Avaliação da influência de nanopartículas de óxido de zinco e dióxido de titânio no desempenho mecânico e na reparação aos danos por fadiga (Healing) de uma mistura asfáltica polimérica

Abstract

O emprego de nanomateriais com características de óxidos metálicos e semicondutores, como o ZnO e o TiO2, está em ascensão em pesquisas dedicadas à fotocatálise, abrangendo tanto matrizes asfálticas quanto matrizes cimentícias. Acredita-se que esses nanomateriais, reconhecidos por suas notáveis propriedades fotocatalíticas e por suas capacidades de condução térmica, possam também exibir benefícios em termos de capacidade de reparação (healing) quando incorporados em materiais asfálticos. Pensando nisso, este presente estudo teve como propósito investigar a influência associada desses nanomateriais, óxido de zinco e dióxido de titânio, no desempenho mecânico e na capacidade de reparação ao dano por fadiga de uma mistura asfáltica desenvolvida com ligante asfáltico polimérico e granulometria densa. O método experimental consistiu em produzir nanocompósitos asfálticos por meio da incorporação associada, na proporção de 50% de ZnO e 50% de TiO2, em diferentes teores, 2%, 4%, 6%, 8%, 10% e 12%, no ligante asfáltico modificado por polímero. Em seguida, os nanocompósitos foram avaliados através de ensaios químicos, físicos e reológicos. E a partir dos ensaios reológicos, mais especificamente elevação do grau de desempenho (PG), viscosidade aparente, condutividade térmica e também estudos sobre eficiência fotocatalítica, determinou-se um teor otimizado de 8,5% de nano-ZnO + nano-TiO2, para o desenvolvimento da mistura asfáltica nanomodificada. A avaliação do desempenho mecânico das misturas asfálticas desenvolvidas transcorreu por meio dos ensaios de deformação permanente, comportamento reológico e desempenho à fadiga. Por intermédio do equipamento de deformação permanente francês (Orniéreur), aferiu-se a resistência à deformação permanente das misturas asfálticas. Os resultados alcançados indicam que a adição de nano-ZnO e nano-TiO2 foi capaz de reduzir os afundamentos ocasionados pelos esforços repetitivos de tráfego, quando comparada à mistura asfáltica desenvolvida com ligante de referência. No ensaio de comportamento reológico em temperaturas intermediárias a incorporação de nanomateriais resultou em maior módulo dinâmico e uma leve redução do ângulo de fase. Quanto ao ensaio de desempenho à fadiga e de reparação, obteve-se menor vida de fadiga e maior índice de reparação para a mistura nanomodificada. A principal conclusão desta pesquisa foi que a incorporação associada de óxido de zinco e dióxido de titânio, no teor de 8,5%, em escala nanométrica na matriz asfáltica resultou em uma elevação de 10,12% na resistência à deformação permanente, um menor desempenho à fadiga e uma maior reparação normalizada da mistura asfáltica, sendo 50,78% superior à mistura asfáltica de referência.

Abstract: The use of nanomaterials with characteristics of metallic oxides and semiconductors, such as ZnO and TiO2, is on the rise in research dedicated to photocatalysis, covering both asphalt and cementitious matrices. It is believed that these nanomaterials, recognized for their remarkable photocatalytic properties and thermal conduction capabilities, may also exhibit benefits in terms of healing capacity when incorporated into asphalt materials. With this in mind, this present study aimed to investigate the associated influence of these nanomaterials, zinc oxide and titanium dioxide, on the mechanical performance and capacity to healing fatigue damage an asphalt mixture developed with polymeric asphalt binder and dense granulometry. The experimental method consisted of producing asphalt nanocomposites through the associated incorporation, in the proportion of 50% ZnO and 50% TiO2, in different contents, 2%, 4%, 6%, 8%, 10% and 12%, in polymer modified asphalt binder. Then, the nanocomposites were evaluated through chemical, physical and rheological tests. And from rheological tests, more specifically increasing the performance grade (PG), apparent viscosity, thermal conductivity and also studies on photocatalytic efficiency, an optimized content of 8.5% nano-ZnO + nano-TiO2 was determined, for the development of nanomodified asphalt mixture. The evaluation of the mechanical performance of the asphalt mixtures developed was carried out through permanent deformation, rheological behavior and fatigue performance tests. Using French permanent deformation equipment (Orniéreur), the resistance to permanent deformation of asphalt mixtures was measured. The results achieved indicate that the addition of nano-ZnO and nano-TiO2 was able to reduce subsidence caused by repetitive traffic efforts, when compared to the asphalt mixture developed with a reference binder. In the rheological behavior test at intermediate temperatures, the incorporation of nanomaterials resulted in a higher dynamic modulus and a slight reduction in the phase angle. Regarding the fatigue performance and healing tests, a lower fatigue life and a higher healing index were obtained for the nanomodified mixture. The main conclusion of this research was that the associated incorporation of zinc oxide and titanium dioxide, at a content of 8.5%, on a nanometric scale in the asphalt matrix resulted in a 10.12% increase in resistance to permanent deformation, a lower fatigue performance and greater standard healing of the asphalt mixture, being 50.78% higher than the reference asphalt mixture.