Регрессионное моделирование в задаче оптимизации рецептуры стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетона

Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения долговечности дорожных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона, ключевой технологической проблемой при производстве которого является стекание битумного вяжущего при высоких температурах. Существующие решения, основанные на применении дорогостоящих импортных стабилизирующих добавок, создают значительные экономические барьеры для их широкого внедрения. Целью настоящей работы являлись разработка и научное обоснование оптимальной рецептуры экономически эффективной композиционной стабилизирующей добавки на основе доступного местного сырья, включающего целлюлозное волокно из макулатуры и полимерное волокно из промышленных отходов. Для решения поставленной многофакторной оптимизационной задачи был применен метод множественного регрессионного анализа. Экспериментальной базой для моделирования послужили результаты лабораторных испытаний 16 составов добавки с варьируемым содержанием компонентов. В качестве независимых переменных (факторов) добавки с варьируемым содержанием компонентов. В качестве независимых переменных (факторов) рассматривались процентные доли синтетического волокна, целлюлозы, термостабилизатора, а также итоговая дозировка добавки в асфальтобетонной смеси. В качестве зависимых переменных (откликов) были выбраны ключевые эксплуатационные показатели, такие как стекание вяжущего, предел прочности при растяжении при 0 °С и предел прочности при сжатии при 50 °С. В результате исследования были построены три линейные регрессионные модели, описывающие зависимости «состав – свойство». Высокая прогностическая способность моделей подтверждена статистическими метриками. Коэффициент детерминации R2 для всех уравнений превысил 0,90, что свидетельствует о высокой степени объясненной дисперсии. На основе полученных моделей была решена задача оптимизации с заданными критериями и ограничениями, что позволило аналитически определить оптимальные диапазоны содержания компонентов. Верификация прогнозов на контрольных составах показала практически полное совпадение расчетных и экспериментальных данных. Научно обоснован и запатентован итоговый состав добавки, обеспечивающий нормативные показатели асфальтобетона и являющийся конкурентоспособной альтернативой аналогам.

1. Guo Y., Tataranni P., Sangiorgi C. (2023) The Use of Fibres in Asphalt Mixtures: A state of the Art Review. Construction and Building Materials, 390, 131754. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131754.

2. McDaniel R. S. (2015) Fiber Additives in Asphalt Mixtures. NCHRP Synthesis, vol. 475. Washington, DC, Transportation Research Board. 89. https://doi.org/10.17226/22191.

3. Slebi-Acevedo C. J., Lastra-González P., Pascual-Muñoz P., Castro-Fresno D. (2019) Mechanical Performance of Fibers in Hot Mix Asphalt: A Review. Construction and Building Materials, 200, 756–769. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.12.171.

4. Razahi M. M., Chopra A. (2020) An Experimental Investigation of Using Sisal Fiber and Coir Fiber as an Additive in Stone Matrix Asphalt. International Journal of Advance Science and Technology, 29 (10S), 5111–5128.

5. Sheng Y., Zhang B., Yan Y., Li H., Chen Z., Chen H. (2018) Laboratory Investigation on the Use of Bamboo Fiber in Asphalt Mixtures for Enhanced Performance. Arabian Journal for Science and Engineering, 44 (5), 4629–4638. https://doi.org/10.1007/s13369-018-3490-x.

6. Panda M., Suchismita A., Giri J. P. (2013) Utilization of Ripe Coconut Fiber in Stone Matrix Asphalt Mixes. International Journal of Transportation Science and Technology, 2 (4), 289–302. https://doi.org/10.1260/2046-0430.2.4.289.

7. Varma R., Pandey R. K. (2017) An Experimental Study of Bituminous Mixes Using a Natural Fiber. Global Journal of Engineering Science and Researches, 4 (5), 63–72.

8. Kiran Kumar N. L. N., Ravitheja A. (2019) Characteristics of Stone Matrix Asphalt by Using Natural Fibers as Additives. Materials Today: Proceedings, 19, 397–402. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.624.

9. Nagababu N., Karthik A. (2019) Cellulose Fibers (Banana Fibers) as a Stabilization Additive in Stone Matrix Asphalt. International Journal of Research, 6 (9), 423–430.

10. Bindu C. S., Beena K. S. (2015) Shear Strength Characteristics of Coir Fiber Stabilised Stone Matrix Asphalt Mixtures. International Journal of Sustainable Construction Engineering and Technology, 6 (2), 26–36.

11. Ramalingam S., Murugasan R., Nagabhushana M. N. (2017) Laboratory Performance Evaluation of Environmentally Sustainable Sisal Fibre Reinforced Bituminous Mixes. Construction and Building Materials, 148, 22–29. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.05.006.

12. Blazejowski K. (2011) Stone Matrix Asphalt: Theory and Practice. Boca Raton: CRC Press; 2011. https://doi.org/10.1201/b10285.

13. Kiryukhin G. N., Smirnov E. A. (2009) Construction of Road and Airfield Pavements from Stone-Mastic Asphalt Concrete Mixtures. Moscow, ELIT-PRESS, 2009 (in Russian).

14. Musa, N. F. A. A., Aman M. Y., Shahadan Z., Taher M. N. M., Noranai Z. (2019) Utilization of Synthetic Reinforced Fiber in Asphalt Concrete – A Review. International Journal of Civil Engineering and Technology, 10 (5), 678–694.

15. Jaskuła P., Stienss M., Szydłowski C. (2017) Effect of Polymer Fibres Reinforcement on Selected Properties of Asphalt Mixtures. Procedia Engineering, 172, 441–448. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.026.

16. Wu S., Ye Q., Li N. (2008) Investigation of Rheological and Fatigue Properties of asphalt Mixtures Containing Polyester Fibers. Construction and Building Materials, 22 (10), 2111–2115. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2007.07.018.

17. Ismael M., Fattah M. Y., Jasim A. F. (2022) Permanent Deformation Characterization of Stone Matrix Asphalt Reinforced by Different Types of Fibers. Journal of Engineering, 28 (2), 99–116. https://doi.org/10.31026/j.eng.2022.02.07.

18. Tapkın S. (2013) Optimal Polypropylene Fiber Amount Determination by Using Gyratory Compaction, Static Creep and Marshall Stability and Flow Analyses. Construction and Building Materials, 44, 399–410. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.02.060.

19. Tapkın S. (2008) The Effect of Polypropylene Fibers on Asphalt Performance. Building and Environment, 43 (6), 1065–1071. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2007.02.011.

20. Verenko V. A., Zankovich V. V., Ladyshev A. A., Lira S. V., Afanasenko A. A., Yatsevich P. P. (2015). Durable Asphalt Concrete Pavements for Roads, Bridges and Streets. Minsk, Art Dizain Publ. 296 (in Russian).

21. Afanasenka А. А., Yatsevich P. P., Koronchik A. V. (2024) Analytical Review of Methods for Stabilizing Asphalt Concrete Mixtures with Increased Binder Content. Bulletin of Civil Engineers, (2), 59–70 (in Russian).

22. Verenko V. A., Zankovich V. V., Afanasenko A. A. (2009) Stabilizing Additive for Asphalt Concrete Mixture. Patent BY 12332 (in Russian).

23. Draper N. R., Smith H. (1998) Applied Regression Analysis. NY, John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/9781118625590.