CompAsitosPortland-biopolAmerosCimentacao-Bezerra-2006

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS 
COMPÓSITOS PORTLAND-BIOPOLÍMERO 
PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO 
ULISSES TARGINO BEZERRA 
Natal-RN 
OUTUBRO/2006 
3
COMPÓSITOS PORTLAND-BIOPOLÍMERO 
PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO 
5
Divisão de Serviços Técnicos 
Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central 
Zila Mamede 
 Bezerra, Ulisses Targino 
 Compósitos Portland-biopolímero para cimentação de poços de 
 petróleo / Ulisses Targino Bezerra. – Natal, RN, 2006. 
 287 p. 
 Orientador: Antonio Eduardo Martinelli 
 Co-orientadora: Dulce Maria de Araújo Melo 
 Tese (Doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 
 Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-Graduação em 
 Ciência e Engenharia dos Materiais. 
 1. Cimento Portland - Tese. 2. Biopolímero - Tese. 3. Cimentação 
de poços – Tese. 4. Modelagem de bainha – Tese. I. Martinelli, 
Antonio Eduardo. II. Melo, Dulce Maria de Araújo. III. Título. 
RN/UF/BCZM CDU 666.942
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ULISSES TARGINO BEZERRA 
COMPÓSITOS PORTLAND-BIOPOLÍMERO 
PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO 
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em 
Ciência e Engenharia de Materiais, do Centro de 
Ciências Exatas e da Terra, da Universidade Federal do 
Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos 
necessários para a obtenção do título de Doutor em 
Ciência e Engenharia de Materiais. 
Área de Concentração: Polímeros e Compósitos 
Orientador: Dr. Antonio Eduardo Martinelli 
Co-orientadora: Drª. Dulce Maria de Araújo Melo 
Natal-RN 
OUTUBRO/2006 
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COMPÓSITOS PORTLAND-BIOPOLÍMERO 
PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO 
ULISSES TARGINO BEZERRA 
DATA DA DEFESA: ______________________________________________ 
ORIENTADORES: Dr. Antonio Eduardo Martinelli (principal) 
 ______________________________________________ 
 Drª. Dulce Maria de Araújo Melo (co-orientadora) 
 ______________________________________________ 
01°°°° MEMBRO DA BANCA: Dr. Hélio Scatena Junior 
______________________________________________
02°°°° MEMBRO DA BANCA: Dr. Josealdo Tonholo (examinador externo) 
______________________________________________
03°°°° MEMBRO DA BANCA: Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo 
______________________________________________
04°°°° MEMBRO DA BANCA: Dr. Alexandro Diógenes Barreto (examinador externo) 
______________________________________________
7
A organização da matéria viva, que apenas conseguimos idealizá-la
em nossos cérebros e é muito mais forte do que o discurso,
não passa da estaticidade se não conseguimos perceber 
que a existência supera infinitamente a categoria do natural. 
“... volto-me para o meu espírito. 
É a ele que compete encontrar a verdade. 
Mas como? 
Incerteza grave, cada vez que o espírito se sente ultrapassado por si próprio; 
quando ele, o pesquisador, é ao mesmo tempo o terreno obscuro onde deve procurar e onde 
toda a sua bagagem não lhe servirá de nada. 
Procurar? 
Não só: criar. 
Está perante qualquer coisa que ainda não existe e que só ele pode realizar, depois trazer à 
luz” (Marcel Proust, À procura do tempo perdido, 1913-1927). 
8
DEDICATÓRIA 
 Há quem saiba que dia é o melhor para cada coisa. Minha mãe é assim. 
 “Deus não deveria permitir que os cientistas e poetas morressem”, frase do meu pai. 
 Eu e meus quatro irmãos não podemos nos queixar dos pais que Deus nos deu. 
 Se meus filhos, Lucas e Maria Letícia, compreenderem quem são e como são os meus 
pais, não precisarei me preocupar com os seus futuros. 
 Seus nomes: Alice e Tupan. 
9
AGRADECIMENTOS 
Antonio Eduardo Martinelli 
Carlos Bittemilher de Araújo 
Dulce Maria de Araújo Melo 
Enguelberto de Medeiros Rodrigues 
Érika Pinto Marinho 
Flank Melo de Lima 
Hélio Scatena Junior 
Laboratório de Cimentos - LABCIM 
Lucineide Balbino da Silva 
Marcus Antônio de Freitas Melo 
Normando Perazzo Barbosa 
Roseane Aparecida Brito 
Salustiano Miguel Souza Alves 
Túlio Wagner Jacinto 
10
RESUMO 
A cimentação de poços é prática comum na indústria do petróleo. Poços antigos que 
apresentam baixo rendimento passam a produzir mais quando se adota o processo de 
recuperação secundária. Um dos procedimentos que pode ser adotado nestes poços é a 
introdução de vapor d’água sob pressão para que o petróleo tenha sua viscosidade reduzida 
e flua com mais facilidade para os poços da circunvizinhança. A temperatura elevada 
provoca fissuração nas bainhas dos poços e conseqüente perda de estanqueidade devido ao 
caráter rígido das bainhas de cimento Portland. Compósitos de cimento Portland aditivados 
com biopolímero foram analisados com relação a três aspectos: propriedades mecânicas 
previstas nas normas da ABNT e específicas para a indústria do petróleo; propriedades 
reológicas também previstas em norma e avaliação numérica por elementos finitos 
simulando bainhas de poços de petróleo. As pastas foram preparadas seguindo 
planejamento fatorial prévio, com variação de três fatores: idade do cimento Portland, 
concentração de biopolímero e fator água/cimento. Os resultados mostraram que a presença 
do biopolímero elimina formação de água livre; funciona como acelerador de pega, 
reduzindo o tempo de espessamento; aumenta as resistências à compressão e à tração em até 
30 % e a tenacidade-resiliência em até 30 %. A análise por elementos finitos mostrou que a 
ordem de grandeza das tensões despertadas pela temperatura no fundo do poço chega a ser 
10 e 100 vezes superior às resistências à compressão e à tração, respectivamente, das pastas 
ensaiadas em laboratório. Isto levou à constatação de que os ensaios não confinados de 
propriedades mecânicas não conseguem medir o comportamento real das pastas, sendo 
necessária a adaptação dos mesmos para a condição confinada. Um ensaio alternativo é 
proposto por meio de um equipamento (SCERB) que simula as condições de fundo de poço. 
Palavras-chave: cimento Portland; biopolímero; cimentação de poços; modelagem de 
bainha. 
11
ABSTRACT 
The oil production in mature areas can be improved by advanced recovery techniques. In 
special, steam injection reduces the viscosity of heavy oils, thus improving its flow to 
surrounding wells. On the other hand, the usually high temperatures and pressures involved 
in the process may lead to cement cracking, negatively affecting both the mechanical 
stability and zonal isolation provided by the cement sheath of the well. The addition of 
plastic materials to the cement is an alternative to prevent this scenario. Composite slurries 
consisting of Portland cement and a natural biopolymer were studied. Samples containing 
different contents of biopolymer dispersed in a Portland cement matrix were prepared and 
evaluated by mechanical and rheological tests in order to assess their behavior according to 
API (American Petroleum Institute) guidelines. FEM was also applied to map the stress 
distribution encountered by the cement at bottom hole. The slurries were prepared 
according to a factorial experiment plan by varying three parameters, i.e., cement age, 
contents of biopolymer and water-to-cement ratio. The results revealed that the addition of 
the biopolymer reduced the volume of free water and the setting time of the slurry. In 
addition, tensile strength, compressive strength and toughness improved by 30% comparing 
hardened composites to plain Portland slurries. FEM results suggested that the stresses 
developed at bottomhole may be 10 to 100 times higher than the strength of the cement as 
evaluated in the lab by unconfined mechanical testing. An alternative approach is proposed 
to adapt the testing methodology used to evaluate the mechanical behavior of oilwell cement 
slurries by simulating the confined conditions encountered at bottomhole. 
Key-words:Portland cement; biopolymer; well cementing; structural sheath model. 
