Thesis (Ph. D.)--University of Alberta, 2010. / Title from pdf file main screen (viewed on June 11, 2010). A thesis submitted to the Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Chemical Engineering, [Department of] Chemical and Materials Engineering, University of Alberta. Includes bibliographical references.

The study deals with the formulation development and thermorheological properties of crumb rubber/ethylene vinyl acetate (EVA) modified bitumen with the aim of optimizing the amount of crumb rubber and EVA loadings in bitumen based on thermorheological parameters complex shear modulus, phase angle and rutting parameter. In the modified binders EVA offers plastomer properties whereas the crumb rubber confers elasticity to the bitumen. 13.75% crumb rubber and 2.5% EVA loadings based on aging indices gave the best optimized mixture. The thermorheological behaviour of the best optimized mixture was compared to industrial grade EVA (AP-1) and crumb rubber (AR-1) modified bitumen. Improving aging behaviour of the bitumen was evaluated using four antioxidants: carbon black, hydrated lime, Irganox 1010 and Irgafos 168. The least aging indices at 58˚C and 64˚C were obtained from a 1:1:1 Irganox 1010/hydrated lime/carbon black mixture. SARA (saturates, aromatics, resins and asphaltene) analysis gave the chemical background for application of antioxidants to reduce the propensity of short term aging. To further improve the EVA/crumb rubber optimized mixture for workability FT wax (Sasobit®) was assayed at loadings from 0-2.5%. This was done to match the EVA content and maintain the original maximum loading of 2.5% in the optimized mixture. The phase change abilities of FT wax owing to the high latent heat enabled co-crystallization with the EVA with the elastomeric backbone of crumb rubber acting as support material. The energy-sustainability nexus was found to have worked at less than 1% loading of FT wax in the EVA/crumb rubber modified bitumen. Response surface methodology approach to all the sections of work was used to come up with the optimized mixtures based on rheological parameters complex shear modulus, phase angle and rutting parameter at test temperature 64˚C. The interaction chemistry of bitumen, crumb rubber, EVA and FT wax was found to be first and second order in all cases involving individual contributions and co-interaction amongst the factors. Project costing for each section of work (optimizing section, antioxidant section and FT wax section) was conducted involving the raw materials used, equipment used, labour involved and other costs incurred for all the project work.

Mit Beeinflussung der Bindemitteleigenschaften durch verschiedene einzelne oder kombi-nierte Modifikationen steigt die Komplexität, die Materialeigenschaften anzusprechen und zu interpretieren. Mit den konventionellen Untersuchungen zur Klassifizierung der Bindemittel-eigenschaften ist dies nicht möglich. Jedoch bestehen unter anderem Möglichkeiten mit dem Dynamischen Scher-Rheometer (DSR) und dem Dynamischen Spaltzug-Schwellversuch (DSZV), die Eigenschaften dieser komplexen Materialen bei zielgerichteter Anwendung im geeigneten Maße anzusprechen. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, Kenntnisse über die Auswirkungen von Mehrfachmodifizierungen im Bitumen und im Asphaltmischgut zu erlangen. Dabei sollten Methoden zur Untersuchung und Interpretation der rheologischen Eigenschaften überprüft und entwickelt werden. Durch die Möglichkeit, das Steifigkeitsverhalten der Bitumen im gesamten relevanten Temperatur- und Frequenzbereich versuchstechnisch ansprechen zu können, war es über die Korrelation des Steifigkeitsverhalten von Bitumen und Asphalt möglich, aktuelle Modelle für die Entwicklung