELOS REOLÓGICOS

Os modelos reológicos capazes de descrever o que ocorre em um

amplo intervalo entre um sólido elástico e um fluído viscoso deverão ser capazes de

predizer ou prognosticar a deformação da pasta de cimento com razoável exatidão.

Geralmente, características de deformação da pasta de cimento são examinadas

usando-se testes de fluxo baseados na tensão de cisalhamento versus taxa de

cisalhamento (Figura 10). Das curvas de fluxo também é possível gerar uma relação

entre viscosidade e taxa de cisalhamento. Contudo, nenhum modelo está livre de

erros estatísticos (NEHDI, 2007).

Figura 10 – Tipos de fluido: (A) Newtoniano, (B) Binghaminiano, (C) Pseudoplástico, (D) Dilatante e (E) Pseudoplástico com limite de escoamento.


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Fundamentalmente, os fluidos se classificam em Newtonianos e não-

Newtonianos. Todas as curvas da Figura 11, conhecidas como curvas de

viscosidade, referem-se a tipos de ou modelos de fluidos não-Newtonianos, exceto a

curva “A” que representa a relação de tensão cisalhante com taxa de cisalhamento

constante.

Figura 11– Curvas de viscosidade de fluido: (A) Newtoniano; (B) Binghamiano ou plástico ideal; (C) pseudoplástico; (D) dilatante.

Na atualidade, o conhecimento da reologia de pastas de cimento tem

sido de fundamental importância para o processo bem-sucedido de materiais

baseados em cimento. A reologia da pasta fresca de cimento tem sido controlada

pela estrutura tridimensional das partículas de cimento na água. Uma estrutura em

”gel” se forma imediatamente após a introdução de água no pó de cimento. A

estrutura se origina de uma combinação de forças coloidais (por exemplo, atração de

Van der Waals e repulsão eletrostática), forças hidrodinâmicas e reações químicas

produzidas pelos hidratos de silicato de cálcio (SAAK et al, 2001).


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54

5.3.1. Modelo de Bingham

Vários modelos empíricos e teóricos têm sido usados para determinar

o comportamento reológico de pastas de cimento, a partir das curvas de fluxo, entre

eles, o mais usado é o Modelo de Bingham. A tensões baixas, a pasta de cimento é

muito viscosa e se assemelha a um sólido elástico. Sob uma faixa de tensões muito

estreita, a viscosidade cai muitas ordens de grandeza e ocorre o fluxo macroscópico.

A faixa de tensões críticas é muito estreita e assim tem sido considerada como um

ponto simples, chamada de tensão de escoamento aparente (BARNES, 1995).

Considerando a teoria molecular-coloidal, os parâmetros reológicos do

fluido Binghamiano possuem uma interpretação. O atrito entre as partículas

dispersas e as moléculas do líquido dispersante é o responsável por um dos

componentes de resistência ao escoamento – a viscosidade plástica, constate

análoga a viscosidade do fluido Newtoniano (Figura 10). Enquanto isso, as forças de

interação entre as partículas dispersas são consideradas a causa da existência do

outro parâmetro viscoso – o limite de escoamento, também denominada de

componente viscosa (MACHADO, 2002). A equação matemática que define o fluido

de Bingham é expressa pela equação (2):

= p + L (2)

onde p e L são a viscosidade plástica e o limite de escoamento, respectivamente.

Na Figura 12 encontra-se representas as curvas de fluxo e de

viscosidade do modelo de Bingham, respectivamente.


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Figura 12 – Curva de fluxo (A) e de viscosidade (B), do fluido Binghamiano ou plástico.

É conhecido ainda que se a concentração de partículas dispersas

aumenta, então, a viscosidade plástica também aumenta. Enquanto isso, o limite de

escoamento aumenta quando as forças interpartículas aumentam, isto é, quando

aumenta o potencial iônico do meio, causando um conseqüente aumento das forças

eletrostáticas de interação entre as partículas dispersas (MACHADO, 2002).

5.3.2. Modelo de Ostwald de Waale

O modelo de Ostwald ou fluido de potencia é definido pela Equação 3.

Esta não se aplica para todo e qualquer fluido, nem a todo intervalo de taxa de

cisalhamento. Entretanto, existe um número razoável de fluidos não-Newtonianos

que apresentam comportamento de potencia, num largo intervalo de velocidades

cisalhantes.

= K ( )n (3)

Os parâmetros reológicos do fluido de potencia são o índice de

consistência, K, e o índice de comportamento ou de fluxo, n. Enquanto n é uma


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grandeza adimensional, K tem dimensão física igual a F.Tn.L-2, sendo suas unidades

mais usuais o dina.sn/cm² (Sistema CGS), Pa.sn (SI) e o lbf.sn/ft² (Sistema Inglês).

Da equação 4.2, em coordenadas logarítmicas, pode-se produzir uma

reta log = log K + n. O log ( ), cuja inclinação determinará o valor de n. O valor de

K será definido no ponto de interseção do eixo vertical com a reta, quando = 1,

como se pode observar na Figura 13 A.

Figura 13 – Curvas de fluxo (A) e de viscosidade (B) para fluidos que seguem a lei de potência, em escala logarítmica.

Por meio do índice de comportamento, n, pode-se indicar fisicamente o

afastamento do fluido do modelo Newtoniano. Se seu valor se aproxima de um,

então o fluido está próximo do comportamento Newtoniano. Enquanto isso, por meio

do valor do índice de consistência, K, pode-se indicar o grau de consistência do

fluido diante do escoamento. Quanto maior o valor de K, mais “consistente” o fluido

será. Observa-se, por comparação da equações 1 e 3, que os parâmetros e K, a

menos do índice n, são similares.


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5.3.3. Modelo de Herschell-Buckley

O modelo de Herschell-Buckley é também conhecido como fluido de

potencia com limite de escoamento ou fluido de potencia modificado. Este possui

três parâmetros reológicos. Por isso mesmo, é denominado de modelo a três

parâmetros. Pode-se definir este modelo por meio da Equação 4.

= K ( )n + 0 para > 0 (4)

= 0 para 0

Este tipo de fluido é uma extensão do fluido de Ostwald, ao qual se

adiciona um novo parâmetro, 0, denominado de limite de escoamento real. A

curva de fluxo que o representa está ilustrada na Figura 14. Uma maneira de se

determinar todos os parâmetros deste modelo consiste em primeiro estimar o valor

de 0 por extrapolação, por meio do gráfico de x em coordenadas cartesianas,

depois então, determinar os valores de K e n por meio de um gráfico de ( – 0) x ,

em coordenadas logarítmicas.

Figura 14 – Curvas de fluxo (A) e de viscosidade (B) do fluido de potência, com limite de escoamento ou modelo de Herschell-Buckley.


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Como pode ser observado, o modelo de Herschell-Buckley é mais

completo do que os anteriores, uma vez que a equação que o descreve engloba três

parâmetros, além do que, os modelos de Newton, Bingham e de Ostwald de Waale

podem ser analisados como casos particulares deste.

Materiais e métodos

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Capítulo 6

6. MATERIAIS E MÉTODOS

6.1. MATERIAIS UTILIZADOS

Para a realização do preparo das pastas cimentantes neste trabalho,

foram utilizados os seguintes materiais:

a) Cimento Portland Especial fornecido pela CIMESA – Cimento Sergipe S.A.,

localizada em Laranjeiras – SE. Este é um aglomerante hidráulico obtido pela

moagem de clínquer Portland, constituído, em sua maior parte, por silicatos de cálcio

hidráulicos, e que apresenta características especiais para uso em poços de petróleo

até a profundidade de 2 440 m, assim como produzido. Na fabricação, a única

adição permitida é a de gesso durante a moagem. As propriedades físico-químicas

do mesmo encontram-se representadas na Tabelas 5 e 6, são rotineiramente

avaliadas pela empresa, comparando-se com os padrões do cimento Portland classe

G;

Tabela 3 – Ensaios físicos e especificação para cimento Portland especial1.

EspecificaçãoEnsaios físicos

Valor Médio CP Especial

#200 4,6 – Finura

(% retido) #325 19,3 16 – 20

Blaine (cm2/g) – – 2800 – 3200

Início 02:30 – Tempo de Pega*

(h:min) Fim 03:20 –

* A relação água/cimento é definida pela NBR 11581.

1 Cimento Sergipe S.A. – CIMESA. Certificado de análises de cimento. 07/07/2006.


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Tabela 4 – Ensaios químicos de cimento Portland especial e especificações para cimentos CPP classe G e Portland especial2.

b) Água destilada;

c) Plastificantes – Foram utilizados três tipos de aditivos plastificantes

(dispersantes) conhecidos comercialmente como de 1a geração (plastificante) –

lignossulfonato, um aditivo de 2a geração (superplastificante) – melamina e um

aditivo de 3a geração (hiperplastificante) – policarboxilato. Na Tabela 5 encontram-se

as características e as propriedades dos plastificantes utilizados.

2 Cimento Sergipe S.A. – CIMESA. Certificado de análises de cimento. 07/07/2006.

Especificação

Ensaios químicos Valor médio

(%) CPP

EspecialCP Classe G

Perda ao fogo 0,78 Máx. 3,0 Máx. 3,0

CaO (Livre) 1,18 – –

SO3 2,79 Máx. 3,0 Máx. 3,0

MgO 3,57 Máx. 6,0 Máx. 6,0

Análise

Química

Na2O eq. 0,61 Máx. 1,0 Máx. 0,75

C3S 54,2 55 a 65 48 a 58 / 65

C3A 6,8 Máx. 7,0 Máx. 8 / 3

Composição

Potencial

Bogue 2C3A + C4AF 23,6 Max. 24 Máx. 24


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Tabela 5 – Características e propriedades dos plastificantes.

Propriedades Aditivos plastificantes

Base química Lignossulfonato Melamina Policarboxilato

pH 9 – 11 9-11 5 – 7

Densidade (g/cm³) 1,05 – 1,09 1,235 – 1,275 1,067 – 1,107

Viscosidade (cps) – (1) 20 a 60 95 – 160

Sólidos (%) 13 – 17 38 – 42 28,5 – 31,5

Aspecto Líquido Líquido Líquido

Cor Castanho Castanho claro Bege

(1) Valor não especificado

d) Anti-espumante – Foi utilizado um aditivo anti-espumante para evitar a

formação de espumas e minimizar os erros durante a execução dos ensaios de

reologia. Na Tabela 6 encontram-se as características e as propriedades dos

plastificantes utilizados.

Tabela 6 – Características e propriedades do anti-espumante.

Propriedades Aditivo anti-espumante

Base química Silicone

pH 6,0 – 8,0

Densidade (g/cm³) 0,97 – 1,03

Viscosidade (cps) 1600 –3600

Conteúdo não-volátil (%) 49,0 – 52,0

Aspecto Viscoso

Cor Branco


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6.2. VARIÁVEIS INDEPENDENTES

As variáveis independentes são aquelas fixadas com o intuito de

observação do reflexo de suas variações sobre as variáveis dependentes. As pastas

em estudo apresentaram as seguintes variáveis independentes:

Peso específico: foi fixado um peso específico de 15,8 lb/gal (1,89 g/cm³)

para todas as pastas testadas, de acordo com as normas N-2528 e

API RP 10B;

Concentração de aditivo: para as pastas foram empregadas 10

concentrações de aditivos, variando-se de 0,000 gal/pé³ (0,0 L/m³) a 0,045

gal/pé³ (5,85 L/m³), com incremento de 0,005 gal/pé³ (0,65 L/m³); Esta é a

faixa de concentração comumente utilizada em projetos de pastas de cimento

para poços de.petróleo.

