Influência da incorporação de nanopartículas de carbonato de cálcio no concreto asfáltico quanto à resistência à deformação permanente e aos efeitos deletérios da ação da água

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Influência da incorporação de nanopartículas de carbonato de cálcio no concreto asfáltico quanto à resistência à deformação permanente e aos efeitos deletérios da ação da água

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Title: Influência da incorporação de nanopartículas de carbonato de cálcio no concreto asfáltico quanto à resistência à deformação permanente e aos efeitos deletérios da ação da água
Author: Manfro, Alexandre Luiz
Abstract: A deformação permanente se caracteriza como um dos defeitos mais comuns em concretos asfálticos, sendo resultado do acúmulo de deformações devido a carregamentos sucessivos. Este tipo de defeito é agravado pela ação deletéria da água e apresenta um grande impacto no nível de segurança e conforto de uma rodovia. Diferentes processos e materiais são pesquisados atualmente para a modificação de ligantes asfálticos com o objetivo de melhorar seu desempenho. Neste contexto, o reforço da nanoestrutura de matrizes asfálticas através da incorporação de nanomateriais tem fornecido revestimentos asfálticos de alto desempenho e alta durabilidade. Desta forma, o presente estudo buscou reforçar a nanoestrutura de um ligante asfáltico a partir da incorporação de nanopartículas de carbonato de cálcio visando o melhoramento do desempenho à deformação permanente e ao efeito deletério da água do concreto asfáltico. O procedimento experimental consistiu em desenvolver nanocompósitos asfálticos a partir da incorporação dos teores de 2%, 4%, 6%, 8% e 10% de nano-CaCO3 no ligante asfáltico Poliflex 60/85-E. A partir disso, os nanocompósitos foram avaliados por meio de ensaios empíricos e reológicos. Levando em consideração os parâmetros reológicos dos nanocompósitos asfálticos relacionados ao desempenho à deformação permanente, definiu-se um teor otimizado de 5,5% de nano-CaCO3 para a produção do concreto asfáltico nanomodificado. A partir da metodologia Superpave (anterior a Superpave 5) foram produzidos dois concretos asfálticos: referência e nanomodificado. A ação deletéria da água no concreto asfáltico foi avaliada primeiramente através do ensaio Lottman modificado e ensaios de adesividade entre ligante asfáltico e agregado. Posteriormente, através do equipamento de deformação permanente francês (Orniéreur), avaliou-se a resistência à deformação permanente e ao efeito deletério da água nos concretos asfálticos, analisando a condição de controle (seco) e condicionada (submetido à ação da água). Os resultados obtidos mostram que a incorporação de nano-CaCO3 foi capaz de melhorar os parâmetros reológicos relacionados ao desempenho em altas temperaturas da matriz asfáltica, considerando os resultados observados na investigação do módulo de cisalhamento dinâmico, na viscosidade aparente, no grau de desempenho (PG) e nos parâmetros obtidos pelo ensaio de fluência e recuperação sob tensões múltiplas (MSCR). Ainda, observou-se que os nanocompósitos apresentaram um aumento da molhabilidade do ligante asfáltico e maior adesividade entre ligante e agregado, o que resultou em um aumento da resistência ao efeito deletério da água. Por fim, verificou-se que a incorporação de 5,5% de nano-CaCO3 foi capaz de reduzir o surgimento de deformações permanentes para ambas condições, sendo que para o concreto asfáltico condicionado esta redução foi ainda mais acentuada. A principal conclusão desta pesquisa foi que a incorporação de nano-CaCO3 na matriz asfáltica resultou em um melhor comportamento reológico em altas temperaturas e melhorou a interação entre ligante asfáltico e agregado, o que se refletiu em um desempenho mecânico superior do concreto asfáltico e maior resistência ao efeito deletério da água.Abstract: Permanent deformation is one of the major distresses on asphalt concrete, resulting from the accumulation of deformations due to successive loadings. This type of distress is aggravated due to moisture damage and can cause a great impact on safety and comfort of a highway. Different processes and materials are currently being researched for the modification of asphalt binders in order to improve their performance. In this context, the reinforcement of the nanostructure of asphalt binders with the incorporation of nanomaterials has provided asphalt concretes with both high performance and durability. Therefore, the present study seeks to reinforce the nanostructure of an asphalt binder incorporating calcium carbonate nanoparticles, aiming to improve the asphalt concrete resistance to permanent deformation and moisture effect. The experimental procedure consisted of developing asphalt nanocomposites from the incorporation of 2%, 4%, 6%, 8% and 10% nano-CaCO3 contents in the Poliflex 60/85-E asphalt binder. Subsequently, the nanocomposites were evaluated by empirical and rheological tests. Analyzing the asphalt nanocomposites rheological parameters regarding the permanent deformation performance, an optimized content of 5.5% of nano-CaCO3 was selected for the production of nanomodified asphalt concrete. Thereafter, two asphalt concretes were produced from the Superpave methodology (previous to Superpave 5), designated as reference and nanomodified. The asphalt concrete resistance to moisture damage was first evaluated with modified Lottman test and adhesion of asphalt-coated aggregate tests. Then, the resistance to permanent deformation and moisture damage of the nanomodified asphalt concrete were evaluated with the Orniéreur traffic simulator, analyzing the control condition (dry) and conditioned (subject to moisture damage). The results obtained indicated that the incorporation of nano-CaCO3 was able to improve the rheological parameters related to the performance at high temperatures of the asphalt binder, considering the results observed in the investigation of the dynamic shear modulus, apparent viscosity, performance grade, and the parameters obtained from the multiple stress creep and recovery test. Furthermore, it was observed that the nanocomposites showed an increase in the wettability of the asphalt binder and greater adhesiveness between binder and aggregate, which resulted in an increased resistance to moisture damage. Finally, it was noticed that the incorporation of 5.5% nano-CaCO3 was able to reduce the permanent deformation for both conditions, where this reduction was even more accentuated for conditioned asphalt concrete. The main conclusion of this research was that the incorporation of nano-CaCO3 within the asphalt binder resulted in a better rheological behavior at high temperatures and improved the interaction with aggregates, which was reflected in a superior mechanical performance of asphalt concrete and greater strength to moisture damage.
Description: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2022.
URI: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/234866
Date: 2022


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