Avaliação da influência de grafeno no desempenho mecânico e na reparação aos danos por fadiga de uma mistura asfáltica com incorporação de polímero

Abstract

As misturas asfálticas são materiais que conseguem reparar microdanos estruturais provocados pelo fenômeno de trincamento por fadiga. Entretanto, esta habilidade consiste de um processo insuficiente, por si só, para restabelecer a capacidade estrutural exigida a nível de serviço. As nanoplacas de grafeno (GNPs) prestam-se bem à potencialização da propriedade reparadora de misturas asfálticas, em virtude do aumento que podem proporcionar à condutividade térmica dos ligantes partícipes das formulações. A presente pesquisa tem por objetivo verificar a hipótese de que nanoplacas de grafeno industrial podem aumentar a capacidade de reparação (healing) de uma mistura asfáltica densa com matriz polimérica por incremento da condutividade térmica, sem perder de vista o desempenho mecânico. A tentativa de verificação de tais hipóteses foi efetuada por meio de uma programação laboratorial que iniciou pela incorporação dos teores de 2%, 4%, 6%, 8% e 10% de GNPs ao ligante Poliflex 60/85-E, em massa de ligante asfáltico. O ligante Poliflex 60/85-E é um ligante asfáltico comercial modificado por 4% de copolímeros SBS, variação D1101 AT. A partir das incorporações, os compósitos foram avaliados principalmente por ensaios reológicos e termocondutivos. Em que pese os resultados de reometria e de condutividade térmica, definiu-se um teor de projeto de 2,64%GNPs para a produção da mistura asfáltica modificada. À luz da metodologia SUPERPAVE (anterior ao programa SUPERPAVE 5) foram confeccionadas duas misturas asfálticas: referência (0%GNPs) e modificada (2,64%GNPs). Avaliou-se o desempenho mecânico por meio de ensaios de resistência à deformação permanente no equipamento francês Orniéurer e resistência à fadiga no aparato de flexão alternada em quatro pontos. A capacidade de reparação aos danos por fadiga foi avaliada via protocolo desenvolvido por Schuster (2020). Os resultados confirmaram melhor comportamento reológico dos compósitos, melhor classificados em termos de grau PG e rigidez superior (maior módulo de cisalhamento dinâmico |G*|) em comparação com o ligante original. Além disso, obteve-se uma maior capacidade de condução térmica, frente ao ligante de referência. Muito embora os achados reométricos atinentes à tolerância ao dano por fadiga (LAS) tenham repercutido nas misturas asfálticas, não foi possível consolidá-los como parâmetros de seleção para o teor de projeto das GNPs em virtude de ainda não se ter um protocolo consagrado na comunidade científica. Quanto às misturas asfálticas, a resistência à deformação permanente da mistura alternativa superou a da mistura de referência em 19%, no que diz respeito ao afundamento na trilha de roda para 30.000 ciclos. Por outro lado, a vida de fadiga obtida para a mistura de referência foi maior que a da mistura modificada. No entanto, as adições ocasionaram a melhora de cerca de 28,5% da porcentagem de reparação aos danos por fadiga e da reparação normalizada da mistura modificada. Há evidências da possibilidade de não se ter conseguido nanocompósitos com estruturas perfeitamente intercaladas devido ao grau de pureza das GNPs (nanomaterial industrial), condição que, associada à elevada rigidez e ao aumento da parcela viscosa da mistura asfáltica modificada, responsabilizou-se pela redução da vida de fadiga. Contudo, a seleção da concentração de 2,64%GNPs implicou, em geral, melhorias consistentes ao desempenho mecânico (deformação permanente) e à capacidade de reparação aos danos da mistura asfáltica usinada com o ligante Poliflex 60/85-E, sobretudo para o campo de aplicações em regiões geográficas de clima equatorial e/ou tropical, sendo de realçar que, nas comparações estabelecidas, a associação das GNPs com agentes condutivos de outras escalas geométricas enseja desfecho promissor no que diz respeito a aspectos vinculados ao desempenho mecânico e à capacidade de reparação aos danos das misturas investigadas.

Abstract: Asphalt mixtures are materials that can repair structural microdamage caused by fatigue cracking phenomena. However, this ability consists of an insufficient process to restore the required structural capacity at service level by itself. Graphene nanoplatelets (GNPs) are well suited to enhance the healing properties of asphalt mixtures, due to the increase that can be provided to the thermal conductivity of binders involved in the formulations. This research aims to verify the hypothesis that industrial graphene nanoplatelets can increase the healing capacity of a dense asphalt mixture with polymeric matrix by elevating thermal conductivity, without losing the mechanical performance out of sight. The attempt to verify this hypothesis was made by means of a laboratory schedule that initiated by incorporating 2%, 4%, 6%, 8% and 10% of GNPs to the Poliflex 60/85-E binder, in mass of asphalt binder. Poliflex 60/85-E is a commercial asphalt binder modified by 4% of SBS copolymers, D1101 AT variant. After the incorporations, the composites were evaluated mainly by rheological and thermal conductivity tests. Regarding to the rheometry and thermal conductivity results, a content of 2.64%GNPs was defined for the production of the modified asphalt mixture. Two asphalt mixtures were produced using the SUPERPAVE methodology (prior to the SUPERPAVE 5 program): reference (0%GNPs) and modified (2.64%GNPs). The mechanical performance was evaluated by means of rutting resistance tests in the Orniéurer (French equipment) and fatigue resistance in the four-point bending apparatus. The ability to repair fatigue damage (healing capacity) was evaluated by applying a protocol developed by Schuster (2020). Results have shown better rheological behavior of the composites, with better PG rating and higher stiffness (higher dynamic shear modulus |G*|) when compared to the original binder. In addition, a higher thermal conduction capacity was obtained, compared to the reference binder. Although the rheometric results with regards to the fatigue damage tolerance (LAS) had a wide repercussion on the mechanical performance of the asphalt mixtures, it was not possible to consolidate them as part of the selection criteria for defining the project content of GNPs because there is not yet an consecrated protocol in the scientific community. As for the asphalt mixtures, the rutting resistance of the alternative mixture exceeded that of the reference mixture by 19% with respect to rutting for 30,000 cycles. On the other hand, the fatigue life of the reference mixture was higher than that of the modified mixture. Nevertheless, the nanometric additions improved the fatigue damage repair percentage and normalized repair of the modified mixture about 28.5%. There are evidences that nanocomposites with perfectly intercalated structures were not achieved due to the degree of purity of the GNPs (industrial nanomaterial), a condition that allied with the high stiffness and the increased viscous fraction of the modified asphalt mixture reduced the fatigue cracking resistance. In spite of these findings, the content of 2.64%GNPs implied, in general, consistent improvements to the mechanical performance (rutting resistance) and the healing capacity of the asphalt mixture produced with Poliflex 60/85-E binder, especially for applications in geographic regions characterized by equatorial and/or tropical climate conditions. Moreover, it is noteworthy that the consolidated comparisons highlighted that the association of GNPs with conductive agents of other geometric scales suggests a promising outcome to the mechanical performance and healing capacity of the investigated mixtures.