Natureza do aditivo: foram empregados três tipos de aditivos (plastificantes

e/ou dispersantes), de modo a ter produtos conhecidos comercialmente como

1a geração (plastificante) – lignossulfonato, um aditivo de 2a geração

(superplastificante) – melamina e um aditivo de 3a geração (hiperplastificante)

– policarboxilato;

Tempo e velocidade de mistura: as misturas das pastas foram realizadas

em duas etapas. A primeira, durante 15 s a 4000 rpm. E a segunda, durante

35 s a 12000 rpm, de acordo com as recomendações da norma API RP 10B.

Temperatura: foram escolhidas quatro temperaturas para a realização dos

ensaios reológicos – 80ºF (26,7ºC), 107ºF (41,7ºC), 133ºF (56,1ºC) e 160ºF

(71,1ºC). Esta faixa de temperatura equivale às temperaturas encontradas

nos campos de petróleo da região nordeste.


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6.3. VARIÁVEIS DEPENDENTES

As variáveis dependentes são aquelas influenciadas pela alteração das

variáveis independentes e, em determinadas situações, por outras dependentes. A

seleção destas variáveis foi realizada de acordo com os modelos reológicos

escolhidos para o estudo: modelo de Bingham, modelo de Ostwald de Waale

(modelo de potencia) e modelo de Herschell-Buckley:

Viscosidade plástica;

Limite de escoamento;

Géis inicial e final;

Índice de comportamento;

Índice de consistência;

Limite de escoamento real

6.4. VARIÁVEIS INTERVENIENTES

As variáveis intervenientes são aquelas que também exercem efeito

sobre as dependentes, porém não se tem o interesse de controlar suas variações,

sendo somente medidas para controle. Neste trabalho foram consideradas como

intervenientes as seguintes variáveis:

Temperatura ambiente;

Taxa de aquecimento durante a homogeneização;

Temperatura do copo térmico;

Fator água/cimento (FAC);

Teor de anti-espumante;


Flank Melo de Lima

64

6.5. CÁLCULO DE PASTA

O cálculo das massas dos componentes das pastas de cimento foram

calculadas de acordo com as recomendações práticas da norma API RP 10B

(Tabelas 07, 08 e 09).

Tabela 7 – Composição das pastas preparadas com lignossulfonato.

Concentração de

plastificanteComposição das pastas

(L/m³) (gal/pé³)Lignossulfonato

(g)Água (g) Cimento (g) Anti-espumante (g)

0,00 0,000 0,00 348,48 786,78 0,70

0,65 0,005 0,37 348,14 786,75 0,70

1,30 0,010 0,74 347,80 786,72 0,70

195 0,015 1,10 347,46 786,69 0,70

2,60 0,020 1,47 347,12 786,67 0,70

3,25 0,025 1,84 346,78 786,64 0,70

3,90 0,030 2,21 346,44 786,61 0,70

4,55 0,035 2,57 346,10 786,59 0,70

5,20 0,040 2,94 345,76 786,56 0,70

5,85 0,045 3,31 345,42 786,53 0,70

Tabela 8 - Composição das pastas preparadas com melamina.

Concentração de


(L/m³) (gal/pé³) Melamina (g) Água (g) Cimento (g) Anti-espumante (g)

0,00 0,000 0,00 348,48 786,78 0,70

0,65 0,005 0,44 348,17 786,65 0,70

1,30 0,010 0,87 347,87 786,52 0,70

195 0,015 1,31 347,56 786,39 0,70

2,60 0,020 1,75 347,25 786,26 0,70


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65

3,25 0,025 2,18 346,94 786,13 0,70

3,90 0,030 2,62 346,63 786,00 0,70

4,55 0,035 3,06 346,33 785,88 0,70

5,20 0,040 3,49 346,02 785,75 0,70

5,85 0,045 3,93 345,71 785,62 0,70

Tabela 9 - Composição das pastas preparadas com carboxilato.

Concentração de


(L/m³) (gal/pé³) Policarboxilato (g) Água (g) Cimento (g) Anti-espumante (g)

0,00 0,000 0,00 348,48 786,78 0,70

0,65 0,005 0,38 348,15 786,72 0,70

1,30 0,010 0,77 347,82 786,67 0,70

195 0,015 1,15 347,48 786,62 0,70

2,60 0,020 1,54 347,15 786,57 0,70

3,25 0,025 1,92 346,82 786,52 0,70

3,90 0,030 2,31 346,49 786,47 0,70

4,55 0,035 2,69 346,15 786,42 0,70

5,20 0,040 3,07 345,82 786,36 0,70

5,85 0,045 3,46 345,49 786,31 0,70

6.6. PREPARAÇÃO DAS PASTAS

Na preparação das pastas, a amostra de cimento utilizada foi

submetida a um processo de peneiramento prévio, por meio de uma peneira de #20

(Mesh) – 0,84 mm – com o objetivo de remoção de partículas mais grossas que

pudessem causar problemas nos testes, assim como a determinação da presença

de contaminantes. Todos os materiais utilizados na preparação das pastas foram

pesados em uma balança analítica Tecnal Mark 4100, com precisão de 0,01 g.


Flank Melo de Lima

66

6.7. MISTURA DAS PASTAS

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

60, o qual encontra-se representado na Figura 15. Após a pesagem de todos os

componentes da pastas. Foi adicionado ao misturador a água o anti-espumante e o

aditivo plastificante, para a realização de uma breve mistura. Em seguida, foi

realizada a mistura a uma velocidade inicial de 4000 rpm ± 200 rpm, lançando-se o

cimento em 15 s, durante os quais a velocidade foi mantida constante. Após todo

cimento ter sido ininterruptamente adicionado ao sistema água/aditivos, deu-se

continuidade a agitação a uma velocidade alta 12000 rpm ± 500 rpm durante 35 s,

de acordo com as recomendações práticas da norma API RP 10B.

Figura 15 – (a) Misturador de Palheta Chandler Modelo 80-60, com Controlador de Velocidade; (b) Esquema Ilustrativo do Misturador3.

3 FOTO: (a) Cortesia do Laboratório de Cimentos (LABCIM – UFRN); (b) Manual Chandler do misturador de palhetas modelo 80-60.


Flank Melo de Lima

67

6.8. HOMOGENEIZAÇÃO DAS PASTAS

Imediatamente após a mistura, foi realizada a homogeneização das

pastas, em um consistômetro atmosférico Chandler modelo 1200 (Figura 16),

durante 20 min a 150 rpm ± 15 rpm, conforme a norma API RP 10B. Neste processo

foi realizado o aquecimento das pastas para as temperaturas de testes.

Figura 16 – (a) Consistômetro Atmosférico Chandler Modelo 1200; (b) Esquema Ilustrativo do Consistômetro Atmosférico4.

4 FOTO: Manual Chandler do consistômetro atmosférico modelo 1200.


Flank Melo de Lima

68

Tabela 10 – Parâmetros do processo de homogeneização/aquecimento das pastas de cimento.

Faixas de temperatura

Temperatura inicial de

teste

26,7ºC

(80ºF)

26,7ºC

(80ºF)

26,7ºC

(80ºF)

26,7ºC

(80ºF)

Temperatura final de teste 26,7ºC

(80ºF)

41,6ºC

(107ºF)

56,1ºC

(133ºF)

71,1ºC

(160ºF)

Tempo de aquecimento

e/ou homogeneização 20 min 20 min 20 min 20 min

Taxa de aquecimento 0,00 ºC/min 0,75 ºC/min 1,47 ºC/min 2,22 ºC/min

6.9. ENSAIOS REOLÓGICOS

O equipamento utilizado na realização dos ensaios reológicos foi um

viscosímetro rotativo de cilindros coaxiais Chandler modelo 3500 (Figura 17).

Figura 17 – Viscosímetro Rotativo de Cilindros Coaxiais Chandler Modelo 35005.

5 FOTO: Cortesia do Laboratório de Cimentos (LABCIM – UFRN)


Flank Melo de Lima

69

Após a homogeneização das pastas no consistômetro atmosférico,

estas foram vertidas no copo do viscosímetro, onde se efetuou as leituras nas

rotações de 3 rpm, 6 rpm, 10 rpm, 20 rpm, 30 rpm, 60 rpm, 100 rpm, 200 rpm e

300 rpm, de maneira ascendente e descendente, com intervalos de 10s entre as

leituras, calculando-se posteriormente os valores médios das duas medidas. Após a

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

a por 1 min. Em seguida, o motor foi desligado e após 10 s, o mesmo foi novamente

acionado a 3 rpm, registrando-se a deflexão máxima observada, que é denominada

de gel inicial (Gi). Desligou-se mais uma vez o motor por 10 min, no fim dos quais o

motor foi novamente ligado, registrando-se a deflexão máxima observada,

denominada de gel final (Gf). As medidas de gel foram realizadas para se ter

conhecimento do grau de tixotropia das pastas de cimento. O programa de teste do

viscosímetro, descrito anteriormente, encontra-se ilustrado na Figura 18.

0 50 100 150 200 250 860 870 880 890 900

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Período 1 de repouso

Período 2 de repouso

Pré-cisalhamento

Loop de histerese

Tax

a d

e c

isa

lha

me

nto

(s-1

)

Tempo (s)

Figura 18 – Programa de teste do viscosímetro.

Na Figura 19 encontra-se representado o fluxograma da metodologia

utilizada no presente trabalho.


Flank Melo de Lima

70

Figura 19 – Fluxograma da metodologia utilizada.

Resultados e discussão

Flank Melo de Lima

71

Capítulo 7

7. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A seguir, encontram-se os resultados obtidos durante a realização dos

ensaios, seguido de suas respectivas discussões.


DE BINGHAM

7.1.1. Viscosidade plástica

Foi observado que a adição do lignossulfonato não teve ação efetiva

como plastificante nas pastas (Figura 20). A presença do mesmo não reduziu de

forma significativa os valores de VP nas temperaturas de 80ºF (26,7º), 107ºF

(41,7ºC) e 133ºF (56,1ºC). Nos ensaios realizados a 160ºF (71,1ºC) houve uma

pequena redução de viscosidade, de 40,86 cP para 35,85 cP, até a concentração de

0,020 gal/pé³ (2,6 L/m³). Embora pudesse ser esperado que uma temperatura mais

alta conduzisse a uma menor fluidez e uma maior perda de fluidez (FLATT et al,

1997), esse comportamento não foi observado nas pastas.


Flank Melo de Lima

72

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,05025

30

35

40

45

50

55

60

65

70

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Vis

cosi

da

de

plá

stic

a (

cP)

Concentração de lignosulfonato (gal/pé³)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Concentração de lignosulfonato (L/m³)

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Vis

cosi

da

de

plá

stic

a (

mP

a.s

)

Figura 20 – Viscosidade plástica das pastas aditivadas com lignossulfonato.

