[pt] Geralmente, o ambiente marinho é o ambiente natural mais agressivo para tubulações metálicas, promovendo corrosão, levando a falhas catastróficas. O método de reparo tradicional metálico soldado é um método de reparo inconveniente e custoso para a indústria. Compósitos poliméricos (FRP) são um material com potencial para reparo devido a sua alta razão resistência/peso e alta resistência à corrosão e degradação ambiental. Porém, os compósitos poliméricos também são suscetíveis a degradação severa quando expostos a condições ambientais agressivas, incluindo absorção de água, temperatura, UV e pressão. Para um melhor entendimento do mecanismo de degradação, amostras de compósito de matriz polimérica reforçado por fibras de vidro e resina epóxi pura foram fabricados e analisados em função do tempo e temperatura de envelhecimento em uma atmosfera salina. Além disso, um grupo de compósitos tiveram suas bordas cobertas com resina epóxi para similar práticas reais comuns no campo, denominado coated FRP. Uma resina epóxi DGEBA bicomponente e um tecido bidirecional de fibras de vidro foram usados como matriz e reforço, respectivamente. O tecido de fibra de vidro detém de uma razão de fibras longitudinais por transversais de 2:1. Os materiais foram sujeitos a envelhecimento de névoa salina em três câmaras à 35, 55 e 70 Celsius por aproximadamente 15171 horas. A concentração de sal na solução usada foi 5.0 por cento por massa. As amostras foram periodicamente retiradas das câmaras de envelhecimento para terem seus ganhos de massa mensurados pelo método gravitacional. Suas mudanças dimensionais também foram capturadas para avaliação do comportamento de inchamento dos materiais. Análises térmicas com DSC e DMTA foram feitas para avaliar o grau de cura dos materiais poliméricos e os efeitos da temperatura na pós-cura do material. Análises químicas com testes FTIR foram feitas para investigar a ocorrência de processos de pós-cura, hidrólise e termo-oxidação durante o envelhecimento. Amostras de compósito para testes destrutivos de flexão e resistência ao cisalhamento (ILSS) foram testados periodicamente para terem suas degradações monitoradas com o tempo. Testes de Excitação por Impulso (IET) e Colorímetro foram realizados como testes não-destrutivos (NDT) complementares. A primeira parte deste trabalho foca na avaliação do comportamento de absorção de umidade nos compósitos e resina epóxi pura. A relação entre a capacidade de absorção de umidade dos materiais, considerando a fração volumétrica de fibras, foi investigada. Além disso, modelos de absorção não-Fickianos também foram aplicados aos dados experimentais do FRP e resina epóxi para considerar desvios do modelo Fickiano padrão. Com isso, relaxações poliméricas e interações polímero-água, assim como mudanças na rede polimérica induzidas por umidade e temperatura, foram investigados. Uma modificação ao modelo não-Fickiano de Berens-Hopfenberg (BH) foi proposta para incluir os efeitos de pós-cura na absorção de umidade; tal modificação aplicada a pós-cura não foi encontrada na literatura. Na segunda parte deste trabalho, o comportamento de inchamento da resina epóxi pura e compósitos revestidos e não-revestidos foi avaliado e correlacionado com a absorção de umidade. A ortotropia do compósito ficou evidente, visto que o material apresentou maior capacidade de inchamento na direção da espessura. Um modelo do tipo Fickiano foi implementado ao inchamento na espessura com o intuito de investigar deformação de inchamento de saturação e a frente de inchamento. A terceira parte deste trabalho foca nos testes destrutivos e na avaliação dos efeitos hidrotérmicos na degradação do material. A temperatura se mostrou um fator acelerador para degradação de propriedade. Além disso, uma metodologia para estimar a curva de serviço de sistemas de reparo e extrapolá-la para temperaturas mais baixas foi elaborada. Metodologias de extrapolação de propriedades para exposição hidrotérmica de longa duração não foram encontradas na literature. Parâmetros como platô de retenção de propriedade e taxa de degradação foram estimados para temperatura ambiente. Curvas de Arrhenius também foram plotadas para avaliar o tempo requerido para alcançar os níveis de retenção em cada temperatura testada. Por fim, duas técnicas não-destrutivas foram utilizadas no FRP e resina epóxi pura como testes complementares como forma de validar os resultados encontrados em outras técnicas. A Técnica de Excitação por Impulso (IET) foi realizada para obter o módulo de Young e boa correlação foi obtida entre o teste IET e o ensaio destrutivo de flexão. Através dos testes colorimétricos, os efeitos de umidade e temperatura foram visíveis, já