der Masterkurven erst im Bitumen zu überprüfen und dann auch für das Asphaltmischgut anzuwenden. Dadurch wurden zusätzlich Alternativen aufgezeigt, die Entwicklung der Asphalt-Masterkurven mit Hilfe des DSR zu unterstützen und Ergebnisse zu plausibilisieren. Für das Ermüdungsverhalten wurde ein Vorversuch entwickelt, der es ermöglicht, den für die Ermüdung relevanten Relaxationsbereich als Temperaturbereich festzulegen und zu inter-pretieren. Zudem wurden verschiedene Ermüdungskriterien im Bitumen und Asphaltmischgut angewendet. Dabei wurden die Bindemittel und die Asphaltgemische im ungealterten bis lang-zeitgealterten Zustand untersucht. Das Ermüdungsverhalten aller Variationen wurde außer-dem bei äquivalentem rheologischen Verhalten, mit variierender Gesteinsart sowie nach Vorbelastung und Wasserlagerung untersucht. Zusätzlich wurde mit Hilfe der Rohdaten aus den DSR-Ermüdungsversuchen eine optimierte Methodik entwickelt, um den Hysterese-einfluss auf das Ermüdungsverhalten einzubeziehen. Mit Hilfe der Masterkurven und Blackdiagramme war es möglich, den differenten Einfluss der Modifikationen auf das Steifigkeitsverhalten darzustellen. Dabei konnte unter anderem das Verhalten von Bindemitteln mit reinen Polymernetzwerken aus Elastomeren und Plastomeren von Bindemitteln mit Polymernetzwerken aus einem Elastomer und nichtpolymeren Werk-stoffen abgegrenzt werden. Bei der Untersuchung des Ermüdungsverhaltens konnte gezeigt werden, dass sich der für die Ermüdung relevante Temperaturbereich durch die Modifikationen deutlich verschiebt. Alle modifizierten Varianten zeigten bei der Versuchsdurchführung gemäß der „Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens von Asphalten mit dem Spaltzug-Schwellversuch als Eingangsgröße in die Dimensionierung“ (AL Sp-Asphalt 09) ein ver-bessertes Ermüdungsverhalten gegenüber der unmodifizierten Variante. Durch die oben beschriebene Variation der Prüfbedingungen und die Variation der Gesteine wurden anschließend deutliche Abweichungen bei den Ergebnissen festgestellt. Dadurch wurde gezeigt, inwiefern äquivalentes rheologisches Verhalten Einfluss auf das Ermüdungsverhalten der Varianten nimmt. Zudem konnte gezeigt werden, welchen Einfluss die Anwesenheit von Wasser in der Grenzfläche sowie die Variation der Gesteinsart und die Alterung des Bindemittels auf das Ermüdungsverhalten haben können. Die Untersuchungen zeigten darüber hinaus, dass die ausgewählten mathematischen Modelle und ein eigenes entwickeltes Modell zur Konstruktion der Masterkurve für die mehrfachmodifizierten Varianten im gealterten und ungealterten Zustand für Bitumen und Asphaltmischgut anwendbar sind.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung - 10 - 1.1 Motivation - 10 - 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise - 11 - 2. Stand der Wissenschaft und Technik - 13 - 2.1 Mechanisches Verhalten von Bitumen und Asphalt - 13 - 2.1.1 Allgemein - 13 - 2.1.2 Grundlagen der Asphalt- und Bitumenrheologie - 13 - 2.1.3 Rheologische Modelle - 17 - 2.1.4 Zeit-Temperatur-Äquivalenzprinzip - 24 - 2.1.5 Mathematische Modelle - 26 - 2.1.6 Materialkenngrößen und Verhalten bei zyklischer Belastung - 28 - 2.1.7 Beanspruchung von Asphaltbefestigungen - 32 - 2.1.8 Ermüdungsverhalten - 34 - 2.2 Affinität - 41 - 2.2.1 Adhäsionsmodelle - 41 - 2.2.2 Versagensmodelle der Adhäsion - 42 - 2.3 Alterung - 43 - 2.3.1 Verdunstungsalterung - 43 - 2.3.2 Oxidative Alterung - 43 - 2.3.3 Strukturalterung - 44 - 2.4 Einfluss von Additiven und Polymermodifikationen auf die Bindemittel- und Mischguteigenschaften - 44 - 2.4.1 Polymermodifikation - 44 - 2.4.2 Additivierung - 49 - 2.4.3 Zusammenfassung - 54 - 3. Methodik - 55 - 3.1 Versuchsprogramm Bitumen - 55 - 3.1.1 Eingesetzte Materialien - 55 - 3.1.2 