Reologia do cimento Portland

Na construção civil tradicional, o comportamento reológico de concretos é pobremente avaliado (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Uma expressão comum empregada para se traduzir as características reológicas dos concretos é a palavra trabalhabilidade. Esta é definida como sendo a propriedade que um concreto apresenta, sob certas condições de manuseio, de se deixar moldar sem perder sua homogeneidade. Nesta definição estão implícitas duas propriedades importantes: a

consistência e a coesão. A primeira é a propriedade que o concreto tem de se deixar moldar, injetar, bombear, etc. sem oferecer grandes dificuldades provenientes do atrito desenvolvido na superfície de contato entre sua massa e seu meio de condução; esta propriedade é avaliada por meio do Ensaio de Abatimento do Tronco de Cone (NBR 7223, 1993 e ASTM C-143, 1993). A segunda refere-se à propriedade do concreto manter sua homogeneidade durante o bombeio e implica em dois outros conceitos: a exsudação e a segregação. A exsudação refere-se à tendência que o concreto tem de separar a água de mistura das partículas mais densas de cimento Portland e agregados, devido à floculação das partículas de cimento e conseqüente ação da gravidade movimentando-as para baixo e deslocando a água para cima. A segregação refere-se à tendência que o concreto tem de separar o agregado graúdo da pasta de mistura.

No caso de pastas para cimentação de poços de petróleo estes conceitos também são aplicáveis. No entanto, a forma de avaliação, não só é diferente, como é mais rigorosa e precisa. Isto se deve ao fato da pasta não conter agregados, pois a dificuldade de realização de um ensaio de viscosidade no concreto é muito grande devido à presença destes, principalmente o agregado graúdo. O processo de exsudação é avaliado através da medida de água sobrenadante formada na superfície da pasta após decorrido um determinado tempo. Esta medida, realizada por meio do ensaio de água livre, é normalizado de acordo com a NBR 9827 (1993). O processo de segregação, que é bem menos intenso que no concreto, é avaliado pela norma M-10 Determinação da Sedimentação com o Uso do Tubo Decantador (API SPEC 10A, 1995). O comportamento reológico das pastas frescas de cimento Portland é avaliado pelo ensaio de reologia, através da determinação dos parâmetros reológicos (viscosidade plástica, limite de escoamento, índice de comportamento e índice de consistência), de acordo com as normas M-1 Determinação das Propriedades Reológicas e da Força Gel de Pasta de Cimento através de um Viscosímetro Rotativo (API SPEC 10A, 1995) e NBR 9830 (1993).

Via de regra, os modelos existentes de avaliação do comportamento reológico de pastas de cimento Portland frescas são derivados do modelo desenvolvido por Newton para fluidos newtonianos. Os estudos reológicos abrangem vários aspectos da pasta de cimento, indo desde sua avaliação no estado fresco, até o estado endurecido, que é pouco usual. Neste caso, alguns modelos propostos tentam simular sistemas mecânicos análogos ao comportamento do cimento endurecido, como é o caso dos modelos de Newton, pseudo-sólido, elasto-plástico, Bingham, Schwedoff, potência, Burgers, St. Vénant, Casson, Vocadlo e Herschel-Bulkley (GIAMMUSSO,

1989; BRETAS e D’ÁVILA, 2000; NAVARRO, 1997; NELSON et al, 1990). Alguns destes modelos se prestam tanto para avaliação da viscosidade da pasta fresca como endurecida.

Especificamente para pastas frescas têm-se os modelos de Bingham, de potência, de Herschel-Bulkley, de Newton, de Casson e de Vocadlo (NELSON et al, 1990; GIAMMUSSO, 1989). Destes, os que mais espelham o comportamento das curvas de tensão de deformação e taxa de deformação das pastas de cimento Portland são os três primeiros, ou seja:

a) O modelo de Bingham;

b) O modelo de potência e

c) O modelo de Herschel-Bulkley.

Experiências de laboratório indicam que o comportamento de pastas de cimento Portland geralmente se aproximam mais do modelo de Bingham. De fato, a análise dos resultados apresentada no item 5.4.1. revelou que este último modelo foi o mais adequado. Tanto o modelo de Bingham como o de Herschel-Bulkley apresentam tensão residual inicial (limite de escoamento). Este conceito, bastante criticado por alguns autores (BARNES and WALTERS, 1985 e ASTARITA, 1990 apud BRETAS e D’AVILA, 2000), leva ao problema da exatidão dos viscosímetros. Segundo estes autores, a tensão residual não passa de um trecho reto com inclinação elevada que os viscosímetros disponíveis não conseguem detectar com boa resolução.

Para o caso da cimentação de poços, a tensão residual representa uma tensão inicial a ser superada toda vez que as operações de bombeio são interrompidas, neste caso, o conceito possui valor, uma vez que sempre será necessária a aplicação de uma tensão limite para que o processo seja retomado.

Um problema recorrente em alguns cimentos destinados à cimentação de poços refere-se ao processo de geleificação e suas variações (SAASEN et al, 1991; VLACHOU and PIAU, 1997; VUK et al, 2000). Esta propriedade da pasta, quando em excesso, é indesejada porque sobrecarrega a unidade de bombeio quando ocorrem paralizações. No caso do cimento Portland especial utilizado nesta pesquisa, este fenômeno foi observado, conforme BEZERRA et al (2004) e resultados de ensaios de reologia e de tempo de espessamento mostrados nos resultados (item 4), mas com baixa intensidade.

3 METODOLOGIA

Os ensaios com pastas de cimento para o uso em poços de petróleo são padronizados pela API SPEC 10, subdividida em SPEC 10A e SPEC 10B publicada pelo Committee on Standardization of Well Cements (Committee 10).

O desempenho de uma pasta de cimento depende de vários fatores, tais como as características do cimento (distribuição granulométrica das partículas e das fases aluminato e silicato), temperatura e pressão a que o poço será submetido, concentração e tipo dos aditivos, ordem de mistura, energia de mistura e razão água/cimento. Devido à grande interação entre os vários aditivos incluídos em uma pasta de cimento e à variação da composição do cimento em função da batelada, os testes das pastas são necessários para que se possa prever o desempenho da pasta a ser utilizada.

A metodologia foi embasada em ensaios padronizados da indústria do petróleo utilizando um biopolímero como aditivo em pó ao cimento Portland. O biopolímero desempenha um papel coadjuvante no cimento, evitando a heterogeneidade na microestrutura e incrementando as propriedades mecânicas da pasta endurecida.

Além da realização dos ensaios padronizados, elaborou-se um modelo de bainha através do método dos elementos finitos.

Todos os resultados foram analisados pelo método estatístico dos efeitos fixos. Para tanto, foi estruturado um planejamento fatorial do tipo 2³, com três fatores variando em dois níveis (alto e baixo).