茶多酚对短期老化前后SBS改性沥青流变性能的影响研究

茶与公路：看似不搭却值得一试的组合

现代高速公路为速度与舒适而建，但将路面骨料粘结在一起的黑色结合料会在热、氧和交通荷载作用下逐渐硬化并产生裂缝。本研究提出了一个出人意料的设问：绿茶中的天然化合物能否延长沥青路面的使用寿命？研究者将众所周知的植物抗氧化剂——茶多酚，与一种常用的弹性路用结合料混合，探索少量这种“绿色”添加剂是否能增强路面对车辙和疲劳的抗性，同时揭示其中的折衷所在。

路面如何老化以及为何重要

沥青路面平整性的关键在于结合料的性能，这种石油基“胶水”常通过加入SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）等聚合物来改性。SBS提升了路面的弹性和抗重载变形能力。然而随着时间推移，阳光与空气促使结合料发生化学老化：结合料变硬、SBS网络劣化，路面变脆并更易开裂。工程师曾尝试纳米添加剂和专用化学品来延缓这种损伤，但许多方案在成本或可持续性方面存在顾虑。相比之下，茶多酚是来源于植物的分子，具有很强的抗氧化活性，已在去除沥青中活性物质方面有所研究。但迄今缺乏的是对茶多酚如何在路面经历的全温度范围内改变结合料力学行为的清晰、整体性的认识。

调制一种新型路用结合料

为此，研究者以标准穿透度级别的沥青为基础，加入4.5% SBS，再按原始沥青质量的质量分数添加茶多酚，分别为0%、3%、6%、9%和12%。每种配比在两种状态下测试：新拌状态和经过受控短期炉内处理后的状态，该处理模拟拌和与铺筑过程中的老化。通过一系列流变学试验，他们测量了各结合料在高、中、低温下对加载的响应，并用数学模型刻画其时变行为。简而言之，他们考察了材料的刚度与弹性、受变形后恢复能力、在反复应变下累积损伤前可承受的循环次数（疲劳寿命），以及在低温下释放内应力的能力。

高温下更结实、承载下更耐久

结果表明，加入茶多酚能够持续使SBS改性结合料更为刚性且更具弹性，尤其在高温下——这是车辙问题的关键温度区间。这是因为茶多酚颗粒在黏性基体中表现为微小的刚性填料，像细沙加固湿粘土一样增强结合料。在所有配方中，未老化状态下含3%茶多酚的体系最为突出：其复合模量（总体刚度指标）最高，相位角最低（表明更趋弹性响应），变形恢复能力最强，在重复荷载下的永久车辙抗力最好。在中温区，3%配方的疲劳寿命也最久，意味着在出现裂缝前可承受更多循环加载。短期老化后，更高含量的茶多酚进一步提高了抗变形与抗疲劳能力，12%配方在抗车辙方面表现最强，表明随着老化推进，茶多酚的抗氧化与填料双重作用变得更为显著。

寒冷时的权衡

在温暖与高温条件下的益处带来了低温下的代价。由于茶多酚提高了结合料的刚度，低温时结合料更难释放内部应力。研究的低温试验显示，含茶配方在相同小应变下表现出更高的峰值应力，并在随时间推移仍保持较大比例的残余应力。用于描述应力衰减速度的模型参数也证实了这一点：茶多酚含量越高，结合料耗散储存能量的速度越慢，对松弛过程的敏感性越低，这意味着更容易保留应力，从而诱发微裂缝。值得注意的是，3%配方——在高温下最有利——在新拌结合料中表现出最差的应力松弛能力，而12%配方在老化后表现最差，这强调了增强结合料强度也会降低其在低温下的“宽容度”。

对未来路面的启示

对道路工程师而言，主要结论是茶多酚为一种有前景的生物基途径，可增强SBS改性沥青在高温与重载交通下的性能，尤其在新拌结合料中约3%剂量效果显著，老化后则可考虑更高比例。这些天然抗氧化剂不仅减缓损伤进程，还充当增强颗粒，改善车辙与疲劳抗性。然而，它们会降低结合料在低温下释放应力的能力，可能增加严寒气候下低温开裂的风险。因此，作者建议将茶多酚增强型SBS结合料优先用于炎热或温暖且交通强度大的地区，并呼吁开展进一步研究以跟踪长期老化、研究茶颗粒的微观分布，以及确保储存和现场性能随时间保持稳定。

引用: Han, Z., Xu, L., Sun, P. et al. Rheological investigation of the effects of tea polyphenols on SBS-modified bitumen before and after short-term aging. Sci Rep 16, 7842 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39300-1

关键词: 沥青结合料, 茶多酚, SBS改性沥青, 路面老化, 车辙与疲劳