BR112020007132A2 - mistura cimentícia para autocura, uso da mistura, e, método para a fabricação de estruturas de cimento - Google Patents
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Abstract
É descrita uma composição de um material aditivo de cimento para melhorar a durabilidade de estruturas cimentícias. A composição de aditivo de cimento compreende uma mistura de um ou mais silicatos de metal de magnésio divalentes com capacidade para atuar como um aglutinante hidráulico latente na dita composição ativada por um processo de hidratação em condições aquosas e, em particular, o silicato de metal divalente é um silicato dominado por magnésio, preferencialmente compreendendo grupos minerais de olivinas, ortopiroxenos, anfibólios, talco e serpentinas ou misturas dos mesmos. A composição também compreende íons cloreto ou salmoura. Também são descritas aplicações das composições, em particular para utilizar uma propriedade de hidratação como um importante gatilho para a reação hidráulica latente de silicatos de magnésio, particularmente para as ditas olivinas, quando expostas à água e salmouras, a fim de obter um material cimentício que se torna de autocura.
Description
1 / 18 MISTURA CIMENTÍCIA PARA AUTOCURA, USO DA MISTURA, E,
MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE ESTRUTURAS DE CIMENTO O campo da presente invenção
[001] A presente invenção se refere a uma composição de um material aditivo de cimento para melhorar a durabilidade de estruturas cimentícias, conforme definido na reivindicação 1 seguinte.
[002] Mais específico, a presente invenção se refere a produtos feitos a partir de misturas minerais cimentícias. As misturas incluirão um produto aditivo de cimento, um novo ingrediente, proposto como aglutinante hidráulico latente para aditivos minerais cimentícios, argamassas e estruturas de concreto para aplicações industriais e para construção. O ingrediente utilizado aumentará a durabilidade do produto durante toda a sua vida útil e quando estiver em contato com um ambiente aquático externo úmido, molhado ou submerso.
[003] A invenção também se refere a várias aplicações do aglutinante hidráulico latente da invenção para produtos cimentícios, conforme as reivindicações 6 a 14. Fundamentos da invenção
[004] A presente invenção se refere ao campo de materiais cimentícios, como cimento Portland e geopolímeros. O objetivo da invenção é aplicar silicatos divalentes de solução sólida de ferro e magnésio (por exemplo, os grupos minerais olivina, ortopiroxênio, anfibólio, talco e serpentina), aqui denominados “silicatos de magnésio”, como aglutinantes hidráulicos latentes para misturas minerais cimentícias, aumentando assim a integridade, volume, intemperismo e/ou vida útil da estrutura de mistura mineral cimentícia.
[005] A invenção relaciona o aprimoramento da integridade e/ou durabilidade de estruturas cimentícias ao longo do tempo, incluindo/adicionando silicatos de magnésio em misturas minerais cimentícias
2 / 18 como um aglutinante hidráulico latente e para aumentar sua capacidade de lidar com intempéries e exposição ao fluxo de misturas de água em e através de materiais cimentícios.
[006] O cimento de poço comum é baseado nos princípios do cimento Portland. Como o NORSOK D010 e o API Spec 10A são os padrões industriais atuais para operações na indústria de petróleo e gás, era importante que a presente invenção pudesse atender a esses padrões de maneira acessível. Uma vantagem particular da presente invenção é que ela é facilmente adicionada às operações atuais de cimentos para melhorar o desempenho e atender aos padrões. Muitas das vantagens da presente invenção são evidentes na aplicação de cimentação e completação de poços, entupimento, abandono temporário e permanente de poços.
[007] Alternativas propostas para cimentos comuns são geopolímeros. Estes são materiais que são viscoelásticos. Um exemplo dessa propriedade física é a mistura de farinha de milho e água; é difícil quando manuseado e macio quando segurado. Outro exemplo é o Bingham Plastic. Isso se comporta como maionese (macia quando manuseada, dura quando segurada). Atualmente, nenhum desses produtos tem preços razoáveis ou é particularmente amigável ao padrão.
[008] Metamorfismo é o ajuste mineralógico e estrutural de rochas sólidas a condições físicas e químicas que foram impostas a profundidades abaixo das zonas superficiais próximas de intemperismo e diagênese e que diferem das condições sob as quais as rochas em questão se originaram.
