The investigation of fly ash based asphalt binders using atomic force microscope

Abstract

Atomic Force Microscope (AFM) is a relatively new technique for investigation of construction materials. In this study AFM was used to investigate the interaction of asphalt binder with fly ash. Fly ash is a coal combustion byproduct of electric power utilities having pozzolanic properties and commonly used in Portland cement concrete. In this study, an investigation was made by using different types of fly ash with two types of asphalt binders such as PG 58-28 and PG 64-28. Asphalt microstructure is divided into four subgroups such as Saturates, Aromatics, Resins and Asphaltenes (SARA). These four phases can be distinguished by the atomic force microscope. The interaction of these phases affected by introducing fly-ash was investigated and correlation with rheological properties was observed.

Keywords

AFM / fly ash / bee / rheology / asphalt

References

[1] Masson J, Leblond V, Margeson J. Bitumen morphologies by phase-detection atomic force microscopy. Journal of Microscopy, 2006, 221(1): 17–29

[2] Baker H. The microscope made easy. Lincolnwood, IL: Science Heritage Ltd., 1987.

[3] Morris V, Kirby A, Gunning A. Atomic force microscopy for biologists, London: Imperial College Press, 1999.

[4] Binnig G, Quate C, Gerber C. Atomic force microscope. The American Physical Society, pp. 930–934, 1986.

[5] Mou J, ShengS, HoR, ShaoZ , CzajkowskyD . High resolution surface structures of E. coli GroeS oligomer by atomic force microscopy. FEBS Letters, 1996, 381(1-2): 161–164

[6] Loeber L, Sutton O, Morel J, Valleton J, Muller G. New direct observations of asphalts and asphalt binders by scanning electron microscopy and atomic force microscopy. Journal of Microscopy, 1995, 182(1): 32–39

[7] Pauli A, Grimes R, Beemer A, Turner T, Branthaver J. Morphology of asphalts, asphalt fractions and model wax-doped asphalts studied by atomic force microscopy. International Journal of Pavement Engineering, 2011, 12(4): 291–309

[8] Lu X, Langton M, Oloffson P, Redelius P. Wax morphology in bitumen. Journal of Materials Science, 2005, 40(8): 1893–1900

[9] Nahar S, Schmets A, Scarpas A, Schitter G. Temperature and thermal history dependence of the microstructure in bituminous materials. European Polymer Journal, 2013, 49(8): 1964–1974

[10] Rebolo L, de Sousa J, Abreu A, Baroni M, Alencar A, Soares S, Mendes Filho J, Soares J. Aging of asphaltic binders investigated with atomic force microscopy. Fuel, 2014, 117: 15–25

[11] Dourado E, Simao R, Leite L. Mechanical properties of asphalt binders evaluated by atomic force microscopy. Journal of Microscopy, 2012, 245(2): 119–128

[12] Fischer H R, Dillingh E, Hermse C. On the interfacial interaction between bituminous binders and mineral surfaces as present in asphalt mixtures. Applied Surface Science, 2013, 265: 495–499

[13] Sobolev K, Flores I, Bohler J, Faheem A, Covi A. Application of fly ash in ASHphalt concrete from challenges to opportunities. We Energies, Milwaukee, WI, 2013.

[14] Yu X, Burnham N A, Mallick R B, Tao M. A systematic AFM-based method to measure adhesion differences between micron sized domains in asphalt binders. Fuel, 2013, 113: 443–447

[15] Bautista E, Flicknger J, Saha R, Flores-Vivian I, Faheem A F, Sobolev K. Effect of coal combustion products on high temperature performance of asphalt mastics. Construction & Building Materials, 2015, 94: 572–578

[16] Pauli A T, Branthaver J F, Robertson R E, Grimes W. Atomic force microscopy investigation of SHRP asphalts. In: Symposium on Heavy oil and resid compatibility and stability, Petroleum Chemistry Division, American Chemical Society, San Diego, California, USA, 2001.

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg