Os autores reconhecem com gratidão apoios financeiros do nacional natureza Science Foundation da China (Grant no. 51578208), Hebei Provincial Nature Science Foundation (Grant no. E2017202030 e E2014202178), projeto da Universidade de ciência e tecnologia de pesquisa da província de Hebei (Grant n. º de chaves ZD2015028).

1. configuração de campo magnético do solenoide
Nota: O campo magnético é gerado por um solenoide com uma câmara oca. A instalação é um esqueleto de polibutileno tereftalato (PBT) placa solenoide enrolado com 4 a 6 camadas de esmalte, fio de cobre isolado e envolto com uma camada plástica isolante para proteção (Figura 1). Depois de conectar a bobina para DC, a corrente na bobina cria um campo eletromagnético uniforme dentro da câmara de solenoide com um fixo de direção e intensidade constante da indução magnética. Use o campo magnético para alinhar as fibras de aço na argamassa fresca e preparar as amostras ASFRC. Neste estudo, preparamos 150 × 150 × 550 mm prisma amostras usando um solenoide com um tamanho de câmara de 250 × 250 × 750 mm.
<ol><li>Correlacione a intensidade da indução magnética para a corrente elétrica do solenoide.<ol>
<li>Ligar o solenoide para DC e aplicar corrente de 0 a 10 A, com um comprimento de passo de 1 a. medida e registo da intensidade da indução magnética na câmara de solenoide usando um medidor de tesla.</li>
		<li>Traça a curva de intensidade de corrente de indução magnética (Figura 2), que será usada para determinar a corrente necessária do solenoide em etapas posteriores. Nota: Siga atentamente os procedimentos de segurança eléctrica quando ligar o solenoide à fonte de energia e todos os outros processos de operação pertinentes à energia elétrica.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. a trabalhabilidade da argamassa fresca
<ol><li>Preparar três misturas de argamassa com aço fibra volume frações 0.8%, 1,2% e 2,0%, respectivamente (tabela 1). As três misturas têm a mesma composição de matriz com uma água para cimentar a relação de 0.42:1:2 de areia. De acordo com a proporção de mistura, pesa 0,5 kg de cimento, 1,0 kg de areia e 0,21 kg de água para testes de trabalhabilidade.</li>
	<li>Adicione água para o misturador de argamassa primeiro. Em seguida, adicione o cimento. Misture a água e o cimento por 30 s. Em seguida, misture por mais 30 s e durante este 30 s da mistura, adicione gradualmente a areia ao misturador. Em seguida, misture por mais 60 s.</li>
	<li>Teste a profundidade naufrágio da mistura usando um medidor de profundidade afundando seguindo o padrão chinês para método de teste de desempenho na construção de argamassa (JGJ/T70-2009)19.</li>
	<li>Repita as etapas de 2.2 e 2.3, ajustar a dosagem de superplastificante a até a profundidade de naufrágio cai na faixa de 50-100 mm. Gravar a dosagem de superplastificante que produz a trabalhabilidade desejada e completá-lo como parte da proporção da mistura na tabela 1. Também teste a densidade específica da argamassa fresca após o workability é alcançado. A dosagem otimizada de um superplastificante de policarboxilato dos testes acima mencionados é de 0,10% (relação massa de cimento) e a densidade específica da argamassa fresca é 2186 kg/m3.</li>
	<li>Teste a viscosidade da argamassa fresca usando um rheometer argamassa rotacional co-axial (Figura 3). O rheometer tem um banho de água que pode manter a temperatura do recipiente da amostra a 20 ° C.<ol>
<li>Coloca 300 mL de argamassa fresca misturada dentro o anterior 5 min dentro do recipiente da amostra.</li>
		<li>Começa o teste de viscosidade. A sonda cai gradualmente a argamassa fresca no recipiente, e o recipiente começa a girar. Enquanto a argamassa fresca se move dentro do contêiner rotativo, aplica-se uma força de cisalhamento da sonda. No processo, os registros de rheometer a tensão de cisalhamento e cisalhamento taxa e plota a curva de tensão de cisalhamento, a taxa de cisalhamento. A inclinação da curva é a viscosidade da argamassa20,21. Nesta investigação, a viscosidade da argamassa fresca de testes é Pas 0,82.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. preparação das amostras
<ol><li>Determine a intensidade da indução magnética do campo magnético e a corrente do solenoide.<ol>