que a mudança de cor da resina foi mais forte para tempos longos e temperaturas mais altas. / [en] Generally, the marine environment is the most aggressive natural environment for metallic pipelines, promoting corrosion, leading to catastrophic failures. The traditional welded metallic repairs are high-cost and inconvenient repair methods for the industry. Polymeric composites (FRP) are a potential repair material due to their high resistance/weight ratio and high resistance to corrosion and environmental degradation. However, polymeric composites are also susceptible to severe degradation when exposed to harsh environment conditions, including water absorption, temperature, UV and pressure. To better understand the degradation mechanism, glass-fiber reinforced polymer matrix composite (GFRP) and neat epoxy samples were fabricated and analyzed as a function of aging time and temperature in a saline atmosphere. In addition, a group of composites had their exposed edges coated with epoxy resin to simulate common real-life practices in the field, namely coated FRP. A two-component DGEBA epoxy resin and a bidirectional glass-fiber woven fabric were used as matrix and reinforcement, respectively. The fiberglass fabric had a longitudinal to transverse fiber ratio of 2:1. The materials were subjected to salt spray aging in three chambers at 35, 55 and 70 Celsius for approximately 15171 hours. The salt concentration in the solution used was 5.0 per cent by weight. Samples were periodically removed from the chambers to have their mass gain measured by the gravitational method. Their dimensional changes were also measured to evaluate the swelling behavior of the materials. Thermal analyses with DSC and DMTA were performed to evaluate the curing degree of the polymeric materials tested and the effects of temperature on the material’s post-curing. Chemical analyses with FTIR tests were performed to investigate the occurrence of post-curing, hydrolysis and thermo-oxidation processes during aging. Composite samples for bending and interlaminar shear strength (ILSS) destructive tests were periodically tested to have their degradation monitored over time. Impulse Excitation Technique and colorimetry tests were also performed as complementary non-destructive tests (NDT). The first part of this work focuses on the assessment of the moisture absorption behavior of both composite and neat epoxy resin. The relationship between the moisture gain capacity of the materials, considering the fiber volume fraction, was investigated. Besides, non-Fickian absorption models were also applied to the experimental data of FRP and neat epoxy resin to account for deviations from the standard Fickian model. Then, polymeric relaxations and polymer-water interactions, as well as network changes induced by moisture and temperature, were investigated. A modification to the Berens-Hopfenberg (BH) non-Fickian model was proposed to account for post-curing effects on the moisture absorption; such modification applied for post-curing was not found in literature. In the second part of this work, the swelling behavior of neat epoxy resin, uncoated and coated composites was evaluated and correlated with moisture absorption. The orthotropy of the composite was evident, since this material showed greater swelling capacity in the thickness direction. A Fickian-like model was implemented to the thickness swelling to investigate swelling strain saturation and swelling front. The third part of this work focuses on the destructive tests and evaluation of the hygrothermal effects on the material degradation. Temperature proved to be an accelerating factor for property degradation. In addition, a methodology to estimate the service-life curve of the repair systems and extrapolate it to lower temperatures was elaborated. The methodology of property extrapolation for long-term hygrothermal exposure in salt spray environments could not be found in literature. Parameters like property retention plateau and degradation rate were estimated for room temperature (25°C). Arrhenius curves were also plotted to evaluate the time required to reach the properties’ retention levels for each temperature. Finally, two non-destructive techniques were performed on the uncoated FRP and on neat epoxy resin as complementary tests in order to validate the results found in other techniques. The Impulse Excitation Technique (IET) was performed to evaluate the Young modulus and good correlation was found between IET and destructive bending tests. From the colorimetry tests, the effects of moisture and temperature were visible, as the resin s color change was stronger at longer aging time and higher temperatures.