12
SUMÁRIO 
BANCA EXAMINADORA 
EPÍGRAFE 
DEDICATÓRIA 
AGRADECIMENTOS 
RESUMO 
ABSTRACT 
SUMÁRIO 
LISTA DE FIGURAS 
LISTA DE TABELAS 
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS 
1 INTRODUÇÃO 018 
1.1 OBJETIVOS 024 
 1.1.1 Objetivo geral 024 
 1.1.2 Objetivos específicos 024 
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 026 
 2.1 Cimentos 026 
2.2 Cimento Portland 029 
 2.3 Tipos e classes de cimento Portland 030 
 2.4 Composição potencial de Bogue e composição otimizada 035 
 2.5 Hidratação do cimento Portland 040 
 2.5.1 Reação de hidratação do silicato tricálcico (alita) 041 
 2.5.2 Reação de hidratação do silicato dicálcico (belita) 044 
 2.5.3 Reação de hidratação do aluminato tricálcico (celita) 046
 2.5.4 Reação de hidratação do ferro-aluminato tetracálcico 
(brownmilerita) 047 
 2.6 Hidratação do cimento Portland em temperatura elevada 049
 2.7 Cimentação de poços 055 
13
 2.7.1 Tipos de cimentação 059 
 2.7.1.1 Cimentação primária 060 
 2.7.1.2 Cimentação secundária 060 
2.7.2 Objetivos das operações de cimentação na completação 063 
2.7.2.1 Correção de cimentação primária 063 
2.7.2.2 Tamponamento de canhoneados 064 
 2.7.2.3 Reparos de vazamentos no revestimento 066 
 2.7.3 Aditivos para cimentação 067 
 2.8 Injeção de água e de vapor d’água 072 
 2.9 Adições poliméricas 076 
 2.9.1 Biopolímero 083 
 2.10 Resistência à tração 084 
 2.11 Microestrutura 089 
 2.12 Reologia do cimento Portland 090 
3 METODOLOGIA 093 
 3.1 Materiais utilizados 093 
 3.2 Cálculo de pasta 094 
 3.3 Preparação das pastas cimentantes 095 
 3.4 Mistura 095 
 3.5 Homogeneização da pasta 096 
 3.6 Ensaios reológicos 097 
 3.7 Conteúdo de água livre 099 
 3.8 Resistência à compressão 099 
 3.9 Resistência à tração 100 
 3.10 Módulo de elasticidade na compressão e na tração 100 
3.11 Difração de raios X 101 
3.12 Microscopia eletrônica de varredura 101 
3.13 Método dos elementos finitos 101 
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 104 
 4.1 Características físico-químicas 107 
 4.1.1 Composição otimizada das 34 bateladas e das bateladas 23 e 34 109
14
 4.1.2 Quantidade de água necessária para hidratar o 
cimento Portland especial 120 
 4.2 Análise termogravimétrica do biopolímero e 
do cimento Portland especial 121 
 4.3 Propriedades mecânicas 123 
 4.3.1 Resistência à compressão 123 
 4.3.2 Módulo de elasticidade na compressão 129 
 4.3.3 Resiliência na compressão 135 
 4.3.4 Resistência à tração 140 
 4.3.5 Módulo de elasticidade na tração 145 
 4.3.6 Resiliência na tração 150 
 4.3.7 SCERB - Simulador de Contração e Expansão Radial 
de Bainha 156 
 4.4 Comportamento reológico 166 
 4.4.1 Modelo de Bingham, de Potência e de Herschel-Bulkley 166 
 4.4.2 Viscosidade plástica e limite de escoamento 168 
 4.5 Água livre ambiente 172 
 4.6 Volume de filtrado 175 
 4.7 Tempo de espessamento 177 
4.8 Correlações 182 
 4.8.1 Resistência à compressão e à tração 183 
 4.8.2 Módulo de elasticidade na compressão e na tração 184 
 4.8.3 Resiliência na compressão e na tração 185 
 4.9 Avaliação de fases formadas por difração de raios X 186 
4.10. Morfologia das pastas endurecidas através de microscopia 
eletrônica de varredura 193 
5 CONCLUSÕES 199 
6 RECOMENDAÇÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 203
 6.1 Classificação das pastas aditivadas com polímero 203 
 6.2 Sugestão para a norma NBR 9831 203 
 6.3 Ensaio de estabilidade 204 
6.4 Ordem de mistura 204 
15
6.5 Volume de filtrado 204 
6.6 Rugosidade da tubulação de revestimento 205 
6.7 FAC 206 
6.8 Módulo de elasticidade e resiliência 206 
6.9 Modelo de Herschel-Bulkley 206 
7 ANEXOS 207 
 7.1 Método dos efeitos fixos 207 
 7.2 Resultados totais das propriedades mecânicas 213 
 7.2.1 Resistência à compressão 214 
 7.2.2 Módulo de elasticidade na compressão 222 
 7.2.3 Resiliência na compressão 230 
 7.2.4 Resistência à tração 238 
 7.2.5 Módulo de elasticidade na tração 246 
 7.2.6 Resiliência na tração 254 
7.3 Projeto do SCERB 
Simulador de Contração e Expansão Radial de Bainha 262 
8 GLOSSÁRIO 263 
REFERÊNCIAS 273 
16
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1. Problemas recorrentes nas cimentações. 019 
Figura 2. Divisões do anular e suas interfaces. 020
Figura 3. Interface formação-pasta de cimento Portland. 021
Figura 4. Representação de mudanças de fases do cimento Portland aquecido em 
função da fração C/S. 053
Figura 5. Esquema de perfuração, colocação da tubulação e cimentação de um poço 
de petróleo. 057
Figura 6. Tipos de poços de petróleo. 058
Figura 7. Produção de petróleo em duas zonas distintas. 059 
Figura 8. Excentricidade do liner devido à sua difícil centralização. 064 
Figura 9. Visualização esquemática do efeito estéreo. 072 
Figura 10. Esquema de injeção de fluido. 073
Figura 11. Distribuição de poços em forma de malha. 073 
Figura 12. Conjunto injetor de poliuretana (tubulações de poliol e diisocianato). 077 
Figura 13. Introdução da tubulação de poliuretana fixada externamente na 
perfuratriz. 078
Figura 14. Pasta de cimento endurecida e impregnada por poliuretana formando 
pelotas. 078
Figura 15. Misturador de palheta Chandler, Modelo 80-60 com controlador de 
velocidade. 096
Figura 16. Consistômetro atmosférico e componentes da célula. 097 
Figura 17. Viscosímetro rotativo de cilindros coaxiais. 098 
Figura 18. Aspecto visual de corpos-de-prova com cimento Portland especial (a) e CP 
II Z (b). 119
Figura 19. Análise termogravimétrica do biopolímero. 122 
Figura 20. Análise termogravimétrica do cimento Portland especial. 123 
Figura 21. Resistência à compressão das pastas. 124 
17
Figura 22. Variação linear da resistência à compressão 8 h batelada 23. 125
Figura 23. Variação linear da resistência à compressão 8 h batelada 34. 126
Figura 24. Variação linear da resistência à compressão 7 d batelada 23. 127
Figura 25. Variação linear da resistência à compressão 7 d batelada 34. 128
Figura 26. Módulo de elasticidade na compressão das pastas. 130 
Figura 27. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 8 h batelada 23.
131
Figura 28. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 8 h batelada 34.
131
Figura 29. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 7 d batelada 23.
132
Figura 30. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 7 d batelada 34.
132
Figura 31. Resiliência na compressão das pastas. 135 
Figura 32. Variação linear da resiliência na compressão 8 h batelada 23. 136 
Figura 33. Variação linear da resiliência na compressão 8 h batelada 34. 136 
Figura 34. Variação linear da resiliência na compressão 7 d batelada 23. 137 
Figura 35. Variação linear da resiliência na compressão 7 d batelada 34. 137 
Figura 36. Resistência à tração das pastas. 140
Figura 37. Variação linear da resistência à tração 8 h batelada 23. 141 
Figura 38. Variação linear da resistência à tração 8 h batelada 34. 141 
Figura 39. Variação linear da resistência à tração 7 d batelada 23. 142
Figura 40. Variação linear da resistência à tração 7 d batelada 34. 142
Figura 41. Módulo de elasticidade na tração das pastas. 145 
Figura 42. Variação linear do módulo de elasticidade na tração 8 h batelada 23. 146 
Figura 43. Variação linear do módulo de elasticidade na tração 8 h batelada 34. 146
Figura 44. Variação linear do módulo de elasticidade na tração 7 d batelada 23. 147
Figura 45. Variação linear do módulo de elasticidadena tração 7 d batelada 34. 147
Figura 46. Resiliência na tração das pastas. 151
Figura 47. Variação linear da resiliência na tração 8 h batelada 23. 152
Figura 48. Variação linear da resiliência na tração 8 h batelada 34. 152
Figura 49. Variação linear da resiliência na tração 7 d batelada 23. 153
18
Figura 50. Variação linear da resiliência na tração 7 d batelada 34. 153
Figura 51. Modelagem da bainha pelo MEF. 157
Figura 52. Trecho mostrando concentração de tensão na interface interna. 160
Figura 53. Nervuras na tubulação de revestimento. 161 
Figura 54. Análise termogravimétrica da poliuretana da PROQUINOR. 163 
Figura 55. Curvas de tempo de espessamento e consistência das pastas. 178 
Figura 56. Correlação resistência à tração e à compressão das pastas. 184 
Figura 57. Correlação módulo de elasticidade na tração e na compressão das pastas. 185
Figura 58. Correlação resiliência na tração e na compressão das pastas. 186
Figura 59. Difratograma do clínquer. 187
Figura 60. Difratograma do cimento Portland especial. 189 
Figura 61. Difratograma da pasta 6 de ref. 191
Figura 62. Difratograma da pasta 9. 192
Figura 63. MEV da pasta 6 de ref. sem a presença do biopolímero (elétrons 
secundários). 193
Figura 64. MEV da pasta 6 de ref. sem a presença do biopolímero (elétrons retro-
espalhados). 194
Figura 65. MEV da pasta 6 (elétrons secundários). 195 
Figura 66. MEV da pasta 6 (elétrons retro-espalhados). 195 
Figura 67. MEV da pasta 9 evidenciando a presença de biopolímero (elétrons 
secundários). 196
Figura 68. MEV da pasta 9 evidenciando a presença de biopolímero (elétrons retro-
espalhados). 196
Figura 69. MEV da pasta 9, pontes de ligação na fratura (elétrons secundários). 197 
Figura 70. MEV da pasta 9, pontes de ligação na fratura (elétrons retro-espalhados).
