Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Toward a new experimental method for measuring coalescence in bitumen emulsions: A study of two bitumen droplets
KTH, Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad (ABE), Byggvetenskap, Bro- och stålbyggnad.
KTH, Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad (ABE), Byggvetenskap, Bro- och stålbyggnad.
KTH, Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad (ABE), Byggvetenskap, Bro- och stålbyggnad.ORCID-id: 0000-0003-3968-6778
2016 (Engelska)Ingår i: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, ISSN 0927-7757, E-ISSN 1873-4359, Vol. 494, s. 228-240Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Resurstyp
Text
Abstract [en]

Cold mix asphalt (CMA) emulsion technology could become an attractive alternative for the road industry due to low startup and equipment installation costs, diminished energy consumption and reduced environmental impact. The performance of cold asphalt mixtures produced from emulsions is strongly influenced by a good control of the breaking and coalescence process. The wetting of bitumen on the surface of the aggregates is hereby of major importance for the performance of the asphalt. Premature coalescence of the bitumen emulsions away from the surface, could lead to poor adhesion and decreased mechanical strength of the asphalt. Today, the breaking and coalescence mechanisms of bitumen emulsions are still not fully understood due to their complexities and the lack of fundamental experimental methods and existing models. However, in the past years efforts have been made in defining relationships for understanding the bitumen emulsions. In this paper, a new experimental method is presented to study coalescence of bitumen by using shape relaxation of bitumen droplets in an emulsion environment. The coalescence of spherical droplets of different bitumen have been correlated with neck growth, densification and surface area change during the coalescence process. The test protocol was designed in a controlled climate chamber, to study the coalescence process with varying environmental conditions. The kinetics of the relaxation process was influenced by the temperature as well as other parameters. The research showed that the developed test procedure is repeatable and able to study the coalescence process on a larger scale. However, the relationship between the measured parametric relationships at the larger scale and the bitumen emulsion scale still needs further investigation.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Elsevier, 2016. Vol. 494, s. 228-240
Nyckelord [en]
Bitumen emulsions, Breaking, Coalescence, Relaxation, Sintering, Light transmission
Nationell ämneskategori
Infrastrukturteknik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-184520DOI: 10.1016/j.colsurfa.2016.01.045ISI: 000371394800028Scopus ID: 2-s2.0-84959517932OAI: oai:DiVA.org:kth-184520DiVA, id: diva2:917545
Anmärkning

QC 20160407

Tillgänglig från: 2016-04-07 Skapad: 2016-04-01 Senast uppdaterad: 2018-02-21Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Fundamental investigation to improve the quality of cold mix asphalt
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Fundamental investigation to improve the quality of cold mix asphalt
2016 (Engelska)Licentiatavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Cold mix asphalt (CMA) emulsion technology could become an attractive option for the road industry as it offers lower startup and equipment installation costs, energy consumption and environmental impact than traditional alternatives. The adhesion between bitumen and aggregates is influenced by diverse parameters, such as changes in surface free energies of the binder and aggregates or the presence of moisture or dust on the surface of aggregates, mixing temperatures, surface textures (including open porosity), nature of the minerals present and their surface chemical composition, as well as additives in the binder phase. The performance of cold asphalt mixtures is strongly influenced by the wetting of bitumen on surfaces of the aggregates, which is governed by breaking and coalescence processes in bitumen emulsions. Better understanding of these processes is required. Thus, in the work this thesis is based upon, the surface free energies of both minerals/aggregates and binders were characterized using two approaches, based on contact angles and vapor sorption methods. The precise specific surface areas of four kinds of aggregates and seven minerals were determined using an approach based on BET (Brunauer, Emmett and Teller) theory, by measuring the physical adsorption of selected gas vapors on their surfaces and calculating the amount of adsorbed vapors corresponding to monolayer occupancy on the surfaces. Interfacial bond strengths between bitumen and aggregates were calculated based on measured surface free energy components of minerals/aggregates and binders, in both dry and wet conditions.

In addition, a new experimental method has been developed to study bitumen coalescence by monitoring the shape relaxation of bitumen droplets in an emulsion environment. Using this method, the coalescence of spherical droplets of different bitumen grades has been correlated with neck growth, densification and changes in surface area during the coalescence process. The test protocol was designed to study the coalescence process in varied environmental conditions provided by a climate-controlled chamber. Presented results show that temperature and other variables influence kinetics of the relaxation process. They also show that the developed test procedure is repeatable and suitable for studying larger-scale coalescence processes. However, possible differences in measured parametric relationships between the bitumen emulsion scale and larger scales require further investigation.

There are several different research directions that can be explored for the continuation of the research presented in this thesis. For instance, the rationale of the developed method for analyzing coalescence processes in bitumen emulsions rests on the assumption that the results are applicable to large-scale processes, which requires validation. A linear relationship between the scales is not essential, but it is important to be able to determine the scaling function. Even more importantly, qualitative effects of the investigated parameters require further confirmation. To overcome the laboratory limitations and assist in the determination of appropriate scaling functions further research could focus on the development of a three-dimensional multiphase model to study coalescence processes in more detail, including effects of surfactants, pH and other additives such as mineral fillers and salts. Additionally, better understanding of the breaking process and water-push out could help significantly to optimize CMA mix design. Different methods, both numerical and experimental could be explored for this.

