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Title: Análise das propriedades de um ligante asfáltico modificado com terpolímero reativo e partículas micro e nanométricas de carbonato de cálcio e de rejeito da mineração do quartzito.
Other Titles: Analysis of the properties of an asphalt binder modified with reactive terpolymer and micro and nanometric particles of calcium carbonate and quartzite mining waste.
???metadata.dc.creator???: SILVA, Conrado Cesar Vitorino Pereira da.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: RODRIGUES, John Kennedy Guedes.
???metadata.dc.contributor.advisor-co1???: Lucena, Lêda Christiane de Figueiredo Lopes.
???metadata.dc.contributor.referee1???: MELO, João Victor Staub de.
???metadata.dc.contributor.referee2???: MATHIAS, Leni Figueiredo.
???metadata.dc.contributor.referee3???: CAVALCANTE, Fabiano Pereira.
???metadata.dc.contributor.referee4???: MARINHO FILHO, Paulo Germano Tavares.
Keywords: Rejeito;Quartzito;Carbonato de cálcio;Polímero elastomérico;Pavimento de alto desempenho;Micropartículas;Nanopartículas;Waste;Quartzite;Calcium carbonate;Elastomeric polymer;High-performance pavement;Microparticles;Nanoparticles
Issue Date: 1-Aug-2025
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: SILVA, Conrado Cesar Vitorino Pereira da. Análise das propriedades de um ligante asfáltico modificado com terpolímero reativo e partículas micro e nanométricas de carbonato de cálcio e de rejeito da mineração do quartzito. 2025. 257 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???: A busca por soluções sustentáveis e de alto desempenho na pavimentação tem impulsionado a investigação de materiais alternativos capazes de melhorar as propriedades mecânicas, tais como resistência à fadiga e à deformação permanente, dos ligantes asfálticos. Nesse contexto, o rejeito de quartzito foi selecionado como modificador do ligante asfáltico devido à sua ampla disponibilidade nos polos de beneficiamento de rochas ornamentais e às suas características físico-químicas, especialmente o elevado teor de sílica, que lhe confere potencial para atuar como aditivo funcional em ligantes asfálticos. Por sua vez, o carbonato de cálcio, nas formas micro e nanométrica, também foi escolhido como modificador em razão de seu potencial antioxidante, bem como por se tratar de uma nanopartícula comercial, de fácil acesso e com custo inferior a outros materiais nanométricos. Este trabalho analisou a incorporação de micro e nanopartículas de carbonato de cálcio (CaCO₃) e de rejeito de quartzito como modificadores do ligante asfáltico CAP 50/70, aplicados tanto isoladamente quanto em combinação com um terpolímero elastomérico reativo comercial (Polimul S74), na proporção de 1,8% em massa. Foram investigados três teores de adição dos modificadores particulados (3%, 7% e 10%), e os ligantes modificados foram comparados ao ligante de referência CAP 50/70 e um ligante de alto desempenho (AMP 60/85-E). O estudo foi conduzido em três etapas principais: (i) caracterização química, por meio de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), (ii) caracterização empírica, com ensaios de penetração, ponto de amolecimento, índice de suscetibilidade térmica (IST), recuperação elástica, envelhecimento a curto prazo (RTFO) e estabilidade à estocagem, e (iii) caracterização reológica, incluindo os ensaios de grau de desempenho (PG), fluência e recuperação sob múltiplas tensões (MSCR), Varredura de Amplitude Linear (LAS) e curva mestra. Os resultados obtidos indicaram que a incorporação isolada, das micro e nanopartículas, não promoveu alterações químicas qualitativas nos ligantes asfálticos, sugerindo interações predominantemente físicas. No entanto, a associação das partículas com o terpolímero revelou variações nas bandas de transmitância do FTIR, evidenciando a ocorrência de interações químicas. Na caracterização empírica, observou-se que os modificadores promoveram aumento da consistência dos ligantes (redução da penetração e elevação do ponto de amolecimento), melhora na estabilidade térmica (redução do IST) e menor perda de massa no RTFO, indicando maior resistência à volatilização. Os resultados reológicos confirmaram essas tendências, com redução do valor de Jnr no ensaio MSCR — indicador de menor suscetibilidade à deformação permanente — e melhora na classificação de nível de tráfego pelo FFL (Fator de Fadiga do Ligante). Os ligantes modificados com micropartículas apresentaram desempenho crescente com o aumento do teor, enquanto os modificados com nanopartículas atingiram melhor desempenho com 7%, indicando possível limite de saturação a partir desse ponto. Os dados da curva mestra também revelaram aumento na rigidez e na resposta viscoelástica dos ligantes modificados. Por meio do estudo, conclui-se que a adição de micro e nanopartículas de CaCO₃ e de rejeito da mineração do quartzito promoveu melhorias nas propriedades físico-químicas e reológicas do ligante asfáltico, com desempenho superior àquele apresentado pelo CAP 50/70 convencional e, em alguns casos, comparável ao do AMP 60/85-E. Os teores com melhores resultados foram de 10% para micropartículas e 7% para nanopartículas. Os resultados demonstram o potencial técnico do uso de resíduos da mineração de quartzito na modificação de ligantes asfálticos, contribuindo para a valorização de resíduos industriais e para o desenvolvimento de pavimentos mais duráveis e sustentáveis.