Probekörperherstellung und Lagerung - 58 - 3.1.3 Rheologische Untersuchung durch Dynamisches Scher-Rheometer - 59 - 3.2 Versuchsprogramm Asphalt - 75 - 3.2.1 Eingesetzte Materialien - 75 - 3.2.2 Probekörperherstellung und Probekörperkonditionierung - 76 - 3.2.3 Versuchsdurchführung des Spaltzug-Schwellversuchs - 78 - 4. Ergebnisdarstellung und Diskussion - 89 - 4.1 Vorversuche Bitumen - 89 - 4.1.1 Amplitudentests - 89 - 4.1.2 Versuchsrelevanter Temperaturbereich - 94 - 4.1.3 Diskussion - 96 - 4.2 Masterkurven Bitumen - 98 - 4.2.1 Zuverlässigkeit der Modelle - 98 - 4.2.2 Einfluss der Modifikationen - 100 - 4.2.3 Einfluss der Alterung - 107 - 4.2.4 Diskussion - 115 - 4.3 Ermüdungsverhalten Bitumen - 117 - 4.3.1 Einfluss des Ermüdungskriteriums - 117 - 4.3.2 Einfluss der Modifikationen - 118 - 4.3.3 Diskussion - 122 - 4.4 Steifigkeitsverhalten Asphaltmischgut - 123 - 4.4.1 Zuverlässigkeit der Modelle - 123 - 4.4.2 Einfluss der Modifikationen - 127 - 4.4.3 Einfluss der Alterung - 130 - 4.4.4 Einfluss der Gesteinsart - 132 - 4.4.5 Korrelation Steifigkeitsverhalten Bitumen-Asphaltmischgut - 134 - 4.4.6 Diskussion - 135 - 4.5 Ermüdungsverhalten Asphaltmischgut - 137 - 4.5.1 Einfluss des Ermüdungskriteriums - 137 - 4.5.2 Einfluss der Modifikationen - 138 - 4.5.3 Einfluss der Alterung - 139 - 4.5.4 Einfluss der Vorbelastung und Wasserlagerung - 141 - 4.5.5 Einfluss der Gesteinsart - 143 - 4.5.6 Einfluss äquivalente Bitumenrheologie - 145 - 4.5.7 Korrelation Ermüdungsverhalten Bitumen-Asphaltmischgut - 149 - 4.5.8 Diskussion - 150 - 5. Zusammenfassung und Ausblick - 153 - 5.1 Zusammenfassung - 153 - 5.2 Ausblick - 156 - 6. Literaturverzeichnis - 158 - Abbildungsverzeichnis - 170 - Tabellenverzeichnis - 176 - Anlagenverzeichnis - 178 - / With influencing the bitumen properties by means of various single or combined modifications, the complexity increases and with it the facilities to address and interpret material properties. This is not possible with conventional tests for the classification of binder properties. However, there are means to address the properties of these complex materials in a specific manner with a Dynamic Shear Rheometer (DSR) and the Dynamic Indirect tensile strength (IDT) test method. A key objective of this work has been to gain knowledge about the effects of multiple modifications in bitumen and bituminous mixtures. In doing so, methods for the investigation and interpretation of rheological properties were examined and developed. Due to the possibility to test the stiffness behavior of bitumen in the relevant temperature and frequency range, the correlation of the stiffness behavior of bitumen and asphalt made it possible to check current models for the development of the master curves first in the bitumen and then also for the asphalt mix. Thus, additional alternatives to support the development of asphalt-master curves and to increase the plausibility of the results have been demonstrated with the help of a DSR. A preliminary test has been developed for the fatigue behavior, which makes it possible to define and interpret the fatigue relevant relaxation range as a temperature range. In addition, various fatigue criteria have been applied in bitumen and bituminous mixtures. The binders and the asphalt mixtures were examined in the unaged to long-time-aged state. The fatigue behavior of all variations was also investigated for equivalent rheological behavior, varying rock type, preload and water storage. In addition, the raw data from the DSR fatigue tests has been used to develop an optimized methodology for incorporating the hysteresis effect on the fatigue behavior. It has been possible to show the different effects of the modifications on the stiffness behavior with the help