[pt] A interação entre o cimento e outros constituintes desempenha um papel importante em várias aplicações de Engenharia, como nas indústrias de construçãocivil e de óleo e gás (OeG). Na indústria da construção, os compósitos cimentícios reforçados com fibras (CRF) ganharam grande destaque por suas excelentes propriedades mecânicas. As fibras podem aumentar a resistência crítica à fissuração do compósito, melhorando a durabilidade do concreto convencional e controlando a propagação de fissuras na matriz cimentícia. Além disso, as fibras desenvolvem um mecanismo de ponte de transferência de tensões na interface, alterando o comportamento pós-pico do compósito. Por outro lado, na indústria de OeG, cimento e aço são elementos estruturais essenciais que devem garantir a integridade de poços e fornecer isolamento para a passagem de fluidos, especialmente em cenários de abandono. Esse mecanismo na interface é considerado crítico, uma vez que uma interação não eficaz pode permitir a formação de caminhos de vazamento no microanular ao longo da interface cimento-aço, gerando a formação de fissuras. Neste sentido, um estudo abrangente dos mecanismos de dano desenvolvidos na interface do cimento é essencial em ambas as aplicações para entender o comportamento mecânico do material. Portanto, faz-se necessário o desenvolvimento de modelos de elementos finitos que considerem os mecanismos de pullout (descolamento, adesão e atrito) e os parâmetros de interface que governam o comportamento mecânico local do cimento. Embora existam numerosos estudos experimentais e modelos numéricos na literatura, o estado-da-arte atual carece de formulações que investiguem os mecanismos de mapeamento de dano e as interações de transferência de tensão na interface do cimento, especialmente considerando diferentes tipos de matriz de cimento e geometrias de fibra de aço.Esta tese aborda uma lacuna crítica na literatura ao propor a modelagem numérica do descolamento interfacial e mecanismos de evolução de dano para materiais cimentícios avançados e em aplicações de integridade de poços. Modelos de elementos finitos elastoplásticos, incorporando formulações coesivas baseadas em superfícies de contato, são empregados para simular o comportamento da interface do cimento. Além disso, ensaios experimentais de caracterização mecânica e análises de microtomografia são realizados para validar e apoiar os resultados do modelo numérico, avaliando a resistência ao cisalhamento e a propagação de dano na interface do cimento. Assim sendo, esta pesquisa pode oferecer contribuições para engenheiros de diferentes áreas aprimorarem o desempenho mecânico e prototipar novos materiais avançados por meio da investigação da evolução do dano. Os modelos de elementos finitos desenvolvidos emergem como ferramentas valiosas para avaliações de desempenho do cimento de maneira eficaz, simulando confiavelmente o comportamento de pullout/pushout. / [en] The interaction between cement and other constituents plays an important role
in several engineering applications, such as in the construction and oil and gas
(OandG) industries. In the construction industry, fiber-reinforced cementitious
composites (FRC) have gained wide prominence for their excellent mechanical
properties. Fibers can increase the post-cracking strength of the composite,
improving concrete durability and controlling crack propagation in the cement
matrix. Moreover, they perform a bridging mechanism at the interface, changing
the material post-peak behavior. On the other hand, in the OandG industry, cement
and steel are essential structural elements that should ensure well integrity and
provide zonal isolation. This interaction is considered critical since a strong bond
may prevent the generation of microannulus leakage paths along the cement and
steel interface, which also can lead to crack propagation.
In this sense, a comprehensive study of the damage mechanisms developed at
the cement interface is essential in both applications to understand the material
mechanical behavior. Therefore, it is possible to develop finite element models that
consider the pullout mechanisms (debonding, adhesion, and friction) and the
interface parameters that govern the local mechanical behavior of cement. While
numerous experimental studies and numerical models exist, the current state-of-the-art lacks formulations investigating damage mapping and stress transfer
interactions at the cement interface, particularly considering different cement
matrix types and steel fiber geometries.
This thesis addresses a critical gap in the literature by proposing the numerical
modeling of interfacial debonding and damage evolution mechanisms for cement
advanced materials and well integrity applications. Elastoplastic finite element
models, incorporating surface-based cohesive formulations with contact, are
employed to simulate cement interface behavior. Additionally, mechanical
characterization tests and microCT analyses are conducted to validate and support the numerical model results, assessing shear strength and damage propagation at
the cement interface. Therefore, this research can offer insights for engineers across
disciplines to enhance mechanical performance and prototype new advanced
materials by damage evolution investigation. The developed finite element models
emerge as valuable tools for cost-effective evaluations of cement performance
through reliably simulating pullout/pushout behavior.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:67024 |
| Date | 13 June 2024 |
| Creators | MARCELLO CONGRO DIAS DA SILVA |
| Contributors | DEANE DE MESQUITA ROEHL |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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