[pt] A presente tese de doutorado tem como origem o projeto de pesquisa Aneel PD-0394-1905/2019, realizado a partir de uma colaboração entre Furnas e PUC-Rio. A principal meta desse grande projeto de pesquisa está no desenvolvimento do concreto reforçado com fibras visando sua aplicação em elementos estruturais que estão submetidos à fadiga na flexão ao longo de toda sua vida útil, como torres eólicas, pavimentos e elementos de pontes. Dessa maneira, ao longo de todo essa tese doutorado, a degradação mecânica do concreto reforçado com fibras sob fadiga é analisada em detalhe desde a escala da fibra em ensaios de arrancamento até a escala estrutural através de testes mecânicos de fadiga em larga escala. A primeira etapa desse estudo traz uma análise do comportamento à fadiga do concreto reforçado com fibras. A vida à fadiga desse material é estudada através de diferentes modelos estatísticos, que garantem avaliar a falha do material baseada em uma probabilidade falha. Já os ensaios de fadiga no arrancamento ajudam a explicar na escala interface fibra-matriz como ocorre a ruptura dos prismas sob carregamentos cíclicos. Uma segunda fase desse trabalho mostra a degradação mecânica de vigas armadas sob fadiga e o impacto da adição de fibras nos principais parâmetros de interesse. A adição do reforço fibroso é responsável por causar uma redistribuição de tensões na zona tracionada do elemento estrutural, diminuindo as deformações da armadura longitudinal e amenizando a degradação mecânica do concreto armado em termos de curvatura, deslocamento e rigidez. Além disso, a adição de fibras também é responsável por incrementar significativamente a aderência da barra de aço ao redor da matriz de concreto. Fator chave para explicar a melhora da resposta mecânica da estrutura sob fadiga e estudada nessa tese de doutorado através dos ensaios de arrancamento da barra aço. Por fim, uma nova solução analítica foi desenvolvida para avaliar a degradação mecânica dos prismas de concreto reforçado com fibras sob fadiga. As curvas analíticas propostas se adequaram de forma bem sucedida os resultados experimentais analisados nesse trabalho. A adição de fibras apresentou grande potencial visando uma diminuição da degradação mecânica das estruturas de concreto armado submetidas a carregamentos cíclicos. A redistribuição de tensões na zona tracionada devido às fibras promove uma maior rigidez da estrutura sob fadiga, uma melhora da aderência da armadura e uma maior capacidade de resistir aos ciclos de fadiga ao longo do tempo. Esse ganho mecânico com o reforço fibroso, portanto, pode garantir maior vida útil das estruturas em concreto armado. / [en] This doctoral thesis originates from the research project Aneel PD-0394- 1905/2019, carried out through a collaboration between Furnas and PUC-Rio. The main objective of this extensive research project is the development of fiber reinforced concrete for distinct structural application which are subjected to continuous flexural fatigue loading along their useful life, such wind tower endeavors, concrete pavements and bridge elements. The addition of fibers in the concrete mix has the potential to mitigate the mechanical deterioration along the continuous load cycles, enhancing, as a consequence, the durability and the fatigue life of the cited concrete structural elements. Throughout this doctoral thesis, the mechanical degradation of fiber reinforced concrete under fatigue is carefully analyzed, starting from the fiber scale with pull-out tests and going up to the structural scale through large-scale fatigue mechanical tests. The first stage of this study involves an analysis of the mechanical behavior of fiber reinforced concrete under fatigue loading. The material fatigue life is examined using different statistical models, which allow evaluating material failure based on a failure probability. Fatigue pull-out tests help explain, at the fiber-matrix interface scale, how the prisms rupture under cyclic loading. A second phase of this work demonstrates the mechanical degradation of reinforced structural beams under fatigue and the impact of fiber addition on key concerned parameters. The addition of fiber reinforcement causes a redistribution of stresses in the tension zone of the structural element, reducing the deformations of the longitudinal rebar and mitigating the mechanical degradation of reinforced concrete in terms of curvature, displacement and stiffness. Furthermore, fiber addition significantly improves the bond between the steel bar and the surrounding concrete matrix, a key factor in explaining the enhanced mechanical response of the structure under fatigue, as studied in this doctoral thesis through rebar pull-out tests. Finally, a new analytical solution was developed to assess the mechanical degradation of fiber reinforced concrete prisms under fatigue loads. The proposed analytical curves successfully fit the experimental results analyzed in this work. The addition of fibers showed great potential in reducing the mechanical degradation of reinforced concrete structures subjected to cyclic loading. The stress redistribution in the tension zone, caused by the fibers, promotes greater stiffness of the structure under fatigue, improves the bond with the reinforcement and enhances the ability to withstand fatigue cycles over time. Therefore, the observed enhancement of mechanical properties through fiber reinforcement can ensure a longer service life for reinforced concrete structures.

