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Title: Avaliação mecânica e térmica de misturas asfálticas modificadas com micropartículas de dióxido de titânio
Other Titles: Mechanical and thermal evaluation of asphalt mixtures modified with titanium dioxide microparticles
???metadata.dc.creator???: DINIZ, Maria Ingridy Lacerda.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: LUCENA, Adriano Elísio de Figueirêdo Lopes.
???metadata.dc.contributor.referee1???: LUCENA, Lêda Christiane de Figueirêdo Lopes.
???metadata.dc.contributor.referee2???: MARINHO FILHO, Paulo Germano Tavares.
???metadata.dc.contributor.referee3???: BRITO, Lélio Antônio Teixeira.
???metadata.dc.contributor.referee4???: MORAES, Thalita Maria Ramos Porto De.
Keywords: ANOVA;Protocolo de envelhecimento;Mistura asfáltica colorida;Óxido metálico.;Agente clareador;Aging protocol;Colored asphalt mixture;Metal oxide;Bleaching agent
Issue Date: 13-Mar-2025
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: DINIZ, Maria Ingridy Lacerda. Avaliação mecânica e térmica de misturas asfálticas modificadas com micropartículas de dióxido de titânio. 2025. 266 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil e Ambiental) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2025
???metadata.dc.description.resumo???: Pesquisas recentes sobre os fatores que influenciam o clima urbano reconhecem que o aumento das temperaturas nos centros urbanos, resultando no fenômeno de Ilhas de Calor Urbano, é decorrente de atividades antropogênicas, como o uso e a ocupação do solo. Devido às consequências prejudiciais desse efeito, é necessário desenvolver metodologias com o intuito de mitigá-lo. Uma abordagem promissora envolve a utilização de superfícies de pavimentos urbanos com colorações mais claras, capazes de refletir uma maior quantidade de radiação solar, mediante incorporação de corantes ou materiais diversos no pavimento. Nesse sentido, o dióxido de titânio (TiO₂) tem ganhado destaque em pesquisas recentes na área da pavimentação, especialmente como agente modificador de ligantes asfálticos. No entanto, diante das lacunas observadas na literatura, ainda é necessário investigar os efeitos da adição no comportamento mecânico de misturas asfálticas, além de verificar seus efeitos térmicos perante sua capacidade de modificar a coloração da mistura. Diante disso, o estudo em questão avaliou os efeitos mecânicos e térmicos da adição de TiO₂ em misturas asfálticas a quente. O TiO₂ foi utilizado como substituto parcial e total do fíler, nas proporções de 2% e 3% em peso da mistura. Foram realizados testes de resistência à tração indireta (RT), suscetibilidade ao dano por umidade, módulo de resiliência (MR), desgaste por abrasão, resistência à deformação permanente (FN) e vida de fadiga por tração indireta. Para avaliar o efeito do envelhecimento na resistência mecânica das misturas, foi aplicado o protocolo Short Term Oven Aging (STOA). Também foi realizado um planejamento fatorial para os resultados mecânicos das misturas. Para a análise estatística, foi realizada uma ANOVA de dois fatores com repetição. A análise térmica envolveu a verificação do valor do albedo e das temperaturas superficial e interna das misturas. Também foi realizada uma análise preliminar de viabilidade econômica para utilização do material. Os resultados mecânicos demonstraram que as misturas 2%TiO₂+1%Cal e 3%TiO₂ apresentaram, respectivamente, aumento do RT em 7,41% e 14,07%, redução do dano por umidade em 2,22% e 6,65%, diminuição do desgaste por abrasão em 31,41% e 52,64% e redução do FN em 10,78% e 22,55%. Quanto ao MR, observou-se um incremento de 12% na mistura 2%TiO₂+1%Cal, enquanto a mistura 3%TiO₂ apresentou redução de 19% nesse parâmetro. Quanto à vida de fadiga por tração indireta, as misturas com e sem TiO₂ apresentaram desempenho semelhante. De maneira geral, a aplicação do protocolo de envelhecimento indicou que, com o efeito do tempo, os desempenhos das misturas com a adição de TiO₂ assemelham-se às misturas de referência, sendo que a mistura 2%TiO₂+1%Cal apresentou maior estabilidade dos parâmetros mecânicos após o envelhecimento. A análise térmica demonstrou que a mistura 3%TiO₂ apresentou desempenho superior em relação às demais, destacando-se pelo maior aumento do albedo e pela maior redução da temperatura superficial. A mistura 2%TiO₂+1%Cal também obteve resultados satisfatórios, superiores aos da mistura de referência, embora ligeiramente inferiores aos da dosagem com 3% de TiO₂. A aplicação do protocolo de envelhecimento STOA apresentou melhoria nos parâmetros térmicos avaliados de todas as misturas. Com base na análise de temperatura interna feita nas misturas de referência e 2%TiO₂+1%Cal, observou-se que a superfície aquece e resfria mais rapidamente do que as camadas internas, onde o calor é absorvido e armazenado, mantendo o interior da mistura aquecido por períodos mais prolongados. Em todas as camadas da mistura 2%TiO₂+1%Cal, as temperaturas se mantiveram mais baixas em comparação à mistura de referência. Considerando a análise preliminar de viabilidade econômica, embora o dióxido de titânio apresente custo unitário mais elevado, a associação dos ganhos mecânicos e térmicos observados nas misturas avaliadas indica que sua aplicação em composições asfálticas pode ser técnica e economicamente viável. Conclui-se que, diante dos resultados mecânicos, térmicos e da análise preliminar de viabilidade econômica, a incorporação de dióxido de titânio em misturas asfálticas apresenta potencial para melhorar o desempenho dos pavimentos, contribuindo tanto para sua durabilidade quanto para a mitigação de efeitos térmicos em ambientes urbanos.
