Damage - frictional constitutive model with chemical degradation for interface elements in cement - based materials

One of the alternatives proposed to cope with global warming is the injection of carbon dioxide (CO2) into deep geological formations through a process known as Carbon Capture and Storage (CCS). Due to their geological characteristics, disused hydrocarbon reservoirs are suitable for CO2 storage. However, these reservoirs are often crossed by abandoned wells, in which ordinary Portland cement has been used to make the various seals. Due to the alkaline nature of the hardened Portland cement paste and the acidity of the surrounding environment, as a result of CO2 injection, chemical degradation processes of the material can be triggered. It is therefore of fundamental importance to understand the physical and chemical phenomena involved in the problem in order to be able to model them with sufficient accuracy. Within the framework of the finite element method (FEM), zero-thickness interface elements are frequently used to model physical discontinuities and cracking of quasi-brittle materials under fracture processes caused by mechanical actions. However, it is difficult to find formulations that also include softening of the material due to chemical processes, as for example occurs in the cement paste used in the sealing of old oil wells, which are exposed to acid attack when the reservoirs are subsequently used for CO2 storage. Recently, within the UPC group, a law was proposed based on the theory of elasto-plasticity that incorporates the effect of degradation of material strength parameters due to chemical processes. However, this law has limitations for the simulation of interface element behaviour under load-unload-reload cycles, due to the fact that in real cases, in pure tensile or tensile-shear states, when unloading occurs, the cracks close either completely or partially, which cannot be represented by an elasto-plastic law in which unloading occurs according to the direction of initial stiffness. This effect leads to unrealistic compression states at the time of unloading. To improve aspects of the original model's response in load-unload-reload situations, a constitutive model for interface elements has been proposed in which cohesive behaviour based on scalar damage theory, on one side, and frictional behaviour with dilatancy, on the other, are combined in a parallel coupled formulation. The aim of the present thesis work is the extension of the cohesive-frictional law in order to incorporate the effect of degradation of material strength parameters due to chemical processes. For this purpose, the fracture process is governed by two history variables: one internal, representing the degradation associated with the fracture processes, taken into account with an isotropic damage variable, and the other external, representing the degree of chemical degradation, which varies between values zero (undegraded material) and one (completely degraded material). The behaviour of the law has been verified by means of constitutive examples under some typical loading states: pure tensile, tensile-shear and shear with constant compression, combined with different chemical degradation sequences.

Una delle alternative proposte per affrontare il riscaldamento globale è l'iniezione di anidride carbonica (CO2) in formazioni geologiche profonde attraverso un processo noto come Carbon Capture and Storage (CCS). In virtù delle loro caratteristiche geologiche, i giacimenti di idrocarburi dismessi sono adatti allo stoccaggio di CO2. Tuttavia, questi giacimenti sono spesso attraversati da pozzi abbandonati, nei quali è stato utilizzato del comune cemento Portland per realizzare le varie sigillature. A causa della natura alcalina della pasta di cemento Portland indurita e dell'acidità dell'ambiente circostante, come risultato dell'iniezione di CO2, si possono innescare processi di degradazione chimica del materiale. Pertanto, è di fondamentale importanza comprendere i fenomeni fisici e chimici coinvolti nel problema per poterli modellare in maniera sufficientemente accurata. Nell'ambito del metodo degli elementi finiti (FEM), gli elementi di interfaccia a spessore nullo sono frequentemente utilizzati per modellare le discontinuità fisiche e la fessurazione di materiali quasi-fragili in seguito a processi di frattura causati da azioni meccaniche. Tuttavia, difficilmente si trovano formulazioni che includano anche il rammollimento del materiale dovuto a processi chimici, come ad esempio avviene nella pasta di cemento utilizzata per la sigillatura di vecchi pozzi petroliferi, esposti all'attacco acido quando i giacimenti vengono successivamente utilizzati per lo stoccaggio di CO2. Recentemente, all'interno del gruppo UPC, è stata proposta una legge basata sulla teoria dell'elasto-plasticità che incorpora l'effetto della degradazione dei parametri di resistenza del materiale dovuta a processi chimici. Tuttavia, questa legge presenta delle limitazioni per la simulazione del comportamento degli elementi interfaccia sotto cicli di carico-scarico-ricarico, a causa del fatto che nei casi reali, negli stati di trazione pura o di trazione-taglio, quando si verifica lo scarico, le fessure si chiudono completamente o parzialmente, aspetto che non può essere colto da una legge elasto-plastica in cui lo scarico avviene secondo la direzione della rigidezza iniziale. Questo effetto porta a stati di compressione non realistici al momento dello scarico. Per migliorare gli aspetti della risposta del modello originale in situazioni di carico-scarico-ricarico, è stato proposto un modello costitutivo per elementi interfaccia in cui si combina, in una formulazione accoppiata parallela, da un lato, un comportamento coesivo basato sulla teoria del danno scalare e, dall’altro lato, un comportamento di attrito con dilatanza. Lo scopo del presente lavoro di tesi è l'estensione della legge coesivo-attrattiva al fine di incorporare l'effetto del degrado dei parametri di resistenza del materiale dovuto a processi chimici. A questo scopo, il processo di frattura è governato da due variabili di storia: una interna, che rappresenta il degrado associato ai processi di frattura, presi in considerazione con una variabile di danno isotropa, e l'altra esterna, che rappresenta il grado di degradazione chimica, che varia tra i valori zero (materiale non degradato) e uno (materiale completamente degradato). Il comportamento della legge è stato verificato mediante esempi a livello costitutivo sotto alcuni stati di carico tipici: trazione pura, trazione-taglio e taglio con compressione costante, combinati con diverse sequenze di degradazione chimica.