[009] Materiais inorgânicos que têm efeitos de ligação hidráulica pozolânica ou latente são comumente usados em materiais cimentícios. Hidráulica é definida como “a propriedade de limas e cimentos para se ajustar e endurecer sob a água, seja derivada de uma cal naturalmente hidráulica, cimento ou pozolana”. Um aglutinante hidráulico latente reage mais lentamente e devido a um gatilho de uma maneira particular, a fim de alterar
3 / 18 as propriedades dos produtos cimentícios. Ele atingirá uma força total por si só, embora muito lentamente. Estes têm o objetivo de aumentar a necessidade de clínquer de cal na mistura mineral cimentícia ou melhorar as propriedades da mistura mineral cimentícia. Descrição do estado da técnica
[0010] No que diz respeito ao estado da técnica, é feita referência às seguintes publicações de patentes: - FR-2.939.429, US-2015/18905, WO-2016/094506 e US- 2008/196628.
[0011] Todos esses documentos tratam de misturas minerais de cimento para a produção de concreto para defender a construção do cimento de uma reação ao CO2, denominada processo de carbonatação. A carbonatação é uma reação bem conhecida para todas as misturas de cimento e cal e altera sua composição mineral de CaO (cal) para CaCO3 (carbonato de cálcio) e isso ocorre naturalmente ao longo do tempo devido ao desgaste. Os silicatos de magnésio também reagirão com o CO2 e os minerais formados devido à carbonatação se expandirão em falhas e fendas da estrutura cimentícia, a fim de manter a estrutura selada.
[0012] Mais detalhadamente, a patente FR-2.939.429 mencionada se refere à carbonatação de silicatos de magnésio. Isso é particularmente relevante na injeção e vedação de reservatórios contendo CO2. A FR-
2.939.429 descreve o uso de misturas de cimento/concreto de magnésio- olivina para selar poços de perfuração em rochas de formação geológica com o objetivo de armazenar CO2 em formações geológicas. Detalhes de um processo de carbonatação
[0013] Os silicatos de magnésio podem ser carbonizados (por exemplo, alterados pelo CO2) e, portanto, aumentarão a vida útil do tampão de cimento para as misturas de cimento nos poços quando expostos ao CO2, particularmente aqueles que penetram nos reservatórios de armazenamento de
4 / 18 dióxido de carbono (CCS) (FR-2.939.429). Essa patente mostra características da reação da olivina com o CO2 produzindo carbonato de magnésio, criando um cimento autocurável em condições reais no poço.
[0014] Abaixo está um exemplo de um processo de carbonatação da olivina de membro terminal de magnésio reagindo com dióxido de carbono. Carbonatação: Mg2SiO4 + 2CO2 → 2MgCO3 + SiO2 Forsterita dióxido de carbono Magnesita quartzo
[0015] O processo de carbonatação acontece naturalmente, onde o CO2 reage com a forsterita.
[0016] Um objetivo da presente invenção é melhorar as propriedades de uma mistura mineral cimentícia adicionando um aglutinante hidráulico pozolânico ou latente que reaja através da hidratação, isto é, com H2O e outras soluções aquosas. Há uma infinidade de pozolanos e aglutinantes hidráulicos latentes usados nas misturas minerais cimentícias que contêm cal (CaO) e água. Os pozolanos incluem vários materiais naturais e manufaturados, como cinzas, escórias, etc. Os pozolanos conferem propriedades específicas ao cimento. Cimentos pozolânicos podem ter uma resistência superior em uma idade posterior e podem ser mais resistentes ao intemperismo. Breve Descrição das Figuras
[0017] A FIG. 1A descreve uma tomografia computadorizada de uma amostra antes do experimento No. 1 ser realizada.
[0018] A FIG. 1B descreve uma tomografia computadorizada de uma amostra após o experimento No. 1 ter sido realizada.
[0019] A FIG. 1C descreve medições de porosidade e permeabilidade ao longo do tempo durante o experimento No. 1.
[0020] A FIG. 2A descreve uma tomografia computadorizada de uma amostra antes da Experiência No. 2 ser realizada.
5 / 18
[0021] A FIG. 2B descreve uma tomografia computadorizada de uma amostra após a experiência No. 2 ter sido realizada.
[0022] A FIG. 2C descreve uma tomografia computadorizada de uma fatia de uma amostra antes da Experiência No. 2 ser realizada.
[0023] A FIG. 2D descreve uma tomografia computadorizada de uma fatia de uma amostra após a experiência No. 2 ter sido realizada. A presente invenção
[0024] A presente invenção se refere à reação hidráulica pozolânica ou latente através da hidratação, ou seja, a reação com água e/ou soluções aquosas como água do mar ou outras salmouras com silicatos de magnésio (silicatos divalentes de solução sólida de ferro e magnésio, ou seja, os grupos minerais olivina, ortopiroxênio, anfibólio, talco e serpentina). Na presente invenção, as propriedades de vedação e a resiliência do produto resultante são independentes da carbonização.