Abstract: Recent research on the factors that influence urban climate recognizes that the increase in temperatures in urban centers, resulting in the phenomenon of Urban Heat Islands, is due to anthropogenic activities, such as land use and occupation. Due to the harmful consequences of this effect, it is necessary to develop methodologies to mitigate it. One promising approach involves the use of urban pavement surfaces with lighter colors, capable of reflecting a greater amount of solar radiation, through the incorporation of dyes or other materials into the pavement. In this sense, titanium dioxide (TiO₂) has gained prominence in recent research in the area of paving, especially as a modifying agent for asphalt binders. However, given the gaps observed in the literature, it is still necessary to investigate the effects of the addition on the mechanical behavior of asphalt mixtures, in addition to verifying its thermal effects in relation to its ability to modify the color of the mixture. In view of this, the study in question evaluated the mechanical and thermal effects of the addition of TiO₂ in hot asphalt mixtures. TiO₂ was used as a partial and total filler replacement, in proportions of 2% and 3% by weight of the mixture. Indirect tensile strength (ITS), moisture damage susceptibility (ITSR), resilient modulus (RM), abrasion wear, permanent deformation resistance (FN) and indirect tensile fatigue life tests were performed. To evaluate the effect of aging on the mechanical strength of the mixtures, the Short Term Oven Aging (STOA) protocol was applied. A factorial design was also performed for the mechanical results of the mixtures. For the statistical analysis, a two-way ANOVA with repetition was performed. The thermal analysis involved verifying the albedo value and the surface and internal temperatures of the mixtures. A preliminary analysis of the economic feasibility for using the material was also performed. The mechanical results demonstrated that the 2%TiO₂+1%Cal and 3%TiO₂ mixtures presented, respectively, an increase in ITS of 7.41% and 14.07%, a reduction in moisture damage of 2.22% and 6.65%, a decrease in abrasion wear of 31.41% and 52.64%, and a reduction in FN of 10.78% and 22.55%. As for RM, an increase of 12% was observed in the 2%TiO₂+1%Cal mixture, while the 3%TiO₂ mixture showed a reduction of 19% in this parameter. Regarding indirect tensile fatigue life, the mixtures with and without TiO₂ showed similar performance. In general, the application of the aging protocol indicated that, with the effect of time, the performances of the mixtures with the addition of TiO₂ resembled those of the reference mixtures, with the 2% TiO₂+1% Lime mixture presenting greater stability of the mechanical parameters after aging. The thermal analysis demonstrated that the 3% TiO₂ mixture presented superior performance in relation to the others, standing out for the greater increase in albedo and the greater reduction in surface temperature. The 2% TiO₂+1% Lime mixture also obtained satisfactory results, superior to those of the reference mixture, although slightly inferior to those of the dosage with 3% TiO₂. The application of the STOA aging protocol showed an improvement in the evaluated thermal parameters of all mixtures. Based on the internal temperature analysis performed on the reference and 2%TiO₂+1%Cal mixtures, it was observed that the surface heats up and cools down more quickly than the internal layers, where heat is absorbed and stored, keeping the interior of the mixture heated for longer periods. In all layers of the 2%TiO₂+1%Cal mixture, temperatures remained lower compared to the reference mixture. Considering the preliminary analysis of economic viability, although titanium dioxide presents a higher unit cost, the association of mechanical and thermal gains observed in the mixtures evaluated indicates that its application in asphalt compositions may be technically and economically viable. It is concluded that, given the mechanical and thermal results and the preliminary analysis of economic feasibility, the incorporation of titanium dioxide in asphalt mixtures has the potential to improve pavement performance, contributing both to their durability and to the mitigation of thermal effects in urban environments.
Keywords: ANOVA
Protocolo de envelhecimento
Mistura asfáltica colorida
Óxido metálico.
Agente clareador
Aging protocol
Colored asphalt mixture
Metal oxide
Bleaching agent
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Civil e Ambiental
URI: https://dspace.sti.ufcg.edu.br/handle/riufcg/43285
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Civil e Ambiental

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MARIA INGRIDY LACERDA DINIZ - TESE - (PPGECA) 2025.pdf9.64 MBAdobe PDFView/Open


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