of master curves and black diagrams. Among other things, the behavior of binders with pure polymer networks of elastomers and plastomers of binders with polymer networks of an elastomer and non-polymeric materials has been distinguished. By examining the fatigue behavior, it has been shown that the temperature range relevant for fatigue shifts significantly as a result of the modifications. All modifications have shown improved behavior in accordance with the experimental conditions of the „Working instructions for the determination of the stiffness and fatigue behavior of asphalts with the indirect tensile strength test as an input into the dimensioning” (AL Sp-Asphalt 09). Due to the above described variations of test conditions and aggregates significant deviations in the results have been found. It has been shown to what extent equivalent rheological behavior influences the fatigue behavior of the variants. In addition, it has been possible to show what influence the presence of water in the interface, as well as the variation of the aggregate type and the aging of the binder, can have on the fatigue behavior of asphalt. The investigations also show that the selected mathematical models and a proprietary model developed for the construction of the master curve of the multi-modified variants in the aged and unaged state are applicable for bitumen and bituminous mixtures.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung - 10 - 1.1 Motivation - 10 - 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise - 11 - 2. Stand der Wissenschaft und Technik - 13 - 2.1 Mechanisches Verhalten von Bitumen und Asphalt - 13 - 2.1.1 Allgemein - 13 - 2.1.2 Grundlagen der Asphalt- und Bitumenrheologie - 13 - 2.1.3 Rheologische Modelle - 17 - 2.1.4 Zeit-Temperatur-Äquivalenzprinzip - 24 - 2.1.5 Mathematische Modelle - 26 - 2.1.6 Materialkenngrößen und Verhalten bei zyklischer Belastung - 28 - 2.1.7 Beanspruchung von Asphaltbefestigungen - 32 - 2.1.8 Ermüdungsverhalten - 34 - 2.2 Affinität - 41 - 2.2.1 Adhäsionsmodelle - 41 - 2.2.2 Versagensmodelle der Adhäsion - 42 - 2.3 Alterung - 43 - 2.3.1 Verdunstungsalterung - 43 - 2.3.2 Oxidative Alterung - 43 - 2.3.3 Strukturalterung - 44 - 2.4 Einfluss von Additiven und Polymermodifikationen auf die Bindemittel- und Mischguteigenschaften - 44 - 2.4.1 Polymermodifikation - 44 - 2.4.2 Additivierung - 49 - 2.4.3 Zusammenfassung - 54 - 3. Methodik - 55 - 3.1 Versuchsprogramm Bitumen - 55 - 3.1.1 Eingesetzte Materialien - 55 - 3.1.2 Probekörperherstellung und Lagerung - 58 - 3.1.3 Rheologische Untersuchung durch Dynamisches Scher-Rheometer - 59 - 3.2 Versuchsprogramm Asphalt - 75 - 3.2.1 Eingesetzte Materialien - 75 - 3.2.2 Probekörperherstellung und Probekörperkonditionierung - 76 - 3.2.3 Versuchsdurchführung des Spaltzug-Schwellversuchs - 78 - 4. Ergebnisdarstellung und Diskussion - 89 - 4.1 Vorversuche Bitumen - 89 - 4.1.1 Amplitudentests - 89 - 4.1.2 Versuchsrelevanter Temperaturbereich - 94 - 4.1.3 Diskussion - 96 - 4.2 Masterkurven Bitumen - 98 - 4.2.1 Zuverlässigkeit der Modelle - 98 - 4.2.2 Einfluss der Modifikationen - 100 - 4.2.3 Einfluss der Alterung - 107 - 4.2.4 Diskussion - 115 - 4.3 Ermüdungsverhalten Bitumen - 117 - 4.3.1 Einfluss des Ermüdungskriteriums - 117 - 4.3.2 Einfluss der Modifikationen - 118 - 4.3.3 Diskussion - 122 - 4.4 Steifigkeitsverhalten Asphaltmischgut - 123 - 4.4.1 Zuverlässigkeit der Modelle - 123 - 4.4.2 Einfluss der Modifikationen - 127 - 4.4.3 Einfluss der Alterung - 130 - 4.4.4 Einfluss der Gesteinsart - 132 - 4.4.5 Korrelation Steifigkeitsverhalten Bitumen-Asphaltmischgut - 134 - 4.4.6 Diskussion - 135 - 4.5 Ermüdungsverhalten Asphaltmischgut - 137 - 4.5.1 Einfluss des Ermüdungskriteriums - 137 - 4.5.2 Einfluss der Modifikationen - 138 - 4.5.3 Einfluss der Alterung - 139 - 4.5.4 Einfluss der Vorbelastung und Wasserlagerung - 141 - 4.5.5 Einfluss der Gesteinsart - 143 - 4.5.6 Einfluss äquivalente Bitumenrheologie - 145 - 4.5.7 Korrelation Ermüdungsverhalten Bitumen-Asphaltmischgut - 149 - 4.5.8 Diskussion - 150 - 5. Zusammenfassung und Ausblick - 153 - 5.1 Zusammenfassung - 153 - 5.2 Ausblick - 156 - 6. Literaturverzeichnis - 158 - Abbildungsverzeichnis - 170 - Tabellenverzeichnis - 176 - Anlagenverzeichnis - 178 -