[0025] A composição de um material aditivo de cimento para melhorar a durabilidade de estruturas cimentícias de acordo com a invenção é distinguida por a composição compreender uma mistura de um ou mais silicatos de metal divalentes com capacidade para atuar como um aglutinante hidráulico latente na dita composição ativada por um processo de hidratação em condições aquosas.
[0026] As características preferidas da composição aparecem nas reivindicações 2 a 4 a seguir. De acordo com uma modalidade preferida particular, a composição inclui uma mistura de cimento Portland e água, adição de olivina em uma faixa de 2 a 99% com base no peso total de materiais sólidos hidráulicos (ou seja, não incluindo agregados).
[0027] De acordo com um aspecto essencial da invenção, é descrita a aplicação de uma composição de um material aditivo de cimento de acordo com as reivindicações anteriores como um aglutinante hidráulico latente para aditivos minerais cimentícios, argamassas e estruturas de concreto para
6 / 18 aplicações industriais e para fins de construção, como aparecendo nas reivindicações 6 a 11.
[0028] Um método para fabricar estruturas de cimento de acordo com a presente invenção é descrito nas reivindicações 12 e 13. Descrição adicional da invenção, um exemplo
[0029] Os minerais do grupo olivina (Mg, Fe)2SiO4 são silicatos com magnésio e ferro como cátions principais, enquanto cálcio e elementos secundários podem substituir os locais de cátion divalentes. Embora as reações entre minerais cristalinos e H2O sejam geralmente consideradas lentas, os silicatos de magnésio reagem mesmo à temperatura ambiente. Pós finos de olivina, quando misturados com água, podem aumentar o pH da água para mais de 9. Essa é a origem do termo “rochas ultrabásicas” e o membro final das reações utilizadas na presente invenção.
[0030] As reações de hidratação descritas aqui acontecem no extremo mais baixo da faixa de pressão e temperatura geralmente discutida na petrologia metamórfica. Diagênese, intemperismo e metamorfismo de grau muito baixo são os principais processos. Nas reações geoquímicas, uma força adicional na reação pode ser instabilidades geoquímicas, onde minerais ou soluções que não estão em equilíbrio procuram reagir em direção a um estado estacionário. Na presente invenção, instabilidades geoquímicas induzidas antropogenicamente são utilizadas para induzir metamorfismo de grau baixo, muito baixo, diagênese e intemperismo. Com o tempo, até os grãos de olivina cobertos por uma solução aquosa e deixados à temperatura ambiente sofrerão alterações minerais.
[0031] A seguir, são mostradas algumas das reações das olivinas dos membros finais (forsterita e fayalita) quando hidratadas em reação com H2O. Pode ocorrer de acordo com estas, mas não limitado às seguintes equações de reação: 3Mg2SiO4 + SiO2 + H2O → 2Mg3Si2O5(OH)4
7 / 18 Forsterita quartzo água Serpentina e 2Mg2SiO4 + 3H2O → Mg3Si2O5(OH) + Mg(OH)2 Forsterita água Serpentina Brucita e 3Fe2SiO4 + 2H2O → 2Fe3O4 3SiO2 + 2H2 Fayalita água Magnetita sílica aquosa hidrogênio
[0032] O objetivo da presente invenção é utilizar um padrão de reação semelhante de silicatos de magnésio em reações de hidratação (com água (H2O) e soluções aquosas associadas (por exemplo, salmoura)), em que a composição é usada como melhoradores em materiais de mistura de minerais cimentícios, como um pozolano, um aglutinante hidráulico latente, como carga, para o uso da produção de sílica amorfa na reação latente e para fornecer um agente anti-incrustante natural em estruturas de concreto e/ou argamassas cimentícias em geral.
[0033] Como descrito acima, a presente invenção é um material aditivo de cimento que é um aglutinante hidráulico pozolânico ou latente feito de silicatos de magnésio que melhora as propriedades de uma mistura mineral cimentícia e o resultado dos produtos feitos a partir da mistura. O presente produto é um material aditivo de cimento que é um aglutinante hidráulico latente que é ativado por hidratação e se destina a misturas minerais cimentícias com o objetivo de aumentar a integridade das estruturas criadas produzidas ao longo do tempo. O produto também pode ser usado por seus efeitos pozolânicos mais rápidos.
