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Título: Efeito da adição de Poliuretana (PU) nas propriedades termomecânicas de pastas de Cimento Portland sujeitas a altas temperaturas
Título(s) alternativo(s): Effect of the addition of polyurethane (PU) in the thermomechanical properties of Portland Cement pastes subject to high temperatures
Autor(es): Silva, Ítalo Batista da
Palavras-chave: Cimentação;Pastas de cimento;Propriedades termomecânicas;Alta temperatura;Expansão térmica;Poliuretana (PU)
Data do documento: 27-Jul-2018
Referência: SILVA, Ítalo Batista da. Efeito da adição de Poliuretana (PU) nas propriedades termomecânicas de pastas de Cimento Portland sujeitas a altas temperaturas. 2018. 125f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Petróleo) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Abstract: In order to adapt Portland cement to well at high temperature conditions and thermal gradients, the application of additives of polymeric nature can be a way to improve their thermomechanical behavior. Steam that is normally injected into the thermal cycling process is around 300 °C, which can damage the naturally fragile cement sheath, either during injection or cooling, as a result of incompatibility of thermal expansion between the cement sheath and Steel coating. The objective of this work is to evaluate the effect of the addition of different polyurethane (PU) concentrations on the thermo-mechanical properties of cement sluuries submitted to temperatures of up to 300 ° C and 3 kpsi (20.7 MPa) pressure. Additive formulations were prepared 1 gpc (0.052 kg), 2 gpc (0.102 kg) and 3 gpc (0.15 kg) of polyurethane, respectively named PU1, PU2 and PU3. A standard paste (without PU) was also prepared. The slurries were cured for 14 days, 28 days and 90 days, and the last three days of each cure were subjected to thermal cycling conditions at a temperature of up to 300 ° C and a pressure of 3 kpsi. The mechanical properties of the cured slurries were analyzed by compressive strength, tensile strength by diametrical compression, resonance frequency for the calculation of the Poisson's coefficient and ultrasonic test for the calculation of the modulus of elasticity. The thermal properties were investigated by the study of the behavior of the coefficient of linear thermal expansion (TSC) in argon atmosphere, with the thermal properties analyzer the study of thermal capacity, thermal conductivity and specific heat in the pastes at all curing times and also by the thermogravimetric (TG) analysis to monitor the mass variation under the same conditions temperature and heating rate of the dilatometry. The samples were also characterized by X - ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (SEM - FEG). The results of compressive strength and tensile strength showed a slight reduction of values with addition of polyurethane and with 90 days of cure the behavior pattern of the compositions was similar to those at 14 and 28 days. After 28 days of curing, the samples presented a good elastic behavior, evidenced by the modulus of elasticity and the Poisson coefficient, 16.5 GPa and 0.22 (reference sllury obtained 17.6 GPa of elastic modulus and Poisson of 0.20). After 28 and 90 days, the samples showed only high xonotlite peaks, which gives higher cement stability according to literature data. The presence of polyurethane also affected the coefficient of thermal expansion of the materials in the dilatometry test, since its presence decreases the hydration kinetics of the samples. Thus, the results showed that the thermomechanical properties of PU formulations were satisfactory compared to the standard paste, mainly with 28 and 90 days of curing, presenting better stability in the crystallographic and morphological characterization, in the study of the compressive and tensile strength, in the plastic (elastic) and dilatometric behavior, as they decreased the thermal incompatibility between the cement sheath and the steel coating. In addition, it reduces the brittle behavior of the cement, contributing in general to the thermomechanical behavior of the sheath material subjected to high temperatures and gradients.
Resumo: Com o intuito de adaptar o cimento Portland para poço a condições de alta temperatura e gradientes térmicos, a aplicação de aditivos de natureza polimérica pode ser uma forma de melhorar seu comportamento termomecânico. O vapor que é normalmente injetado no processo de ciclagem témica fica em torno de 300°C, o que pode danificar a bainha de cimento naturalmente frágil, seja durante injeção ou resfriamento, como resultado da incompatibilidade de expansão térmica entre a bainha de cimento e o revestimento de aço. O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito da adição de diferentes concentrações de poliuretana (PU) nas propriedades termomecânicas de pastas de cimento submetidas a temperaturas de até 300°C e pressão de 3kpsi (20,7 MPa). Foram preparadas formulações aditivadas com 1 gpc (0,052 kg), 2 gpc (0,102 kg) and 3 gpc (0,153 kg) de poliuretana, denominadas respectivamente de PU1, PU2 e PU3. Também foi preparada uma pasta padrão (sem PU). As pastas foram curadas por 14 dias , 28 dias e 90 dias, sendo que durante os últimos três dias de cada uma das curas as amostras passaram pelas condições de ciclagem térmica na temperatura de até 300 ºC e pressão de 3 kpsi. As propriedades mecânicas das pastas curadas foram analisadas por resistência à compressão, resistência à tração por compressão diametral, frequência de ressonância para o cálculo do coeficiente de Poisson e ensaio ultrassônico para o cálculo do módulo de elasticidade. As propriedades térmicas foram investigadas através do coeficiente de expansão térmica linear (CET) no ensaio de dilatometria e também por meio do analisador das propriedades térmicas no estudo da capacidade térmica, condutividade térmica e do calor específico nas pastas em todos os tempo de cura. Realizou-se também análise termogravimétrica (TG) para monitorar a variação de massa nas mesmas condições temperatura e taxa de aquecimento da dilatometria. As amostras foram caraterizadas, ainda, por difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (MEV - FEG). Os resultados de resistência à compressão e de resistência à tração demonstraram leve redução de valores com adição de poliuretana e com 90 dias de cura o padão de comportamento das composições foi similar ao com 14 e 28 dias. Com 28 dias de cura, as amostras apresentaram bom comportamento elástico, evidenciado pelos valores do módulo de elasticidade e do coeficiente de Poisson, 16,5 GPa e 0,22 (a pasta de referência obteve 17,6 GPa de módulo elástico e Poisson de 0,20). Após 28 e 90 dias, as amostras apresentaram somente elevados picos de xonotlite, fase que confere maior estabilidade ao cimento de acordo com dados da literatura. A presença de poliuretana também afetou o coeficiente de expansão térmica dos materiais no ensaio de dilatometria, uma vez que sua presença diminui a cinética de hidratação das amostras. Dessa forma, os resultados mostraram que as propriedades termomecânicas das formulações aditivadas com PU foram satisfatórios comparados com a pasta padrão, principalmente com 28 e 90 dias de cura, apresentando melhor estabilidade na caracterização cristalográfica e morfológica, no estudo da resistência à compressão e à tração, no comportamento plástico (elástico) e dilatométrico, pois diminuíram a incompatibilidade térmica entre a bainha de cimento e o revestimento de aço. Além disso, reduz o comportamento frágil do cimento, contribuindo de maneira geral para o comportamento termomecânico do material da bainha submetido a altas temperaturas e gradientes.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26086
Aparece nas coleções:PPGCEP - Doutorado em Ciência e Engenharia do Petróleo

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