<li>Usando a viscosidade da argamassa de cimento determinada na etapa 2.5.2, calcular a intensidade da indução magnética do campo magnético necessária para o alinhamento de fibras de aço em argamassa de cimento, através da equação (1):13 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56307/56307eq1v2.jpg">(1) onde B é a intensidade da indução magnética, η é a viscosidade da argamassa fresca, lf é o comprimento da fibra de aço, m é a massa de uma fibra de aço individual, def r é o raio de fibras de aço, μ é a permeabilidade das fibras de aço, μ0 é a permeabilidade do vácuo, Δt é o intervalo de tempo e α(t + Δt) é a aceleração angular no próximo intervalo de tempo. De acordo com a viscosidade e os parâmetros da fibra de aço utilizados nos ensaios, a intensidade necessária da indução magnética é 9.83 Mt.</li>
		<li>Determinar a corrente elétrica do solenoide necessário para criar uma intensidade da indução magnética suficiente de acordo com a Figura 2 ou equação (2):14 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56307/56307eq2v2.jpg">(2) onde I é a corrente necessária, N é o número de espiras do solenoide e L é o comprimento do solenoide. Usando a equação (2), a corrente exigida é 8,3 A, enquanto o da Figura 2 é cerca de 8,5 A.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparar as amostras ASFRC<ol>
<li>Use um misturador de argamassa de 15 L para misturar argamassa fresca. Para cada lote, misture 7,5 L de argamassa de acordo com as proporções de mistura listados na tabela 1. Tabela 1 denota as misturas ASFRC como A-Vf, onde A indica que as fibras de aço são alinhadas e Vf indica a fração de volume de fibras de aço. Por conseguinte, as misturas de ALÇAPÃO são denotadas, para comparação, como R-Vf, onde R indica que as fibras de aço são distribuídas aleatoriamente. As misturas de ALÇAPÃO não estão listadas na tabela 1 , mas tem as mesmas proporções como ASFRC.</li>
		<li>Pesar as matérias-primas e misture a argamassa de cimento reforçada com fibras de aço seguindo procedimentos de rotina.</li>
		<li>Despeje a argamassa fresca em um molde plástico com claro tamanho de 150 × 150 × 550 mm. elenco dos espécimes imediatamente após a mistura para evitar a perda de trabalhabilidade. Demora cerca de 25 min para lançar um prisma ASFRC do contato entre água e cimento.</li>
		<li>Mover o molde em uma mesa de compactação e ligue a compactação da tabela para adicionar s. 30 mais argamassa conforme necessário para garantir que o molde é completamente preenchida.</li>
		<li>Colocar o molde para a câmara do solenoide.</li>
		<li>Ligar o solenoide e compactação tabela para 50 s. Nota: Para o concreto comum o tempo de compactação razoável é em torno de 60-120 s. Neste teste, é tentativa para controlar o tempo total de compactação dentro desse intervalo. Vez mais compactação pode melhorar o alinhamento das fibras de aço; no entanto, pode causar sobre compactação e, consequentemente, a segregação (afundamento de fibras de aço e agregados grosseiros se houver). Menos tempo de compactação pode causar pobre alinhamento das fibras de aço e concreto não consolidado.</li>
		<li>Desligue a compactação da tabela.</li>
		<li>Desligue o solenoide após a compactação da tabela parou completamente.</li>
		<li>Suavemente retire o molde de solenoide e alise a superfície superior da argamassa com uma colher de pedreiro. Não comprometer as fibras de aço perto de superfície superior.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Para cada mistura, prepare três espécimes eletromagneticamente tratadas (seguindo passos 3.2.2-3.2.9) e três amostras não-eletromagneticamente tratadas (seguindo os passos 3.2.2-3.2.4 e 3.2.9). Na preparação de amostras não-eletromagneticamente tratadas, o tempo total de compactação foi 80 s — o mesmo que na preparação de amostras tratadas eletromagneticamente.</li>
	<li>Deixe as amostras dentro de casa e em seus moldes por 24 h. Então demold e curar os espécimes em uma sala de névoa, até que eles são utilizados para ensaios mecânicos.</li>
</ol>4. três pontos ensaio de flexão
<ol><li>Depois de 28 dias, retire os espécimes da sala de cura e marcar as posições para carregar (A), suporta (B), mid-span deflexão (C) e LVDT fixação pontos (D) (Figura 4).</li>
	<li>Coloque a amostra no equipamento de teste flexão a três pontos (Figura 4) da máquina de teste MTS e consertar um LVDT para o mid-span usando um suporte LVDT em cada superfície lateral da amostra (Figura 4).</li>
	<li>Conecte o LVDT um datalog. Em seguida, defina a frequência de aquisição de dados no controle PC da máquina de testes.</li>
	<li>Gradualmente aumentar a amostra por elevar de que o fundo oferece suporte para que a parte superior célula da máquina de teste de carga é muito perto, mas não tocar a superfície superior da amostra.</li>
	<li>Zero a carga inicial, mid-span deflexão (LVDT) e valores de deslocamento (célula de carga).</li>