[0034] Enquanto uma função do produto que é um aditivo de cimento é que o material de silicato de magnésio é um material de enchimento do material de mistura mineral cimentícia, a reação do aglutinante hidráulico latente pelos silicatos de magnésio terá reações de metamorfose, diagênese e intemperismo baixas, o silicato de magnésio com água forma produtos
8 / 18 reativos, como hidratos de silicato de magnésio, sílica amorfa e hidrogênio. Essas reações e alterações nos minerais originais fazem com que os produtos reativos se expandam para lacunas, poros e outras sombras de pressão na estrutura cimentícia com materiais de alteração amorfos e cristalinos.
[0035] Os elementos secundários dos silicatos de magnésio que ocorrem naturalmente e os vestígios de minerais acessórios, contendo elementos como níquel, zinco e cromo, além disso, podem melhorar as interações com o aço, notoriamente corroídas em contato com água e salmoura corrosivas. Afloramentos de silicato de magnésio frequentemente não têm vegetação, e se sugere que isso é motivo para a utilização de silicatos de magnésio devido ao conteúdo de pequenas quantidades de agentes anti- incrustantes.
[0036] Para minerais acessórios, a definição padrão para uma pessoa versada na técnica entre 0,05% e 3% em volume de rocha é utilizada. Para a presente invenção, este intervalo é preferencialmente entre 0,1% e 1%.
[0037] A adição de minerais de silicato de magnésio à mistura de cimento ou geopolímero fornecerá, portanto, uma maneira livre de pesticidas e a longo prazo para fornecer propriedades anti-incrustantes para estruturas de cimento e concreto. Os minerais vestigiais que contêm Zn, Cr e outros metais pesados aparecerão como pontos microscópicos distintos em uma mistura maior de minerais, melhorando as propriedades anti-incrustantes na superfície do cimento e, ao mesmo tempo, contribuindo de maneira insignificante para as preocupações ambientais em macroescala.
[0038] Sabe-se que a olivina experimental mais usada (olivina San Carlos) com água se metamorfoseará em talco (Mg3,(Si4O10)(OH)2), minerais de quartzo abaixo de 70ºC e minerais de serpentina (por exemplo Mg6,(Si4O10)(OH)8) acima de 70ºC, conferindo à água um pH mais alto devido ao H2 produzido na reação e dissolvido em água. A água com pH mais alto é naturalmente e menos oxidante para ferro e aço e reduz o tempo e o
9 / 18 enfraquecimento do cimento e estruturas associadas dentro e fora da mistura mineral cimentícia. A mistura de materiais reduz a energia livre de Gibbs em comparação com os membros finais puros. O início das reações ocorrerá a temperaturas mais baixas para os silicatos de magnésio em misturas minerais cimentícias, do que apenas para os membros finais puros. O ∆T acima do início das reações influenciará a taxa de reação, pois a taxa depende da temperatura, conforme descrito pela equação de Arrhenius. Portanto, os processos nas misturas irão acelerar e/ou ocorrer a temperaturas ainda mais baixas do que os componentes finais minerais do modelo. Em pressões e temperaturas diagenéticas e de metamorfismo de grau muito baixo, os silicatos de magnésio reduzem e/ou substituem a necessidade de aditivos de quartzo que impedem o crescimento de minerais indesejados (por exemplo, promovendo a Tobermorita em vez das fases de alta relação Ca/Si).
[0039] Estruturas como construções de estradas ou edifícios para residências e escritórios decairão com o tempo devido ao intemperismo e outros fatores externos, como o clima, bem como devido à deterioração estrutural interna. A adição de silicatos de magnésio como um produto aditivo de cimento que funcione como um aglutinante hidráulico latente reduzirá o desgaste pelo metamorfismo de baixa temperatura, envolvendo a alteração hidratada dos silicatos de magnésio ao longo do tempo.
[0040] O presente produto terá o mesmo resultado que a farinha de quartzo cristalino para resistência à compressão e permeabilidade a pressões e temperaturas mais altas. Como alternativa, pode funcionar como escória, que também é um aglutinante hidráulico latente para adições minerais cimentícias.
[0041] A reação do aglutinante hidráulico latente por hidratação sem cálcio em solução na presente invenção funciona alterando os minerais para minerais secundários com menor densidade e, portanto, também com maior volume. Devido aos gradientes de pressão em micro escalas, os minerais secundários produzidos procurarão formar vazios, poros, cavidades e
10 / 18 rachaduras, selando assim o produto cimentício quando exposto a soluções aquosas externa e internamente. Estes são particularmente importantes quando ocorreram fraquezas no produto cimentício durante a colocação das misturas. Mesmo durante a cura da mistura de minerais de cimento que contém o presente material aditivo de cimento, o volume da mistura de minerais cimentícios aumenta, em comparação com as misturas de minerais cimentícios comuns que encolhem durante a cura. A hidratação é um dos principais gatilhos da reação hidráulica latente de silicatos de magnésio, principalmente para as olivinas. Ao adicionar silicatos de magnésio, os materiais cimentícios se tornam de autocura quando expostos à água e salmoura.
