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Type: Tese
Title: Thermochromic functionalization of asphalt mixtures as an urban heat island mitigation strategy: assessing spray-coating performance and microclimatic impacts in a tropical environment
Authors: Ribas, Larissa Virginia da Silva
Advisor: Castelo Branco, Veronica Teixeira Franco
Keywords in Brazilian Portuguese : Pavimentos termocromáticos;Ilha de calor urbana;Microclima;Mitigação;Impacto ambiental
Keywords in English : thermochromic pavements;Urban heat island;Microclimate;Mitigation;Environmental impact statements
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE TRANSPORTES
Issue Date: 2026
Citation: RIBAS, Larissa Virgínia da Silva. Thermochromic functionalization of asphalt mixtures as an urban heat island mitigation strategy: assessing spray-coating performance and microclimatic impacts in a tropical environment. 167 f. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia de Transportes) - Centro de Tecnologia, Universidde Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Abstract in Brazilian Portuguese: O calor urbano tornou-se um dos desafios ambientais mais críticos nas cidades contemporâneas. A extensa presença de superfícies impermeáveis, especialmente pavimentos asfálticos, intensifica a absorção e o armazenamento de energia solar, contribuindo significativamente para a formação das Ilhas de Calor Urbanas (ICUs). Como os pavimentos ocupam grandes porções do espaço urbano, constituem uma interface estratégica para a implementação de soluções sustentáveis de arrefecimento. Nesse contexto, a funcionalização termocromática de pavimentos asfálticos surge como uma estratégia promissora, pois amplia a capacidade da superfície de modular sua temperatura. Materiais termocromáticos alteram reversivelmente sua cor em função da temperatura, modificando o albedo superficial e aumentando a refletância solar. O principal objetivo desta pesquisa é avaliar como a capacidade termocromática de superfícies asfálticas, funcionalizadas por meio da técnica de aspersão superficial, influencia a formação e a mitigação dos efeitos de ICUs. Esta tese está organizada em quatro partes principais. Primeiro, realizou-se uma análise bibliométrica seguida de uma revisão sistemática da literatura, a fim de investigar o panorama científico atual sobre a funcionalização termocromática de pavimentos asfálticos, identificando tendências e lacunas de pesquisa. Em seguida, estudos experimentais avaliaram a textura superficial e a resistência ao trincamento em misturas asfálticas recicladas funcionalizadas por aspersão superficial. As análises laboratoriais incluíram colorimetria, caracterização de textura, ensaios de aderência por arrancamento (pull-off), envelhecimento acelerado e ensaios de flexão semicircular (SCB) sob envelhecimento de longo prazo. Experimentos em ambiente externo avaliaram o balanço óptico-térmico, o desempenho de resfriamento e a durabilidade sob exposição ambiental. Por fim, um estudo de caso simulou os impactos microclimáticos da estratégia termocromática, incluindo o conforto térmico de pedestres, em diferentes morfologias urbanas de uma cidade de clima tropical, por meio de modelagem CFD (do inglês, computational fluid dynamics). Os resultados indicaram que a solução termocromática reduz a temperatura superficial entre 5 e 9°C durante os períodos de pico de radiação solar. A funcionalização apresentou boa aderência, alterações mínimas na textura superficial e melhoria na resistência ao trincamento em amostras envelhecidas para solução com 6% de material termocromático. Entretanto, o envelhecimento acelerado revelou redução da refletância solar ao longo do tempo, evidenciando desafios relacionados à durabilidade. Em escala urbana, as simulações demonstraram reduções de até 9,6°C na temperatura superficial e 1,7°C na temperatura do ar. Contudo, a análise de conforto térmico pelo índice UTCI (do inglês, universal thermal climate index) indicou que a redução de variáveis termofísicas nem sempre resulta em melhoria do conforto diurno, devido ao aumento da temperatura radiante média e à influência da geometria dos cânions urbanos. Os resultados confirmam o potencial dos pavimentos termocromáticos na mitigação de ICUs, ressaltando a necessidade de estratégias integradas e sensíveis ao contexto urbano e climático.
Abstract: Urban heat has become one of the most critical environmental challenges in contemporary cities. The extensive presence of impervious surfaces, particularly asphalt pavements, intensifies solar absorption and heat storage, significantly contributing to the formation and persistence of urban heat islands (UHIs). Because pavements occupy large portions of urban areas, they constitute a strategic surface for implementing sustainable cooling solutions. In this context, the thermochromic functionalization of asphalt pavements emerges as a promising cool pavement strategy, as it enhances the surface’s capacity to modulate temperature. Thermochromic materials reversibly change color according to temperature, modifying surface albedo and increasing solar reflectance under high thermal conditions. The main objective of this research is to evaluate how the thermochromic capacity of asphalt pavement surfaces, functionalized through a surface spraying technique, influences the formation and mitigation of UHI effects. This dissertation is organized into four main parts. First, a bibliometric analysis followed by a systematic literature review investigates the current scientific panorama of thermochromic asphalt pavements’ functionalization, identifying research trends and knowledge gaps. Second, experimental studies evaluate the effects of thermochromic spray coatings applied to recycled asphalt mixtures on surface texture and cracking resistance. Laboratory analyses include colorimetry, texture characterization, pull-off adhesion tests, accelerated aging, and semi-circular bending (SCB) tests under long-term aging conditions. Third, outdoor experiments assess optical-thermal balance, cooling performance, and durability under environmentalexposure. Finally, a case study simulates the microclimatic impacts of the thermochromic strategy, including pedestrian thermal comfort, in different urban morphologies of a tropical city using computational fluid dynamics (CFD)-based modeling. Results indicate that thermochromic coatings reduce surface temperatures by 5–9 °C during peak solar radiation. The functionalization shows good adhesion, minimal changes in surface texture, and improved cracking resistance in aged specimens with 6% thermochromic content. However, accelerated weathering reveals reductions in solar reflectance over time, highlighting durability challenges. At the urban scale, simulations demonstrate surface temperature reductions of up to 9.6 °C and air temperature reductions of 1.7 °C. Nevertheless, thermal comfort analysis using the universal thermal climate index (UTCI) reveals that lower thermophysical variables do not necessarily result in improved daytime comfort, due to increased mean radiant temperature and the influence of urban canyon geometry. The findings confirm the potential of thermochromic pavements for UHI mitigation, while emphasizing the need for context-sensitive and integrated urban climate strategies.
Description in Brazilian Portuguese: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86962
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4910-3644
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/4610454065904633
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1459-1740
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/9622285360678246
Access Rights: Acesso Aberto
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