Os valores de viscosidade plástica das pastas aditivadas com

melamina, não foi observado um comportamento linear para as concentrações

estudadas (Figura 21). Para temperaturas de até 107ºF (56,1ºC), não houve

variações e/ou reduções dos valores de viscosidade como era esperado para

sistemas de pastas de cimento com adição de um superplastificante. Com o

aumento da temperatura, foi observado aumento nos valores de viscosidade plástica

nas temperaturas de 133ºF e 160ºF, 56,1ºC e 71,1ºC respectivamente. Foi esperado

uma redução superior de viscosidade com o aumento da temperatura, porém não

isso ocorreu. Esse tipo de comportamento não é uma regra geral para todos os

cimentos aditivados com superplastificantes (RAMAKRISHNAN, 1983;

KAKIZAKI, 1994). Para faixa de concentração de melamina adicionada as pastas e

para faixa de temperatura dos testes, percebeu-se que a temperatura se sobressai

como o principal fator modificador de viscosidade plástica.


Flank Melo de Lima

73

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,05030

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Vis

cosi

da

de

plá

stic

a (

cP)

Concentração de melamina (gal/pé³)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

Concentração de melamina (L/m³)

Vis

cosi

da

de

plá

stic

a (

mP

a.s

)

Figura 21 – Viscosidade plástica das pastas aditivadas com melamina.

Foi observado que com o aumento da concentração do policarboxilato

houve reduções nos valores de viscosidade plástica para todas as temperaturas de

teste (Figura 22). A presença deste aditivo promoveu um efeito de lubrificação entre

as partículas de cimento dispersas no meio aquoso. Para os testes realizados até a

temperatura de 133°F (56,1°C), observou-se que esta promoveu redução na

viscosidade para todas as composições. Quando foram realizados testes a 160°F

(71,1°C), os valores de viscosidade plástica das pastas medidos, quando se

comparou cada composição individualmente, tenderam a valores semelhantes aos

encontrados para os testes a 107°F (41,7°C) e 133°F (56,1°C). Esse aumento de

viscosidade deu-se devido ao aumento na quantidade de hidratos formados em

função do aumento de temperatura. Esse aumento não foi maior devido a melhor

adsorção do policarboxilato em torno dos grãos de cimento, caracterizando-o como

um hiperplastificante. (JOLICOEUR et al, 1997; NAWA et al, 2000)


Flank Melo de Lima

74

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Vis

cosi

da

de

plá

stic

a (

cP)

Concentração de policarboxilato (gal/pé³)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Concentração de policarboxilato (L/m³)

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Vis

cosi

da

de

plá

stic

a (

mP

a.s

)

Figura 22 – Viscosidade plástica das pastas aditivadas com policarboxilato.

Uma análise comparativa foi realizada com os valores de viscosidade

plástica das pastas aditivadas com lignossulfonato, melamina e policarboxilato

(Figura 23). Ficou claro que a aditivação do cimento Portland especial (CPP) com

lignossulfonato e melamina não é eficiente para promover reduções de viscosidade

das pastas. Enquanto que as composições formuladas com policarboxilato tiveram

reduções significativas nos valores de viscosidade plástica para todas as

temperaturas de teste.


Flank Melo de Lima

75

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Lignosulfonato Melamina Policarboxilato

Vis

cosi

da

de

plá

stic

a (

cP)

Concentração de aditivo (gal/pé³)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Vis

cosi

da

de

plá

stic

a (m

Pa

.s)

Concentração de aditivo (L/m³)

Figura 23 – Comparativo entre os valores de viscosidade plástica dos aditivos: lignossulfonato, melamina e policarboxilato.

7.1.2. Limite de escoamento

Foi observado que não houve reduções nos valores do limite de

escoamento (LE) para a maior parte das composições testadas, exceto para

concentrações superiores a 0,030 gal/pé³ (3,9 L/m³) na temperatura de 160ºF

(71,1ºC) (Figura 24). É conhecido que o poder de plastificação dos lignossulfonatos

é baixo quando comparado com outros aditivos. Por isso, ele é classificado como

plastificante de 1a geração (RIXOX et al, 1999), devido à pequena redução dos

parâmetros reológicos. Seus efeitos de fluidificação são facilmente notados quando

estes são adicionados em grandes quantidades. Porém, o excessivo retardo de

pega que esse tipo de aditivo proporciona, limita sua aplicação para maiores

dosagens.


Flank Melo de Lima

76

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

16

18

20

22

24

26

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30

32

34

36

38

40

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

lbf/

10

0p

é²)

Concentração de lignosulfonato (gal/pé³)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

Pa

)

Concentração de lignosulfonato (L/m³)

Figura 24 – Limite de escoamento das pastas aditivadas com lignossulfonato.

Os aditivos plastificantes, conhecidos na indústria do petróleo como

dispersantes, quando aplicados em situações onde a temperatura do poço alcança

160ºF (71,1ºC), devem reduzir o valor do limite de escoamento das pastas de

cimento em relação às pastas sem dispersantes. Foi notado que para menores

temperaturas, não houve reduções de LE. Quando as temperaturas de testes foram

superiores, houve pequenas reduções (Figura 25).


Flank Melo de Lima

77

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Re

duçã

o d

e lim

ite d

e e

sco

amen

to (

%)

Concentração de lignossulfonato (ga/pé³)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Concentração de lignossulfonato (L/m³)

Figura 25 – Redução percentual do limite de escoamento das pastas aditivadas com lignossulfonato.

Nas pastas aditivadas com melamina, não foi observado reduções nos

valores de limite de escoamento das pastas (Figura 26). Foi notado que sempre

houve aumento dos limites de escoamento das pastas para todas as temperaturas

de ensaio. A melamina utilizada possui um grupo aniônico SO3 em sua estrutura

molecular, que adsorve em torno das partículas positivas do cimento, quando estes

se encontram em meio aquoso (NAWA et al, 1989; PELLENQ et al, 1997). Isso

resulta em uma repulsão eletrostática entre as partículas de cimento. Foi esperado

que esse mesmo comportamento se repetisse nas pastas em estudo, induzindo uma

força dispersiva entre as partículas que provocaria um aumento na trabalhabilidade e

na fluidez das pastas (HANEHARA & YAMADA, 1999; REGOURD, 1987;

JOICOUER et al, 1994; SAKAI et al, 1995).


Flank Melo de Lima

78

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

lbf/

10

0p

é²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

13

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15

16

17

18

19

20

21

22

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

Pa

)


Figura 26 – Limite de escoamento das pastas aditivadas com melamina.

Foi notado que sempre houve reduções percentuais positivas, o que

indica um aumento nos valores do parâmetro reológico em questão (Figura 27).

Exceto para as composições com concentrações superiores a 0,030 gal/pé³ (3,9

L/m³) na temperatura de 160ºF (71,1ºC), onde foi observado uma tendência à

redução do limite de escoamento das pastas. Por meio da observação realizada, foi

percebido que para as concentrações de melamina estabelecidas no estudo não é

possível um aumento de fluidez satisfatório para as condições de aplicação das

pastas em poços de petróleo. Foi esperado que a ação dispersante da melamina

fosse superior a ação do lignossulfonato, já que a mesma juntamente com o

naftaleno sulfonato são conhecidos comercialmente como aditivos plastificantes de

2a geração (superplastificante), o que permite uma maior fluidez para o sistema cient.


Flank Melo de Lima

79

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Re

du

ção

do

lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

%)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 27– Redução percentual do limite de escoamento das pastas aditivadas com melamina.

Foi observado que sempre houve redução do limite de escoamento das

pastas aditivadas com policarboxilato, para todas as temperaturas de testes (Figura

28). Este aditivo possui grande efeito dispersivo em sistemas cimentícios. Ele é

classificado como aditivo plastificante de 3a geração ou hiperplastificante. A grande

redução nos valores de limite de escoamento deu-se por meio da influencia do

policarboxilato na hidratação das partículas de cimento (MAILVAGANAM, 1999;

JOLICOEUR, 1998). A adsorção das partículas do policarboxilato dificultou a difusão

da água e dos íons cálcio da interface cimento/solução, promovendo uma maior

manutenção da fluidez por um maior tempo. Desta maneira, o aditivo promoveu uma

significativa influencia na redução do limite de escoamento das pastas.


Flank Melo de Lima

80

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

5

10

15

20

25

30

35

40

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

lbf/1

00

pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18


Lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

Pa

)

Figura 28 – Limite de escoamento das pastas aditivadas com policarboxilato.

Foi notado que o policarboxilato foi o único aditivo a reduzir os valores

de LE para percentuais superiores a 90 % (Figura 29). Esse tipo de comportamento

não foi observado para as pastas aditivadas com lignossulfonato (Figura 24) e

melamina (Figura 26). Ficou evidenciado que para maiores temperaturas foram

necessárias maiores concentrações de policarboxilato para promover o mesmo

percentual de redução, pois, em paralelo, também houve uma aceleração do

processo de hidratação e da formação de seus respectivos produtos, que promovem

o aumento de consistência e a redução de fluidez.


Flank Melo de Lima

81

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Re

duçã

o d

o lim

ite d

e e

scoa

men

to (

%)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 29 – Redução percentual do limite de escoamento das pastas aditivadas com policarboxilato.

Foi visto que, em quase sua maioria, todos os valores de limite de

escoamento das pastas aditivadas com lignossulfonato e melamina aumentaram em

função do aumento da concentração dos aditivos para todas as temperaturas de

ensaio (Figura 30). No caso das pastas aditivadas com policarboxilato, foi visto que

todas as composições apresentaram limite de escoamento inferior as demais pastas,

com significativa redução de LE, independente da temperatura de ensaio.


Flank Melo de Lima

82

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Lignossulfonato Melamina Policarboxilato

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

lbf/

10

0p

é²)

Concentração de aditivo (gal/pé³)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

5

10

15

20

25

30

35

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to (

Pa

)

Concentração de aditivo (L/m³)

Figura 30 – Comparativo entre os valores de limites de escoamento das pastas aditivadas com lignossulfonato, melamina e policarboxilato.

7.1.3. Gel inicial

Foi observado que não houve variações significativas nos valores de

gel inicial com ao aumento da concentração de lignossulfonato nas pastas de

cimento (Figura 31). Ocorreu um pequeno aumento nos valores, em função da

temperatura, quando foi observada cada composição individualmente. Os valore de

gel inicial tenderam a aumentar até 133ºF (56,1ºC) e a reduzir para a temperatura de

160ºF (71,1ºC).


Flank Melo de Lima

83

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

5

10

15

20

25

30

35

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Ge

l in

icia

l (lb

f/10

0p

é²)

Concentração de lignossulfonato (gal/pé³)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Ge

l in

icia

l (P

a)


Figura 31 – Gel inicial das pastas aditivadas com lignossulfonato.

Na Figura 31 encontra-se representado a variação percentual do gel

inicial das pastas aditivadas com lignossulfonato. Como o tempo de repouso entre o

estado de cisalhamento e o início novamente do estado de cisalhamento foi muito

curto (Período 1 de repouso – 10 s), não foi possível a formação de interações entre

os componentes da pasta de cimento para promover valores maiores de géis iniciais

(Figura 18). Por outro lado, foi observado que nenhuma concentração de

lignossulfonato promoveu redução de géis superior ao limite mínimo.


Flank Melo de Lima

84

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Re

du

ção

de

ge

l in

icia

l (%

)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 31 – Redução percentual do gel inicial das pastas aditivadas com lignossulfonato.

Para todas as temperaturas de ensaio, o aumento na concentração do

aditivo promoveu um pequeno aumento nos valores de gel (Figura 32). Porém,

esses aumentos não foram tão significativos. Apesar do aditivo possuir grupos SO3,

que interagem com as fases do cimento, principalmente com aluminato tricálcico

(3CaO.Al2O3 – C3A) e o ferro aluminato tetracálcico (4CaO.Al2O3. Fe2O3 – C4AF),

essa interação ocasionou uma pequena formação de estruturas entre as fases e/ou

partículas no intervalo sem cisalhamento durante o ensaio.