Thesis (MScEng (Civil Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The research conducted in this study forms part of the Phase II process of the Bitumen Stabilized Materials (BSMs) Guideline improvement initiative. The initiative aims to address areas of concern in the cold mix design procedures for BSMs. Current road rehabilitation using the bitumen stabilization process requires testing of representative specimens as means to evaluate pavement performance over time. In order to adequately acquire specimens representative of field conditions, it is necessary to condition the materials in a process called curing. Although curing procedures have been standard in many countries on different continents, the protocols are varied and an acceptable procedure is currently not available. In order to develop an acceptable curing protocol for BSMs, both field and laboratory environments were investigated. Considering that curing takes time in the field, production of representative samples intended for laboratory testing must undergo accelerated curing in the laboratory. Given the complexities involved in achieving close correlations between field and laboratory environments, the research strived to reconcile field and laboratory material behaviour. In particular, the main objective of the research was to unify the curing protocol for BSMs, with the standardization of the curing protocol being top priority. In this study, laboratory results have confirmed that the different natures of curing mechanisms inherent in a BSM-foam and BSM-emulsion contribute to irreconcilable material behaviour(s). Results have confirmed that curing of BSM-foam is largely a function of water repulsion, with the addition of active filler dominating material performance almost immediately. Unlike BSM-foam, curing of BSM-emulsion is both a function of the breaking of emulsion during the initial phase and the gradual release of moisture with time. In this instance, BSM-emulsion material performance resembled active filler influences past the breaking of the emulsion cycle. Consequently, given the observed differences regarding material behaviour(s), the unification of the curing protocol for BSMs has not been successful. In terms of accommodation of active filler in the final curing protocol for BSMs, findings in this research have revealed that active filler’s tendency to absorb moisture in the initial stages requires longer curing time to help extract the absorbed moisture during the curing process. Although the use of active filler has an impact on curing, its inclusion in a BSM does not justify its extension in the curing time as cementation is not one of the desired properties of these materials. BSMs are primarily desirable for their flexibility in pavement structures. For this reason, active filler was omitted in the final curing protocol due to reasons of simplifying the mix design process. In conclusion, different curing protocols were tested and developed to help produce reconcilable material behaviour in both the field and laboratory environments. Through the reconciliation of key material properties such as the resilient modulus, long term equilibrium moisture conditions and shear parameters, an acceptable standardized curing protocol for BSM-foam and BSMemulsion intended for application in industrial laboratories across South Africa was successfully developed. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die navorsing tydens hierdie studie gedoen, vorm deel van die Tweede fase van die Bitumen Gestabiliseerde Materiale Riglyne verbeteringsinisiatief. Die inisiatief het ten doel om areas van bekommernis in die kouemengsel-ontwerp-prosedures vir Bitumen Gestabiliseerde Materiale aan te spreek. Huidige padrehabilitasie wat gebruik maak van die Bitumen Gestabiliseerde Materiale proses, vereis toetsing van verteenwoordigende monsters om sodoende plaveiselgedrag oor ‘n tydperk te evalueer. Materiale moet deur die verouderingsproses gekondisioneer word, om sodoende monsters te verkry wat akkuraat verteenwoordigend van veldtoestande is. Alhoewel verouderingsprosesse in meeste lande - op verskillende kontinente - gestandariseerd is, is die protokol verskillend en ‘n aanvaarbare prosedure is nie tans beskikbaar nie. Beide veld- en laboratoriumomgewings is ondersoek, om sodoende ‘n aanvaarbare verouderings-protokol vir Bitumen Gestabiliseerde Materiale te ontwikkel. Wanneer in ag geneem word dat veroudering in die veld tydrowend is, moet vervaardiging van verteenwoordigende monsters vir laboratoriumgebruik versnelde veroudering in die laboratoruim ondergaan. Gegee die kompleksiteite betrokke om goeie korrelasie tussen velden laboratoriumomgewings te verkry, het die navorsing daarna gestreef om die veld- en laboratoriummateriaalgedrag te verenig. Die hoofdoel van die navorsing was om die verouderingsprotokol vir Bitumen Gestabiliseerde Materiale te verenig met die stardaardisering van die verouderingsprotokol as top prioriteit. In hierdie studie het laboratorium resultate bevestig dat die verskillende aard van voorbereidings- meganismes inherent in BSM-skuim en BSM-emulsie bydra tot onversoenbare materiaalgedrag. Resultate het bevestig dat voorbereiding van BSM-skuim ’n funksie van waterrepulsie het en met die byvoeging van aktiewe vullers dominieer dit die materiaalgedrag byna onmiddelik. Anders as BSM-skuim is die voorbereiding van BSM-emulsie beide ’n funksie vir die breek van emulsie tydens die begin fase en die geleidelike vrystelling van vog oor tyd. In hierdie geval het BSM-emulsie se materiaalgedrag die invloed van aktiewe vuller getoon nadat die emulsie gebreek het. Gevolglik, weens die waargenome verskille rakende materiaalgedrag is die vereniging van die voorbereidings- protokols vir BSMs nie suksesvol nie. In terme van inagneming van aktiewe vullers in die finale voorbereidingsprotokol vir BSM’s, is deur navorsing bevind dat aktiewe vullers neig se neiging om vog te absorbeer in die beginstadia dit benodig dus ‘n langer verouderingstyd vir die ontrekking van die geabsorbeerde vog. Hoewel die gebruik van aktiewe vullers ’n impak het op die voorbereiding, reverdig dit nie die verlenging van die verouderingstyd vir die insluiting daarvan in BSM nie, siende dat sementering nie een van die gewenste eienskappe van hierdie materiaal is nie. BSMs word hoofsaaklik verkies vir sy buigsaamheid in paveiselsturkture. Om die mengselontwerp prosesse te vereenvoudig, was aktiewe vullers dus weggelaat in die finale voorbereidingsprotokol. Ter afsluiting was verskeie voorbereidings protokolle getoets en ontwikkel om te help met die vervaardiging van versoenbare materaalgedrag in beide veld-en-laboratoriumomgewings. Deur die versoening van kern materiaal eienskappe soos die elastisiteitsmodulus, lang termynewewigvog kondisies en skuifparameters, is ’n aanvaarbare gestandariseerde voorbereidingsprotokol vir BSM-skuim en BSM-emulsie bedoel vir aanwending in industriele laboratoriums regoor Suid Afrika suksesvol ontwikkel.