	<li>Iniciar o teste e aplicar uma carga de flexão de três pontos para a amostra com um controle de deslocamento a uma velocidade de 0,2 mm/min. recorde a história completa da deflexão de carregamento e mid-span do espécime.</li>
	<li>Cuidado com a carga e a deformação da amostra. Após o valor de pico, quando o deslocamento for superior a 30 mm, pare o teste. Normalmente, a amostra está rachada e a carga é menor que 1,0 kN.</li>
	<li>Repita as etapas 4.1-4,7 para testar todas as amostras.</li>
</ol>5. aço fibra análise de orientação
<ol><li>Conte o número de fibras de aço na seção fraturada.<ol>
<li>Separe as amostras em duas porções na seção rachada.</li>
		<li>Medir e registrar a orientação das fibras de aço na seção transversal fraturada da amostra de argamassa de cimento. A orientação é o ângulo entre uma fibra de aço e o eixo do espécime. Porque medir manualmente as orientações das fibras de aço é difícil e pode produzir medidas imprecisas, orientações podem ser categorizadas como um dos seis intervalos de ângulo: 0 - 15 °, 15-30 °, 45 ° - 30, 45-60 °, 75 ° - 60 e 75-90 °. Registrar o número de fibras de aço em cada grupo e em seguida, calcular o fator de eficiência de orientação de fibra média da amostra através da equação (3): <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56307/56307eq3v2.jpg">(3) onde ηθ é o fator de eficiência média de orientação das fibras de aço, lf é o comprimento de uma fibra de aço individual, n é o número total de fibras de aço na seção rachada e θ é a ângulo entre uma fibra de aço e a direção do campo magnético aplicado ao modelo (no cálculo, o valor médio do intervalo de ângulo é adotado para todas as fibras de aço em cada grupo).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Realizar análise de tomografia computadorizada de radiografia computadorizada.<ol>
<li>Corte um cubo de 75 mm de cada amostra de argamassa.</li>
		<li>Execute a varredura de raio-x do cubo usando um sistema de tomografia computadorizada de radiografia computadorizada. Colocar um exemplar na plataforma de teste e começar a varredura. O espécime gira 360 ° gradualmente e a máquina registra a atenuação dos raios x causada por amostra a cada passo de rotação. O sistema de tomografia computadorizada gera uma estrutura tridimensional digital do cubo.</li>
		<li>Identifica as fibras de aço na estrutura do cubo digital por processamento binário preto e branco. Em seguida, obter a imagem digital, descrevendo a distribuição das fibras de aço.</li>
		<li>Determine as coordenadas de todas as fibras de aço por análise de imagem.</li>
		<li>Calcule a orientação de cada fibra de aço de acordo com as suas coordenadas.</li>
		<li>Calcule o fator de eficiência de orientação das fibras através da equação (3).</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Zollo, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber-reinforced+concrete:+an+overview+after+30+years+of+development.">Fiber-reinforced concrete: an overview after 30 years of development.</a> Cem. Concr. Compos. 19 (2), 107-122 (1997).</li><li>Bentur, A., Mindess, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fiber reinforced cementitious composites. , (2014).</li><li>Deeb, R., Karihaloo, B. 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Mater. 48 (2), 656-661 (2013).</li><li>Schnell, J., Schladitz, K., Schuler, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direction+analysis+of+fibres+in+concrete+on+basis+of+computed+tomography.">Direction analysis of fibres in concrete on basis of computed tomography.</a> Betonund Stahlbetonbau. 105 (2), 72-77 (2010).</li><li>Wuest, J., Denari&#233;, E., Br&#252;hwiler, E., Tamarit, L., Kocher, M., Gallucci, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tomography+analysis+of+fiber+distribution+and+orientation+in+ultra+high-performance+fiber+reinforced+composites+with+high+fiber+dosages.">Tomography analysis of fiber distribution and orientation in ultra high-performance fiber reinforced composites with high fiber dosages.</a> Experimental Techniques. 33 (5), 50-55 (2009).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> JGJ/T70-2009 Chinese standard for test method of performance on building mortar. , (2009).</li><li>Roussel, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Understanding the Rheology of Concrete. , (2012).</li><li>Roussel, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Steady+and+transient+flow+behaviour+of+fresh+cement+pastes.">Steady and transient flow behaviour of fresh cement pastes.</a> Cem. Concr. Res. 35 (9), 1656-1664 (2005).</li></ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