Flank Melo de Lima

85

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

5

10

15

20

25

30

35 80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Ge

l in

icia

l (lb

f/10

0p

é²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Ge

l in

icia

l (P

a)


Figura 32 – Gel inicial das pastas aditivadas com melamina.

Foi observado que a aditivação das pastas de cimento com melamina

não reduziram os valores de gel inicial (Figura 33). Foi notado que para todas as

composições testadas nas diferentes temperaturas houve uma redução negativa dos

valores de gel inicial, o que significa que os valores medidos foram aumentando em

função da concentração de melamina devido à interação entre o aditivo e as

partículas de cimento, como foi explicado anteriormente.


Flank Melo de Lima

86

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Re

du

ção

de

ge

l in

icia

l (%

)


80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 33 - Redução percentual do gel inicial das pastas aditivadas com melamina.

As pastas aditivadas com policarboxilato apresentaram comportamento

distinto daqueles observados com as pastas contendo lignossulfonato e melamina.

Foi observado que para todas as temperaturas de teste houve redução nos valores

de gel inicial para as diferentes composições de pastas (Figura 34). Quando a

concentração de policarboxilato foi aumento, a diferença entre os valores de gel, em

diferentes temperaturas e para uma mesma composição, foi reduzida. Ficou claro

que o policarboxilato, por apresentar cadeias laterais longas, ocasionou um maior

efeito repulsivo entre as partículas de cimento, evitando a formação de interações

entre as partículas de cimento.


Flank Melo de Lima

87

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Ge

l in

icia

l (lb

f/1

00

pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Concentraçãop de policarboxilato (L/m³)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Ge

l in

icia

l (P

a)

Figura 34 – Gel inicial das pastas aditivadas com policarboxilato.

Foi notado que o policarboxilato promoveu uma redução no valor de

gel inicial medido, para todas as temperaturas de ensaio (Figura 35). Porém, para

temperaturas mais baixas, menores concentrações de policarboxilato foram

necessárias para atingir o mesmo percentual de redução. A 80°F (26,7°C) foi

necessário apenas 0,010 gal/pé³ (1,3 L/m³) para redução do gel ao limite mínimo,

enquanto que a 160°F (71,1°C), foi necessária uma concentração de

0,040 gal/pé³ (5,2 L/m³). Esse tipo de comportamento demonstra que a temperatura

é um fator atuante na formação de interações entre as partículas de cimento. Mesmo

com a temperatura atuando como fator competitivo à dispersão do policarboxilato, foi

possível para determinadas concentrações, em estado de cisalhamento zero, evitar

a formação de interações entre as partículas, o que ocasionaria na formação de uma

força resistiva e, conseqüentemente, formação do estado gel durante o repouso.


Flank Melo de Lima

88

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

-40

-20

0

20

40

60

80

100

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Re

du

ção

de

ge

l in

icia

l (%

)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 35 - Redução percentual do gel inicial das pastas aditivadas com policarboxilato.

7.1.4. Gel final

Foi possível observar que nas temperaturas entre 80ºF (26,1ºC) e

133ºF (56,1ºC), os valores de gel final praticamente não foram alterados em função

do aumento da concentração de lignossulfonato presente nas pastas (Figura 36). Já

para temperatura de 160ºF (71,1ºC), houve a geração de uma estrutura

tridimensional, denominada gel, suportada por ligações iônicas e ligações de

hidrogênio, que foram responsáveis pela elevação da viscosidade do fluido

tixotrópico, durante o período de repouso 2 – 10 min (ver Figura 18). Essa estrutura

foi facilmente rompida com o aumento da concentração do aditivo, uma vez que

estas ligações atrativas são fracas (MACHADO, 2002).


Flank Melo de Lima

89

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Ge

l fin

al (

lbf/

10

0p

é²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22


Ge

l fin

al (

Pa

)

Figura 36 – Gel final das pastas aditivadas com lignossulfonato.

Foi observado que nas temperaturas entre 80ºF (26,1ºC) e

133ºF (56,1ºC), os valores de gel final não sofreram alterações (Figura 37). Para a

temperatura de 160ºF (71,1ºC), houve um aumento significativo nos valores do gel

para concentrações superiores a 0,020 gal/pé³ (2,3 L/m³). A melamina ao ser

misturada na pasta de cimento pode permanecer livre ou se adsorver nas partículas

de cimento (RAMACHANDRAN & FELDMAN, 1984). A adsorção da melamina no

C3A ocorre em grande quantidade em poucos segundos, retardando a hidratação do

mesmo (RAMACHANDRAN et al, 1998). Na temperatura estudada, a concentração

do aditivo provavelmente promoveu uma alteração do potencial iônico no meio,

ocasionando um enrijecimento da estrutura tridimensional formada entre ele e as

partículas de cimento, principalmente o C3A e o C4AF. A quantidade dessas fases

em cimento Portland especial (CPP) chega a ser superior a 50 % em relação a

cimentos tipo CP II Z 32 RS, utilizados na construção civil. Dessa forma, existe uma

grande adsorção de melamina nas fases citadas, restando menores quantidades do

aditivo para criarem o efeito repulsivo nas partículas de C3S e C2S. Por isso, foi

notada a tendência a gelificação das pastas de cimento.


Flank Melo de Lima

90

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,05010

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Ge

l fin

al (

lbf/1

00

pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Ge

l fin

al (

Pa

)


Figura 37 – Gel final das pastas aditivadas com melamina.

Foi notado um comportamento distinto dos valores de gel final das

pastas aditivadas com policarboxilato em relação àquelas formuladas com

lignossulfonato e melamina (Figura 38). Para todas as composições testadas nas

diferentes temperaturas, houve redução nos valores do gel final. O alto poder

dispersante do policarboxilato, promovido pelo efeito de impedimento estérico,

interferiu nas interações interpartículas no tempo em que as pastas permaneceram

em repouso. Foi notado, também, que não houve formação do estado gel, com

manutenção do estado sol em condição estática, caracterizando a tixotropia como

um fenômeno ausente para esse tipo de sistema. Isso significou que as pastas

puderam permanecer maiores tempos em repouso sem alteração nos seus

respectivos valores de viscosidade.


Flank Melo de Lima

91

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

5

10

15

20

25

30

35

40

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Ge

l fin

al (

lbf/

10

0p

é²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Ge

l fin

al (

Pa

)


Figura 38 – Gel final das pastas aditivadas com policarboxilato.


DE OSTWALD DE WAALE (MODELO DE POTÊNCIA)

7.2.1. Índice de comportamento

O índice de comportamento (n), também conhecido como índice de

fluxo é uma grandeza adimensional. Ele indica fisicamente o afastamento do fluido

do modelo Newtoniano (Figura 39). Foi observado que, para todas as pastas, o

índice de comportamento situou-se numa faixa de valores maiores do que zero e

menores do que um, caracterizando que todas as composições comportaram-se

como fluidos pseudoplásticos. Com o aumento da concentração de lignossulfonato

houve um maior afastamento das pastas do comportamento de um fluído

Newtoniano.


Flank Melo de Lima

92

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,25

0,26

0,27

0,28

0,29

0,30

0,31

0,32

0,33

0,34

1,0

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índi

ce d

e c

om

port

am

ent

o


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 39 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com lignossulfonato segundo o modelo de Ostwald de Waale.

Um comportamento semelhante às pastas aditivadas com

lignossulfonato foi observado para as pastas aditivadas com melamina, que sempre

houve afastamento do comportamento Newtoniano com o aumento da concentração

de melamina (Figura 40). Para maiores temperaturas, houve uma pequena

tendência de aumento nos valores do índice de comportamento para as

composições com concentrações superiores a 0,020 gal/pé³ (2,6 L/m³), nas

temperaturas de 133ºF (56,1º) e 160ºF (71,1ºC).


Flank Melo de Lima

93

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

0,24

0,26

0,28

0,30

0,32

1,0

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

mp

ort

am

en

to -

n


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 40 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com melamina segundo o modelo de Ostwald de Waale.

Pastas de cimento são sistemas que possuem descrições peculiares

de seus comportamentos reológicos, devido às mudanças físico-químicas

provocadas por diversos fatores, tais como: aditivos modificadores de viscosidade,

temperatura, tipo de cimento e etc. Já foi visto anteriormente que o policarboxilato

possui alto poder dispersivo nas formulações do estudo, aumentando de forma

significativa a fluidez das pastas. Foi notado que com o aumento da concentração do

referido aditivo, os valores de n tenderam a se aproximarem de 1 (um) (Figura 41).

Esse tipo de comportamento é um indicativo da ocorrência de mudanças nas

propriedades reológicas das pastas, de forma que estas apresentaram

comportamentos de fluxo semelhantes à de um fluido de Newton. Essa aproximação

foi influenciada pela temperatura de teste: quanto maior foi a temperatura, maior foi o

afastamento das pastas do fluido do modelo Newtoniano.


Flank Melo de Lima

94

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

mp

ort

am

en

to -

n


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Figura 41– Índice de comportamento das pastas aditivadas com policarboxilato segundo o modelo de Ostwald de Waale.

7.2.2. Índice de consistência

Os valores de índice de consistência (K), obtidos pelo modelo de

potência, das pastas aditivadas com lignossulfonato (Figura 42). Para todas as

concentrações estudas entre as temperaturas de 80ºF (26,1º) e 133ºF (56,1ºC),

houve um aumento nos valores dos índices de consistências. Esse parâmetro

reológico, como o próprio nome diz, é um indicativo do grau de resistência do fluido

diante do escoamento. Desta maneira, como houve aumento nos valores de K, mais

“consistentes” as pastas tornaram-se, comprovando que a presença do aditivo não

promoveu redução de viscosidade, como era esperado. Exceto para a temperatura

de 160ºF (71,1°C), onde foi observado que concentrações superiores a 0,035 gal/pé³

(3,9 L/m³), ocorreu redução de consistência devido ao efeito sinérgico promovido

entre a temperatura e a concentração de aditivo utilizada. É possível que maiores


Flank Melo de Lima

95

concentrações de lignossulfonato (>0,045 gal/pé³ ou 5,85 L/m³) possam atuar de

forma a aumentar a fluidez das pastas de cimento.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,0400

0,0500

0,0600

0,0700

0,0800

0,0900

0,1000

0,1100

0,1200

0,1300

0,1400

0,1500

0,1600

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

lbf.s

n /pé

2)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

Índ

ice

de

co

mp

ort

am

en

to (

Pa

.sn )


Figura 42 – Índice de consistência das pastas aditivadas com lignossulfonato segundo o modelo de Ostwald de Waale.

Foi observado que houve aumento no índice de consistência das

pastas em função do aumento da concentração de melamina, de forma semelhante

às pastas formuladas com lignossulfonato, mesmo com aumento da temperatura de

ensaio (Figura 43).