197
Figura 71. MEV da pasta 9, envolvimento do C-S-H II (elétrons secundários). 198 
Figura 72. MEV da pasta 9, envolvimento do C-S-H II (elétrons retro-espalhados). 198 
Figura 73. Variação linear da resistência à compressão 8 h. 214 
Figura 74. Variação linear da resistência à compressão 12 h. 214 
Figura 75. Variação linear da resistência à compressão 1 d. 215
Figura 76. Variação linear da resistência à compressão 3 d. 215
19
Figura 77. Variação linear da resistência à compressão 7 d. 216
Figura 78. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 8 h. 222 
Figura 79. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 12 h. 222
Figura 80. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 1 d. 223
Figura 81. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 3 d. 223
Figura 82. Variação linear do módulo de elasticidade na compressão 7 d. 224
Figura 83. Variação linear da resiliência na compressão 8 h. 230 
Figura 84. Variação linear da resiliência na compressão 12 h. 230
Figura 85. Variação linear da resiliência na compressão 1 d. 231
Figura 86. Variação linear da resiliência na compressão 3 d. 231
Figura 87. Variação linear da resiliência na compressão 7 d. 232
Figura 88. Variação linear da resistência à tração 8 h. 238 
Figura 89. Variação linear da resistência à tração 12 h. 238
Figura 90. Variação linear da resistência à tração 1 d. 239
Figura 91. Variação linear da resistência à tração 3 d. 239
Figura 92. Variação linear da resistência à tração 7 d. 240
Figura 93. Variação linear do módulo de elasticidade na tração 8 h. 246 
Figura 94. Variação linear do módulo de elasticidade na tração 12 h. 246
Figura 95. Variação linear do módulo de elasticidade na tração 1 d. 247
Figura 96. Variação linear do módulo de elasticidade na tração 3 d. 247
Figura 97. Variação linear do módulo de elasticidade na tração 7 d. 248
Figura 98. Variação linear da resiliência na tração 8 h. 254 
Figura 99. Variação linear da resiliência na tração 12 h. 254
Figura 100. Variação linear da resiliência na tração 1 d. 255
Figura 101. Variação linear da resiliência na tração 3 d. 255
Figura 102. Variação linear da resiliência na tração 7 d. 256
20
LISTA DE TABELAS 
Tabela 1. Tipos e aplicações de cimentos. 026
Tabela 2. Tipos de cimento Portland para uso na construção civil normalizados 
pela ABNT. 031
Tabela 3. Classes de cimento Portland destinados a poços de petróleo 
normalizados pela API. 031
Tabela 4. Tipos de cimento Portland normalizados pela ASTM. 032 
Tabela 5. Equivalência entre cimentos americanos e brasileiros. 033 
Tabela 6. Correspondência entre cimentos ASTM, NBR e API. 034 
Tabela 7. Principais fases cristalinas do cimento Portland. 035 
Tabela 8. Variações das equações de Bogue. 037 
Tabela 9. Principais produtos da hidratação do cimento Portland em ordem de 
importância. 040
Tabela 10. Massas atômicas dos principais elementos químicos do cimento 
Portland. 043
Tabela 11. A reação pozolânica. 051
Tabela 12. Correlações entre resistências à tração e à compressão de concretos. 088 
Tabela 13. Composições das pastas preparadas com biopolímero, batelada 23. 094 
Tabela 14. Composições das pastas preparadas com biopolímero, batelada 34. 095 
Tabela 15. Estrutura do planejamento fatorial. 105 
Tabela 16. Composição química e potencial do cimento Portland especial. 107
Tabela 17. Características físicas do cimento Portland especial. 108 
Tabela 18. Massa específica do cimento Portland especial. 108 
Tabela 19. Dados das bateladas. 109
Tabela 20. Substituições na alita. 110
Tabela 21. Substituições finais na alita. 111
Tabela 22. Substituições finais na belita. 112
Tabela 23. Substituições finais na celita. 112
21
Tabela 24. Substituições finais na ferrita. 113
Tabela 25. Massa específica das fases do clínquer. 115 
Tabela 26. Resumo das fases do clínquer do cimento Portland especial. 120
Tabela 27. Resultados de resistência à compressão para 8 h [MPa]. 126 
Tabela 28. Resumo dos parâmetros estatísticos para compressão para 8 h. 127
Tabela 29. Resultados de resistência à compressão para 7 d [MPa]. 128 
Tabela 30. Resumo dos parâmetros estatísticos para compressão para 7 d. 129
Tabela 31. Resultados de módulo de elasticidade na compressão para 8 h [MPa]. 133 
Tabela 32. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
compressão para 8 h. 133
Tabela 33 Resultados de módulo de elasticidade na compressão para 7 d [MPa]. 134 
Tabela 34. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
compressão para 7 d. 134
Tabela 35. Resultados de resiliência na compressão para 8 h [MPa]. 138 
Tabela 36. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na compressão 
para 8 h. 138
Tabela 37. Resultados de resiliência na compressão para 7 d [MPa]. 139 
Tabela 38. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na compressão 
para 7 d. 139
Tabela 39. Resultados de resistência à tração para 8 h [MPa]. 143 
Tabela 40. Resumo dos parâmetros estatísticos para tração 8 h. 143 
Tabela 41. Resultados de resistência à tração para 7 d [MPa]. 144 
Tabela 42. Resumo dos parâmetros estatísticos para tração para 7 d. 144 
Tabela 43. Resultados de módulo de elasticidade na tração para 8 h [MPa]. 148 
Tabela 44. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
tração para 8 h. 148
Tabela 45. Resultados de módulo de elasticidade na tração para 7 d [MPa]. 149 
Tabela 46. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
tração para 7 d. 149
Tabela 47. Resultados de resiliência na tração para 8 h [MPa]. 154 
Tabela 48. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na tração para 8 h.
154
22
Tabela 49. Resultados de resiliência na tração para 7 d [MPa]. 155 
Tabela 50. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na tração para 7 d.
155
Tabela 51. Classificação da tubulação de revestimento. 156 
Tabela 52. Geometrias e tubulação consideradas. 156 
Tabela 53. Parâmetros adotados para o modelo. 158 
Tabela 54. Tensões de origem térmica despertadas na bainha. 159 
Tabela 55. Comparação entre os modelos reológicos de Bingham e de Potência. 167Tabela 56. Resultados de viscosidade plástica [Pa.s]. 169 
Tabela 57. Resumo dos parâmetros estatísticos adotados para viscosidade plástica.
169
Tabela 58. Resultados de limite de escoamento [Pa]. 171 
Tabela 59. Resumo dos parâmetros estatísticos adotados para limite de 
escoamento. 171
Tabela 60. Resultados de água livre [ml]. 173
Tabela 61. Resumo dos parâmetros estatísticos adotados para água livre. 174 
Tabela 62. Resultados de perda de filtrado [ml/30 min]. 176 
Tabela 63. Resumo dos parâmetros estatísticos adotados para perda de filtrado. 177 
Tabela 64. Resultados de tempo de espessamento (100 Uc) [min]. 179 
Tabela 65. Resumo dos parâmetros estatísticos adotados para tempo de 
espessamento. 180
Tabela 66. Resultados de tempo de bombeabilidade (50 Uc) [min]. 180 
Tabela 67. Resumo dos parâmetros estatísticos adotados para tempo de 
bombeabilidade. 181
Tabela 68. Resultados de consistência inicial máxima (15 min a 30 min) [Uc]. 181 
Tabela 69. Resumo dos parâmetros estatísticos para a consistência inicial máxima 
[Uc]. 182
Tabela 70. Ângulos de difração do clínquer [2 θθθθ]. 188
Tabela 71. Ângulos de difração do cimento Portland especial [2 θθθθ]. 190
Tabela 72. Ângulos de difração da pasta 6 de referência [2 θθθθ]. 192
Tabela 73. Ângulos de difração da pasta 9 [2 θθθθ]. 192
Tabela 74. Resultados gerais das pastas preparadas com biopolímero. 201 
23
Tabela 75. Resumo dos parâmetros estatísticos adotados para cada tipo de 
experimento. 213
Tabela 76. Resultados de resistência à compressão para 8 h. 217 
Tabela 77. Resumo dos parâmetros estatísticos para compressão para 8 h. 217
Tabela 78. Resultados de resistência à compressão para 12 h [MPa]. 218 
Tabela 79. Resumo dos parâmetros estatísticos para compressão para 12 h. 218
Tabela 80. Resultados de resistência à compressão para 1 d [MPa]. 219 
Tabela 81. Resumo dos parâmetros estatísticos para compressão para 1 d. 219
Tabela 82. Resultados de resistência à compressão para 3 d [MPa]. 220 
Tabela 83. Resumo dos parâmetros estatísticos para compressão para 3 d. 220
Tabela 84. Resultados de resistência à compressão para 7 d [MPa]. 221 
Tabela 85. Resumo dos parâmetros estatísticos para compressão para 7 d. 221
Tabela 86. Resultados de módulo de elasticidade na compressão para 8 h [MPa]. 225 
Tabela 87. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
compressão 8 h. 225
Tabela 88. Resultados de módulo de elasticidade na compressão para 12 h [MPa]. 226
Tabela 89. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
compressão para 12 h. 226
Tabela 90. Resultados de módulo de elasticidade na compressão para 1 d [MPa]. 227 
Tabela 91. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade para 
compressão para 1 d. 227
Tabela 92. Resultados de módulo de elasticidade na compressão para 3 d [MPa]. 228 
Tabela 93. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
compressão para 3 d. 228
Tabela 94. Resultados de módulo de elasticidade na compressão para 7 d [MPa]. 229 
Tabela 95. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
compressão para 7 d. 229
Tabela 96. Resultados de resiliência na compressão para 8 h [MPa]. 233 
Tabela 97. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na compressão 
para 8 h. 233
Tabela 98. Resultados de resiliência na compressão para 12 h [MPa]. 234 
24
Tabela 99. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na compressão 
para 12 h. 234
Tabela 100. Resultados de resiliência na compressão para 1 d [MPa]. 235 
Tabela 101. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na compressão 
para 1 d. 235
Tabela 102. Resultados de resiliência na compressão para 3 d [MPa]. 236 
Tabela 103. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na compressão 
para 3 d. 236
Tabela 104. Resultados de resiliência na compressão para 7 d [MPa]. 237 
Tabela 105. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na compressão 
para 7 d. 237
Tabela 106. Resultados de resistência à tração para 8 h [MPa]. 241 
Tabela 107. Resumo dos parâmetros estatísticos para tração 8 h. 241 
Tabela 108. Resultados de resistência à tração para 12 h [MPa]. 242 
Tabela 109. Resumo dos parâmetros estatísticos para tração 12 h. 242 
Tabela 110. Resultados de resistência à tração para 1 d [MPa]. 243 
Tabela 111. Resumo dos parâmetros estatísticos para tração 1 d. 243 
Tabela 112. Resultados de resistência à tração para 3 d [MPa]. 244 
Tabela 113. Resumo dos parâmetros estatísticos para tração 3 d. 244 
Tabela 114. Resultados de resistência à tração para 7 d [MPa]. 245 
Tabela 115. Resumo dos parâmetros estatísticos para tração 7 d. 245 
Tabela 116. Resultados de módulo de elasticidade na tração para 8 h [MPa]. 249 
Tabela 117. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
tração para 8 h. 249
Tabela 118. Resultados de módulo de elasticidade na tração para 12 h [MPa]. 250 
Tabela 119. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
tração para 12 h. 250
Tabela 120. Resultados de módulo de elasticidade na tração para 1 d [MPa]. 251 
Tabela 121. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
tração para 1 d. 251
Tabela 122. Resultados de módulo de elasticidade na tração para 3 d [MPa]. 252 
25
Tabela 123. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
tração para 3 d. 252
Tabela 124. Resultados de módulo de elasticidade na tração para 7 d [MPa]. 253 
Tabela 125. Resumo dos parâmetros estatísticos para módulo de elasticidade na 
tração para 7 d. 253
Tabela 126. Resultados de resiliência na tração para 8 h [MPa]. 257 
Tabela 127. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na tração para 8 h.
257
Tabela 128. Resultados de resiliência na tração para 12 h [MPa]. 258 
Tabela 129. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na tração para 12 
h. 258
Tabela 130. Resultados de resiliência na tração para 1 d [MPa]. 259 
Tabela 131. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na tração para 1 d.
259
Tabela 132. Resultados de resiliência na tração para 3 d [MPa]. 260 
Tabela 133. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na tração para 3 d.
260
Tabela 134. Resultados de resiliência na tração para 7 d [MPa]. 261 
Tabela 135. Resumo dos parâmetros estatísticos para resiliência na tração para 7 d.