O solenoide eletromagnético desenvolvido neste estudo tem uma câmara de medição 250 × 250 × 750 mm e não pode acomodar os elementos estruturais de tamanho completo. Embora o tamanho da câmara limita a aplicação da configuração, o conceito e protocolo proposto neste artigo irá inspirar o desenvolvimento de uma configuração de tamanho máximo para a fabricação de elementos ASFRC, particularmente prefabricados de elementos.
Alcançar uma viscosidade adequada de argamassa fresca ?...

Incorporação de fibras de aço no concreto é uma maneira eficaz para superar a fraqueza inerente da fragilidade e melhorar a resistência à tração do concreto1. Durante as últimas décadas, concreto reforçado com fibras de aço tem sido extensivamente investigado e amplamente utilizado no campo. Concreto reforçado com fibras de aço é superior ao concreto em termos de resistência de rachamento, resistência à tração, tenacidade à fratura, fratura de energia, etc.2 nas fibras de concreto armado, aço fibra de aço são aleatoriamente dispersos, desse modo dispersar uniformemente a eficiência de reforço das fibras em todas as direções. No entanto, em determinadas condições de carregamento, apenas algumas das fibras de aço no concreto contribuem para o desempenho dos elementos estruturais porque a eficiência de reforço das fibras requer que eles ser alinhado com o princípio salienta elástica na estrutura. Por exemplo, quando usando concreto reforçado com fibras de aço contendo fibras de aço distribuídas aleatoriamente para preparar um feixe, algumas das fibras de aço, especialmente aqueles paralela à direção da principal tensão elástica, fará uma contribuição importante para Não reforçar a eficiência, enquanto aqueles perpendicular à direção da tensão tração principal fará nenhuma contribuição para o reforço da eficiência. Consequentemente, encontrar uma abordagem para alinhar as fibras de aço com a direção do principal stress elástico em concreto é necessário para atingir a máxima eficiência de reforço das fibras de aço.
O fator de eficiência de orientação, definido como a razão entre o comprimento projetado ao longo da direção do stress elástico para o comprimento real de fibras, geralmente é usado para indicar a eficiência do reforço de fibras de aço3,4 . De acordo com esta definição, o fator de eficiência de orientação das fibras alinhadas com a direção do stress tênsil é 1.0; das fibras que são perpendiculares ao stress tênsil é 0. Inclinado de fibras têm um fator de eficiência de orientação entre 0 e 1,0. Os resultados analíticos mostram que o fator de eficiência de orientação das fibras de aço distribuídos aleatoriamente em concreto é 0.4054, enquanto que a partir de ensaios de concreto reforçado com fibras de aço ordinário é na faixa de 0.167 de 0,5005,6 . Evidentemente, se todas as fibras curtas de aço no concreto são alinhadas e tem a mesma orientação como o estresse de tração, as fibras de aço terá a mais alta eficiência de reforço e os espécimes terá o comportamento elástico ideal.
Algumas tentativas bem sucedidas para preparar o concreto reforçado com fibras de aço alinhados têm sido realizadas desde a década de 1980. Em 1984, Shen7 aplicado a um campo eletromagnético para a camada inferior de vigas de cimento compósito (ALÇAPÃO) fibra de aço reforçada durante a fundição, e análise de detecção de raio-x revelou que as fibras de aço foram bem alinhadas. Em 1995, Bayer8 e Arman9 patenteou a abordagem para a preparação de concreto reforçado com fibras de aço alinhadas usando um campo magnético. Yamamoto et al . 10 considera-se a orientação das fibras de aço em concreto para ser principalmente influenciado pela abordagem fundição e tentou obter concreto reforçado com fibras de aço alinhado ao manter fluindo concreto fresco para a cofragem de uma direção constante. Xu11 tentativa de alinhar as fibras de aço em concreto projetado por pulverização de fibras de aço de uma direção constante. Rotondo e Wiener12 procuraram fazer postes de concretos com fibras de aço longo alinhadas por fundição centrífuga. Estes estudos experimentais revelam que o concreto reforçado com fibras de aço alinhado tem vantagens significativas sobre concreto reforçado com fibras de aço distribuídos aleatoriamente.
Recentemente, Michels et al 13 e Mu et al 14 tem desenvolvido com sucesso um grupo de compósitos cimentícios alinhados fibra de aço reforçado (ASFRCs) usando campos electromagnéticos. Nestes estudos, vários solenoides foram feitas para fornecer um campo magnético uniforme para o alinhamento de fibras de aço em amostras de argamassa de tamanhos diferentes. O solenoide tem uma câmara cuboide oca, que pode acomodar amostras de tamanhos predefinidos. Quando o solenoide é ligado a corrente contínua (DC), um campo magnético uniforme é criado na câmara com uma orientação fixa, que se alinha com o eixo do solenoide. De acordo com o princípio do eletromagnetismo15, campos magnéticos pode conduzir fibras ferromagnéticas para girar e alinhar na argamassa fresca. Trabalhabilidade adequada da argamassa é crítica para permitindo fibras de aço girar na argamassa fresca. Uma viscosidade elevada pode causar dificuldade no alinhamento das fibras de aço em argamassa, enquanto baixa viscosidade pode levar à segregação das fibras.
Este documento descreve os detalhes da preparação de espécimes ASFRC e testa as propriedades flexurais do ASFRC e do ALÇAPÃO. Espera-se que ASFRC tem uma maior resistência à flexão e dureza do ALÇAPÃO. Assim, ASFRC potencialmente tem vantagens sobre o ALÇAPÃO em suportar o estresse de tração e resistência à rachaduras, se usado como cobertura de concreto, asfalto, etc.
Usando os espécimes fraturados após testes de resistência à flexão, a orientação das fibras de aço nas amostras é investigada, observando as seções transversais fraturadas e utilizando raios-x de digitalização computadorizada tomografia computadorizada análise16,17 , 18. as propriedades mecânicas do ASFRCs, incluindo a sua resistência à flexão e tenacidade, são relatadas e comparadas com os de SFRCs não-eletromagneticamente tratados.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr >
			<td >Cement</td>
			<td >Tangshan Jidong Cement Co., Ltd.</td>
			<td >P&#215;O 42.5</td>
			<td >Oridnary Portland Cement</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Sand</td>
			<td ></td>
			<td >River sand</td>
			<td>Fineness modulus is 2.4</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Superplasticizer</td>
			<td >Subote New Materials Co., Ltd.</td>
			<td >PCA-III</td>
			<td>Polycarboxylated type, water reducing ratio is 35%</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Steel fiber</td>
			<td >Tianjin Hengfeng Xuxiang New Metal Materials Co., Ltd.</td>
			<td >Round straight</td>
			<td>Diameter 0.5mm, length 25mm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of aligned steel fiber reinforced cementitious composite and its flexural behavior