Abstract [sv]

Cold mix asphalt (CMA) eller kall asfaltbetong med hjälp av emulsionsteknik kan vara ett attraktivt alternativ för vägbyggnadsindustrin då det möjliggör lägre uppstart- och investeringskostnader, lägre energiförbrukning och mindre miljöpåverkan än traditionella alternativ. Adhesionen mellan bindemedel och stenpartiklarna påverkas av ett flertal parametrar, så som förändring i fri ytenergi hos både bindemedel och partiklar i närvaro av fukt eller damm på stenytorna, blandningstemperatur, yttextur (inklusive ytporositet), mineralegenskaper och ytornas kemiska sammansättning lika väl som tillsatsmedel i bindemedlen. Beteendet hos kall asfaltbetong är starkt påverkad av vätningsegenskaperna hos bindemedlet när det kommer i kontakt med stenmaterialet och detta i sin tur är beroende på bitumenemulsionens brytegenskaper och förmåga att blandas. Bättre förståelse av dessa processer är av största vikt. I detta arbete är avhandlingen baserad på fri ytenergi hos både mineraler/aggregat och bindemedel, baserat på kontaktvinkel och på ångabsorptionsmetoder. Den exakta specifika ytan hos fyra typer av aggregat och sju mineraler undersöktes med en metod baserad på BET (Brunauer, Emmett och Teller):s teorier genom att mäta den fysiska adsorptionen av utvalda gaser på ytorna och beräkna mängden adsorberad ånga som korresponderade mot ytlagret. Styrkan hos kontaktytornas bindning mellan bindemedlet och stenaggregaten beräknades baserat på mätningar av den fria ytenergin hos bägge ingående komponenterna, dels i torrhet dels i våta omgivningar.

Som tillägg har en ny experimentell metod utvecklats för att studera bitumens blandbarhet genom att studera bitumendroppars relaxation i en emulsionsmiljö. Genom att använda denna metod har korelationen mellan sväriska droppar av bitumen undersökts mot förändringen i ytans area under blandningsprocessen. Testprotokollet utformades för att studera blandningsprocessen i varierande miljöer i en klimatkammare. Presenterade resultat visar att temperatur och andra variabler påverkar de kinetiska förhållandena vid relaxationsprocessen. De visar även att den utvecklade testmetoden är repeterbar och passar för studier av storskaliga blandningsprocesser. Det bör dock påpekas att vidare studier krävs för att påvisa skillnaderna mellan bitumenemulsionsskalan och större skalor.

Framtida forskning kommer att koncentreras på utveckling av tredimensionella multifas­modeller för att studera blandningsförlopp på en mer detaljerad nivå, inkluderande effekter på ytaktiva ämnen, pH-värden och andra additativ så som mineralfiller och salt. Som tillägg kommer nyttan av nya karaktäriseringsmetoder att utvärderas, så som lågvikelspridning av neutroner eller kombinationer av röntgen, neutronradiologi och datortomografi, för att studera brytmekanismer hos bitumenemulsioner vid kontakt med mineraler och aggregat.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. s. 59
Serie
TRITA-BKN. Bulletin, ISSN 1103-4270 ; 142
Nyckelord
Bitumen, Cold Asphalt Mixtures, Minerals/Aggregates, Surface Free Energy, Sorption, Contact Angle, Bitumen Emulsions, Breaking and Coalescence., Bitumen, kallblandad asfaltmassa, mineraler/aggregat, fri ytenergi, sorption, kontaktvinkel, bitumenemulsion, brytning och blandning.
Nationell ämneskategori
Infrastrukturteknik
Forskningsämne
Transportvetenskap
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-191527 (URN)
Externt samarbete:
Presentation
2016-09-26, B2, Brinellvägen 23, Stockholm, 10:15 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20160901

Tillgänglig från: 2016-09-01 Skapad: 2016-09-01 Senast uppdaterad: 2016-09-01Bibliografiskt granskad
2. Towards the enhanced applicability of cold mix asphalt:: An experimental study focusing on surface free energies and the breaking and coalescence of bitumen emulsions
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Towards the enhanced applicability of cold mix asphalt:: An experimental study focusing on surface free energies and the breaking and coalescence of bitumen emulsions
2018 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

The environmental, social and economic sustainability of our infrastructure network is clearly of paramount importance to the road-engineering sector as well to society at large. Sustainable road materials and reduced transport of those materials therefore play a significant role. Cold mix asphalt (CMA) emulsion technology could be one of the better options for the road industry to explore more thoroughly. Given its lower start-up and equipment installation costs, lower energy consumption and reduced environmental impact, CMA should offer a reliable alternative to some of the Hot Mix Asphalt (HMA) or Warm Mix Asphalt (WMA) options. As CMA is not a new technology, there are many reasons why this material is not currently being used as extensively as it might be. Though risk adverseness of the market may be partly to blame for this, a number of technical challenges and uncertainties related to material behavior are certainly responsible. This thesis has addressed some of the important technical challenges, aiming to provide more guidance in material selection and design, and prediction of the behavior of emulsion-based CMAs. To do so, this research has focused on aspects of the correct formulation of the bitumen emulsions, how to select the correct combinations of material components, and how to control the breaking and coalescence processes in bitumen emulsions better, resulting in usable and predictable adhesive and cohesive bond strengths. Though most of the laboratory and modeling choices that were made in this thesis are based on theoretical considerations, the main contribution is the test protocol development. The systematic surface free energy measurements of the material components, combined with the test set-up to monitor controllably the breaking and coalescence behavior of bitumen droplets in an emulsified environment, gives a new way to approach the design of CMA. It is recommended that future research is focused on taking the developed protocols as a basis for enhanced mix design and making a direct link to validated long-term mechanical properties on the asphalt mixture scale.

Abstract [sv]

Miljömässig, social och ekonomisk hållbarhet är av största betydelse för vår infrastruktur både inom vägbyggnadsområdet och inom samhället i stort. Där kan hållbara vägbyggnadsmaterial och minskade transporter av vägbyggnadsmaterial ge ett betydande bidrag. Tekniken med kallblandade asfaltemulsionsbeläggningar (CMA) är en av de bättre lösningarna för vägbyggnadsindustrin som skulle kunna användas i större utsträckning än som görs för närvarande. Givet teknikens låga uppstarts- och investeringskostnader, minskad energiförbrukning och minskad miljöpåverkan, kan CMA bli ett attraktivt alternativ till varmblandade (HMA) och halvvarma (WMA) asfaltmassor. Då CMA inte är någon ny teknik, finns många skäl att fundera över varför denna teknik inte praktiseras i så stor omfattning idag. Obenägenheten att ta risker med ny teknik på marknaden delvis kan beskyllas för detta, men också ett flertal osäkerheter kopplade till materialegenskaper hos CMA kan också bidra. Denna avhandling har studerat några viktiga tekniska utmaningar med syfte att ge mer vägledning vid materialval och utformning, samt att förutse materialbeteenden hos emulsionsbaserade CMA. För att nå detta har denna forskning fokuserats på sammansättningen av bitumenemulsioner, hur man väljer rätt kombination av materialkomponenter och hur man får en bättre kontroll på brytförloppet och koalescensen, med målet att kunna förutsäga adhesiv och kohesiv bindningsstyrka. Då de flesta laborativa och modelleringsmässiga valen i denna avhandling är baserade på teoretiska överväganden, är det viktigaste bidraget i denna rapport utvecklingen av testprotokollen. De systematiska mätningarna av fri ytenergi hos materialkomponenterna, kombinerat med testmetoder för att på ett kontrollerat sätt studera bryt- och koalescensbeteendet hos droppar i en emulsionsmiljö, ger en ny möjlighet att optimera sammansättningen av CMA. Det rekommenderas att framtida forskning fokuseras på att ta de föreslagna protokollen som bas för förbättrad proportionering och att göra en direkt koppling till validerade mekaniska långtidseffekter på asfaltbeläggningen.

 

 

Nyckelord

 

Bitumen, Kallblandad Asfalt, Mineraler/Aggregat, Fri Ytenergi, Sorption, Kontaktvinkel, Bitumenemulsioner, Brytning och Koalescensen, Emulgatorer, Adhesionsegenskaper.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 2018. s. 58
Serie
TRITA-ABE-DLT ; 1802004
Nyckelord
Bitumen, Cold Asphalt Mixtures, Minerals/Aggregates, Surface Free Energy, Sorption, Contact Angle, Bitumen Emulsions, Breaking and Coalescence, Emulsifiers, Adhesion Promoters., Bitumen, kallblandad asfalt, mineraler/aggregat, fri ytenergi, sorption, kontaktvinkel, Bitumenemulsioner, brytning och koalescensen, emulgatorer, adhesionsegenskaper
Nationell ämneskategori
Teknik och teknologier
Forskningsämne
Byggvetenskap
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-223445 (URN)978-91-7729-699-7 (ISBN)
Disputation
2018-03-16, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20180221

Tillgänglig från: 2018-02-21 Skapad: 2018-02-21 Senast uppdaterad: 2018-03-06Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(7156 kB)353 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 7156 kBChecksumma SHA-512
37fdc7fea67198eb12073aea8ee01487410fbfd9ef209cdf4c20478d30758ca0dae71fa24653f5801e8aaf1fb69d08c3277af35432ec63a7581ff5acd7101189
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Personposter BETA

Kringos, Nicole

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Khan, AbdullahRedelius, PerKringos, Nicole
Av organisationen
Bro- och stålbyggnad
I samma tidskrift
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects
Infrastrukturteknik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 353 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 187 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf