Influência da incorporação associada de nanotubos de carbono e nanoalumina na capacidade de reparação de danos por fadiga em concreto asfáltico com ligante polimérico

Abstract

O desenvolvimento de revestimentos asfálticos com maior durabilidade e grande capacidade de reparação (healing) é uma alternativa potencial para a redução da necessidade constante de manutenção aos danos causados pelo alto fluxo de veículos e elevadas cargas. Assim, este estudo avaliou o impacto da modificação de um ligante asfáltico polimérico (4% de SBS) a partir da incorporação associada de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) e nanopartículas de óxido de alumínio (nano-Al2O3), nas propriedades mecânicas, reológicas, térmicas e capacidade de reparação dos danos por fadiga no concreto asfáltico, uma vez que estes nanomateriais contribuem para a melhoria das propriedades mecânicas e reológicas, aumento da condução térmica e melhor estabilidade ao armazenamento. A caracterização dos nanocompósitos (Ligante asfáltico+MWCNTs+nano-Al2O3) foi realizada por Microscopia Óptica, Difratometria de Raios-X (DRX), Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e Condutividade Térmica. O comportamento reológico do ligante de referência e nanocompósitos foi avaliado em temperaturas altas e intermediárias por meio de testes como Grau de Desempenho em Altas Temperaturas (PGH), Fluência e Recuperação sob Tensões Múltiplas (MSCR) e Varredura de Amplitude Linear (LAS) em Reômetro de Cisalhamento Dinâmico (DSR), além da avaliação da Viscosidade Aparente, Variação de Massa, Resistência ao Envelhecimento e Estabilidade ao Armazenamento. Após a análise do comportamento dos nanocompósitos, foi determinado o teor ótimo de adição de nanomateriais e realizado estudo de dosagem para produção do concreto asfáltico. Em seguida, foi avaliada a suscetibilidade à deformação permanente pelo equipamento Orniéreur, o comportamento reológico em temperaturas intermediárias e a resistência à fadiga por flexão a quatro pontos (4PB) do concreto asfáltico. A capacidade de reparação dos danos por fadiga foi analisada por meio do estudo da regeneração do módulo dinâmico e da avaliação do número de ciclos de carregamento suportados antes e após o protocolo de reparação, que inclui o aquecimento por indução de micro-ondas e períodos de repouso. A partir dos resultados obtidos, foi determinado como teor ideal a adição de 2,32% em peso de MWCNTs associados à nano-Al2O3, o que resultou na melhoria de desempenho do ligante asfáltico. Isso inclui o aumento da condutividade térmica a uma taxa de 0,0166 W/mK/%nano, a redução da suscetibilidade à deformação permanente comprovada pelo aumento da viscosidade, aumento do High Performance Grade, elevação do percentual de recuperação (%R3,2), e redução da compliância não recuperável (Jnr3,2). Também, foi constatado uma maior estabilidade ao armazenamento pela redução da separação de fases, maior resistência ao envelhecimento pela redução do índice de envelhecimento, aumento do módulo de cisalhamento dinâmico (¦G*¦) e redução do ângulo de fase (d). No concreto asfáltico, notou-se a redução de 22,07% na deformação permanente, aumento da taxa de aquecimento em 127,77%, e elevação da capacidade de reparação dos danos causados por fadiga, evidenciada pelo aumento de 9,72% na recuperação do módulo dinâmico, de 61,53% no índice de reparação de fadiga e de 61,91% na reparação normalizada. No entanto, tanto na análise do ligante, quanto no concreto asfáltico, foi identificada uma redução da resistência à fadiga. Conclui-se que a utilização de nanomateriais no concreto asfáltico resultou em melhorias significativas nas suas propriedades mecânicas, reológicas e térmicas, além de aprimorar sua capacidade de reparação dos danos causados por fadiga.

Abstract: The development of asphalt coatings with enhanced durability and significant healing capabilities presents a promising solution to reduce the constant need for maintenance due to damage caused by high vehicle traffic and heavy loads. This study evaluated the impact of modifying a polymer-modified asphalt binder (4% SBS) through the incorporation of Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and Aluminum Oxide Nanoparticles (nano-Al2O3) on the mechanical, rheological, thermal properties, and fatigue damage healing capability of asphalt concrete. These nanomaterials contribute to improved mechanical and rheological properties, increased thermal conductivity, and better storage stability. The characterization of the nanocomposites (Asphalt Binder + MWCNTs + nano-Al2O3) was performed using Optical Microscopy, X-ray Diffraction (DRX), Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and Thermal Conductivity. The rheological behavior of the reference binder and nanocomposites was assessed at high and intermediate temperatures through tests such as Performance Grade (PGH), Multiple Stress Creep Recovery (MSCR), Linear Amplitude Sweep (LAS) in a Dynamic Shear Rheometer (DSR), along with evaluation of Apparent Viscosity, Mass Variation, Aging Resistance, and Storage Stability. After analyzing the nanocomposites, the optimal percentage of nanomaterials was determined, and a dosage study for asphalt concrete production was conducted. The susceptibility to permanent deformation was evaluated using the Orniéreur device, rheological behavior at intermediate temperatures, and fatigue resistance through four-point bending (4PB) tests on the asphalt concrete. The fatigue damage healing capacity was studied by investigating dynamic modulus regeneration and evaluating the number of loading cycles resisted before and after a healing protocol, which involved microwave induction heating and rest periods. The results indicated that the ideal addition was 2.32% by weight of MWCNTs combined with nano-Al2O3, leading to improved asphalt binder performance. This included increased thermal conductivity at a rate of 0.0166 W/m.K/%nano, reduced susceptibility to permanent deformation as evidenced by increased viscosity, higher Performance Grade, increased Recovery Percentage (%R3.2), and reduced Non-recoverable Compliance (Jnr3.2). Additionally, greater storage stability was achieved through reduced phase separation, improved aging resistance through a lower aging index, increased dynamic shear modulus (¦G*¦), and reduced phase angle (d). In asphalt concrete, a 22.07% reduction in permanent deformation was observed, along with a 127.77% increase in heating rate and enhanced fatigue damage healing capacity, evidenced by a 9.72% increase in dynamic modulus recovery, 61.53% improvement in the fatigue repair index, and 61.91% in normalized repair. However, both the binder and the asphalt concrete showed a reduction in fatigue resistance. It is concluded that the use of nanomaterials in asphalt concrete significantly improves its mechanical, rheological, and thermal properties while enhancing its ability to repair fatigue-induced damage.