261
26
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS 
ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland 
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas 
ACI American Concrete Institute 
AIP Argamassa de cimento Portland Impregnada com Polímero 
AMP Argamassa Modificada com Polímero 
ANSI American National Standards Institute 
AP Argamassa Polímero 
API American Petroleum Institute 
ASTM American Society for Testing and Materials 
BS British Standard 
C3A Aluminato tricálcico (celita) 
C2S Silicato dicálcico (belita) 
C3S Silicato tricálcico (alita) 
C4AF Ferroaluminato tetracálcico (ferrita) 
CCB Coeficiente de correlação de Bingham 
CCP Coeficiente de correlação de potência 
CEB Comité Euro-international du Béton 
CEN Comité Européen de Normalisation 
CH Hidróxido de cálcio (portlandita) 
CIP Concreto Impregnado com Polímero 
CML Concreto Modificado com Látex 
CP Concreto Polímero 
CPCP Concreto Polímero de Cimento Portland 
CPE Cimento Portland Especial 
CPP Compósito de Pasta Polímero 
C-S-H Silicato cálcico hidratado 
DIN Deutsches Institut für Normung 
27
Ec Módulo de elasticidade na compressão 
EM European Norm 
Et Módulo de elasticidade na tração 
FAC Fator água/cimento 
FBC Fator biopolímero/cimento 
FSC Fator de saturação de cal 
Gf Gel final 
Gi Gel inicial 
IBRACON Instituto Brasileiro do Concreto 
ICM Índice de comportamento 
ICN Índice de consistência 
ICPIC International Congress on Polymers in Concrete 
ISO International Organisation for Standardisation 
LABCIM Laboratório de Cimentos da UFRN-PETROBRAS, Natal-RN 
LE Limite deescoamento 
MA Módulo de alumina 
MS Módulo de sílica 
NBR Norma Brasileira Registrada 
PETROBRAS Petróleo Brasileiro Sociedade Anônima 
NISTIR National Institute of Standards and Technology 
PIP Pasta Impregnada com Polímero 
PMP Pasta Modificada com Polímero 
PP Pasta Polímero 
PU Poliuretana 
Rc Resiliência na compressão 
Rt Resiliência na tração 
SBR Resina de estireno-butadieno 
SI Sistema Internacional de unidades 
SPE Society of Petroleum Engineers 
VP Viscosidade plástica 
σσσσc Resistência à compressão 
σσσσr Resistência à tração na flexão em quatro pontos 
28
σσσσt Resistência à tração por compressão diametral 
18
1 INTRODUÇÃO 
 Este trabalho tratou da aplicação de uma adição polimérica que atendesse às necessidades 
da indústria do petróleo com relação ao comportamento das pastas durante seu bombeio 
(cimentação) e depois de endurecidas, quando submetidas a ciclos de injeção de vapor d’água. O 
cimento Portland especial é uma alternativa encontrada pela indústria do petróleo da região de 
Mossoró-RN para a cimentação de poços sem a necessidade de utilização do cimento Portland 
classe G, que apresenta custo mais elevado. 
 Na cimentação de poços é comum a ocorrência de falhas, na forma de fissuras e/ou 
presença de vazios na pasta (Figura 1), que implicam na necessidade de cimentações para 
correção posteriores, o que dificulta e encarece a exploração do petróleo. Estes problemas tem se 
tornado recorrentes devido à idade avançada de alguns poços e à presença de óleo pesado que 
dificultam o processo de produção. Nestes casos, adota-se o processo de injeção de vapor para 
manter produções satisfatórias. Apesar do cimento Portland apresentar excelente comportamento 
químico diante das condições de poço, seu comportamento mecânico não é satisfatório quando 
tensões de tração e de compressão são despertadas. Assim, vários materiais estão sendo 
pesquisados na região de Mossoró-RN com o objetivo de otimizar as propriedades mecânicas do 
cimento Portland. Alguns são caracterizados por adições ao cimento Portland e outros são 
cimentos alternativos, como é o caso dos geopolímeros, que são materiais inorgânicos obtidos 
pela polimerização de sistemas de silicatos e hidróxidos (MARINHO, 2004). Outras opções 
avaliadas incluem cimento espumado com nitrogênio, cimento com látex sintético e cimento com 
adição de escória de alto forno. 
19
região com boa cimentação 
região com forte perda de filtrado 
região não cimentada 
formação disposta em camadas 
região com contaminação por gases 
Figura 1. Problemas recorrentes nas cimentações (adaptado de THOMAS, 2001). 
 A exploração de petróleo e gás natural é caracterizada atualmente por possuir tecnologia 
própria desenvolvida prioritariamente ao longo do século passado. No caso dos poços mais 
antigos, onde a vazão de petróleo sofre natural diminuição, é necessário que se realize um 
processo denominado de recuperação secundária. Este consiste em se escolher um ou mais poços, 
dentre um conjunto de poços pertencentes a uma mesma área e sacrificá-lo injetando-se vapor 
d’água aquecido sob alta pressão, de modo que os demais poços passem a apresentar escoamento 
maior de petróleo aumentando, assim, sua produção. Durante este processo, que geralmente é 
cíclico, as tubulações de revestimento do poço sacrificado são submetidas a dilatações e 
contrações sucessivas que acabam por danificar o seu anular, que constitui o espaço 
compreendido entre a formação rochosa e o tubo de revestimento. 
 No caso dos poços com profundidades superiores a 4000 m, este problema pode ser 
agravado em função do conseqüente aumento de temperatura de fundo de poço. Portanto, além 
dos ciclos de injeção de vapor d’água, a elevação da temperatura do fundo do poço contribui para 
o aumento do processo de deterioração dos anulares por meio de fissuras. Para que não ocorra 
vazamento de petróleo, gás natural e/ou água para a formação rochosa ou superfície, os poços 
20
devem ter as suas tubulações de revestimento seladas lateralmente em determinadas zonas, 
denominadas zonas de isolamento. 
 Os anulares, que também possuem a função de comunicar estabilidade à tubulação de 
revestimento, são preenchidos, no ato da cimentação, por uma pasta cimentante que possui três 
regiões distintas (Figura 2). 
 formação rochosa 
interface formação rochosa - bainha 
 bainha de pasta de cimento 
interface bainha - tubulação 
 tubulação de revestimento 
Figura 2. Divisões do anular e suas interfaces. 
Na primeira região, ao ser bombeada, a pasta se hidrata em contato direto com a formação 
rochosa, ocorrendo uma mistura de cimento Portland com algumas partículas desprendidas da 
formação rochosa e a própria formação rochosa sã. Assim como no concreto, os problemas desta 
interface estão relacionados à denominada zona de transição (MEHTA e MONTEIRO, 1994 e 
AÏTCIN, 2000), que é a camada compreendida entre a pasta de cimento e os agregados (Figura 3). 
Esta zona é conhecida como sendo responsável pela limitação da resistência mecânica dos 
concretos (MEHTA e MONTEIRO, 1994 e QUEIROGA, 2000), devido ao acúmulo de fases 
hidratadas pouco nobres do cimento Portland. A dificuldade de se avaliar esta camada in loco
levou esta pesquisa à uma análise teórica através da modelagem por elementos finitos. 
21
Figura 3. Interface formação-pasta de cimento Portland (QUEIROGA, 2000). 
A segunda camada, a bainha em si, parte intermediária da espessura do anular, em 
princípio, não recebe partículas provenientes da formação rochosa, embora isto possa ocorrer em 
menor intensidade do que na região da interface formação rochosa - bainha. 
Por fim, a interface bainha - tubulação de revestimento, que é a mais diretamente atingida 
pelo efeito da variação de temperatura durante a injeção de vapor, também foi avaliada por meio 
de modelagem por elementos finitos, onde se avaliou a ordem de grandeza das tensões 
despertadas na bainha e suas trajetórias. 
De um modo geral, uma pasta para cimentação de poços deve apresentar as seguintes 
características básicas: 
- propriedades térmicas adequadas para se adaptar aos ciclos de injeção de vapor sem 
apresentar fissuração significativa, principalmente na interface bainha - tubulação de 
revestimento; 
- comportamento elasto-plástico superior ao da pasta de referência de cimento Portland 
para acompanhar as dilatações e contrações provenientes da tubulação de revestimento e 
- baixa permeabilidade para evitar que agentes agressivos da formação rochosa e o próprio 
petróleo e/ou gás natural provoquem corrosão na tubulação de revestimento de aço. 
 Nos poços da região Nordeste e, em particular, nos campos de Mossoró-RN, o emprego da 
técnica de injeção de vapor faz com que as operações de cimentação secundária (correções das 
22
cimentações primárias) sejam freqüentes, em função do surgimento de fissuras nas bainhas dos 
poços. 
 A importância da especificação do local físico de abrangência da pesquisa se deve ao fato 
da especificidade das formações rochosas daquela região. É evidente que formações rochosas 
distintas poderão não interagir da mesma forma com a pasta polimérica formulada, gerando 
resultados possivelmente diferentes dos obtidos nesta pesquisa. 
 A região da cidade de Mossoró, no estado do Rio Grande do Norte, Brasil, é possuidora de 
bacia petrolífera com campos de petróleo expressivos de óleo e gás natural. Em linhas gerais, a 
produção atual da região é de 80000 barris por dia de petróleo (dos quais 85 % são provenientes 
de campos terrestres) e 3500000 m³ por dia de gás natural (ANUÁRIO ESTATÍSTICO 
BRASILEIRO DO PETRÓLEO E DO GÁS NATURAL 2002, 2002). Isto eleva o estado do Rio 
Grande do Norte à condição de segundo maior produtor de petróleo do país e primeiro em 
produção terrestre. 
 Atualmente, depois da água, o segundo material mais consumido pela civilização é o 
concreto (HELENE, 1992). Esta constatação,levantada pela primeira vez por BRUNAUER e 
COPELAND (1964, apud MEHTA e MONTEIRO, 1994), reflete a importância econômica deste 
material para a ciência e a tecnologia. GRANATO e PAULON (2002) citam estimativa de que 
seu consumo mundial é da ordem de 6 Gkg por ano, o que significa um consumo anual 
aproximado de 1000 kg por ser humano. 
Considerando que o cimento Portland é o material mais nobre do concreto (compósito de 
grandes partículas, CALLISTER, 1999) e que o mesmo representa, em média, a oitava parte do 
concreto, pode-se chegar a um cálculo simples que revela um consumo de 125 kg de cimento 
Portland por ser humano vivo, em função do seu dual valor econômico. Se por um lado o cimento 
Portland implica na movimentação de grandes volumes de capital (investimento em fábricas, 
logística, marketing, transporte, etc.), por outro é um dos materiais mais acessíveis (KELLY and
MILEIKO, 1983) até pelas populações de baixa renda que o utilizam cotidianamente nas mais 
diversas aplicações. 
Existem diversas variedades de cimento, de acordo com suas matérias-primas de 
fabricação. Assim, o cimento tipo Portland, invariavelmente, está presente em quase todas as 
aplicações de engenharia da humanidade. A exploração de poços de petróleo não é diferente da 
prática da engenharia, pois também emprega o cimento Portland na cimentação dos anulares dos 
poços, local onde são necessários isolamento, estabilidade e vedação. 
23
Algumas das razões que motivaram a realização desta pesquisa foram: 
a) A civilização atual necessita otimizar a exploração de petróleo por meio da redução de 
seus custos operacionais e por meio do aumento do fator de recuperação de petróleo; 
b) O material mais accessível para a cimentação de poços, em função de suas 
características tecnológicas e econômicas é o cimento Portland; 
c) O risco de contaminação durante a produção pelo anular deve ser reduzido por meio do 
aumento da integridade física das bainhas e 
d) Condições de contorno significativamente diferentes entre os corpos-de-prova não 
confinados ensaiados em laboratório e a bainha confinada no fundo do poço. 