[0042] À medida que a presente invenção se expande em volume durante e após a cura, permite uma melhor vedação contra fluidos à medida que mais espaço e poros disponíveis são preenchidos com materiais reativos.
[0043] Utilizado em poços de petróleo e gás, melhora a resiliência à exposição a fluidos que penetram na estrutura composta pela mistura mineral cimentícia, enquanto cria potencialmente ligações reativas naturais com a rocha lateral e amortece a corrosão do aço no poço. Os métodos já estabelecidos usados na manutenção de poços e no processo de entupimento e abandono (P&A) hoje ainda podem ser ativados pelo uso deste novo aglutinante hidráulico latente para adições minerais cimentícias. Isso facilita a utilização do novo cimento por parte da indústria.
[0044] As olivinas têm um ângulo de umedecimento específico muito menor do que a maioria dos outros sólidos em relação à água, e o uso desse silicato de magnésio altera a adesão de misturas minerais cimentícias contendo olivina ao aço e outros produtos de ferro.
[0045] Essa mudança no ângulo de umedecimento garante uma melhor ligação ao aço e ferro. Isso é muito útil durante aplicações de construção que envolvem barras de reforço. Também é útil ao usar cimento
11 / 18 com tubulares de aço, como o usado na indústria de petróleo e gás. Além disso, a presente invenção fornece uma alta capacidade de tampão; impedindo que o pH mude diante de um ácido forte (ou base). Isso evita ou reduz os danos à integridade do aço ou ferro.
[0046] Os testes mostram que os materiais cimentícios que foram produzidos com poros e fraturas são preenchidos por minerais metamórficos a baixa temperatura quando os materiais são expostos à água e salmoura.
[0047] Assim, é fornecido um cimento capaz de ligar agregado adequado a um concreto que pode se ajustar e endurecer debaixo d’água. Exemplos de uso:
[0048] As propriedades químicas dos silicatos de magnésio tornam o mineral adequado para melhorar o resultado da cimentação e entupimento de poços que são brocas que tentam alcançar reservatórios. Os elementos menores dos silicatos de magnésio e os minerais geralmente acessórios melhorarão as interações com o aço. A presente invenção pode ser usada para o gerenciamento de poços, incluindo, entre outros, reservatórios de petróleo abertos, dentro do invólucro/revestimento/tubulação/condutor, entre o invólucro/revestimento/tubulação/condutor e a formação geológica, em orifício aberto como bujão de partida para perfuração/arranque para novo caminho de poço, como barreira como parte do bujão e abandono, bem como bujão e abandono permanente, ambos convencionais e pelo uso da tecnologia perf and wash. A invenção pode ser usada em produtores de petróleo, novos e antigos, produtores de gás, novos e antigos, produtores de água, novos e antigos, poços de injeção, novos e antigos, poços geotérmicos, novos e antigos, poços de água, novos e antigos ou em qualquer combinação dos mesmos. Poços de exploração, poços de avaliação e poços de desenvolvimento também serão áreas de uso da invenção. Problemas de integridade de poços devido a bainhas de cimento degradadas são uma causa conhecida de vazamentos através de poços ativos e abandonados. É provável
12 / 18 que o desenvolvimento de um material melhorado de entupimento do poço que impeça o vazamento através dos bujões do poço tenha um grande impacto ambiental positivo, pois melhora a integridade do poço a longo prazo e reduz os vazamentos no ambiente. A presente invenção, como um material aditivo de cimento adicionado a materiais de mistura mineral cimentícia, os silicatos de magnésio aumentam a vida útil do tampão de cimento para a perfuração, o abandono de poços de petróleo e gás em geral, mas também aqueles que penetram nos reservatórios de armazenamento de dióxido de carbono presentes ou futuros. As práticas atuais em P&A envolvem recuperação maciça (“puxar”) de tubulares de aço. Esse é um risco ambiental para o trabalho devido à aplicação de métodos de rotação (corte/fresagem) que podem ameaçar os trabalhadores, ao mesmo tempo em que são muito caros no tempo da plataforma. A redução da corrosão do aço pelo presente produto possivelmente reduzirá a quantidade de tração necessária e possibilitará as práticas de perfuração atualmente em andamento (chamadas perfurar-lavar- cimentar). Da mesma forma, as propriedades acústicas da olivina são significativamente diferentes das rochas circundantes, do aço e da lama, facilitando o registro se aplicado como material vedante anular. A adição do produto aditivo de cimento tornará os poços comuns descritos acima mais seguros para o futuro, usando esta invenção no material cimentício também em áreas que podem se tornar reservatórios CCS, como mostrado em FR-
2.939.429.