O objetivo deste trabalho é apresentar uma abordagem, inspirada pela maneira em que uma agulha de bússola mantém uma orientação consistente sob a ação do campo magnético da terra para a fabricação de um composto de cimento reforçado com fibras de aço alinhadas. Alinhados fibra de aço reforçado de compósitos cimentícios (ASFRC) foram preparados através da aplicação de um campo eletromagnético uniforme de argamassa fresca, contendo fibras curtas de aço, no qual as fibras curtas de aço foram levadas para rodar em alinhamento com o campo magnético. O grau de alinhamento das fibras de aço em ASFRC endurecido foi avaliado pela contagem de fibras de aço em secções transversais fraturadas e por análise de tomografia computadorizada de radiografia computadorizada. Os resultados dos dois métodos mostram que o aço, fibras em ASFRC foram altamente alinhadas, enquanto as fibras de aço no trataram não-magneticamente compósitos foram distribuídos aleatoriamente. As fibras de aço alinhadas tinham uma eficiência muito maior reforço, e os compostos, portanto, exibiram a dureza e resistência à flexão significativamente reforçada. O ASFRC é, portanto, superior ao ALÇAPÃO em que ele pode suportar maior tensão de tração e mais resistem eficazmente a fissuração.

Os pontos fortes à flexão de ASFRCs e SFRCs, determinados a partir de testes de flexão de três pontos são mostrados na Figura 5. Os pontos fortes à flexão de ASFRCs são superiores aos de SFRCs para todas as doses de fibra. A força flexural de ASFRCs foram de 88%, 71% e 57% superiores aos de SFRCs em fracções de volume da fibra de 0,8%, 1,2% e 2,0%, respectivamente. Estes resultados implicam que a fibra de aço alinhada reforça a matriz cimentícia...

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Preparation of Aligned Steel Fiber Reinforced Cementitious Composite and Its Flexural Behavior

Este protocolo descreve uma abordagem para a fabricação de composto de cimento reforçado de fibra de aço alinhados através da aplicação de um campo eletromagnético uniforme. Composto de cimento reforçado de fibra de aço alinhado exibe propriedades mecânicas superiores de concreto reforçado com fibra comum.

Preparação de fibras de aço alinhada reforçado cimento compósito e seu comportamento à flexão

The aim of this work is to present an approach, inspired by the way in which a compass needle maintains a consistent orientation under the action of the ...

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11.0K visualizações.  Hebei University of Technology. Este protocolo descreve uma abordagem para a fabricação de composto de cimento reforçado de fibra de aço alinhados através da aplicação de um campo eletromagnético uniforme. Composto de cimento reforçado de fibra de aço alinhado exibe propriedades mecânicas superiores de concreto reforçado com fibra comum.

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Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe (casing), and protects metal components from corrosive fluids. These are essential for uncompromised wellbore integrity. Cements can undergo multiple forms of failure, such as debonding at the cement/rock and cement/metal interfaces, fracturing, and defects within the cement matrix. Failures and defects within the cement will ultimately lead to fluid migration, resulting in inter-zonal fluid migration and premature well abandonment. Currently, there are over 1.8 million operating wells worldwide and over one third of these wells have leak related problems defined as Sustained Casing Pressure (SCP)1. 
The focus of this research was to develop an experimental setup at bench-scale to explore the effect of mechanical manipulation of wellbore casing-cement composite samples as a potential technology for the remediation of gas leaks. 
The experimental methodology utilized in this study enabled formation of an impermeable seal at the pipe/cement interface in a simulated wellbore system. Successful nitrogen gas flow-through measurements demonstrated that an existing microannulus was sealed at laboratory experimental conditions and fluid flow prevented by mechanical manipulation of the metal/cement composite sample. Furthermore, this methodology can be applied not only for the remediation of leaky wellbores, but also in plugging and abandonment procedures as well as wellbore completions technology, and potentially preventing negative impacts of wellbores on subsurface and surface environments.