A melamina e o lignossulfonato atuam principalmente por repulsão

eletrostática, isto é, eles são atraídos e adsorvidos pela superfície carregada das

partículas de cimento, conferindo-lhe a mesma carga e, portanto, provocando

repulsão e conseqüente dispersão da mistura (AÏTCIN, 1998). O efeito desse

fenômeno é o aumento da fluidez e a conseqüente redução de viscosidade. Com o

decorrer do processo de hidratação do cimento, tanto a melamina quanto o

lignossulfonato foram “aprisionados” pelos produtos hidratados que precipitaram e

assim, foram perdendo seus respectivos efeitos. O aumento da temperatura


Flank Melo de Lima

96

favoreceu a elevação da taxa de hidratação do cimento, acelerando esse processo,

e atuando de forma competitiva com a ação dispersante dos aditivos. Assim, as

pastas foram gradualmente floculando, provocando a diminuição da fluidez das

mesmas.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,0000

0,0200

0,0400

0,0600

0,0800

0,1000

0,1200

0,1400

0,1600

0,1800

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

lbf.

sn /pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

1

2

3

4

5

6

7

8


Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

Pa

.sn )

Figura 43 – Índice de consistência das pastas aditivadas com melamina segundo o modelo de Ostwald de Waale.

Foi observado que o aditivo promoveu redução do índice K para todas

as concentrações e temperaturas estudadas (Figura 44). Foi visto, também, que o

aumento da temperatura favoreceu um pequeno aumento de consistência, quando

se observou a variação desta para uma mesma concentração de policarboxilato.

Porém, a diferença nos valores de K de uma mesma composição à diferentes

temperaturas foi reduzida à medida que a concentração do aditivo cresceu. Essa

redução se deu, pois o policarboxilato atuou, também, por repulsão eletrostática.

Porém, este não foi o seu principal mecanismo de ação. Além de ter agido por

repulsão eletrostática, a dispersão das partículas de cimento, responsável pelo

aumento da fluidez, foi influenciada pelo efeito conhecido como repulsão estérica,


Flank Melo de Lima

97

que foi produzido pela presença das longas cadeias laterais ligadas em vários

pontos na cadeia central do policarboxilato (GETTU & RONCERO, 1998). Essa

"arquitetura" produziu um forte efeito dispersante, pois o impedimento do

entrelaçamento das cadeias de diferentes moléculas de aditivos criou uma capa de

adsorção de grande volume que impediu a aproximação das partículas de cimento.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,0000

0,0200

0,0400

0,0600

0,0800

0,1000

0,1200

0,1400

0,1600

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

lbf.

sn /ft²

)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

1

2

3

4

5

6

7


Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

Pa.

sn )

Figura 44 – Índice de consistência das pastas aditivadas com policarboxilato segundo o modelo de Ostwald de Waale.


DE HERSCHELL-BUCKLEY

7.3.1. Limite de escoamento real

Em geral, as pastas de cimento em repouso podem formar uma rede

estruturada interpartículas ou intermoléculas, devido às forças de atração polares


Flank Melo de Lima

98

e/ou forças de Van der Waals. Quando uma força externa aplicada sobre o sistema é

menor que a força equivalente que forma a rede, então ocorre apenas uma

deformação elástica no sistema. Somente quando uma força externa for maior que a

força da rede é que esta se desfaz. A tensão que ultrapassa esse ponto é

denominada de “limite de escoamento real”.

Durante a realização do ensaio de reologia foram utilizadas baixas

taxas de cisalhamento no final do loop de histerese (ver item 5.9). Como o limite de

escoamento real ( 0) é obtido por extrapolação, por meio do gráfico de x em

coordenadas cartesianas, este parâmetro reológico torna-se numericamente igual ao

limite de escoamento segundo o modelo de Bingham. Portanto, todas as discussões

das Figuras 45, 46 e 47 são exatamente as mesmas das Figuras 24 a 30, pois

ambas tratam do mesmo significado físico.

.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)L

imite

de

esc

oa

me

nto

re

al (

lbf/

10

0p

é²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

11

12

13

14

15

16

17

18

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to r

ea

l (P

a)


Figura 45 – Limite de escoamento real das pastas aditivadas com lignossulfonato.


Flank Melo de Lima

99

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to r

ea

l (lb

f/1

00

pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to r

ea

l (P

a)


Figura 46 – Limite de escoamento real das pastas aditivadas com melamina.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500

5

10

15

20

25

30

35

40

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Lim

ite d

e e

sco

am

en

to r

ea

l (lb

f/1

00

pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9L

imite

de

esc

oa

me

nto

re

al (

Pa

)


Figura 47 – Limite de escoamento real das pastas aditivadas com policarboxilato.


Flank Melo de Lima

100

7.3.2. Índice de comportamento

A utilização do modelo reológico de Herschell-Buckley forneceu valores

de índice de comportamento inferiores a um e superiores a zero para as

composições entre 0,015 e 0,030 gal/pé³ (L/m³). Em sua maioria, as pastas

apresentaram comportamento tal como fluidos pseudoplásticos (Figura 48).

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

mp

ort

am

en

to


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 48 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com lignossulfonato segundo o modelo de Herschell-Buckley.

Foi observado nas pastas aditivadas com melamina, que os valores de

índice de comportamento encontrados, situaram-se próximos a um, quando os

testes foram realizados entre 80ºF (26,1ºC) e 133ºF (56,1ºC) (Figura 49). Mas, a

maior parte dos valores dos índices de comportamento situou-se inferior a um.

Assim, as pastas possuem um caráter predominantemente pseudoplástico, ou seja,

as mesmas apresentaram um decréscimo acentuado de viscosidade quando a taxa

de cisalhamento foi aumentando.


Flank Melo de Lima

101

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,5000

0,6000

0,7000

0,8000

0,9000

1,0000

1,1000

1,2000

1,3000

1,4000

1,5000

1,6000

1,7000

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

mp

ort

am

en

to


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 49 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com melamina segundo o modelo de Herschell-Buckley.

Por meio da análise da referida figura, foi observado um

comportamento oscilatório, em torno de um, para todas as temperaturas de teste

(Figura 50). Desta maneira, não foi possível definir que tipo de comportamento as

pastas aditivadas com policarboxilato possuíram. Parte delas apresentou

comportamento pseudoplástico, enquanto outra parte apresentou um

comportamento característico de fluidos dilatantes, cujo n>1.


Flank Melo de Lima

102

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

0,8500

0,9000

0,9500

1,0000

1,0500

1,1000

1,1500

1,2000

1,2500

1,3000

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

com

prta

men

to -

n


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 50 – Índice de comportamento das pastas aditivadas com policarboxilato segundo o modelo de Herschell-Buckley.

7.3.3. Índice de consistência

Foi possível observar a que a aditivação das pastas de cimento com

lignossulfonato não promoveu alterações significativas nos valores de índice de

consistência medidos (Figura 51). Exceto para as pastas com concentrações

superiores a 0,030 gal/pé³ (3,9 L/m³), na temperatura de 160ºF (71,1ºC), onde foi

visto que houve aumento nos valores de K, devido à influência da temperatura na

redução da viscosidade dos sistemas cimentícios.

Durante a realização dos ensaios, na preparação das pastas de

cimento, o aditivo foi adicionado à água de mistura. Desta maneira, o cimento teve

contato direto com o lignossulfonato, durante o procedimento de mistura. É

conhecido que o modo de adição do plastificante pode alterar algumas propriedades

de sistemas cimento+água nos momentos seguintes à mistura (DODSON, 1990). A

adição do plastificante após alguns minutos da mistura do cimento com a água tende


Flank Melo de Lima

103

a aumentar a fluidez inicial e a capacidade de manutenção desta fluidez em relação

à adição imediata juntamente com a água (COLLEPARDI et al, 1999). Foi notado

que as concentrações de lignossulfonato utilizadas foram insuficientes para

promover aumento de fluidez nas pastas de cimento. Portanto, maiores

concentrações de lignossulfonato podem potencializar a capacidade das moléculas

do aditivo de serem adsorvidas pelo cimento anidro ou pelos compostos hidratados

no estágio inicial de hidratação (COLEPARDI et al, 1981), reduzindo a consistência

das pastas.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0,0060

0,0070

0,0080

0,0090

0,0100

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

lbf.s

n /pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0,3000

0,3500

0,4000

0,4500

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

Pa

.sn )


Figura 51– Índice de consistência das pastas aditivadas com lignossulfonato segundo o modelo de Herschell-Buckley.

A aditivação das pastas de cimento com melamina não alterou de

forma significativa seus respectivos índices de consistência (Figura 52). O aumento

da temperatura de ensaio não reduziu consideravelmente a fluidez de pastas

aditivadas, devido à aceleração das reações de hidratação do cimento. De forma

semelhante ao observado com as pastas aditivadas com lignossulfonato, as pastas

com melamina mantiveram os valores de K praticamente constantes. Mais uma vez,

foi notado facilmente que a adição da melamina juntamente com a água causou


Flank Melo de Lima

104

aprisionamento das moléculas do polímero no sistema C3A –gipso, deixando apenas

uma pequena quantidade para dispersar o C3S e o C2S. Conseqüentemente a

adsorção da melamina na superfície pré-hidratada do cimento foi

reduzida (COLLEPARDI et al, 1999). Maiores concentrações desse aditivo podem

promover um melhor efeito dispersivo para o tipo de cimento utilizado, nas condições

em que foram realizados os testes reológicos.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

lbf.s

n /pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

Pa

.sn )


Figura 52 – Índice de consistência das pastas aditivadas com melamina segundo o modelo de Herschell-Buckley.

Foi observado redução dos índices de consistência das pastas em

função do aumento de policarboxilato. Essa redução é um indicativo da diminuição

do grau de resistência das pastas diante do escoamento e esta foi mais acentuada

para maiores temperaturas (Figura 53).

O processo de preparação e mistura das pastas com policarboxilato foi

realizado da mesma maneira como foi procedido com as pastas aditivadas com

lignossulfonato e melamina. Já é conhecido que o modo de adição do policarboxilato

tem menos impacto sobre a fluidez da pasta, devido ao efeito de repulsão estérica e


Flank Melo de Lima

105

ao maior tamanho das moléculas desses aditivos (COLLEPARDI et al, 1999).

Portanto, mesmo quando ocorreu a precipitação dos primeiros produtos de

hidratação nas pastas, estas conseguiram garantir a dispersão do sistema.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,0000

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,0010

0,0012

0,0014

0,0016

0,0018

0,0020

0,0022

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

lbf.s

n /pé

²)


0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


0,0000

0,0100

0,0200

0,0300

0,0400

0,0500

0,0600

0,0700

0,0800

0,0900

0,1000

0,1100

Índ

ice

de

co

nsi

stê

nci

a (

Pa

.sn )

Figura 53 – Índice de consistência das pastas aditivadas com carboxilato segundo o modelo de Herschell-Buckley.

7.4. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE OS MODELOS REOLÓGICOS DE

BINGHAM, OSTWALD DE WAALE E HERSCHELL-BUCKLEY.

7.4.1. Índice de correlação dos modelos reológicos

Os parâmetros reológicos das pastas analisadas dependeram

significativamente do tipo de aditivo, da concentração do aditivo e da temperatura de

ensaio. Em função destas variáveis, foi necessário avaliar que tipo de modelo


Flank Melo de Lima

106

reológico foi capaz de descrever de maneira satisfatória, o comportamento reológico

das diferentes pastas de cimento.

Nas Figuras 54, 55 e 56 encontram-se representados os valores dos

índices de correlação (R²) das pastas aditivadas com lignossulfonato, melamina e

policarboxilato, respectivamente. Em cada figura encontra-se ilustrado as variações

de R² obtidas dos modelos reológicos de Bingham, Ostwald de Waale e Herschell-

Buckley.

