Avaliação do comportamento reológico e da eficiência fotocatalítica de nanocompósitos asfálticos produzidos com a incorporação de nano-TiO2 e nano-ZnO

Abstract

Os grandes centros urbanos têm apresentado elevadas concentrações de poluentes, que são emitidos pelos escapamentos de veículos automotores como os óxidos de nitrogênio (NOx), os quais são precursores do ozônio troposférico (O3). A literatura apresenta uma série de implicações que estas substâncias causam à saúde humana e ao meio ambiente e, diante de episódios recentes, essa temática vem sendo amplamente discutida. Nesse contexto, a academia tem buscado novas alternativas para minimizar os efeitos da poluição ambiental, notadamente no setor de pavimentação asfáltica. O avanço de pesquisas na área da nanotecnologia possibilitou o desenvolvimento de partículas com propriedades fotocatalisadoras que, por meio de processos de fotocatálise heterogênea, transformam os poluentes em compostos inertes e inofensivos. Entre os principais nanomateriais que vem desempenhando alta performance nesse contexto destacam-se o dióxido de titânio e o óxido de zinco. Este trabalho teve como objetivo geral avaliar o impacto da incorporação de diferentes teores de nanopartículas de dióxido de titânio e óxido de zinco nas propriedades reológicas e na eficiência fotocatalítica do ligante asfáltico 50/70. Visando os ensaios reológicos, foram moldados corpos de prova (CPs) de ligante asfáltico com diferentes teores de incorporação (0%; 3%, 6%, 9%, 12% e 15% (TiO2); 3%, 6%, 9%, 12% e 15% (ZnO)). Essas amostras foram submetidas ao viscosímetro Brookfield, para possibilitar o desenvolvimento da curva viscosidadetemperatura, e ao reômetro de cisalhamento dinâmico, para a realização dos ensaios PG a altas temperaturas, MSCR, LAS e a varredura de frequência para o desenvolvimento de curvas mestras e outras representações do módulo de cisalhamento dinâmico. Ainda, visando o ensaio de eficiência fotocatalítica, foram moldados CPs de ligante asfáltico com diferentes teores de incorporação (0%; 15% (TiO2); 15% (ZnO)). Essas amostras foram ensaiadas em aparato para ensaio de fotocatálise e submetidas a um procedimento sob condições controladas de concentração de poluente, umidade relativa do ar, radiação UV-A e taxa de fluxo, de modo a simular uma atmosfera poluída. Os resultados apontam benefícios no desempenho reológico dos materiais estudados. Nesse sentido, a incorporação de maiores teores de nanopartículas promoveu aumento do módulo de cisalhamento dinâmico, redução do ângulo de fase, maior resistência à deformação permanente e maior tolerância ao dano por fadiga para baixas amplitudes de deformação. Os resultados apontam que não houve a degradação da poluição atmosférica em níveis satisfatórios, ou seja, abaixo da concentração de óxidos de nitrogênio (NOx) inicial. Esta situação está associada ao aspecto impermeabilizante do próprio ligante asfáltico, uma vez que envolve parte do nano-TiO2 ou nano-ZnO, de modo a não receber radiação e umidade, impedindo que as reações fotocatalíticas ocorram. Portanto, infere-se que as nanopartículas de dióxido de titânio e óxido de zinco conferem melhora nas propriedades reológicas do ligante asfáltico, porém ainda é necessário estudar formas de potencializar a eficiência fotocatalítica dos nanomateriais quando incorporados no ligante asfáltico para permitirem a degradação da poluição atmosférica de forma eficiente.

Large urban centers have presented high concentrations of pollutants, which are emitted by the exhausts of motor vehicles such as nitrogen oxides (NOx), which are precursors of tropospheric ozone (O3). The literature has a number of implications that these substances cause to human health and the environment and, in the face of recent episodes, this theme has been widely discussed. In this context, the academy has been looking for new alternatives to minimize the effects of environmental pollution, notably in the asphalt pavement sector. Advances in nanotechnology research have enabled the development of particles with photocatalyst properties that, through heterogeneous photocatalysis processes, transform pollutants into inert and harmless compounds. Among the main nanomaterials that have been performing in this context are titanium dioxide and zinc oxide. The objective of this work was to evaluate the impact of the incorporation of different titanium dioxide and zinc oxide nanoparticle contents on the rheological properties and photocatalytic efficiency of 50/70 asphalt binder. Aiming at rheological tests, asphalt binder specimens were molded with different incorporation contents (0%; 3%, 6%, 9%, 12% and 15% (TiO2); 3%, 6%, 9 %, 12% and 15% (ZnO)). These samples were submitted to the Brookfield viscometer to enable the development of the viscosity-temperature curve, and to the dynamic shear rheometer to perform the high temperature PG, MSCR, LAS and frequency sweep tests for the development of master curves and other representations of the dynamic shear modulus. Additionally, aiming at the photocatalytic efficiency test, asphalt binder spicemens with different incorporation contents (0%; 15% (TiO2); 15% (ZnO)) were molded. These samples were assayed on photocatalysis assay apparatus and subjected to a procedure under controlled conditions of pollutant concentration, relative air humidity, UV-A radiation and flow rate to simulate a polluted atmosphere. The results indicate benefits in the rheological performance of the studied materials. In this sense, the incorporation of higher nanoparticle contents promoted increased dynamic shear modulus, reduced phase angle, greater resistance to permanent deformation and greater tolerance to fatigue damage at low strain amplitudes. The results indicate that there was no degradation of air pollution at satisfactory levels, that is, below the initial concentration of nitrogen oxides (NOx). This situation is associated with the waterproofing aspect of the asphalt binder itself, since it involves part of nano- TiO2 or nano-ZnO, so as not to receive radiation and moisture, preventing photocatalytic reactions from occurring. Therefore, it is inferred that titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles provide improvement in the rheological properties of the asphalt binder, but it is still necessary to study ways to enhance the photocatalytic efficiency of nanomaterials when incorporated into the asphalt binder to allow the degradation of atmospheric pollution. efficiently.