This article reports on a laboratory scale investigation of an existing field procedure and its adaptation for sealing of leaky wellbores. It consists of mechanical expansion of metal pipe, which results in an improved metal/cement bond, ultimate sealing of hydraulic pathways and prevention of gas leaks caused by the presence of a microannular channel.

Expansão mecânica da tubulação de aço como uma solução para Leaky de poços

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe ...

Engenharia

A Testing Platform for Durability Studies of Polymers and Fiber-reinforced Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mechanical Stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs and condition-based maintenance. These materials are adopted in a wide range of engineering applications, from aircraft and ship structures, to bridges, wind turbine blades, biomaterials and biomedical implants. Polymers are viscoelastic materials, and their response may be highly nonlinear and thus make it challenging to predict and monitor their in-service performance. The laboratory-scale testing platform presented herein assists the investigation of the influence of concurrent mechanical loadings and environmental conditions on these materials. The platform was designed to be low-cost and user-friendly. Its chemically resistant materials make the platform adaptable to studies of chemical degradation due to in-service exposure to fluids. An example of experiment was conducted at RT on closed-cell polyurethane foam samples loaded with a weight corresponding to ~50% of their ultimate static and dry load. Results show that the testing apparatus is appropriate for these studies. Results also highlight the larger vulnerability of the polymer under concurrent loading, based on the higher mid-point displacements and lower residual failure loads. Recommendations are made for additional improvements to the testing apparatus.

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.

A Plataforma de testes de durabilidade Estudos de Polímeros e reforçado com fibra de polímero Composites, sob estímulo Concurrent Hygrothermo-mecânico

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs ...

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are proposed to create the electrical network in this work: (a) the incorporation of the nanoplatelets into the epoxy matrix and (b) the coating of the glass fabric with a sizing filled with the same nanoplatelets. Both types of multiscale composite materials, with an in-plane electrical conductivity of ~10-3 S/m, showed an exponential growth of the electrical resistance as the strain increases due to distancing between adjacent functionalized graphene nanoplatelets and contact loss between overlying ones. The sensitivity of the materials analyzed during this research, using the described procedures, has been shown to be higher than commercially available strain gauges. The proposed procedures for self-sensing of the structural composite material would facilitate the structural health monitoring of components in difficult to access emplacements such as offshore wind power farms. Although the sensitivity of the multiscale composite materials was considerably higher than the sensitivity of metallic foils used as strain gauges, the value reached with NH2 functionalized graphene nanoplatelets coated fabrics was nearly an order of magnitude superior. This result elucidated their potential to be used as smart fabrics to monitor human movements such as bending of fingers or knees. By using the proposed method, the smart fabric could immediately detect the bending and recover instantly. This fact permits precise monitoring of the time of bending as well as the degree of bending.

The integration of conductive nanoparticles, such as graphene nanoplatelets, into glass fiber composite materials creates an intrinsic electrical network susceptible to strain. Here, different methods to obtain strain sensors based on the addition of graphene nanoplatelets into the epoxy matrix or as a coating on glass fabrics are proposed.

Strain Sensing Baseado em Multiscale Materiais Compósitos reforçados com grafeno Nanoplatelets

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are ...

Preparation and High-temperature Anti-adhesion Behavior of a Slippery Surface on Stainless Steel

Anti-adhesion surfaces with high-temperature resistance have a wide application potential in electrosurgical instruments, engines, and pipelines. A typical anti-wetting superhydrophobic surface easily fails when exposed to a high-temperature liquid. Recently, Nepenthes-inspired slippery surfaces demonstrated a new way to solve the adhesion problem. A lubricant layer on the slippery surface can act as a barrier between the repelled materials and the surface structure. However, the slippery surfaces in previous studies rarely showed high-temperature resistance. Here, we describe a protocol for the preparation of slippery surfaces with high-temperature resistance. A photolithography-assisted method was used to fabricate pillar structures on stainless steel. By functionalizing the surface with saline, a slippery surface was prepared by adding silicone oil. The prepared slippery surface maintained the anti-wetting property for water, even when the surface was heated to 300 &#176;C. Also, the slippery surface exhibited great anti-adhesion effects on soft tissues at high temperatures. This type of slippery surface on stainless steel has applications in medical devices, mechanical equipment, etc.

Slippery surfaces provide a new way to solve the adhesion problem. This protocol describes how to fabricate slippery surfaces at high temperatures. The results demonstrate that the slippery surfaces showed anti-wetting for liquids and a remarkable anti-adhesion effect on soft tissues at high temperatures.