Considerando que valores de R² quanto mais próximos de um, melhor

é a descrição do comportamento reológico da pasta por aquele determinado modelo,

foi escolhido o modelo de Ostwald de Waale (modelo de potência) como o modelo

que melhor descreveu o comportamento reológico das pastas de cimento com

adição de lignossulfonato. Os outros modelos estudados apresentaram valores de R²

mais afastados de um, como se pode observar na Figura 54.

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

0,90

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00


R²

- H

ersc

hell-

Buc

kley

0,90

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

R²

- O

stw

ald

de W

aale

0,90

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

R²

- B

ingh

am

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 54 – Índices de correlação das pastas aditivadas com lignossulfonato.


Flank Melo de Lima

107

Com base na observação dos valores de R², representados na Figura

55, também foi escolhido o modelo de potência como o modelo reológico que melhor

descreveu o comportamento das pastas de cimento aditivadas com melamina, para

todas as concentrações utilizadas. Os valores dos coeficientes de correlação

calculados para os modelos de Bingham e Herschell-Buckley apresentaram

afastamentos de seus respectivos valores superiores ao modelo de potência. Estes

últimos modelos apresentaram boa descrição do comportamento das pastas, apenas

para as temperaturas mais baixas.

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00


R²

- H

ersc

hell-

Buc

kley

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

R²

- O

stw

ald

de W

aale

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

R²

- B

ingh

am

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 55 – Índices de correlação das pastas aditivadas com melamina.

Foi observado altos valores de correlação para o modelo de Bingham

para a faixa de composição entre 0,000 e 0,015 gal/pé³ (de 0,0 a 1,95 L/m³) de

policarboxilato, à medida que a temperatura foi elevada (Figura 56). A partir desta


Flank Melo de Lima

108

concentração, foi notado que o modelo de Bingham, juntamente com o modelo e

Herschell-Buckley, foram os modelos que melhor descreveram o comportamento

reológico das pastas de cimento. Para concentrações inferiores a 0,015 gal/pé³

(1,95 L/m³), o modelo de potência foi o que melhor forneceu coeficientes de

correlação mais próximos de um.

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00


R²

- H

ersc

hell-

Buc

kley

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

R²

- O

stw

ald

de W

aale

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

80°F (26,7°C) 107°F (41,7°C) 133°F (56,1°C) 160°F (71,1°C)

R²

- B

ingh

am

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Figura 56 - Índices de correlação das pastas aditivadas com policarboxilato.

Conclusões

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109

8. CONCLUSÕES

Foi observado que a aditivação de pastas de cimento com

plastificantes, em função do tipo de cimento, altera o comportamento reológico das

mesmas. Contudo, para as composições, tipo de cimento e condições utilizadas nos

ensaios foi observado que o lignossulfonato e a melamina não se apresentaram

eficientes na redução da viscosidade das pastas. Pelos resultados obtidos, foi

notado que:

A presença dos mesmos não reduziram a fluidez do sistema, para as

concentrações estudadas;

Foi notado que a temperatura foi um fator de grande influência no

comportamento reológico das pastas, promovendo uma aceleração do

processo de hidratação do cimento com um conseqüente aumento de

viscosidade;

A utilização do policarboxilato mostrou-se eficaz para as condições de teste.

Este aditivo promoveu o aumento da fluidez, redução da viscosidade plástica

e limite de escoamento e diminuição da consistência das pastas, para todas

as temperaturas de ensaio;

Os modelos reológicos de Bingham, Ostwald de Waale e Herschell-Buckley

puderam descrever uma certa composição de pastas, em determinada

condição, para um determinado aditivo. Porém, um único modelo não foi

suficiente para descrever qualquer sistema de pasta.

Assumindo que os maiores valores do coeficiente de correlação são

fundamentais na escolha do melhor modelo reológico, foi observado que:

O modelo de Bingham descreveu bem o comportamento reológico das

pastas com policarboxilato para concentrações superiores a

0,010 gal/pé³ (1,3 L/m³);

Conclusões

Flank Melo de Lima

110

O modelo de Ostwald de Waale descreveu bem o comportamento reológico

das pastas com lignossulfonato para todas as concentrações, em todas as

temperaturas de teste; descreveu bem o comportamento reológico das

pastas com melamina para todas as concentrações, em todas as

temperaturas de teste; descreveu bem o comportamento reológico das

pastas aditivadas com policarboxilato em concentrações inferiores a 0,015

gal/pé³ (1,95 L/m³).

O modelo de Herschell-Buckley descreveu bem o comportamento reológico

das pastas com policarboxilato nas concentrações superiores a

0,010 gal/pé³ (1,3 L/m³);

Desta maneira, foi concluído que é importante a escolha do melhor

modelo para descrição do comportamento reológico de um sistema de pasta de

cimento com aditivos plastificantes, para melhor descrição do escoamento das

pastas, para prever de forma mais realística as condições de mistura e bombeio

destas em operações de campo, já que o comportamento reológico é influenciado

por diversos fatores.

Referências

Flank Melo de Lima

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Glossário

Flank Melo de Lima

121

GLOSSÁRIO

Os termos e definições listados abaixo são relevantes para a compreensão,

discussão e determinação dos diversos parâmetros utilizados ao longo desse

documento e na industria do petróleo.

A

Aditivo - É um material que não seja cimento ou água e que é adicionado durante a

preparação de uma pasta de cimento ou durante a manufatura do cimento com o

objetivo de melhorar suas propriedades;

Água – É a água doce e/ou do mar isenta de quaisquer aditivos;

Água de Hidratação – A água quimicamente combinada com um sólido para formar

um composto cristalino. Nas pastas de cimento, é a água necessária parta hidratar a

pasta de cimento, formando materiais cimentantes;

Água de Mistura – É o fluido composto pela água base e aditivos sólidos e/ou

líquidos nela dissolvidos;

Alita – Denominação dada ao Silicato tricálcico formado na fabricação do cimento;

Anular, Espaço Anular – Espaço que cerca a tubulação no poço. A parede exterior

do espaço anular pode ser a formação ou revestimento;

API – American Petroleum Institute (Instituto Americano de Petróleo);

B

Glossário

Flank Melo de Lima

122

Bainha de cimento – Região cimentada entre o revestimento do poço e a parede da

formação;

Belita - Denominação dada ao Silicato bicálcico formado na fabricação do cimento;

Bombeabilidade – São os pares de pontos relacionando unidades Bearden e

percentuais do tempo de espessamento;

C

Cimentação de Revestimento – Prática de preencher o espaço anular entre o

revestimento e as paredes do poço com cimento;

Cimentação, Operação de - Operação na qual 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 altura pré-

determinada acima do fundo do poço. Esta operação tem dentre outras finalidades

fixar o revestimento a excluir água e outros fluidos indesejáveis do espaço anular;

Clinquerização – Denominação dada ao processo de formação do clínquer na

fabricação de cimento;

Composição potencial Bogue – Composição do clínquer arrefecido, igual à

composição de um estado de equilíbrio total entre os componentes cristalizados

como se estivessem à temperatura de clinquerização;

Concentração de Aditivo – É a concentração expressa em percentagem de peso em

relação ao cimento (aditivo sólido) ou em galões de aditivo por pé cúbico de cimento

(aditivo líquido). A concentração do sal NaCl é exceção, sendo expressa em peso do

sal por peso de água doce;

Controlador de filtrado – Aditivo utilizado para prevenir e/ou reduzir a fração de

líquido em uma pasta de cimento, quando esta é submetida a uma filtração.

Correção, Operação de – Operações constituídas de canhoneio do revestimento e

compressão do cimento em intervalos com cimentação deficiente;

Glossário

Flank Melo de Lima

123

Cura – Envelhecimento ou maturação de cimentos sob condições especificas.

Envelhecimento a pressão atmosférica: o envelhecimento de espécimes de cimento

para propósitos de testes à pressão atmosférica normal, apara um período

designado de tempo sob certas condições pré-definidas de temperatura e umidade,

conforme descrito pela API Spec 10B;

Curva de Fluxo – Representação gráfica da variação da tensão de cisalhamento em

função da taxa de cisalhamento;

Curva de Viscosidade – representação gráfica da variação da viscosidade em função

da taxa de cisalhamento.

F

Fator Água de Mistura (FAM) – ou simplesmente água de mistura. É o volume total

de água doce e/ou do mar e os demais aditivos nelas dissolvidos e/ou disperso por

cada pé cúbico de cimento, expresso em galões por pé cúbico de cimento;

Fator Água-Cimento (FAC) – É a relação peso, entre água doce e/ou do mar e

cimento, sendo expressa em termos percentuais;

Filtrado – Fração líquida que pode ser filtrada.em uma pasta de cimento.

Formação – Denominação dada a determinada camada geológica.

G

Gel Final (Gf) – É um indicativo da dificuldade que um fluido apresenta para reiniciar

o movimento após parada de dez minutos, em teste de laboratório;

Gel Inicial (Gi) – É um indicativo da dificuldade que um fluido apresenta para reiniciar

o movimento após parada de dez segundos, em teste de laboratório;

Glossário

Flank Melo de Lima

124

I

Índice de Comportamento (n) – Expressa o afastamento do reograma ( versus ) do

fluido em relação a um fluido newtoniano (n = 1). Os fluidos com índice de

comportamento menor que 1 são ditos pseudoplásticos, enquanto os que

apresentam valores maiores do que 1 são chamados dilatantes;

Índice de Consistência (k) – É a resistência que o fluido oferece ao escoamento

como conseqüência primeira do atrito entre as lâminas que constituem a massa

fluida;

L

Limite de Escoamento (LE) – É a tensão mínima a ser aplicada a fim de que o fluido

entre em movimento. Matematicamente, é o coeficiente linear da reta do modelo de

Bingham;

Liofobia – Aversão à óleo;

M

Mistura Seca – É a mistura homogênea de cimento com quaisquer componentes

sólidos;

Modelo de Bingham – O modelo assume uma relação linear entre a tensão de

cisalhamento e a taxa de deformação. É caracterizado por dois parâmetros: limite de

escoamento e viscosidade plástica;

Glossário

Flank Melo de Lima

125

Modelo de Potência – O modelo assume uma relação linear entre o logaritmo da

tensão de cisalhamento e o logaritmo da taxa de deformação. É caracterizado por

dois parâmetros: índice de consistência (k) e índice de comportamento (n).

P

Pasta de Cimento – ou simplesmente pasta. É a mistura de cimento, água doce e/ou

do mar e aditivos, com a finalidade de obtenção de propriedades físicas e/ou

químicas, destinada à operação de cimentação em poços petrolíferos;

Pega – É período compreendido entre o aumento brusco da consistência da pasta e

a cessão do caráter deformável da pasta para pequenas cargas (bloco rígido);

Plastificante – aditivos utilizados em concretos para reduzir a quantidade de água,

promovendo manutenção de fluidez.

Portlandita – Denominação dada ao hidróxido de cálcio formado na hidratação do

cimento.

R

Reboco – película ou recobrimento formado pelo fluído de perfuração nas paredes

do poço, cujo objetivo é evitar filtração de fluídos para a rocha e contribuir com a

sustentação das paredes do poço. O reboco também denomina a película formada

pelo cimento contra as paredes do poço, durante a operação de cimentação;

Revestimento – Tubo constituído de aço especial, materiais compósitos ou outros

materiais, utilizado para revestir e proteger as paredes do poço;

T

Glossário

Flank Melo de Lima

126

Taxa de Deformação ( ) – Expressa a variação de velocidades da pasta no espaço

compreendido entre o rotor e o bob do viscosímetro;

Tempo de Bombeabilidade (TB) – É o tempo requerido para que a pasta de cimento

atinja 50 Uc nas condições de ensaio;

Tempo de Bombeamento – Sinônimo de tempo de cimentação, exceto nos casos

onde um volume de pasta de cimento é misturado previamente para deslocamento

de um poço. Nesta circunstância, o tempo de bombeabilidade será o tempo de

cimentação total menos o tempo necessário para misturar a pasta;

Tempo de Espessamento (TE) – É o período de tempo requerido para que a pasta

de cimento, com uma dada composição, atinja 100Uc nas condições de ensaio ou

sob uma dada condição de poço;

Tensão de Cisalhamento ( ) – É a tensão gerada pela resistência ao escoamento de

um fluido relativo a um dado gradiente de velocidade.

