Avaliação da contribuição da lã de aço associada ao nanotubo de carbono na reparação de danos em misturas asfálticas submetidas ao aquecimento por micro-ondas

Abstract

Materiais autorreparadores correspondem àqueles cuja propriedade, intrínseca ou não, de regeneração ao dano poderá ser desencadeada em determinado momento de sua vida de serviço. Esta propriedade está presente também nos materiais asfálticos, uma vez que ? devido a suas características reológicas ? os ligantes asfálticos apresentam potencial autorreparador. Este conceito tem especial importância na pavimentação asfáltica, podendo ser aplicado em pavimentos acometidos pelo trincamento por fadiga, fazendo com que as fissuras oriundas do carregamento cíclico promovido pelo tráfego possam ser seladas e, consequentemente, a vida útil do pavimento possa ser ampliada. Porém, essa ?cicatrização? ocorre de forma lenta, sendo sensível a variações de temperatura e à frequência de carregamento (tempos de repouso). Desta forma, este estudo avaliou o reforço de misturas asfálticas com materiais capazes de potencializar o efeito regenerativo de uma mistura de referência, modificando-a através da incorporação de fibras de lã de aço associadas a nanotubos de carbono (NTC) e submetendo-a ao aquecimento por meio de micro-ondas. Para determinar os teores ótimos de fibras de lã de aço e NTC foram avaliadas as alterações nos parâmetros térmicos e elétricos da mistura asfáltica fina (MAF). Obtidos os teores de material a ser incorporado (16% de lã de aço e 1% de NTC, sobre a massa de ligante asfáltico), procedeu-se a dosagem da mistura de referência (MRef) e da mistura modificada (MModif), permitindo estabelecer comparativos em termos de desempenho mecânico, reológico e ? sobretudo ? da capacidade de reparação e da extensão da vida de fadiga de ambas. Ao final da análise, os dados laboratoriais possibilitaram a realização de uma análise computacional do desempenho das misturas elaboradas em duas estruturas de pavimento hipotéticas. Verificou-se que as fibras metálicas e os nanotubos de carbono promoveram a redução da resistência elétrica do material asfáltico, além de aumentar sua capacidade de condução térmica. Em termos de desempenho mecânico, as fibras de lã de aço e os nanotubos de carbono incrementaram o desempenho da mistura asfáltica quanto à deformação permanente, promovendo uma redução de aproximadamente 35% no afundamento em trilha de roda comparativamente à mistura de referência. Na avaliação das propriedades reológicas, as incorporações resultaram em um aumento do módulo dinâmico (em frequências inferiores a 100 Hz) e uma redução no ângulo de fase (a partir da temperatura de 10 °C). Em relação à fadiga, ambas as misturas apresentaram um desempenho bastante próximo. Porém, ao avaliar a capacidade de reparação, verificou-se que: (a) em relação ao módulo dinâmico, ambas as misturas apresentaram o mesmo nível de reparação, contudo, a mistura de referência apresentou um valor de perda do módulo dinâmico recuperado a cada 100 ciclos de carregamento 64% maior que a mistura modificada; (b) a mistura modificada apresentou um incremento no número de ciclos de carregamento superior ao da mistura de referência, atingindo valores de sobrevida de 45,5% e 30,4%, respectivamente.

Abstract: Self-healing materials correspond to those whose damage healing property, intrinsic or not, may be activated at a certain point in their service life. This property is also present in asphalt materials, since ? due to their rheological characteristics ? asphalt binders have a self-healing potential. This concept is especially important in asphalt pavement, and can be applied in pavements affected by fatigue cracking, making the cracks promoted by traffic loading to be sealed and, consequently, the pavement's life can be extended. However, this healing occurs slowly, being sensitive to temperature variations and the loading frequency (rest times). In this way, this study evaluated the reinforcement of asphalt mixtures with materials capable of enhancing the regenerative effect of a reference mixture, modifying it through the incorporation of steel wool fibers associated with carbon nanotubes (NTC) and submitting it to the heating by microwave. To determine the optimum levels of steel wool fibers and NTC, changes in the thermal and electrical parameters of the fine asphalt mixture were evaluated. After obtaining the contents of material to be incorporated (20% steel wool and 1% NTC, by asphalt binder weight), the reference mixture (MRef) and modified mixture (MModif) were designed, allowing to establish comparisons in terms of mechanical, rheological performance, and ? above all ? the healing capacity and fatigue?s life extension of both. At the end of the analysis, the laboratory data made it possible to carry out a computational analysis of the mixtures? performance elaborated on two hypothetical pavement structures. It was found that metallic fibers and carbon nanotubes reduced the electrical resistance of the asphalt material and increased its thermal conduction capacity. In terms of mechanical performance, steel wool fibers and carbon nanotubes increased the rutting resistance, promoting a reduction of approximately 35% in rutting compared to the reference mixture. In evaluating the rheological properties, the incorporations resulted in an increase in the dynamic modulus (at frequencies below 100 Hz) and a reduction in the phase angle (from a temperature of 10°C). Regarding fatigue, both mixtures performed very closely. However, when evaluating the healing capacity, it was found that: (a) in relation to the dynamic modulus, both mixtures has the same level of repair, however, the reference mixture has a loss value of the recovered dynamic modulus at each 100 loading cycles 64% longer than the modified mixture; (b) the modified mixture has an increase in the number of loading cycles greater than that of the reference mixture, reaching survival values of 45.5% and 30.4%, respectively.