Comportamento de antipreparação adesão e alta temperatura de uma superfície escorregadia em aço inoxidável

Anti-adhesion surfaces with high-temperature resistance have a wide application potential in electrosurgical instruments, engines, and pipelines. A ...

Installation Method to Enhance Quality Control for Fiber Reinforced Polymer Spike Anchors

Fiber reinforced polymer (FRP) anchors are a promising way to enhance the performance of externally-bonded FRPs applied to existing structures, as they can delay or even prevent debonding failure. However, a major concern faced by designers is the premature failure of the anchors due to stress concentration. Poor installation quality and preparation of the clearance holes can result in stress concentration that provokes this premature failure. This paper deals with an installation method that aims to reduce the impact of the stress concentration and to provide a proper quality control of the preparation of the drill hole. The method involves three parts: the drilling and cleaning of the holes, the smoothing of the hole edges with a customized drill bit, and the installation of the anchor itself, including the impregnation of the anchor dowel and its insertion. Anchor fans (the free length of the spikes) are then bonded to the external FRP reinforcement. For the end anchorage, and in the case of reinforcements with multiple plies, it is recommended that the anchor fan be inserted between two plies to assist the stress-transfer mechanism. 
The proposed procedure is complemented with a design approach for spike anchors, based on an extensive database. It is proposed that the design follow a number of steps, namely: selection of the anchor diameter and subsequent tensile strength of the connector (that is to say, the anchor before fanning out the free end), evaluation of the reduction in the tensile strength due to bending, provision of enough embedment to prevent slippage failure, and consideration of the number and spacing of anchors for a given reinforcement. In this sense, it should be noted that further research is needed in order to obtain a general expression for the contribution of spike anchors to overall bond strength of FRP reinforcements.

This manuscript presents a method for controlling the quality of installation for spike anchors designed to delay delamination of externally bonded fiber reinforced polymers. The protocol includes the preparation of the drill hole and the insertion process. The most influential parameters on the efficiency of the anchors are discussed.

Método de instalação para aprimorar o controle de qualidade para a fibra reforçado polímero Spike âncoras

Fiber reinforced polymer (FRP) anchors are a promising way to enhance the performance of externally-bonded FRPs applied to existing structures, as they ...

Applicability Analysis of Assessment Methods for Morphological Parameters of Corroded Steel Bars

The irregular and uneven residual sections along the length of a corroded steel bar substantially change its mechanical properties and significantly dominate the safety and performance of an existing concrete structure. As a result, it is important to measure the geometry and amount of corrosion of a steel bar in a structure properly to assess the residual bearing capacity and service life of the structure. This paper introduces and compares five different methods for measuring the geometry and amount of corrosion of a steel bar. A single 500 mm long and 14 mm diameter steel bar is the specimen that is subjected to accelerated corrosion in this protocol. Its morphology and the amount of corrosion were carefully measured before and after using mass loss measurements, a Vernier caliper, drainage measurements, 3D scanning, and X-ray micro-computed tomography (XCT). The applicability and suitability of these different methods were then evaluated. The results show that the Vernier caliper is the best choice for measuring the morphology of a non-corroded bar, while 3D scanning is the most suitable for quantifying the morphology of a corroded bar.

This paper measures the geometry and the amount of corrosion of a steel bar using different methods: mass loss, calipers, drainage measurements, 3D scanning, and X-ray micro-computed tomography (XCT).

Análise da aplicabilidade dos métodos de avaliação de parâmetros morfológicos das barras de aço corroídas

The irregular and uneven residual sections along the length of a corroded steel bar substantially change its mechanical properties and significantly ...

Expression of Cementitious Pore Solution and the Analysis of Its Chemical Composition and Resistivity Using X-ray Fluorescence

The goal of this method is to determine the chemical composition and electrical resistivity of cementitious pore solution expressed from a fresh paste sample. The pore solution is expressed from a fresh paste sample using a pressurized nitrogen gas system. The pore solution is then immediately transferred to a syringe to minimize evaporation and carbonation. After that, assembled testing containers are used for the X-ray fluorescence (XRF) measurement. These containers consist of two concentric plastic cylinders and a polypropylene film which seals one of the two open sides. The pore solution is added into the container immediately prior to the XRF measurement. The XRF is calibrated to detect the main ionic species in the pore solution, in particular, sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca2+), and sulfide (S2-), to calculate sulfate (SO42-) using stoichiometry. The hydroxides (OH-) can be calculated from a charge balance. To calculate the electrical resistivity of the solution, the concentrations of the main ionic species and a model by Snyder et al. are used. The electrical resistivity of the pore solution can be used, along with the electrical resistivity of concrete, to determine the formation factor of concrete. XRF is a potential alternative to current methods to determine the composition of pore solution, which can provide benefits in terms of reduction in time and costs.

This protocol describes the procedure to express fresh pore solution from cementitious systems and the measurement of its ionic composition using X-ray fluorescence. The ionic composition can be used to calculate pore solution electrical resistivity, which can be used, together with concrete electrical resistivity, to determine the formation factor.