Tixotropia – é um comportamento que tem como principal característica à redução

da viscosidade após um determinado tempo em cisalhamento constante.

U

Unidade Bearden (Uc) – Número adimensional que representa a resistência

oferecida pela pasta de cimento ao movimento das palhetas do consistômetro

pressurizado, medido pelo grau de deflexão da mola do potenciômetro desse

aparelho, através de torques equivalentes.

V

Viscosidade Plástica (VP) – É a constante de proporcionalidade entre a tensão de

cisalhamento e a taxa de deformação para tensões superiores ao limite de

Glossário

Flank Melo de Lima

127

escoamento.Matematicamente, é o coeficiente angular da reta do modelo de

Bingham;

Z

Zona de Interesse ou Formação de Interesse – A formação que contém óleo ou gás

em quantidade comercial.

Anexos

Flank Melo de Lima

128

ANEXOS

A seguir encontram-se as tabelas-resumo com os resultados dos parâmetros

reológicos medidos durante a realização dos ensaios de reologia com as pastas

aditivadas com lignossulfonato, melamina e policarboxilato.

Anexos

Flank Melo de Lima

129

Modelo reológico

Bingham Ostwald de Waale Herschell-Buckley

Pla

stif

ican

te

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura

Gi Gf VP LE R² n K R² n K 0 R²

(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 26,7 80 15 14 46,49 28,88 0,9903 0,3072 0,1051 0,9926 1,0215 0,0009 28,88 0,9873

0,65 0,005 26,7 80 16 15 46,84 33,17 0,9895 0,2930 0,1239 0,9967 1,0317 0,0009 33,17 0,9848

1,30 0,010 26,7 80 17 17 47,92 37,05 0,9736 0,2810 0,1427 0,9964 0,9984 0,0011 37,05 0,9874

1.95 0,015 26,7 80 17 17 46,72 34,36 0,9787 0,2872 0,1304 0,9961 0,8753 0,0021 34,36 0,9960

2,60 0,020 26,7 80 18 18 45,30 31,75 0,9852 0,2899 0,1207 0,9942 0,9733 0,0012 31,75 0,9900

3,25 0,025 26,7 80 18 18 45,17 32,91 0,9856 0,2815 0,1288 0,9927 0,9414 0,0014 32,91 0,9954

3,90 0,030 26,7 80 18 18 45,04 34,14 0,9849 0,2741 0,1368 0,9917 0,9218 0,0016 34,14 0,9980

4,55 0,035 26,7 80 18 17 44,84 34,74 0,9809 0,2743 0,1381 0,9947 0,9647 0,0012 34,74 0,9927

5,20 0,040 26,7 80 18 17 44,71 35,28 0,9761 0,2750 0,1390 0,9968 1,0171 0,0009 35,28 0,9850

Lig

no

ssu

lfo

nat

o

5,85 0,045 26,7 80 18 17 43,50 35,92 0,9709 0,2693 0,1436 0,9971 1,0463 0,0008 35,92 0,9835

Anexos

Flank Melo de Lima

130

Modelo reológico

Bingham Ostwald de Waale Herschell-Buckley P

last

ific

ante

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 41,7 107 13 17 39,96 28,75 0,9655 0,3056 0,1004 0,9966 1,0219 0,0008 28,75 0,9748

0,65 0,005 41,7 107 13 16 38,07 30,55 0,9636 0,2838 0,1148 0,9940 0,9344 0,0013 30,55 0,9866

1,30 0,010 41,7 107 14 15 36,54 32,07 0,9606 0,2669 0,1274 0,9926 0,9170 0,0014 32,07 0,9833

1.95 0,015 41,7 107 14 16 35,34 30,48 0,9672 0,2655 0,1226 0,9953 0,9493 0,0011 30,48 0,9830

2,60 0,020 41,7 107 15 16 34,15 28,90 0,9735 0,2642 0,1176 0,9968 0,9867 0,0008 28,90 0,9824

3,25 0,025 41,7 107 15 17 37,33 30,93 0,9713 0,2703 0,1229 0,9949 0,9347 0,0012 30,93 0,9884

3,90 0,030 41,7 107 15 17 39,34 33,33 0,9639 0,2716 0,1307 0,9925 0,9077 0,0015 33,33 0,9866

4,55 0,035 41,7 107 15 17 40,46 34,75 0,9666 0,2668 0,1390 0,9936 0,9219 0,0014 34,75 0,9846

5,20 0,040 41,7 107 15 16 41,59 36,17 0,9690 0,2623 0,1473 0,9944 0,9361 0,0014 36,17 0,9824

Lig

no

ssu

lfo

nat

o

5,85 0,045 41,7 107 15 16 41,65 36,90 0,9715 0,2564 0,1539 0,9941 0,9473 0,0013 36,90 0,9771

Anexos

Flank Melo de Lima

131

Modelo reológico


Pla

stif

ican

te

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 56,1 133 11 19 35,33 32,51 0,9386 0,2716 0,1245 0,9807 0,8690 0,0017 32,51 0,9744

0,65 0,005 56,1 133 11 18 33,75 31,25 0,9138 0,2801 0,1146 0,9794 0,7108 0,0041 31,25 0,9433

1,30 0,010 56,1 133 10 17 33,64 28,09 0,9486 0,2849 0,1037 0,9948 0,7207 0,0038 28,09 0,9953

1.95 0,015 56,1 133 11 17 36,06 29,95 0,9463 0,2892 0,1084 0,9903 1,0635 0,0006 29,95 0,9274

2,60 0,020 56,1 133 11 16 38,47 31,82 0,9418 0,2937 0,1128 0,9810 0,8784 0,0018 31,82 0,9750

3,25 0,025 56,1 133 12 16 37,68 31,99 0,9437 0,2863 0,1167 0,9829 0,8738 0,0018 31,99 0,9805

3,90 0,030 56,1 133 14 16 36,88 32,16 0,9454 0,2790 0,1207 0,9846 0,8700 0,0018 32,16 0,9852

4,55 0,035 56,1 133 14 17 36,22 33,44 0,9333 0,2745 0,1262 0,9824 0,8986 0,0015 33,44 0,9725

5,20 0,040 56,1 133 15 19 35,57 34,71 0,9195 0,2701 0,1318 0,9790 0,9351 0,0012 34,71 0,9553

Lig

no

ssu

lfo

nat

o

5,85 0,045 56,1 133 15 18 35,16 35,32 0,9162 0,2653 0,1363 0,9788 0,9413 0,0012 35,32 0,9530

Anexos

Flank Melo de Lima

132

Modelo reológico


Pla

stif

ican

te

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 71,1 160 9 27 40,86 32,54 0,9142 0,3235 0,1007 0,9715 1,1101 0,0005 32,54 0,9892

0,65 0,005 71,1 160 11 29 39,99 33,02 0,9294 0,3095 0,1083 0,9747 1,0429 0,0008 33,02 0,9119

1,30 0,010 71,1 160 13 33 39,09 33,49 0,9266 0,2961 0,1161 0,9774 0,9890 0,0030 33,49 0,9292

1.95 0,015 71,1 160 13 27 37,48 33,74 0,9175 0,2902 0,1187 0,9716 0,9353 0,0013 33,74 0,9382

2,60 0,020 71,1 160 14 23 35,85 33,99 0,9068 0,2843 0,1243 0,9645 0,8858 0,0017 33,99 0,9462

3,25 0,025 71,1 160 13 23 40,35 35,93 0,9144 0,2950 0,1237 0,9687 0,9255 0,0015 35,93 0,9385

3,90 0,030 71,1 160 13 26 44,90 38,07 0,9174 0,2901 0,1187 0,9790 0,9825 0,0012 38,07 0,9217

4,55 0,035 71,1 160 14 21 48,22 32,29 0,9351 0,2847 0,1195 0,9784 0,6317 0,0091 32,29 0,9997

5,20 0,040 71,1 160 13 19 50,73 27,49 0,9440 0,2711 0,0699 0,9792 0,6317 0,0095 27,49 0,9991

Lig

no

ssu

lfo

nat

o

5,85 0,045 71,1 160 13 20 51,16 23,82 0,9465 0,2755 0,0549 0,9766 0,6398 0,0091 23,82 0,9993

Anexos

Flank Melo de Lima

133

Modelo reológico


Pla

stif

ican

te

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 26,7 80 15 14 46,49 28,88 0,9903 0,3072 0,1051 0,9926 1,0215 0,0009 28,88 0,9873

0,65 0,005 26,7 80 16 15 47,68 33,17 0,9794 0,2978 0,1217 0,9968 1,0313 0,0009 33,17 0,9830

1,30 0,010 26,7 80 17 17 48,05 37,46 0,9639 0,2848 0,1405 0,9954 1,0295 0,0009 37,46 0,9761

1.95 0,015 26,7 80 18 18 46,75 37,78 0,9720 0,2720 0,1500 0,9639 1,0216 0,0009 37,78 0,9774

2,60 0,020 26,7 80 21 20 46,68 38,11 0,9803 0,2645 0,1564 0,9956 1,0306 0,0009 38,11 0,9803

3,25 0,025 26,7 80 19 18 45,67 38,59 0,9806 0,2580 0,1619 0,9951 0,9892 0,0011 38,59 0,9858

3,90 0,030 26,7 80 18 18 44,58 39,14 0,9801 0,2511 0,1679 0,9938 0,9500 0,0013 39,14 0,9885

4,55 0,035 26,7 80 19 18 45,26 39,55 0,9787 0,2532 0,1682 0,9937 0,9290 0,0015 39,55 0,9927

5,20 0,040 26,7 80 22 19 45,82 40,02 0,9768 0,2548 0,1689 0,9932 0,9096 0,0017 40,02 0,9946

Mel

amin

a

5,85 0,045 26,7 80 23 21 45,37 40,42 0,9822 0,2445 0,1783 0,9875 0,8598 0,0022 40,42 0,9986

Anexos

Flank Melo de Lima

134

Modelo reológico


last

ific

ante

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 41,7 107 13 17 39,96 28,75 0,9655 0,3044 0,1009 0,9966 1,0219 0,0008 28,75 0,9748

0,65 0,005 41,7 107 13 17 39,14 29,28 0,9642 0,2895 0,1046 0,9939 0,9438 0,0012 29,28 0,9842

1,30 0,010 41,7 107 13 16 38,34 29,81 0,9616 0,2917 0,1087 0,9891 0,8768 0,0018 29,81 0,9912

1.95 0,015 41,7 107 14 16 39,4 32,35 0,9562 0,2844 0,1203 0,9893 0,8936 0,0017 32,35 0,9865

2,60 0,020 41,7 107 15 16 40,65 34,68 0,9539 0,2779 0,1317 0,9894 0,8937 0,0017 34,68 0,9862

