Efeitos da Pressão

No ambiente do repositório, a pressão em determinada profundidade aumenta conforme o grau geobárico da região. O valor do grau geobárico está entre 25 a 30 Mega Pascal por quilometro. Em um borehole de 400m de profundidade, a pressão pode chegar a 10 MPa, enquanto que poços mais profundos, como por exemplo um de 6.000m, a pressão pode atingir mais de 150MPa (KURDOWSKI, 2014).

A pressão no ambiente de repositório para resíduos radioativos pode aumentar devido à geração de gases hidrogênio e oxigênio pela reação de radiólise. A quantidade de gases gerado nesse ambiente depende do tipo de rejeito e do tipo de radiação que ele emite, bem como da quantidade de água presente na pasta de cimento hidratado e na profundidade do poço.

Os materiais usados como preenchimento no repositório estarão submetidos à pressão desde sua colocação, durante a hidratação, até o fim da vida útil da instalação, após milhares ou centenas de milhares de anos.

O efeito da pressão em materiais cimentícios é estudado há bastante tempo devido à sua aplicação em poços profundos na indústria da exploração de petróleo. Os trabalhos relacionados a este tema, porém, ainda são escassos. Ultimamente, a aplicação de poços profundos para armazenamento de CO2 e sequestro de carbono reacendeu a

discussão sobre esse assunto (SWAYZE, 1954; CAREY et al., 2007; SCHILLING et al., 2015).

Os principais efeitos relatados na literatura são alterações nas propriedades reológicas e mecânicas (como a resistência mecânica) e em parâmetros físico-químicos do

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cimento (como alterações na umidade relativa dentro do material, na cinética de reação com outros íons, etc.) (BARLET-GOUÉDARD et al., 2009).

Além disso, a alta pressão (assim com a alta temperatura) pode ser responsável por descolar o cimento do aço de encamisamento ou da formação, formando caminhos preferenciais para escape ou penetração de água e de gases gerados na instalação (BARLET-GOUÉDARD et al., 2009; SCHILLING et al., 2015).

A interface entre o cimento-camisa e cimento-formação mostrou-se um caminho preferencial para escape de CO2 em poços perfurados em moderada pressão e

temperatura. Esse escape de CO2 foi observado por CAREY et al. (2007) e SCHILLING

(2015), em seus respectivos trabalhos. A maior penetração de ar pode gerar a carbonatação do material, com a reação do CO2 com a portlandita, formando calcita (BARLET-

GOUEDARD et al., 2006; CAREY et al., 2007; BARLET-GOUÉDARD et al., 2009; OMOSEBI et al., 2017)

OMOSEBI et al. (2017) pesquisou o uso de argamassa específica para cimentação em poços de petróleo, submetendo amostras dessa argamassa à carbonatação em diferentes valores de pressão. Foi encontrado que o aumento da pressão intensificou o ataque ao cimento e a sua degradação, aumentando a quantidade de CO2 que penetra no

material e, consequentemente, a sua carbonatação. Neste estudo, observou-se que em pressões de 21 e 42 MPa, a carbonatação dominou as reações, enquanto que em pressão de 62 MPa, a lixiviação das fases carbonatadas prevaleceu (OMOSEBI et al., 2017).

A carbonatação também foi observada por CAREY et al. (2007) e BARLET- GOUÉDARD et al. (2006, 2009). No entanto, em ambos os trabalhos o cimento foi exposto não só a alta pressão, mas concomitantemente a alta temperatura, que atuaram em sinergia, o que pode ter sido um fator mais importante na alteração da taxa de carbonatação do material (CAREY et al., 2007).

Materiais de cimento submetido à pressão durante a cura apresentam maior resistência mecânica em 24 horas, porém uma menor resistência com o avanço da hidratação (a partir dos 7 dias de cura), quando comparados com amostras em cura em condições normais (SWAYZE, 1954).

Cimentos utilizados em poços profundos devem ser bombeados do fundo do poço, até preencher o espaço anular entre o encamisamento externo e a formação geológica. Por isso o cimento não pode endurecer prematuramente (o que impediria o preenchimento total do espaço anular) nem demoradamente (o que atrasaria o processo de perfuração) (SCHERER et al., 2010).