Abstract: The search for sustainable and high-performance solutions in pavement engineering has driven the investigation of alternative materials capable of enhancing the properties of asphalt binders. In this context, quartzite mining waste was selected as an asphalt binder modifier due to its wide availability in ornamental stone processing regions and its physicochemical characteristics, especially its high silica content, which gives it potential as a functional additive in asphalt binders. Calcium carbonate, in both micro and nanometric forms, was chosen for its well-known antioxidant potential, in addition to being a commercially available nanoparticle that is accessible and relatively low-cost compared to other nanomaterials. Based on these premises, this study evaluated the incorporation of micro and nanoparticles of calcium carbonate (CaCO₃) and quartzite mining waste as modifiers of CAP 50/70 asphalt binder, applied either individually or in combination with a commercial reactive elastomeric terpolymer (Polimul S74) at a concentration of 1.8% by weight. Three contents of particulate modifiers were investigated (3%, 7%, and 10%), and the modified binders were compared with both the reference CAP 50/70 binder and a high-performance binder (AMP 60/85-E). The study was conducted in three main stages: (i) chemical characterization using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), (ii) empirical characterization through penetration, softening point, thermal susceptibility index (TSI), elastic recovery, short-term aging (RTFO), and storage stability tests, and (iii) rheological characterization, including performance grade (PG), multiple stress creep recovery (MSCR), Linear Amplitude Sweep (LAS), and master curve analysis. The results showed that the isolated incorporation of micro and nanoparticles did not promote qualitative chemical changes in the binders, suggesting predominantly physical interactions. However, the association of these particles with the terpolymer revealed changes in FTIR transmittance bands, indicating chemical interactions that improved the mechanical performance of the binder. The empirical characterization showed that the modifiers increased binder consistency (decreased penetration and increased softening point), improved thermal stability (reduced TSI), and reduced mass loss during RTFO aging, indicating greater resistance to volatilization. Rheological results confirmed these trends, showing reduced Jnr values in the MSCR test—indicating lower susceptibility to permanent deformation—and improved traffic level classification based on the Fatigue Factor of the Binder (FFL). Binders modified with microparticles showed increasing performance with higher dosages, while those modified with nanoparticles achieved better results at 7%, suggesting a possible saturation limit beyond this point. Master curve data also revealed increased stiffness and improved viscoelastic response in the modified binders. Overall, the study concludes that the addition of micro and nanoparticles of CaCO₃ and quartzite mining waste improved the physicochemical and rheological properties of the asphalt binder, with performance superior to that of conventional CAP 50/70 and, in some cases, comparable to AMP 60/85-E. The best-performing contents were 10% for microparticles and 7% for nanoparticles. The results demonstrate the technical potential of using quartzite mining waste in asphalt binder modification, contributing to the valorization of industrial residues and the development of more durable and sustainable pavements.
Keywords: Rejeito
Quartzito
Carbonato de cálcio
Polímero elastomérico
Pavimento de alto desempenho
Micropartículas
Nanopartículas
Waste
Quartzite
Calcium carbonate
Elastomeric polymer
High-performance pavement
Microparticles
Nanoparticles
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Civil e Ambiental
URI: https://dspace.sti.ufcg.edu.br/handle/riufcg/43941
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Civil e Ambiental

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