3,25 0,025 41,7 107 15 17 41,94 35,38 0,954 0,2800 0,1333 0,9868 0,8658 0,0021 35,38 0,9889

3,90 0,030 41,7 107 14 17 43,26 36,09 0,9539 0,2821 0,1350 0,9840 0,8414 0,0024 36,09 0,9907

4,55 0,035 41,7 107 16 18 41,48 36,97 0,9665 0,259 0,1520 0,9916 0,8874 0,0018 36,97 0,9896

5,20 0,040 41,7 107 19 23 40,48 37,26 0,9697 0,2503 0,1583 0,9918 0,886 0,0018 37,26 0,9913

Mel

amin

a

5,85 0,045 41,7 107 21 25 39,80 37,43 0,9751 0,2410 0,1654 0,9894 0,8612 0,0019 37,43 0,9973

Anexos

Flank Melo de Lima

135

Modelo reológico


Pla

stif

ican

te

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 56,1 133 11 19 35,32 32,51 0,9386 0,2716 0,1245 0,9807 0,8690 0,0017 32,51 0,9744

0,65 0,005 56,1 133 13 21 35,87 33,34 0,9377 0,2703 0,1282 0,9833 0,9046 0,0015 33,34 0,9672

1,30 0,010 56,1 133 16 25 36,42 34,16 0,9365 0,2690 0,1319 0,9856 0,9436 0,0012 34,16 0,9589

1.95 0,015 56,1 133 17 27 37,74 35,71 0,9332 0,2688 0,1376 0,9819 0,9068 0,0015 37,71 0,9626

2,60 0,020 56,1 133 18 30 39,04 37,25 0,9291 0,2686 0,1433 0,9774 0,8761 0,0019 37,25 0,9641

3,25 0,025 56,1 133 17 27 40,80 38,2 0,9248 0,2763 0,1423 0,9750 0,8764 0,0020 38,20 0,9635

3,90 0,030 56,1 133 16 27 42,57 39,15 0,9202 0,2837 0,1413 0,9718 0,8771 0,0020 39,15 0,9618

4,55 0,035 56,1 133 17 26 43,15 39,29 0,9255 0,2825 0,1431 0,9750 0,8921 0,0019 39,29 0,9588

5,20 0,040 56,1 133 19 26 43,70 39,43 0,9303 0,2813 0,1448 0,9778 0,9076 0,0018 39,43 0,9554

Mel

amin

a

5,85 0,045 56,1 133 20 27 44,06 40,13 0,9296 0,2796 0,1482 0,9773 0,9184 0,0017 40,13 0,9476

Anexos

Flank Melo de Lima

136

Modelo reológico


Pla

stif

ican

te

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 71,1 160 9 27 40,88 32,54 0,9142 0,3235 0,1007 09715 1,1101 0,0005 32,34 0,8924

0,65 0,005 71,1 160 11 22 37,29 31,87 0,9121 0,3066 0,1049 0,9720 1,0178 0,0008 31,87 0,9208

1,30 0,010 71,1 160 13 34 33,69 31,2 0,9091 0,2887 0,1097 0,9718 0,9438 0,0011 31,20 0,9465

1.95 0,015 71,1 160 13 34 37,3 33,66 0,9141 0,2711 0,1383 0,9807 1,2031 0,0003 36,66 0,8757

2,60 0,020 71,1 160 14 62 41,24 42,01 0,9173 0,2601 0,1656 0,9844 0,6379 0,0003 42,01 0,9931

3,25 0,025 71,1 160 16 59 44,71 42,80 0,9124 0,2770 0,1579 0,9751 1,5882 0,0000 42,80 0,7946

3,90 0,030 71,1 160 18 54 48,10 44,22 0,9862 0,2976 0,149 0,9652 1,2683 0,0003 44,22 0,8393

4,55 0,035 71,1 160 15 53 45,47 43,24 0,8917 0,2916 0,1486 0,9642 1,2928 0,0002 43,24 0,8338

5,20 0,040 71,1 160 13 53 42,64 42,26 0,8861 0,2843 0,1489 0,9624 1,3205 0,0002 42,26 0,8267

Mel

amin

a

5,85 0,045 71,1 160 13 55 44,99 38,27 0,9284 0,2948 0,1337 0,9723 0,8608 0,0023 38,27 0,9648

Anexos

Flank Melo de Lima

137

Modelo reológico


Pla

stif

ican

te

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 26,7 80 15 14 46,49 28,88 0,9903 0,3072 0,1051 0,9926 1,0215 0,0009 28,88 0,9873

0,65 0,005 26,7 80 11 14 41,02 16,09 0,9920 0,3675 0,0522 0,9739 0,9076 0,0014 16,09 0,9909

1,30 0,010 26,7 80 6 13 35,81 7,25 0,9995 0,5021 0,017 0,9812 1,0346 0,0006 7,25 0,9977

1.95 0,015 26,7 80 4 10 33,35 5,11 0,9997 0,5734 0,0099 0,9883 1,0884 0,0004 5,11 0,9949

2,60 0,020 26,7 80 3 10 30,33 2,89 0,9997 0,6654 0,0049 0,9921 1,0449 0,0005 2,89 0,9978

3,25 0,025 26,7 80 3 9 28,59 2,01 0,9998 0,7102 0,0034 0,9926 1,0037 0,0006 2,01 0,9988

3,90 0,030 26,7 80 2 9 26,94 1,12 0,9996 0,7798 0,0021 0,9944 0,9716 0,0007 1,12 0,9993

4,55 0,035 26,7 80 2 7 25,10 0,92 0,9996 0,7809 0,0019 0,9903 0,9389 0,0007 0,92 0,9965

5,20 0,040 26,7 80 1 6 23,19 0,70 0,9990 0,7700 0,0018 0,9822 0,8874 0,0009 0,70 0,9884

Po

licar

bo

xila

to

5,85 0,045 26,7 80 1 4 19,19 0,57 0,9991 0,8485 0,0030 0,9977 1,0283 0,0003 0,57 0,9931

Anexos

Flank Melo de Lima

138

Modelo reológico


last

ific

ante

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 41,7 107 13 17 39,96 28,75 0,9655 0,3056 0,1004 0,9966 1,0219 0,0008 28,75 0,9748

0,65 0,005 41,7 107 13 15 33,82 23,6 0,9805 0,2947 0,0878 0,9950 1,0013 0,0008 23,60 0,9825

1,30 0,010 41,7 107 13 12 28,45 18,87 0,9885 0,2965 0,0707 0,9935 1,0522 0,0005 18,87 0,9818

1.95 0,015 41,7 107 8 10 24,52 10,55 0,9935 0,3789 0,0311 0,9926 1,0404 0,0004 10,55 0,9799

2,60 0,020 41,7 107 3 9 18,74 3,17 0,9992 0,5371 0,0069 0,9834 1,0206 0,0004 3,17 0,9979

3,25 0,025 41,7 107 3 8 15,90 2,38 0,9996 0,5722 0,0047 0,9993 1,0326 0,0003 2,38 0,9950

3,90 0,030 41,7 107 2 7 13,62 1,50 0,9993 0,6243 0,0028 0,9788 0,9863 0,0003 1,50 0,9848

4,55 0,035 41,7 107 2 7 12,60 1,38 0,9996 0,6247 0,0026 0,9852 0,9898 0,0003 1,38 0,9968

5,20 0,040 41,7 107 1 6 11,58 1,25 0,9988 0,6267 0,0024 0,9894 1,0112 0,0002 1,25 0,9972

Po

licar

bo

xila

to

5,85 0,045 41,7 107 1 5 10,25 0,83 0,9992 0,7087 0,0013 0,9940 1,0784 0,0001 0,83 0,9948

Anexos

Flank Melo de Lima

139

Modelo reológico


Pla

stif

ican

te

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 56,1 133 11 19 35,33 32,51 0,9386 0,2716 0,1245 0,9807 0,8690 0,0017 32,51 0,9744

0,65 0,005 56,1 133 12 17 32,44 26,09 0,9599 0,2837 0,0979 0,985 0,9438 0,0010 26,09 0,9419

1,30 0,010 56,1 133 14 17 29,78 16,60 0,9923 0,2917 0,0754 0,9888 1,0075 0,0006 19,60 0,9903

1.95 0,015 56,1 133 10 14 21,89 12,12 0,9978 0,3106 0,0451 0,9777 0,9367 0,0007 12,12 0,9994

2,60 0,020 56,1 133 5 13 13,15 5,52 0,9979 0,3505 0,0188 0,9609 1,0354 0,0002 5,52 0,9933

3,25 0,025 56,1 133 4 12 11,99 3,96 0,9993 0,4026 0,0117 0,9716 1,0623 0,0002 3,96 0,9966

3,90 0,030 56,1 133 3 12 10,74 2,47 0,9997 0,4852 0,0059 0,9835 1,1284 0,0001 2,47 0,9888

4,55 0,035 56,1 133 3 11 10,34 2,28 0,9999 0,4808 0,0056 0,9754 0,9955 0,0002 2,28 0,9987

5,20 0,040 56,1 133 2 10 10,03 2,01 0,9994 0,4966 0,0049 0,9757 0,9805 0,0002 2,01 0,9983

Po

licar

bo

xila

to

5,85 0,045 56,1 133 1 7 8,58 1,63 0,9973 0,5200 0,0036 0,9796 1,0523 0,0001 1,63 0,9945

Anexos

Flank Melo de Lima

140

Modelo reológico


last

ific

ante

Con

cent

raçã

o

Tem

pera

tura


(L/m

³)

(gal

/pé³

)

(ºC

)

(ºF

)

(lbf

/100

pé²)

(lbf

/100

pé²)

(cP

)

(lbf

/100

pé²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

– –

(lb

f.sn /p

é²)

(lbf

/100

pé²)

–

0,00 0,000 71,1 160 9 27 40,86 32,54 0,9142 0,3235 0,1007 0,9715 1,1101 0,0005 32,54 0,9892

0,65 0,005 71,1 160 10 24 35,67 29,79 0,9238 0,3039 0,1001 0,9805 1,0108 0,0008 29,79 0,9454

1,30 0,010 71,1 160 12 21 31,99 26,37 0,9498 0,2878 0,0964 0,9925 0,9661 0,0009 26,37 0,9786

1.95 0,015 71,1 160 11 21 25,17 19,87 0,9778 0,2699 0,0812 0,9926 0,9031 0,0001 20,22 0,9952

2,60 0,020 71,1 160 11 21 20,96 12,76 0,999 0,2760 0,0542 0,9496 1,0059 0,0004 12,76 0,9885

3,25 0,025 71,1 160 6 14 16,19 8,64 0,9978 0,3039 0,0336 0,9557 1,0327 0,0003 8,64 0,9913

3,90 0,030 71,1 160 5 10 10,92 4,69 0,9934 0,3332 0,0172 0,9370 0,8846 0,0004 4,69 0,9868

4,55 0,035 71,1 160 4 13 9,57 3,05 0,9942 0,3274 0,009 0,9584 0,9740 0,0002 3,05 0,9957

5,20 0,040 71,1 160 3 12 7,79 1,54 0,9975 0,5071 0,0035 0,9693 0,9830 0,0002 1,54 0,9917

Po

licar

bo

xila

to

5,85 0,045 71,1 160 1 11 6,68 1,60 0,9892 0,5562 0,0026 0,9868 0,8964 0,0003 1,60 0,9939

AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE PASTAS DE CIMENTO … · 2019. 1. 29. · PASTAS DE...

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