 A exploração de poços antigos de petróleo e gás, que estão próximos de sua depletação, é 
realizada através da operação denominada recuperação secundária. Quando um determinado poço 
apresenta falhas em sua cimentação é necessário que seja realizada a operação de cimentação 
secundária. Esta, por sua vez, é caracterizada pela repetição do processo de cimentação, ou seja, 
introduz-se a tubulação de bombeio dentro da tubulação de revestimento e injeta-se a pasta de 
cimento Portland para correção das falhas detectadas, com a conseqüente interrupção da produção 
de petróleo. 
O aumento do fator água/cimento, ou fator água/material cimentante provoca a redução 
das boas propriedades que o cimento Portland possui (MEHTA e MONTEIRO, 1994 e NELSON 
et al, 1990). Além disso, a indústria do petróleo ainda não dispõe de um material único que 
apresente baixa viscosidade e propriedades mecânicas satisfatórias, tais como, altas resistência à 
tração, tenacidade e resiliência, efeito Poisson reduzido, etc. 
 Para que o cimento Portland especial passasse a apresentar propriedades mais adequadas 
quando endurecido, introduziu-se um biopolímero na pasta com a finalidade de avaliar o seu 
desempenho. 
24
1.1 OBJETIVOS 
 1.1.1 Objetivo geral 
 O objetivo geral desta pesquisa foi o de desenvolver uma pasta cimentante aditivada com 
um biopolímero, que apresentasse desempenho superior às pastas de referência à base de cimento 
Portland especial, quando submetida a ciclos de injeção de vapor típicos do cotidiano de 
exploração de poços de petróleo e gás natural em que se emprega a recuperação secundária como 
forma de aumento da produção de petróleo. 
 A busca desta pasta esteve intimamente relacionada à procura de um material que 
apresentasse maiores tenacidade e resiliência que uma pasta de referência, quando submetida a 
ensaios de tração. Assim, procurou-se um material com comportamento mais elasto-plástico, com 
predomínio do comportamento elástico sobre o plástico. 
 Entendendo-se finalidade como sendo uma conseqüência do objetivo geral, esta pesquisa 
procurou promover situações em que fossem reduzidas as intervenções necessárias para correção 
de poços que apresentam falhas, reduzindo, conseqüentemente, os custos da explotação e 
exploração de petróleo. 
 1.1.2 Objetivos específicos
 Os objetivos específicos foram: 
a) Comparar as propriedades de resistência à compressão e à tração para os tempos de 8 
h, 12 h, 1 d, 3 d e 7 d da pasta de referência com pastas com biopolímero; 
b) Comparar o comportamento da pasta de referência com pastas com biopolímero em 
relação às propriedades reológicas, tempo de espessamento, volume de filtrado e 
formação de água livre; 
c) Analisar a microestrutura da pasta de referência com pastas com biopolímero; 
25
d) Verificar a interação física entre a pasta com biopolímero e a formação rochosa por 
meio do modelo matemático utilizando o método dos elementos finitos e 
e) Propor um simulador de contração e expansão radial de bainha. 
26
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
 2.1 Cimentos 
 Existe uma significativa variedade de cimentos disponíveis no mercado mundial, cada um 
com características específicas voltado também para aplicações específicas. 
Alguns destes cimentos disponíveis são os citados na Tabela 1 que não pretende ser 
exaustiva, mas permite que se tenha uma boa idéia da diversidade e disponibilidade de cimentos 
existentes no mundo (MARONNA e PRISZKULNIK, 2001; MEHTA e MONTEIRO, 1994; 
HEWLETT et al, 2004; TAYLOR, 2003; MUNTEAN, 2000; DANTAS apud FREIRE e 
BERALDO, 2003). 
Tabela 1. Tipos e aplicações de cimentos. 
Tipos de cimentos Campos de aplicações / característica 
- cimento Portland Concreto, argamassa e pasta em geral 
- cimento Portland composto Durabilidade 
- cimento Portland modificado Construções específicas 
- cimento Portland pozolânico Barragens 
- cimento Portland hidrofóbico Áreas molhadas 
- cimento de aluminato de cálcio, cimento fondu, 
cimento com alto teor de alumina ou cimento 
aluminoso 
Refratários 
- cimento Sorel ou cimento a base de óxido e cloreto 
de magnésio 
Refratários 
- cimento a base de óxido e sulfato de magnésio Refratários 
- cimento a base de óxido e cloreto de zinco Maior resistência à corrosão 
- cimento a base de óxido e cloreto de alumínio Aceleração de pega 
- cimento a base de fosfato-silicoso Refratários 
- cimento a base de hexametafosfato de sódio Controle de trabalhabilidade 
- cimento a base de fosfato e cálcio Reconstituição óssea 
- cimento a base de fosfato de zinco Maior resistência à corrosão 
- cimento a base de fosfato de magnésio Refratários 
27
Cont. Tabela 1. 
Tipos de cimentos Campos de aplicações / característica 
- cimento a base de fosfato de magnésio e amônia Refratários 
- cimento a base de tripolifosfato de magnésio Refratários
- cimento a base de óxido de magnésio Refratários 
- cimento a base de fosfato de cálcio Reconstituição óssea
- cimento branco Acabamento decorativo 
- cimento colorido Acabamento decorativo 
- cimento expansivo (K, M, S e O) Retração 
- cimento de pega e endurecimento rápidos Controle de pega 
- cimento com clínquer de fluoraminato de cálcio, 
cimento de pega regulada ou cimento de 
tamponamento 
Controle de pega 
- cimento com elevada resistência inicial Fundações 
- cimento de alvenaria Alvenaria 
- cimento com alto teor de ferro Alta resistência a sulfatos 
- cimento Portland para cimentação de poços de 
petróleo 
Cimentação de poços de petróleo 
- cimento ártico ou cimento Portland para cimentação 
de poços de petróleo com cloreto de sal para 
aplicações em áreas frias 
Regiões frias onde é necessária a 
aceleração da pega 
- cimento para pintura Selantes para impermeabilização 
- cimento produzido com baixo consumo de energia Questões ambientais 
- cimentorico em belita Resistência mecânica 
- cimento rico em belinita Resistência mecânica 
- cimento rico em alita Controle de pega 
- cimento rico em alinita Controle de pega 
- cimento a base de ferrita Resistência à corrosão 
- cimento a base de higrogranada (hydrogarnet) Cimentos de pega rápida e expansivos 
- cimento a base de polímeros Recuperação de estruturas 
- cimento Portland com polímero Necessidade de maior resistência à 
tração 
28
Cont. Tabela 1. 
Tipos de cimentos Campos de aplicações / característica 
- cimento Portland impregnado com polímero Impermeabilização e recuperação 
- cimento termoplástico Resistência à tração 
- cimento a base de cal Acabamento 
- cimento a base de gesso Acabamento 
- cimento a base de minerais orgânicos Resistência mecânica 
- cimento a base de geopolímero Pastas em geral alternativas 
- cimento a base de aluminosilicatos Refratários 
- cimentos sem água para hidratação Aplicações específicas
- cimento a base de boratos Aplicações específicas 
- cimento a base de estrôncio Aplicações específicas 
- cimento a base de bário Aplicações específicas 
- cimento a base de germânio Aplicações específicas 
- cimento a base de chumbo Aplicações específicas 
- cimento a base de estanho Aplicações específicas 
- cimento Portland sem adição de gesso Controle de pega 
- cimento ultrafino Aceleração de pega 
- cimento com pós reativos Alta resistência mecânica 
Destes tipos de cimento, o Portland domina o mercado mundial devido ao seu custo ser 
inferior ao custo dos demais cimentos disponíveis e também às suas propriedades. Isto não 
significa dizer que os demais tipos de cimentos sejam inferiores ao Portland. A explicação para 
este consumo preponderante está no fato do cimento Portland ter sido criado a mais tempo que os 
outros, o que fez com que todo um setor industrial se desenvolvesse, com a conseqüente redução 
de custos devida ao grande volume de produção. 
É interessante observar que muitos dos tipos de cimento são variações do Portland. Este é 
o caso, por exemplo, dos cimentos para cimentação de poços de petróleo, que são Portland’s com 
baixa concentração de C3A e grãos com dimensões maiores que aquelas dos cimentos Portland 
comuns. 
29
 2.2 Cimento Portland 
 Um dos melhores relatos sobre a história do cimento Portland é encontrado na publicação 
Leas’s Chemistry of Cement and Concrete, dos pesquisadores FREDERICK LEA e CECIL 
DESCH (HEWLETT et al, 2004). Esta obra, publicada em sua primeira edição no ano de 1935, 
apresenta conceitos gerais sobre o tema e aprofunda vários deles, constituindo-se em literatura de 
referência para aqueles que pretendem aprofundar seus conhecimentos na química e tecnologia do 
cimento Portland. Para uma leitura mais rápida, a história do cimento Portland pode ser vista na 
excelente e didática revisão bibliográfica da dissertação do pesquisador VALDIR APARECIDO 
ZAMPIERI, intitulada Mineralogia e mecanismos de ativação e reação das pozolanas de argilas 
calcinadas (ZAMPIERI, 1989). 
O cimento Portland, patenteado por JOSEPH ASPDIN em 21 de outubro de 1824 
(HEWLETT et al, 2004), tem sido utilizado pelo homem a quase dois séculos e se mostra como 
um dos materiais de maior consumo da humanidade atual, conforme dedução obtida a partir das 
pesquisas de BRUNAUER e COPELAND (1964 apud MEHTA e MONTEIRO, 1994). 
 Construções executadas a partir de cimentos rudimentares equivalentes ao cimento 
Portland atestam a existência de materiais de construção duráveis que desafiam o tempo e o 
entendimento do homem sobre o porquê de suas formulações terem sido perdidas entre os séculos 
III e XVIII, só sendo recuperadas com os trabalhos de JOHN SMEATON em 1756 (HEWLETT 
et al, 2004) e, um pouco depois, por JOSEPH ASPDIN em 1824. 