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Alguns estudos visaram avaliar as propriedades reológicas do cimento sob alta pressão nesses ambientes. Observou-se que a pressão altera principalmente a cinética das reações de hidratação do cimento, aumentando a taxa de hidratação e diminuindo o tempo de pega (BRESSON et al., 2002; ZHOU e BEAUDOIN, 2003; JUPE et al., 2008; LIN e MEYER, 2009; SCHERER et al., 2010; WANG e LEE, 2012; HELMI et al., 2016).

BRESSON et al. (2002) aplicaram pressão durante a cura do cimento de até 85 MPa, enquanto SCHERER et al. (2010) aplicaram pressão de até 138 MPa. O aumento da taxa de hidratação encontrado em ambos os trabalhos foi proporcional ao aumento da pressão aplicada.

O trabalho de ZHOU e BEAUDOIN (2003) também observou o aumento da taxa de hidratação com o aumento da pressão durante a cura. No entanto, não foi observado efeito significativo na estrutura dos poros do produto hidratado. Isso implica que a densidade dos produtos de hidratação não é tão afetada pela pressão, até o máximo utilizado no trabalho, de 6,8 MPa.

O mesmo trabalho, porém, observou a formação de micro-fissuras 18 horas após o início da hidratação. A essas micro-fissuras foi atribuído o aumento da taxa de hidratação, uma vez que a água pôde penetrar no material e reagir com uma quantidade maior de grãos. Essas micro-fissuras foram observadas apenas no material sob pressão e não teve efeito na porosidade final, uma vez que foram preenchidos ainda durante a hidratação (ZHOU e BEAUDOIN, 2003).

Resultados distintos foram obtidos por HELMI et al. (2016). Em seu trabalho, foi apresentado que amostras submetidas à pressão durante a cura apresentaram maior resistência inicial (após 7 e 28 dias), indicando o aumento da taxa de hidratação do material. No entanto, foi observado o aumento da densidade do material com a aplicação da pressão e diminuição no diâmetro dos poros, na porosidade total e na quantidade de água livre (HELMI et al., 2016).

JUPE et al. (2008) demonstrou o aumento da taxa de hidratação, observando que a quantidade de portlandita em amostras submetidas à alta pressão foi maior nos primeiros minutos da hidratação, em relação às amostras submetidas à pressão mais baixa.

LIN e MEYER (2009) e WANG e LEE (2012) apresentaram em seus trabalhos resultados de modelagem matemática para avaliar o grau de hidratação em amostras de pasta de cimento e argamassa em diferentes condições de mistura e quando expostas a diversos fatores, entre eles a pressão. Os modelos usaram dados experimentais dos trabalhos já mencionados (BRESSON et al., 2002; ZHOU e BEAUDOIN, 2003;

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SCHERER et al., 2010) e foram capazes de prever o grau de hidratação dos materiais em diferentes condições.

Outro efeito observado no cimento durante a exposição a pressões externas é o aumento na umidade relativa. A compressão dos poros do cimento gera um movimento da água para os poros maiores do cimento, sendo adsorvida nesses poros capilares e aumentando a umidade relativa (WYRZYKOWSKI e LURA, 2014).

O trabalho apresentado por WYRZYKOWSKI e LURA (2014) apresentou esse mecanismo em amostras submetidas à pressão de 26MPa. A umidade relativa nessas amostras aumentou, quase instantaneamente, em até 2% quando submetidas à pressão, e voltou a diminuir instantaneamente quando foi aliviada a pressão.

CHENEVERT e SHRESTHA (1991) relataram retração de amostras de cimento em seu artigo, que comparou amostras submetidas à cura a 38ºC e 8 MPa com amostras submetidas a 66ºC e 24 MPa. Foi observado que as amostras submetidas a maior temperatura e pressão apresentaram maior retração. É difícil avaliar se a retração ocorreu apenas pelo aumento da temperatura ou se há algum efeito sinérgico entre a pressão e a temperatura (CHENEVERT e SHRESTHA, 1991).