Efeitos da incorporação de nanopartículas de óxido de alumínio na condutividade térmica e nas propriedades reológicas de ligantes asfálticos

Abstract

A condutividade térmica caracteriza-se como uma propriedade de interesse dos materiais asfálticos, interferindo diretamente na capacidade de recuperação das microfissuras das misturas asfálticas. Nesse contexto, diversas pesquisas têm sido desenvolvidas com o intuito de aumentar a condutividade térmica dos materiais asfálticos a partir da inserção de nanomodificadores com propriedades térmicas superiores ao material convencional, melhorando a condutividade do compósito resultante e elevando a propensão de induzir e acelerar o processo de cicatrização dos danos por fadiga. A partir disso, este estudo buscou produzir nanocompósitos com maior condutividade térmica a partir da modificação de duas matrizes asfálticas distintas (CAP 50/70 e Poliflex 60/85-E) com nanopartículas de óxido de alumínio (Al2O3). Ainda, avaliou-se as propriedades mecânicas e reológicas para verificar se a incorporação de nano-Al2O3 é prejudicial ou não aos parâmetros que determinam o desempenho quanto à suscetibilidade à deformação permanente e à tolerância ao dano por fadiga. Nesse âmbito, a matriz de CAP 50/70 foi nanomodificada com Al2O3 nos teores de 1%, 2%, 3%, 4%, 5% e 6%, ao passo que o Poliflex 60/85-E foi modificado com porcentagens de 0,5%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11% e 12% de nanoalumina, ambos em peso de ligante asfáltico. Como resultados, observou-se que a incorporação de nanoalumina nas matrizes asfálticas de CAP 50/70 e Poliflex 60/85-E elevou a condutividade térmica em cerca de 13% e 18%, respectivamente, no comparativo entre os ligantes de referência e os teores extremos (6% para o CAP 50/70 e 12% para o Poliflex 60/85-E), atingindo o principal objetivo da presente pesquisa, que era a produção de nanocompósitos com melhores propriedades térmicas e que propiciassem, em estudos futuros, a concepção de misturas asfálticas com maior propensão à recuperação de danos por fadiga. Ainda, constatou-se que as nanopartículas de Al2O3 beneficiaram os parâmetros que predizem a suscetibilidade à deformação permanente em ambas as matrizes asfálticas investigadas, considerando os impactos na viscosidade, no grau de desempenho (PG), nos parâmetros de fluência e recuperação sob tensões múltiplas e no módulo de cisalhamento dinâmico, com melhoramentos mais significativos no Poliflex 60/85-E. Por fim, a avaliação da tolerância do material ao dano por fadiga indicou que os nanocompósitos de CAP 50/70 apresentaram um teor ótimo incorporação de 1% nano-Al2O3, enquanto que qualquer teor no Poliflex 60/85-E teve uma tendência de redução considerável desse parâmetro. A principal conclusão da presente pesquisa é que foi possível elevar a condutividade térmica das matrizes asfálticas investigadas a partir da incorporação de nanoalumina, contudo, existe a necessidade de investigar o desempenho de misturas asfálticas baseadas nesses mesmos ligantes nanomodificados e verificar se a resposta de reparação (healing) ao dano é superior aos efeitos maléficos provocados nos parâmetros de tolerância ao dano por fadiga, mais significativos no Poliflex 60/85-E. Com isso, recomenda-se o intervalo de incorporação de nanoalumina entre 1% e 3%, considerando o CAP 50/70, e entre 0,5% e 2%, em se tratando do Poliflex 60/85-E, para estudos futuros do desempenho das misturas asfálticas.

Abstract: Thermal conductivity is a property of interest for asphalt materials, directly interfering with the ability to recover the micro-cracks in asphalt mixtures. In this context, several researches have been developed in order to increase asphalt materials thermal conductivity from the insertion of nanomodifiers with thermal properties superior to the conventional material, improving the resulting?s composite conductivity and increasing the propensity to induce and accelerate the process of healing of fatigue damage. Thus, this study sought to produce nanocomposites with greater thermal conductivity from the modification of two different asphalt matrices (CAP 50/70 and Poliflex 60/85-E) with aluminum oxide nanoparticles (Al2O3). In addition, the mechanical and rheological properties were evaluated to verify whether the incorporation of nano-Al2O3 is harmful or not to the parameters that determine the performance in terms of susceptibility to permanent deformation and tolerance to damage by fatigue. In this context, the CAP 50/70 matrix was nanomodified with Al2O3 in the contents of 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6%, whereas Poliflex 60/85-E was modified with percentages of 0.5%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11% and 12% of nanoalumina, both by asphalt binders? weight. As a result, it was observed that the incorporation of nanoalumina in the asphalt matrices of CAP 50/70 and Poliflex 60/85-E increased the thermal conductivity by about 13% and 18%, respectively, in the comparison between the reference binders and the extreme levels (6% for CAP 50/70 and 12% for Poliflex 60/85-E), reaching the main objective of the present research, which was the production of nanocomposites with better thermal properties; and that, in future studies, would provide the design of asphalt mixtures with a greater propensity to healing from damage by fatigue. Still, it was found that the Al2O3 nanoparticles benefited the parameters that predict the susceptibility to permanent deformation in both investigated asphalt matrices, considering the impacts on viscosity, on the performance grade (PG), on the creep and recovery parameters under multiple stresses and in the dynamic shear modulus, with more significant improvements in the Poliflex 60/85-E. Finally, the evaluation of the materials tolerance to fatigue damage indicated that CAP 50/70 nanocomposites had an optimum incorporation content of 1% nanoAl2O3, while any content in Poliflex 60/85-E had a tendency to decrease this parameter. The main conclusion of this research is that it was possible to increase the thermal conductivity of the asphalt matrices investigated from the incorporation of nanoalumina, however, there is a need to investigate the performance of asphalt mixtures based on these same nanomodified binders and to verify if the healing response is superior to the harmful effects caused in the fatigue damage tolerance parameters, more significant in the Poliflex 60/85-E. Therefore, the nanoalumina incorporation interval between 1% and 3%, considering the CAP 50/70, and between 0.5% and 2%, in the case of Poliflex 60/85-E, is recommended for future studies performance of asphalt mixtures.