 Após a concretização dos trabalhos desenvolvidos por JOHN SMEATON, JOSEPH 
ASPDIN e diversos outros pesquisadores nos séculos XVIII e XIX, o século XX caracterizou-se 
pelo desenvolvimento da química da fabricação do cimento Portland em todos os continentes. A 
indústria cimenteira domina, atualmente, a tecnologia da fabricação do cimento Portland sob seus 
diversos aspectos. Equipamentos modernos garantem a produção de diversos tipos de cimentos 
com controle rigoroso de qualidade. Resta ainda, porém, o domínio sobre o processo de 
hidratação do cimento Portland que depende fortemente da termodinâmica envolvida no processo 
de produção. É sabido que o cimento anidro reage com a água se hidratando e formando 
compostos com boa resistência mecânica e excelente resistência ao intemperismo, principalmente 
o físico representado pela ação da água sob suas mais diversas formas. No entanto, a cinética 
desta reação ainda não é totalmente conhecida, muito menos controlada. Este fato é responsável 
pela dispersão de valores obtidos nas pesquisas que empregam o cimento portland como material 
30
de estudo. Esta característica do cimento pode ser percebida em texto de AÏTCIN (2000), quando 
ele afirma que o comportamento do concreto, se ainda não foi adequadamente entendido pela 
análise de sua microestrutura, provavelmente o será quando sua nanoestrutura assim o for 
estudada. Entenda-se, aqui, o concreto como sendo um material cujo aglomerante hidráulico 
básico é o cimento Portland, e, portanto, o mesmo tipo de afirmação pode ser feito em relação a 
este material que tanta variabilidade de resultados apresenta após a ocorrência do processo de 
hidratação. 
 2.3 Tipos e classes de cimento Portland 
Tratando-se da variedade de cimentos Portland, encontram-se no mercado vários tipos de 
cimento em função dos compostos que são empregados no seu fabrico. Os cimentos utilizados no 
Brasil são normalizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e são 
classificados em dois grandes grupos: 
- Cimentos de uso geral para emprego na construção civil e 
- Cimentos especiais para cimentação de poços de petróleo. 
As tabelas 2, 3, 4 e 5 seguintes mostram: os diversos tipos de cimento Portland 
normalizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), pelo American Petroleum 
Institute (API), pela American Society for Testing and Materials (ASTM) e equivalência entre 
cimentos americanos e brasileiros, respectivamente. Os cimentos Portland classificados pela API 
não são divididos em tipos, mas em classes que devem ser atendidas de acordo com a 
profundidade do poço de petróleo. 
31
Tabela 2. Tipos de cimento Portland para uso na construção civil normalizados pela ABNT 
(normas indicadas da ABNT). 
 Classe de Composição básica (% em massa) 
Sigla Denominação 
Cimento Portland 
Norma da 
ABNT 
resistência
(MPa) 
Clínquer +
gesso 
Escória Pozolana Calcário
(filler) 
CPI Comum NBR-5732 25-32-40 100 - - - 
CPI-S Comum com Adição NBR-5732 25-32-40 95-99 1-5 1-5 1-5 
CPI-RS Resistente a Sulfatos NBR-5737 
CPI-S RS Resistente a Sulfatos NBR-5737 
CPII-E Composto com Escória NBR-11578 25-32-40 56-94 6-34 - 0-10 
CPII-Z Composto com Pozolana NBR-11578 25-32-40 76-94 - 6-14 0-10 
CPII-F Composto com Filler NBR-11578 25-32-40 90-94 - - 6-10 
CPII-E RS Resistente a Sulfatos NBR-5737 
CPII-Z RS Resistente a Sulfatos NBR-5737 
CPII-F RS Resistente a Sulfatos NBR-5737 
CPIII de Alto Forno NBR-5735 25-32-40 25-65 35-70 - 0-5 
CPIII-RS Resistente a Sulfatos NBR-5737 
CPIV Pozolânico NBR-5736 25-32 45-85 - 15-50 0-5 
CPIV-RS Resistente a Sulfatos NBR-5737 
CPV-ARI de Alta Resistência Inicial NBR-5733 ARI 95-100 - - 0-5 
Tabela 3. Classes de cimento Portland destinados a poços de petróleo normalizados pela API 
(NELSON et al, 1990). 
Classe
Composição potencial 
típica das fases (%) 
Superfície 
específica
Intervalo de profundidade
 C3S β-C2S C3A C4AF (m²/kg) recomendado (m) 
A 45 27 11 8 160 0,0 - 1 828,8 
B 44 31 5 13 160 0,0 - 1 828,8 
C 53 19 11 9 220 0,0 - 1 828,8 
D 28 49 4 12 150 1 828,8 - 3 048,0 
E 38 43 4 9 150 3 048,0 - 4 267,2 
F - - - - - 3 048,0- 4 876,8 
G 50 30 5 12 180 0,0 - 2 438,4 
H 50 30 5 12 160 0,0 - 2 438,4 
J - - - - - 3 657,6 - 4 876,8 
32
Tabela 4. Tipos de cimento Portland normalizados pela ASTM (SOMAYAJI, 2001). 
Teores dos componentes básicos (%) 
C3S βC2S C3A C4AF + 2C3ATipo
(máx.) (mín.) (máx.) (máx.) 
Empregos 
I - - - - Uso geral sem propriedades requeridas 
IA - - - - Idem, com incorporador de ar 
II - - 8 - Uso geral com moderada resistência a sulfatos
e moderado calor de hidratação 
IIA - - 8 - Idem, com incorporador de ar 
III - - 15 - Quando é requerida alta resistência inicial 
IIIA - - 15 - Idem, com incorporador de ar 
IV 35 40 7 - Quando é requerido baixo calor de hidratação
V - - 5 25 Quando é requerida alta resistência a sulfatos
33
Tabela 5. Equivalência entre cimentos americanos e brasileiros (MEHTA e MONTEIRO, 1994). 
Denominação 
Americana 
Tipo 
sigla 
Norma 
americana 
Denominação 
brasileira 
Tipo 
sigla 
Norma 
brasileira 
Portland I ASTM C150 Portland comum CPI NBR 5732 
- - - Portland comum com 
adição 
CPI-S NBR 5732 
Slag-Modified Portland I (SM) ASTM C595 Portland composto com 
escória 
CPII-E NBR 11578 
Pozzolan-Modified Portland I (MP) ASTM C595 Portland composto com 
pozolana 
CPII-Z NBR 11578 
- - - Portland composto com 
filler 
CPII-F NBR 11578 
Portland Blastfurnace Slag IS ASTM C595 Portland de alto forno CPIII NBR 5735 
Portland Pozzolan IP ASTM C595 Portland pozolânico CPIV NBR 5736 
Portland with High Early 
Strengh 
III ASTM C150 Portland de alta resistência 
inicial 
CPV-ARI NBR 5733 
Portland with Moderate 
Sulphate Resistance 
II ASTM C150 Portland resistente a 
sulfatos 
CPI RS NBR 5737 
Portland with High Sulphate 
Resistance 
V ASTM C150 Portland resistente a 
sulfatos 
CPI-S RS NBR 5737 
Slag Modified Portland-
Moderate Sulphate Resistance
I (SM) MS ASTM C595 Portland resistente a 
sulfatos 
CPII-E RS NBR 5737 
Pozzolan-Modified Portland-
Moderate Sulphate Resistance
I (MP) MS ASTM C595 Portland resistente a 
sulfatos 
CPII-Z RS NBR 5737 
- - - Portland resistente a 
sulfatos 
CPII-F RS NBR 5737 
Portland Blastfurnace Slag-
Moderate Sulphate Resistance
IS (MS) ASTM C595 Portland resistente a 
sulfatos 
CPIII RS NBR 5737 
Portland Pozzolan-Moderate 
Sulphate Resistance 
IP (MS) ASTM C595 Portland resistente a 
sulfatos 
CPIV RS NBR 5737 
 A diferença entre os cimentos de uso geral e os destinados para cimentação de poços de 
petróleo está associada ao controle adotado no processo de fabricação e aos teores dos quatro 
componentes básicos do cimento Portland anidro, a saber, C2S, C3S, C3A e C4AF. Observe-se que 
as classes de cimento Portland especificadas pela API não se referem a cimentos diferentes dos 
especificados pelas normas americanas ou brasileiras. Alguns destes cimentos, inclusive, se 
34
enquadram nas classes da API. A Tabela 6 abaixo mostra algumas correspondências existentes 
entre os cimentos brasileiros e americanos (NELSON, 1994 e THOMAS, 2001). 
Tabela 6. Correspondência entre cimentos ASTM, NBR e API. 
Tipo ASTM Tipo NBR Classe API correspondente 
I CPI A 
- CPI-S A 
IA - A 
II CPI-RS B 
IIA - B 
V CPI-S RS - 
I (SM) CPII-E - 
I (MP) CPII-Z - 
- CPII-F - 
I (SM) RS CPII-E RS - 
I (MP) RS CPII-Z RS - 
- CPII-F RS - 
IS CPIII - 
IS (MS) CPIII-RS - 
IP CPIV - 
IP (MS) CPIV-RS - 
III CPV-ARI C 
IIIA - C 
 Alguns dos cimentos que não apresentam correspondência com as classes da API podem 
ser enquadrados nas mesmas, desde que ensaios de caracterização sejam realizados e se atendam 
às exigências desta norma. Por exemplo: é bastante provável que o CPIV-RS brasileiro, 
equivalente ao IP (MS) americano, possa se enquadrar na classe G da API, pois este cimento 
apresenta alta quantidade de pozolana, baixo teor de C3A e alta resistência a sulfatos. 
Evidentemente, os ensaios da API devem ser realizados para se verificar a correspondência entre 
os dois tipos e a classe API correspondente. 
35
 2.4 Composição potencial de Bogue e composição otimizada 
 Os cimentos tipo Portland são fabricados a partir de misturas de calcário, argila e outros 
compostos de menor importância de acordo com a finalidade que se deseja. No final do processo, 
o cimento Portland anidro apresenta quatro fases cristalinas principais: alita, belita, celita e ferrita 
ou brownmilerita (MORELLI, 2000), que são apresentadas em maiores detalhes na Tabela 7 (LU 
et al, 1993, MINDESS et al, 1981 e YOUNG et al, 1987 apud GARBOCZ, 1994). 
Tabela 7. Principais fases cristalinas do cimento Portland. 
Fase 
cristalina 
Fórmula 
química 
Simbologia da indústria 
do cimento 
Massa específica 
[kg/m³] 
Volume molar 
[m³/Mmol] 
Silicato tricálcico 3CaO SiO2 C3S (alita) 3 210 71,0 
Silicato dicálcico 2CaO SiO2 C2S (belita) 3 280 52,4 
Aluminato tricálcico 3CaO Al2O3 C3A (celita) 3 030 89,1 
Ferroaluminato tetracálcico 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF (brownmilerita) 3 730 128,0 
 Em termos de propriedades físicas e composição mineralógica, a diferença entre os 
diversos tipos de cimento Portland está relacionada ao seu grau de finura e aos teores dos seus 
quatro compostos principais. É evidente que a termodinâmica envolvida no processo de 
fabricação do clínquer influencia as propriedades do cimento Portland resultante, mas as duas 
características primeiras mostram-se como as mais significativas na indústria cimenteira. 