Expressão de betonilhas Pore solução e a análise de sua composição química e Resistividade usando fluorescência de raio-x

The goal of this method is to determine the chemical composition and electrical resistivity of cementitious pore solution expressed from a fresh paste ...

Generating Lap Joints Via Friction Stir Spot Welding on DP780 Steel

Friction stir spot welding (FSSW), a derivative of friction stir welding (FSW), is a solid-state welding technique that was developed in 1991. An industry application was found in the automotive industry in 2003 for the aluminum alloy that was used in the rear doors of automobiles. Friction stir spot welding is mostly used in Al alloys to create lap joints. The benefits of friction stir spot welding include a nearly 80% melting temperature that lowers the thermal deformation welds without splashing compared to resistance spot welding. Friction stir spot welding includes 3 steps: plunging, stirring, and retraction. In the present study, other materials including high strength steel are also used in the friction stir welding method to create joints. DP780, whose traditional welding process involves the use of resistance spot welding, is one of several high strength steel materials used in the automotive industry. In this paper, DP780 was used for friction stir spot welding, and its microstructure and microhardness were measured. The microstructure data showed that there was a fusion zone with fine grain and a heat effect zone with island martensite. The microhardness results indicated that the center zone exhibited a greater degree of hardness compared with the base metal. All data indicated that the friction stir spot welding used in dual phase steel 780 can create a good lap joint. In the future, friction stir spot welding can be used in high-strength steel welding applied in industrial manufacturing processes.

Here, we present a friction stir spot welding (FSSW) protocol on dual phase 780 steel. A tool pin with high-speed rotation generates heat from friction to soften the material, and then, the pin plunges into 2 sheet joints to create the lap joint.

Gerando junções de regaço através da soldadura do ponto do stir da fricção no aço DP780

Friction stir spot welding (FSSW), a derivative of friction stir welding (FSW), is a solid-state welding technique that was developed in 1991. An industry ...

Artificial Thermal Ageing of Polyester Reinforced and Polyvinyl Chloride Coated Technical Fabric

Architectural fabric AF9032 has been subjected to artificial thermal ageing to determine changes of the material parameters of the fabric. The proposed method is based on the accelerated ageing approach proposed by Arrhenius. 300 mm x 50 mm samples were cut in the warp and fill directions and placed in a thermal chamber at 80 &#176;C for up to 12 weeks or at 90 &#176;C for up to 6 weeks. Then after one week of conditioning at ambient temperature, the samples were uniaxially tensioned at a constant strain rate. Experimentally, the parameters were determined for the non-linear elastic (linear piecewise) and viscoplastic (Bodner&#8211;Partom) models. Changes in these parameters were studied with respect to the ageing temperature and ageing period. In both cases, the linear approximation function was successfully applied using the simplified methodology of Arrhenius. A correlation was obtained for the fill direction between experimental results and the results from the Arrhenius approach. For the warp direction, the extrapolation results exhibited some differences. Increasing and decreasing tendencies have been observed at both temperatures. The Arrhenius law was confirmed by the experimental results only for the fill direction. The proposed method makes it possible to predict real fabric behavior during long term exploitation, which is a critical issue in the design process.

Here, we simulate accelerated thermal ageing of technical fabric and see how this ageing process influences the mechanical properties of the fabric.

Envelhecimento Térmico Artificial do Poliéster Reforçado e Tecido Técnico Revestido de Cloreto de Polivinil

Architectural fabric AF9032 has been subjected to artificial thermal ageing to determine changes of the material parameters of the fabric. The proposed ...

Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight

Graphene can improve the self-healing properties of asphalt with high durability. However, the self-healing behaviors of graphene-modified asphalt nanocomposite and the role of incorporated graphene are still unclear at this stage. In this study, the self-healing properties of pure asphalt and graphene-modified asphalt are investigated through molecular dynamics simulations. Asphalt bulks with two crack widths and locations for graphene are introduced, and the molecular interactions among asphalt components and the graphene sheet are analyzed. The results show that the location of graphene significantly affects the self-healing behaviors of asphalt. Graphene near the crack surface can greatly accelerate the self-healing process by interacting with the aromatic molecules through &#960;-&#960; stacking, while graphene at the top area of the crack tip has a minor impact on the process. The self-healing process of asphalt goes through the reorientation of asphaltene, polar aromatic, and naphthene aromatic molecules, and the bridging of saturate molecules between crack surfaces. This in-depth understanding of the self-healing mechanism contributes to the knowledge of the enhancement for self-healing properties, which will help to develop durable asphalt pavements.

Graphene-modified asphalt nanocomposite has shown an advanced self-healing ability compared to pure asphalt. In this protocol, molecular dynamics simulations have been applied in order to understand the role of graphene in the self-healing process and to explore the self-healing mechanism of asphalt components from the atomistic level.