[0049] A presente invenção é adequada para ser usada em produtos de cimento, argamassa e/ou concreto para reduzir biocombustível e corrosão de aço e ferro, intemperismo e carbonatação do material de cimento (também como parte do concreto).
[0050] A corrosão das construções era de concreto contendo, por exemplo, cimento Portland é amplamente conhecido e é mais propenso a isso em ambientes com clima ruim e foi exposto a condições de CO2 e sal. Essa
13 / 18 intervenção resistirá melhor a essas condições e, portanto, aumentará a vida útil das construções de concreto em geral.
[0051] No cimento Portland comum, é necessário que os íons Cl- (por exemplo, água salgada) no meio fluido adicionado à mistura sejam mantidos no mínimo. Como tal, a água do mar normal e outros tipos de água que contêm cloreto não são utilizados. De fato, é normal o uso de água deionizada.
[0052] Os íons cloreto reduzem a resistência à ruptura de misturas comuns de cimento. O cloreto na água também é conhecido por corroer e enferrujar as estruturas de aço. Isso é particularmente um problema ao adicionar sedimentos marinhos como agregados a uma mistura de cimento. Além disso, é um problema quando há escassez de água fresca e com baixo teor de Cl- para as misturas.
[0053] A indústria do concreto pode então usar água que poderia ter sido usada para água potável. Por fim, o uso de estruturas comuns de concreto de cimento Portland e poços cimentados em produtos que serão expostos à água do mar e salmoura após o endurecimento, por exemplo, portos, mastros, molos serão propensos à desconstrução a partir do cloreto.
[0054] Na presente invenção, foi constatado que o aditivo de cimento reduz a necessidade de um meio com baixa água de Cl-, uma vez que os silicatos de magnésio fortalecem as estruturas quando expostos a íons cloreto. Isso permite que a água do mar e as salmouras subterrâneas sejam usadas diretamente, sem a remoção dos íons cloreto.
[0055] Uma concentração de cloreto entre 0,7% e 10% em peso de água seria funcional, preferencialmente entre 1,2% e 5%. Essas são concentrações comuns de Cl- encontradas na água do mar e nas salmouras subterrâneas.
[0056] Além disso, o alto pH dos silicatos de magnésio e suas reações reduzirão a quantidade de oxidação do ferro associada ao produto de cimento
14 / 18 ou concreto. Uma variação projetada dos tamanhos dos grãos amortece os sólidos por mais tempo. Além disso, se os sólidos forem deformados posteriormente, os grãos quebrados estarão livres para reagir com produtos químicos disponíveis no fluxo potencial através deles. Isso aumentará o efeito protetor se a estrutura final precisar se autocurar. Experimento No. 1.
[0057] Em um experimento, produtos sólidos de mistura mineral cimentícia foram fabricados com base em uma mistura de 80% de cimento Portland e 20% de olivina (que é um silicato de solução sólida divalente de magnésio-ferro) por peso e água com um número A/C comum (A/C = relação água/cimento). A fração de olivina foi de 0,2 com água desnaturada adicionada. Um cilindro sólido de mistura mineral cimentícia foi preparado e inundado por uma salmoura analógica de água do mar por um período de onze dias. As mudanças de permeabilidade foram medidas ao longo do experimento e a porosidade foi avaliada antes e após o experimento usando um scanner de tomografia computadorizada.
[0058] As medições mostraram que a porosidade do produto, ao aplicar a mistura mineral cimentícia da invenção, foi reduzida em até 55%, e a permeabilidade diminuiu em 70% após apenas onze dias expostos à salmoura. As experiências mostram que um material de concreto mais denso e resistente à água é alcançado pela presente invenção.
[0059] As FIGS. 1A e 1B descrevem tomografias de uma amostra durante esta experiência. O vermelho indica vazios dentro da amostra nas FIGS. 2A e 2B. Na FIG. 2B, o verde mostra a precipitação dentro dos vazios da amostra.