Um cimento com baixo grau de moagem, ou seja, pequena superfície específica, 
apresentará pega lenta, pois a cinética de hidratação será, também, mais lenta; um cimento com 
alto teor de C3A apresentará rápida cinética de hidratação, etc. 
Observe-se que não são compostos diferentes que determinam as propriedades do cimento 
Portland, mas a finura e a proporção de cada uma de suas quatro fases principais. No entanto, não 
se pretende dizer, aqui, que adições e aditivos incorporados ao cimento Portland não são capazes 
de modificar suas propriedades, eles podem até ser utilizados, mas geralmente o são com a 
finalidade de otimizar alguma propriedade desejada. 
 O processo de fabricação do clínquer do cimento Portland é controlado através de diversas 
formas. O método mais empregado é a análise de três fatores obtidos em função dos seus teores 
de óxidos (TAYLOR, 2003), são eles: fator de saturação de cal (FSC), módulo de sílica (MS) e 
módulo de alumina (MA), dados pelas seguintes equações (GOMES, 1988): 
36
 FSC = CaO/(2,8 SiO2 + 1,2 Al2O3 + 0,65 Fe2O3) ⇒ 0,95 a 1,10 (valores limite) 
 MS = SiO2/(Al2O3 + Fe2O3) ⇒ 1,70 a 3,10 (valores limite) 
⇒ 2,40 a 2,70 (valores ideais) 
 MA = Al2O3/Fe2O3 ⇒ 1,20 a 3,20 (valores limite) 
 ⇒ 1,40 a 1,60 (valores ideais) 
Segundo TAYLOR (2003), valores típicos do FSC para clínqueres modernos estão 
compreendidos entre 0,92 e 0,98. Para valores limites do MS tem-se 2,0 a 3,0 e para o MA tem-se 
1,0 a 4,0. Estes números divergem dos indicados por GOMES (1988), mas indicam uma ordem de 
grandeza do que se espera encontrar em um clínquer que ainda será produzido. 
 A composição final que um determinado clínquer apresentará dependerá de vários fatores, 
tais como a termodinâmica envolvida no processo de preparação e queima no forno rotativo, a 
natureza dos minerais componentes da matéria-prima, a presença de impurezas, etc. Duas formas 
simples e práticas de se estimar as fases principais que um clínquer possuirá, foram criadas por R. 
H. Bogue em 1929 e 1947. A segunda, de 1947, mais prática e menos precisa, utiliza os três 
fatores anteriores e, por meio de um gráfico (ZAMPIERI, 1989), determina o valor de cada uma 
das quatro fases. A primeira forma, de 1929, menos prática e mais precisa, determina as quatro 
fases por meio das equações de Bogue, em função da quantidade dos quatro principais óxidos 
presentes na matéria-prima do cimento Portland, que são a cal, a sílica, a alumina e a ferrita. A 
ASTM introduziu algumas modificações nas equações originais de Bogue atravésda norma 
ASTM C 150-94 (HEWLETT et al, 2004). Outros autores também mostram variações, não só nas 
constantes que multiplicam os teores de óxidos, mas também na forma como as equações são 
utilizadas e, até mesmo, no próprio ato de tradução das equações originais para a língua 
portuguesa. 
A Tabela 8 seguinte mostra algumas das variações das equações. 
37
Tabela 8. Variações das equações de Bogue. 
Índice multiplicador Fase 
cristalina
Autor 
C3S β-C2S C3A C4AF 
Bogue, 1955 apud Mehta et al, 1994 + 4,071 - - - 
ASTM C 150-94 + 4,071 - - - 
Bogue apud Taylor, 2003 + 4,0710 - - - 
Gomes, 1988 + 4,07 - - - 
CaO 
ABNT NBR 9831, 1993 + 4,07 - - - 
Bogue, 1955 apud Mehta et al, 1994 - 7,600 + 2,867 - - 
ASTM C 150-94 - 7,600 + 2,867 - - 
Bogue apud Taylor, 2003 - 7,6024 + 2,8675 - - 
Gomes, 1988 - 7,60 + 2,87 - - 
SiO2
ABNT NBR 9831, 1993 - 7,60 - - - 
Bogue, 1955 apud Mehta et al, 1994 - 6,718 - + 2,650 - 
ASTM C 150-94 - 6,718 - + 2,650 - 
Bogue apud Taylor, 2003 - 6,7187 - + 2,6504 - 
Gomes, 1988 - 6,72 - + 2,65 - 
Al2O3
ABNT NBR 9831, 1993 - 6,72 - + 2,65 - 
Bogue, 1955 apud Mehta et al, 1994 - 1,430 - - 1,692 + 3,043 
ASTM C 150-94 - 1,430 - - 1,692 + 3,043 
Bogue apud Taylor, 2003 - 1,4297 - - 1,6920 + 3,0432
Gomes, 1988 - 1,43 - - 1,69 + 3,04 
Fe2O3
ABNT NBR 9831, 1993 - 1,43 - - 1,69 + 3,04 
Bogue, 1955 apud Mehta et al, 1994 - - 0,7544 - - 
ASTM C 150-94 - - 0,7544 - - 
Bogue apud Taylor, 2003 - - 0,7544 - - 
Gomes, 1988 - - 0,754 - - 
C3S 
ABNT NBR 9831, 1993 - - - - 
Bogue, 1955 apud Mehta et al, 1994 - - - - 
ASTM C 150-94 - - - - 
Bogue apud Taylor, 2003 - - - - 
Gomes, 1988 - - - - 
SO3
ABNT NBR 9831, 1993 - 2,85 - - - 
 Pode-se observar que alguns dos índices multiplicadores são iguais e outros mudam 
conforme critérios provenientes da experiência com a aplicação das equações originais de Bogue. 
38
 Outra forma de utilização das equações tradicionais de Bogue pode ser feita através do 
Nomograma de Bogue encontrado, por exemplo, em PETRUCCI e PAULON (1982), trata-se de 
uma aplicação gráfica das equações de Bogue com precisão bastante questionável. 
 Através de métodos mais precisos, como a difração por raios X quantitativa e, mais 
comumente, a microscopia ótica de luz refletida (ASTM, C 1356 - 96, 2001), é possível se 
determinar com mais exatidão as fases presentes no clínquer e, por meio de comparação, verificar 
se os resultados são equivalentes aos obtidos através da equação de Bogue. Sobre a técnica de 
quantificação de fases por meio da difração por raios X, alguns métodos já foram desenvolvidos 
em função da comparação da intensidade de difração de cada fase presente no composto com 
padrões de intensidade puros preparados com cada fase isoladamente. Estes métodos baseiam-se, 
geralmente, nas proposições de KLUG e ALEXANDER (1954 apud KIHARA et al, 1983), que 
desenvolveram uma equação que correlaciona a intensidade da raia de um determinado mineral 
com sua concentração, massa específica, coeficiente de absorção de massa e coeficiente de 
absorção de massa da matriz que o envolve, etc. (KIHARA et al, 1983). Esta metodologia, 
otimizada posteriormente, já apresenta variações, como são os casos do método das adições, do 
método do padrão interno, do método do padrão externo, do método da medida direta da altura ou 
área de um pico de difração em comparação com curva pré-calibrada (PIETROLUONGO e 
VEIGA, 1982) e de um quinto método obtido a partir da combinação dos dois últimos (KIHARA 
et al, 1983). 
Quando Bogue concebeu suas equações, ele partiu das seguintes premissas (ABCP; 
TAYLOR, 2003): 
a) A temperatura de queima do clínquer é de 2000ºC; 
b) Os compostos C3S, C2S, C3A e C4AF a serem queimados são puros; 
c) Existe uma perfeita combinação entre os óxidos e 
d) As reações ocorrem em equilíbrio estequiométrico. 
No entanto, os clínqueres geralmente são queimados em temperaturas entre 1400ºC e 
1500ºC e não contêm apenas as quatro fases principais, pois sempre estão presentes alguns 
39
compostos, tais como MgO, Na2O, P2O5, K2O, Ti2O, Mn2O3, SO3, CaO livre, etc., que interferem 
nos valores finais das quatro fases e na própria temperatura de queima. Assim, as equações de 
Bogue, modificadas ou não, geralmente apresentam discrepâncias em relação aos seguintes 
pontos (ABCP; DELOYE, 1970 apud ABCP; ALDRIDGE and EARDLEY, 1973 apud ABCP; 
TAYLOR, 2003): 
a) A soma dos silicatos C3S e C2S é inferior à soma obtida por microscopia ótica e/ou 
difração por raios X quantitativa. Esta diferença pode chegar a 14 %; 
b) A soma da fase intersticial (C3A + C4AF) é superior à soma obtida por microscopia 
ótica e/ou difração por raios X quantitativa; 
c) A cal livre obtida por microscopia ótica e/ou difração por raios X quantitativa é 
inferior ao valor obtido pelas equações de Bogue e 
d) Os valores de CaO livre e MgO obtidos diretamente da análise química são superiores 
aos observados por microscopia ótica e/ou difração por raios X quantitativa. 
Estas diferenças estão relacionadas à incorporação, por substituição, das impurezas nas 
redes cristalinas das quatro fases principais e ocorrência de reconversões de fases durante o 
resfriamento do clínquer (ABCP; TAYLOR, 2003). Isto comprova que o princípio adotado nas 
equações de Bogue não é correto, pois as fases não são puras no clínquer final. Dessa forma, a 
composição do clínquer obtida através das equações de Bogue é denominada de composição 
potencial do clínquer, em função de não apresentar precisão, no entanto, para fins práticos e 
clínqueres de cimentos Portland comuns as equações de Bogue são utilizadas sem maiores 
transtornos. 
Este não é o caso, no entanto, dos cimentos destinados para a cimentação de poços de 
petróleo, que apresentam impurezas maiores que os cimentos Portland comercializados na 
indústria da construção civil. A preocupação com o controle de qualidade do clínquer que será 
produzido está sempre relacionada à determinação prévia das quatro fases principais. A 
microscopia ótica e a difração de raios X quantitativa são técnicas importantes e precisas, mas só 
podem ser utilizadas após o clínquer estar pronto. Assim, mais recentemente, YAMAGUCHI e 
40
TAKAGI (1969 apud TAYLOR, 2003), TAYLOR (1989 apud TAYLOR, 2003) e HARRISSON, 
TAYLOR e WINTER (1985 apud TAYLOR, 2003) propuseram uma forma mais precisa de se 
determinar a composição do clínquer em função dos seus óxidos a partir da resolução de sistemas 
de equações lineares, com quatro incógnitas representando as porcentagens de cada uma das fases 
e quatro equações representando a influência de cada um dos quatro principais óxidos 
constituintes da matéria-prima do clínquer (CaO, SiO2, Al2O3 e Fe2O3) com seus teores 
devidamente corrigidos em função das impurezas presentes em sua matéria-prima. Este 
procedimento foi utilizado no item 4.1 Características físico-químicas e apresentou coerência 
maior que os resultados obtidos pelas equações de Bogue, principalmente em relação aos teores 
de C3A e C4AF. 