[pt] A poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) é amplamente empregada no processo de recuperação avançada de petróleo (EOR). No entanto, sua eficácia é prejudicada pela degradação das moléculas do polímero durante o fluxo através das linhas de injeção, válvulas e reservatório. Essa degradação leva a uma diminuição do peso molecular médio e, consequentemente, reduza viscosidade e as propriedades viscoelásticas da solução, afetando sua eficácia no deslocamento do petróleo. Para abordar essas questões, nossa pesquisa caracterizou o grau de degradação mecânica das soluções de HPAM usando reologia de cisalhamento e extensional. Induzimos a degradação fazendo as soluções fluírem por uma válvula com constrição e diferentes vazões através deum modelo microfluídico de um médio poroso. Os resultados revelam que aadição de nanopartículas de sílica (SiO2) tem um efeito insignificante sobreas viscosidades de cisalhamento e extensional de soluções frescas e minimiza a degradação mecânica das soluções de HPAM. As propriedades reológicas das soluções de HPAM com nanopartículas de SiO2 não são significativamente afetadas pela degradação mecânica, o que sugere que a incorporação de nanopartículas poderia aumentar a eficiência da injeção de polímeros em processosde EOR por meio da estabilização das soluções de HPAM. Além disso, nosso estudo explorou escoamento de deslocamento de óleo usando soluções de polímero HPAM frescas e degradadas em dispositivos microfluídicos usados como modelos de meios porosos. Os resultados sugerem que o HPAM fresco é mais eficiente na produção de óleo do que o HPAM degradado. Além disso, a adição de nanopartículas de sílica em soluções degradadas de NPs-HPAM resultou em um aumento de 9-13 por cento na recuperação de petróleo, destacando o enorme potencial das nanopartículas no aprimoramento dos processos de EOR. / [en] Partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) is widely employed in enhanced oil recovery (EOR) process. However, its effectiveness is hindered by degradation of polymer molecules during flow through injection lines, valves and reservoir. This degradation leads to a decrease in average molecular weight and subsequently reduces the solution’s viscosity and viscoelastic properties, impacting its effectiveness on displacing oil. Our research characterized the degree of mechanical degradation of HPAM solutions using shear and extensional rheology. We induced degradation by flowing the solutions through a valve with varying constriction and flow rates and through a microfluidic porous medium model. Our findings reveal that the addition of silica (SiO2) nanoparticles has a negligible effect on the shear and extensional viscosities of fresh solutions and minimizes the mechanical degradation of HPAM solutions. The rheological properties of HPAM solutions with SiO2 nanoparticles are not significantly affected by mechanical degradation, suggesting that incorporating nanoparticles could enhance the efficiency of polymer injection in EOR processes by stabilizing HPAM solutions. In addition, our study explored oil displacement flow using both fresh and degraded HPAM polymer solutions in microfluidic devices used as models of porous media. The findings suggest that fresh HPAM is more efficient in displacing oil than degraded HPAM. Furthermore, the addition of silica nanoparticles into degraded NPs-HPAM solutions resulted in a 9-13 percent increase in oil recovery, highlighting the enormous potential of nanoparticles in enhancing EOR processes.