[0060] A FIG. 1C descreve a permeabilidade e a pressão de injeção em função do tempo ao longo do experimento.
[0061] As medições mostram que a porosidade do produto foi reduzida em 70% e a permeabilidade em 55%. Isso demonstra a capacidade
15 / 18 de autorrecuperação da invenção quando exposto à água do mar.
[0062] O experimento No. 1 mostra que um material de concreto mais denso e resistente à água é alcançado pela presente invenção Experimento No. 2
[0063] Em outro experimento, uma mistura de cimento Portland e a presente invenção, como nos experimentos 1 e 2, foi exposta ao CO2 por um período de uma semana.
[0064] As FIGS. 2A e 2B descrevem as tomografias de antes e depois da experiência No. 3. O vermelho indica vazios dentro da amostra nas FIGS. 2A e 2B. A seta verde na FIG. 2A aponta para um grande número de não homogeneidades. Na FIG. 2B, o verde mostra a precipitação dentro dos vazios da amostra.
[0065] As FIGS. 2C e 2D descrevem tomografias computadorizadas de fatias das amostras que são descritas nas FIGS. 2A e 2B, respectivamente. Observe que a rachadura interna da FIG. 2C foi curada até o final do experimento, como mostrado na FIG. 2D.
[0066] As medidas mostraram que após a exposição ao CO2, mais de 90% dos poros foram curados por minerais recém-formados. Além disso, as heterogeneidades foram quase eliminadas. Estes afetados reduzem a porosidade da amostra. Experimento No. 3.
[0067] O teste da resistência e propriedades da invenção em diferentes porcentagens de aditivo (20, 35 e 50% em relação ao aditivo total + cimento) foi testado. Uma amostra cilíndrica foi submetida a quantidades crescentes de força de compressão no topo e no fundo por um período de tempo. O experimento foi interrompido quando a amostra não conseguiu mais suportar a força aplicada. Cada amostra foi curada por um período de uma semana antes do experimento.
[0068] Os resultados desta experiência são mostrados na FIG. 3. A
16 / 18 linha de 0% (preto) é cimento Portland comum sem a invenção ter sido adicionada. As porcentagens são percentuais aditivas em porcentagem em peso da massa total de cimento. O cimento Portland tem um joelho muito afiado quando quebra. Isso é um sinal de que o cimento Portland está falhando de maneira quebradiça (“dura”). Por outro lado, os resultados da invenção têm um joelho arredondado. Isso é um sinal de que a falha é uma ruptura frágil, mas cataclástica ou rolante. Observe que cada amostra em uma determinada porcentagem foi repetida três vezes.
[0069] A partir dos resultados deste experimento, espera-se que uma mistura de 2 a 99% em peso de sólidos de silicatos divalentes dominados por magnésio seja eficaz.
[0070] Cataclase aqui não está sendo usada ou definida de uma maneira que é contrária ao seu significado padrão para uma pessoa versada na técnica. Cataclase significa trituração de grãos. O fluxo cataclástico é observado durante a deformação das amostras que contêm a invenção. Acima da zona de transição frágil-dúctil está o fluxo cataclástico, o principal mecanismo de deformação que acomoda grandes deformações. O mecanismo de deformação é quebradiço, mas em uma escala que torna a deformação contínua e se espalha por uma zona. Observa-se que esta zona é mais ampla quanto mais silicatos de magnésio foram adicionados. Portanto, foi verificado um comportamento microscopicamente frágil que produz um fluxo dúctil macroscópico. A deformação pode ser considerada como um mecanismo dúctil, embora ocorra dentro do regime de deformação elástico-friccional. Quanto maior essa zona de deformação, maior é a deformação dúctil macroscópica. A cataclase indica que a força da delimitação entre os grãos de cimento é forte o suficiente para permitir que os grãos se esmaguem. A deformação também é acomodada pelo deslizamento e rolagem de fragmentos dentro da zona de deformação/parte de deformação do cimento. Experimento No. 4.
17 / 18
[0071] Em um experimento, o cimento Portland comum, olivina e água foram misturados e deixados para curar por uma semana, após o qual um núcleo foi extraído. O cimento foi deixado curar por mais cinco semanas a sessenta graus e outro núcleo foi extraído. Quando comparado, houve 50% menos porosidade entre uma semana e seis semanas de cura a 60°C a 1 atm de pressão. Não houve alteração em uma amostra de controle do cimento Portland sem o aditivo da presente invenção. Comentários finais
[0072] Em geral, o aumento relativo no volume quando a olivina se transforma em serpentina é de 30 a 40%, e da mesma forma a olivina hidratada para outros minerais por meio da hidratação. Portanto, cada porcentagem de silicato de magnésio olivina ou outro silicato divalente dominado por magnésio que é adicionado a uma mistura de cimento pode aumentar o volume em até 0,4% quando hidratado.