 2.5 Hidratação do cimento Portland 
Um fator importante quando se lida com o bombeio de pastas de cimento Portland em 
poços de petróleo refere-se às suas reações de hidratação em temperaturas elevadas, pois o 
cimento Portland foi desenvolvido, acidentalmente, para ser empregado em temperaturas 
próximas à temperatura ambiente (5ºC a 40ºC). Sob tais condições, ou seja, temperatura ambiente, 
o cimento Portland se hidrata e gera os produtos constantes da Tabela 9 (LU et al, 1993, 
MINDESS et al, 1981 e YOUNG et al, 1987 apud GARBOCZ, 1994). 
Tabela 9. Principais produtos da hidratação do cimento Portland em ordem de importância. 
Fase 
Simbologia da indústria 
do cimento 
Massa específica
[g/cm³] 
Volume molar 
[cm³/mol] 
Silicato cálcico hidratado C-S-H 1,85 124,0 
Hidróxido de cálcio CH 2,24 33,1 
Etringita C6AS3H32 1,75 715,0 
Monossulfato C4ASH12 1,99 313,0 
Hidrogranada C3AH6 2,52 150,0 
Hidróxido de ferro FH32,20 95,2 
A hidratação do cimento Portland depende de vários fatores e as condições em que a 
mesma ocorre determina boa parte do comportamento à fissuração da pasta endurecida. A adição 
de sulfato de cálcio, que tem a função de controlar a pega do cimento Portland, atua retardando a 
41
reação do C3A, que é a fase que apresenta cinética mais rápida. Quando em contato com a água, o 
sulfato de cálcio forma uma película de etringita ao redor do C3A que funciona como uma 
blindagem, evitando que o mesmo se hidrate rapidamente. Com o passar do tempo, como a 
etringita é expansiva, a película é rompida e a água volta a entrar em contato com o sulfato de 
cálcio restante, até que este seja totalmente consumido, quando então a água irá reagir com o C3A, 
gerando as fases hidrogranada e monossulfato hidratado, conferindo rigidez à pasta (MORELLI, 
2000). 
As reações químicas de hidratação dos quatro compostos básicos do cimento Portland não 
são precisamente conhecidas, pois fatores como temperatura, presença de álcalis, pressão, 
umidade relativa do ar, superfície específica, relação água/cimento, etc (MEHTA e MONTEIRO, 
1994; HEWLETT et al, 2004; TAYLOR, 2003) podem fazer com que uma determinada fase 
interaja de forma distinta com a água, resultando em produtos de hidratação com variações em sua 
resistência mecânica, cristalinidade, permeabilidade, etc. As fases dos clínqueres produzidos 
raramente se apresentam em suas formas estequiométricas, daí as reações de hidratação não 
ocorrerem também de forma estequiométrica (MORELLI, 2000). Além disso, existem 
controvérsias quanto à quantidade de água necessária para se hidratar o cimento Portland. Alguns 
autores, como MORELLI (2000), afirmam que a quantidade de água necessária para se hidratar 
completamente o cimento Portland varia de 35 % a 40 % (fator – água/cimento de 0,35 a 0,40) em 
relação à massa de cimento anidro. Outros, como MEHTA e MONTEIRO (1994), NEVILLE 
(1997), TAYLOR (2003) e HEWLETT et al (2004), posicionam este valor em torno de 25 %, que 
é significativamente menor que 35 % - 40 % (28,57 % a 37,50 %, em relação aos valores de 
MORELLI (2000)). 
As reações de hidratação dos quatro compostos básicos do cimento Portland consomem 
quantidades de água diferentes. De um modo geral, estas quantidades são as descriminadas nos 
itens seguintes. 
2.5.1 Reação de hidratação do silicato tricálcico (alita) 
 Segundo MEHTA e MONTEIRO (1994), NEVILLE (1997), BRUNAUER (1962 apud
BAZĂNT and KAPLAN, 1996) e CZERNIN (1962 apud BAZĂNT and KAPLAN, 1996) o 
silicato tricálcico se hidrata conforme a seguinte reação. 
42
a) Simbologia da indústria do cimento 
 2C3S + 6H ⇒ C3-S2-H3 + 3CH 
 Uma expressão mais elaborada para esta fórmula é encontrada em HEWLETT et al (2004) 
que introduz os parâmetros m e n e vincula a validade da expressão à superfície específica do 
cimento Portland. Eis a expressão: 
 C3S + (3 + m - n) H ⇒ n C-S-m H + (3 - n ) CH 
 Esta expressão é válida para cimentos Portland com superfície específica entre 300 m²/kg 
e 500 m²/kg. Os valores dos parâmetros m e n são geralmente 1,5 para ambos, isto significa dizer 
que, havendo a substituição dos mesmos, a expressão passa a ser idêntica a de Neville juntamente 
com Mehta e Monteiro. A novidade é exatamente a dependência da hidratação à superfície 
específica do cimento Portland. 
É interessante observar que o futuro espera uma expressão, não só para o silicato 
tricálcico, mas para todos os compostos do cimento Portland, que contemple as variáveis que 
influenciam o processo. Assim, a hidratação do cimento Portland será mais bem conhecida 
quando uma determinada expressão depender da variação de temperatura de cura, da superfície 
específica, da umidade relativa do ar, etc. 
b) Substituindo pela simbologia da química, tem-se: 
 2[(CaO)3 SiO2] + 6H2O ⇒ (CaO)3 . (SiO2)2 . (H2O)3 + 3[CaO . H2O] 
c) Considerando as massas atômicas dos elementos químicos dados na Tabela 10 (CALLISTER 
JR., 1999). 
43
Tabela 10. Massas atômicas dos principais elementos químicos do cimento Portland. 
Elemento químico Massa atômica (u.m.a.)
Hidrogênio 1,008 
Oxigênio 15,999 
Alumínio 26,982 
Silício 28,086 
Enxofre 32,060 
Cálcio 40,080 
Ferro 55,847 
Substituindo em cada molécula isoladamente, tem-se: 
CaO = 56,079 u.m.a.; SiO2 = 60,084 u.m.a.; H2O = 18,015 u.m.a.; 
Al2O3 = 101,961 u.m.a.; Fe2O3 = 159,691 u.m.a.; S = 96,056 u.m.a. 
d) Substituindo nos dois membros da expressão de Neville, Mehta e Monteiro, tem-se:
1º membro: 2 (3 x 56,079 + 60,084) + 6 x 18,015 = 564,732 u.m.a. 
2º membro: 3 x 56,079 + 2 x 60,084 + 3 x 18,015 + 3 x (56,079 + 18,015) = 564,732 u.m.a. 
e) Considerando que para a hidratação de duas moléculas de silicato tricálcico são necessárias seis 
moléculas de água, a relação água/cimento é expressa por: 
 6 H = 108,09 u.m.a. 
 2 C3 S = 456,642 u.m.a. 
 a/c = 108,09/456,642 = 0,2367 
 Isto significa dizer que são necessários 23,67 % de água em relação à massa de C3S do 
cimento Portland para que ocorra sua completa hidratação. Este número é importante em função 
da quantidade de água que deve ser misturada ao cimento no ato da preparação das pastas. 
As possíveis situações que podem acontecer são: 
44
a) Quantidade de água inferior a 23,67 % - neste caso, o C3S não será totalmente 
hidratado e a qualidade da bainha estará comprometida, podendo apresentar 
propriedades mecânicas e principalmente reológicas inadequadas; 
b) Quantidade de água igual a 23,67 % - teoricamente esta quantidade é a necessária para 
a hidratação do C3S do cimento Portland. No entanto, a trabalhabilidade da pasta, 
quantificada por seus parâmetros reológicos, será muito baixa e a mesma não será 
passível de bombeio. Esta quantidade, tanto para aplicações em cimentação de poços 
de petróleo, como para aplicações na construção civil se mostra, na prática, 
inconveniente para emprego, pois a pasta se torna excessivamente viscosa e 
c) Quantidade de água superior a 23,67 % - a priori, pode-se imaginar que uma 
quantidade superior de água resolveria os problemas das duas situações anteriores, no 
entanto, não tem sido esta a solução. O excesso de água em si não provoca dano à 
pasta. O problema está relacionado ao espaço ocupado pelo mesmo. Quando o cimento 
Portland é hidratado a água em excesso sai do seu interior dando origem a uma 
quantidade de vazios significativa que facilitará a propagação do processo de 
fissuração (MEHTA e MONTEIRO, 1994). 
 Além disso, o excesso de água pode influenciar na reação do C3S. As seis moléculas de 
água necessárias para hidratar as duas moléculas de C3S podem variar em função da temperatura, 
umidade relativa do ar, pressão, superfície específica, presença de sulfato de cálcio (gesso), etc. 
Assim, a quantidade de água que deve ser adicionada ao cimento Portland não é de fácil 
determinação, pois depende da finalidade que se deseja. 
2.5.2 Reação de hidratação do silicato dicálcico (belita) 
 Segundo HEWLETT (2004), MEHTA e MONTEIRO (1994), BRUNAUER (1962 apud
BAZĂNT and KAPLAN, 1996), CZERNIN (1962 apud BAZĂNT and KAPLAN, 1996) e 
NEVILLE (1997) o silicato dicálcico se hidrata conforme as seguintes reações. 
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a) Simbologia da indústria do cimento 
 2 C2S + 4 H ⇒ C3-S2-H3 + CH 
b) Substituindo pela simbologia química, tem-se: 
 2[(CaO)2 SiO2] + 4 H2O ⇒ (CaO)3 . (SiO2)2 . (H2O)3 + CaO . H2O 
c) Substituindo os pesos atômicos nos dois membros da fórmula, tem-se:
1º membro: 2 (2 x 56,079 + 60,084) + 4 x 18,015 = 416,544 u.m.a. 
2º membro: 3 x 56,079 + 2 x 60,084 + 3 x 18,015 + 56,079 + 18,015 = 416,544 u.m.a. 
d) Considerando que para a hidratação de duas moléculas de silicato dicálcico são necessárias 
quatro moléculas de água, a relação água/cimento é expressa por: 
 4 H = 72,060 u.m.a. 
 2 C2S = 344,484 u.m.a. 
 a/c = 72,060/344,484 = 0,2092 
 Isto significa dizer que são necessários 20,92 % de água em relação à massa de C2S para