Microdureza aplicada ao estudo do dano em revestimentos compósitos para superfícies metálicas

As estruturas de poços de petróleo são constituídas por tubulações metálicas revestidas com material cimentício as quais atravessam diversas formações geológicas. A integridade estrutural destes sistemas depende principalmente da integridade do material revestimento, que tem como funções oferecer suporte estrutural à tubulação metálica, além de protegê-la contra corrosão. Tal revestimento é ainda responsável por isolar as diferentes formações geológicas existentes ao longo do poço, objetivando não apenas evitar perdas na produção, mas também reduzir potenciais danos ambientais devidos a vazamentos de fluidos contaminantes. De modo a atingir estes objetivos, um perfeito isolamento hidráulico deve ser garantido tanto entre a tubulação metálica e o revestimento cimentício quanto entre este revestimento e as formações rochosas, de maneira que a migração de fluidos possa ser evitada. Embora as companhias de gás e petróleo venham buscando a obtenção de um perfeito isolamento hidráulico, a freqüência de ocorrência destes problemas é enorme em todo o mundo. Deste modo, grande número de pesquisas tem se voltado ao estudo e entendimento das causas associadas à quebra deste isolamento hidráulico, ajudando a reduzir a magnitude de tão complexo problema. A maioria destas pesquisas objetiva o aprimoramento das propriedades do revestimento propriamente dito, enquanto que um número bastante reduzido está associado a aspectos relacionados às interfaces destes sistemas. Tal particularidade deve-se em grande parte ao fato de que tão importante região possui grandes dificuldades de avaliação. Tais dificuldades estão associadas principalmente às anisotropias inerentes aos materiais à base de cimento Portland. Aspectos da interface relacionados à hidratação do cimento são fortemente afetados pela química local dos componentes da matriz cimentícia. O efeito desta complexa microestrutura nas propriedades de engenharia das estruturas deve ser cuidadosamente examinado, podendo a avaliação da de sua integridade ser apropriadamente efetuada mediante Testes Não Destrutivos. O objetivo deste trabalho é correlacionar propriedades mecânicas (obtidas mediante técnicas destrutivas e não-destrutivas) com a microdureza de pastas de cimento em pequenas idades. As amostras ensaiadas foram confeccionadas utilizando cimento Portland de Alta Resistência Inicial e três relações água/aglomerante (0.33, 0.44 e 0.55 em massa). Dois conjuntos de amostras foram preparados: com e sem substituição parcial do cimento (20% em massa) por pozolana constituída de resíduos de cerâmica vermelha moídos. As idades avaliadas foram 1, 3 e 7 dias. As características microestruturais e micromecânicas das pastas de cimento hidratadas foram acessadas mediante técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (no modo retroespalhado) e Microdureza Vickers. Os resultados mostram que a presença da pozolana afeta a distribuição dos grãos de cimento hidratados e a homogeneidade da matriz cimentícia, modificando suas características microestruturais, refletindo nas propriedades mecânicas. A química local prevaleceu sobre as propriedades medias da pasta de cimento, especialmente no contato entre o cimento e a superfície metálica.Oil well structures are built by placing a steel casing and by cementing the space (annulus) between the casing and rock formations throughout the geological layers of wellbores. The structural integrity of these systems resides on the cementing operation, which is designed to offer structural support as well as corrosion protection of the casing. It also promotes zonal isolation among rock formations throughout the wellbore, which not only helps to avoid losses in production, but also reduces potential environmental damage due to leakage of contaminated fluids. In order to achieve these objectives, a hydraulic seal between the casing and the cement and between the cement and the rock formations must be ensured, so that fluid channels in the cement sheath can be prevented. Although oil and gas companies have always been aspiring for perfect zonal isolation, the scope of existing zonal-isolation problems is enormous. Hence, a great number of researchers have been motivated to study and predict lost of zonal isolation, helping to reduce the magnitude of such complex problem. Most research focus on the improvement of the cement properties whereas least effort is given to interface related aspects. This is mostly given to the fact that such important zone is difficult to assess. Such difficulties are mainly associated to inherent anisotropies of Portland cement based materials. Interface related aspects of the cement hydration are strongly affected by the local chemistry of the components of the matrix. The effect of such complex microstructure on the engineering parameters must be carefully examined, so that evaluation of the structure integrity can be properly made via Non Destructive Testings. The aim of this work is to correlate the mechanical properties (destructive and non-destructive) with the microhardness of cement paste at early ages. The samples were cast using Early Strength Development Portland cement and three water to binder ratio (0.33, 0.44 and 0.55 by mass). Also, two sets of cement pastes were mixed with and without a ground redbrick waste pozzolan replacing cement (20% by mass). The test ages were 1, 3 and 7 days. The micro features of the early hydrated cement pastes were assessed by means of Scanning Electron Microscopy (Backscattered Electron Imaging Mode) and Vickers Microhardness. The data shows that the presence of the pozzolan affects the distribution of hydrated cement grains and the homogeneity of the cement matrix, yielding to different microfeatures, reflecting on the mechanical properties. The local chemistry prevails over the average properties of the cement paste, especially at the contact between steel and cement