[0073] Espera-se que apenas 2% de olivina ou outro silicato divalente dominado por magnésio em peso possa dar grandes reações iniciais a curto prazo em termos de capacidade tampão inicial, compensação de volume limitada e alguma resistência ao CO2 inicialmente.
[0074] Estima-se que será necessário de 8 a 12% (em peso de total de materiais sólidos hidráulicos) de olivina ou outro silicato divalente dominado por magnésio para reduzir o encolhimento para 0%.
[0075] Além disso, estima-se que uma faixa percentual (em peso de total de materiais sólidos hidráulicos) de olivina ou outro silicato divalente dominado por magnésio entre 2% e 99%, de um modo preferido entre 10% e 99%, mais preferivelmente entre 10% e 50% , de um modo preferido entre 15% e 25%, idealmente cerca de 20% será benéfico para a maioria dos usos. Haverá alguns efeitos técnicos, como descrito anteriormente, para o cimento no amplo intervalo de 2% a 99%. A faixa de 10 a 50% teria o melhor custo versus benefício, dependendo do ambiente, e a faixa de 15 a 25% será ideal
18 / 18 para a maioria das aplicações dentro da prática industrial atual.
[0076] Para os efeitos dúcteis, é preferida a faixa mais alta de 35% a 70% de silicatos dominados por magnésio.
Claims (11)
1. Mistura cimentícia para autocura, caracterizada pelo fato de que compreende: a) um ou mais silicatos divalentes dominados por magnésio que, em soluções aquosas neutras ou básicas, têm capacidade para ser um aglutinante hidráulico latente compreendendo 2% a 99%, mais preferivelmente 10% a 50%, o mais preferivelmente 15% a 25% de silicato divalente dominado por magnésio, em peso, do total de materiais hidráulicos sólidos; e b) íons cloreto ou salmoura com uma concentração de cloreto de entre 0,7% e 10% em peso de água.
2. Mistura de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente sulfetos e óxidos minerais acessórios que contém um ou mais dos cátions níquel, zinco e cromo.
3. Mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente olivinas do grupo mineral, ortopiroxênios, anfibólios, talco, serpentinas ou mistura dos mesmos, como aglutinante hidráulico latente.
4. Mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que silicato dominado por magnésio é grupos minerais de olivina, ortopiroxênios, anfibólios, talco e serpentinas ou misturas dos mesmos.
5. Uso da mistura como definida em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser para fabricar uma pasta fluida de cimento que não é solidificada e/ou ser na construção de estruturas cimentícias solidificadas.
6. Uso da mistura como definida em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser na construção de estruturas cimentícias solidificadas com propriedades anti-incrustantes que se estendem até a vizinhança da estrutura cimentícia, a superfície da estrutura cimentícia, o contato com metais, o contato com estruturas antigas adjacentes ou materiais naturais.
7. Uso da mistura como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser na construção de estruturas cimentícias solidificadas com propriedades anti-intempéries.
8. Uso da mistura como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser na construção de estruturas cimentícias solidificadas que se deformam por cataclase para torná- la mais resiliente contra a deformação por falha catastrófica de fraturamento.
9. Uso da mistura como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser na construção de estruturas cimentícias solidificadas que são de autocura.
10. Uso da mistura como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser na construção de estruturas cimentícias solidificadas, de modo que o volume da estrutura aumente à medida que cura.
11. Método para a fabricação de estruturas de cimento com melhores propriedades anti-incrustantes e/ou de autocura, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a) misturar cimento com um aditivo de cimento que compreende uma mistura de um ou mais silicatos divalentes dominados por magnésio com capacidade de atuar como um aglutinante hidráulico latente em uma mistura de cimento, o dito aditivo de cimento compreende 2% a 99%, mais preferivelmente 10% a 50%, o mais preferivelmente 15% a 25% de silicato divalente dominado por magnésio, em peso, do total de materiais sólidos hidráulicos; b) adicionar água compreendendo íons cloreto e/ou salmoura com uma concentração de íon cloreto de entre 0,7% a 10% em peso de água,
em uma proporção comum de água para cimento; c) misturar a mistura de cimento com uma pasta fluida neutra ou básica; d) fabricar a estrutura a partir da mistura de cimento; e) permitir que a estrutura se ajuste.
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