Canada has the largest known reserve of oil in the world in the form of oil sands: an estimated 1.7 to 2.5 trillion barrels of oil are deposited in combination of the sand, water and clay. The presented research is devoted to bubble-solid surface interaction, which is one of the critical areas of the oil sand processing and it is also a key point for many other processing technologies, such as mineral recovery, froth flotation, soil remediation, de inking of paper, heat transfer in boilers tube, biological and medical sciences. The goal of this work was to investigate new theoretical and practical approaches, which would help in better understanding of fundamentals of the flotation process in oil sands extraction. Among many achievements of this research are: 1)development of the method for generation of a single micro bubble. Dependence of this process on micropipette tip size and inclination, gas type, taper length and other parameters has also been studied (Chapter 3); 2)study of gas bubble - flat surface interactions based on a practical approach of determination of two dynamic parameters, sliding velocity and induction time of a gas bubble. Various types of gas bubbles (CO2, Air, H2, and O2) and collector surfaces (bitumen, treated hydrophobic and hydrophilic silica) were used in sliding velocity and induction time measurements. The sliding velocity of gas bubbles under an inclined collector surface was found to be in a strong dependence of water chemistry, type of gases, temperature, initial separation between bubble and collector surface (Chapter 4); 3)developing an analytical model for predicting bubble sliding velocity based on previously developed models. The model was in a good agreement with experimental results (Chapter 5); 4)establishing a new method for bubble zeta potential measurements. The measurements were in a good agreement with previously studies reported in literature (Chapter 6). Summarized above findings from this research represent valuable advances in understanding oil sands processing. The prospects of future work are provided in Chapter 8. / Chemical Engineering

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This research is intended to contribute toward the understanding, development, and implementation of a more fundamental design process for bituminous pavement materials, utilizing thermodynamic properties of the materials involved. The theory developed by van Oss, Chaudhury and Good forms the basis of this research. Optimization of techniques to characterize surface energy, as well as consideration and evaluation of additional factors that influence adhesion in the presence of water, are pursued. A synthesis of theories and mechanisms of bitumen-aggregate adhesion is presented, and existing and potential techniques for surface energy characterization are reviewed to establish firm background knowledge on this subject. The Wilhelmy plate technique was scrutinized and improved methodologies and analysis procedures are proposed. Inverse gas chromatography (IGC) is introduced as an alternative technique. A reasonable comparison of total surface energy values form these techniques with mechanical surface tension values were found. Results suggest that bitumen surface energies do not vary substantially. Inability of these techniques to detect the effect of a liquid additive is rationalized by the ‘potential’ surface energy concept. Suggestions for a more realistic characterization of bitumen polar surface energy components are presented. A static gravimetric sorption technique was employed to characterize aggregate surface energies. Dynamic vapor sorption was identified as a candidate alternative technique for aggregate surface energy characterization. A study on the effect of pH on surface energy components of water revealed that this effect is practically negligible. Calculation of the free energy of electrostatic interaction (DGEL) indicated that this term contributes less than 1% to the total free energy of adhesion. Despite this finding, it is shown that DGEL alone is able to distinguish moisture sensitive mixtures. The significance of electrical phenomena at the interface is elucidated through another mechanism following the work of M.E. Labib. The relationship between pH and electron donor-acceptor properties of aggregate surfaces is presented. The Labib approach potentially offers the solution to quantify the effect of pH on adhesion. In addition, it should be possible to resolve issues with the acid-base scale proposed by the founders of the current theory, by replacing it with a more absolute donor-acceptor scale.

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