吳佳俐，李萍，王強(qiáng)強(qiáng)，孫仕超，馬志強(qiáng)，盧超男，馮春研，李娜

（中國國檢測試控股集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

0 前言

傳統(tǒng)的運(yùn)動場地以煤渣為鋪地材料，但煤渣運(yùn)動場地遇風(fēng)易起灰、起塵，不利于人的呼吸道健康。為改善這一現(xiàn)象，運(yùn)動場地逐漸改以瀝青、混凝土為鋪地材料，但瀝青、混凝土運(yùn)動場地地質(zhì)過硬，對人的膝蓋、腳腕、腳掌的骨骼及軟組織有一定的損傷，長時間運(yùn)動易造成隱形慢性損害。為提高地面的彈性、緩沖性，當(dāng)前運(yùn)動場地多數(shù)選擇以運(yùn)動地坪為鋪地材料，常見的鋪地運(yùn)動地坪有全塑型運(yùn)動地坪、混合型運(yùn)動地坪、現(xiàn)澆型運(yùn)動地坪、預(yù)制型運(yùn)動地坪、透水性運(yùn)動地坪、人造草運(yùn)動地坪等。

頭部損傷評價值（HIC）是由美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）提出的，用以評估頭部損傷的傷害程度的指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，頭部在受沖擊時會承受靜態(tài)和動態(tài)載荷的沖擊，這種沖擊會產(chǎn)生變形和加速度，導(dǎo)致頭部受到一定的損傷，嚴(yán)重時會產(chǎn)生爆炸性骨折、屈曲性骨折、集中性腦損傷、彌漫性腦損傷等。此外還發(fā)現(xiàn)，HIC、最大加速度（Gmax）與頭部內(nèi)壓有一定關(guān)聯(lián)，HIC低于限制要求時，說明頭內(nèi)部如大腦、小腦、腦干、腦室等結(jié)構(gòu)基本不會受損傷[1]。目前，HIC不僅被廣泛用于公路交通的車禍中頭部傷害損傷評價，還在運(yùn)動場地的安全設(shè)計中得到應(yīng)用，但通常不是以HIC表征，也不是用Gmax表征，而是用臨界跌落高度（CFH）表征。CFH依據(jù)HIC和Gmax得到，是HIC為1000時所對應(yīng)的高度與Gmax為200時對應(yīng)的高度相比較，取兩者中的最小值。

CFH是運(yùn)動場地地面滿足沖擊衰減性能的最大跌落高度，也就是滿足垂直落下無損傷的安全高度的上限，常用于活動場地、游樂園、幼兒園場地中具有安全防護(hù)的區(qū)域，是活動器材使用安全的重要設(shè)計參數(shù)[2]，也是驗收安全性能的重要指標(biāo)之一。GB/T 19272-2011《室外健身器材的安全 通用要求》中定義了跌落高度指從明顯支撐身體的部位到下面碰撞區(qū)域的最大垂直距離。該標(biāo)準(zhǔn)考慮了使用者所有可能使用器材的運(yùn)動，并依據(jù)這些運(yùn)動規(guī)定了站姿、坐姿、懸掛、攀爬時的跌落高度。

本文針對滲水型運(yùn)動地坪、復(fù)合型運(yùn)動地坪、全塑型運(yùn)動地坪、混合型運(yùn)動地坪、預(yù)制型運(yùn)動地坪、無填充式人造草運(yùn)動地坪體系（含彈性緩沖墊）及安全地墊的CFH進(jìn)行對比研究。

1 測試方法及儀器

1.1 測試方法的確定

GB/T 30228-2013《運(yùn)動場地地面沖擊衰減的安全性能要求和試驗方法》和BS EN 1177:2018《抗沖擊游樂場表面 沖擊衰減測定的試驗方法》是檢測和驗收CFH的常用標(biāo)準(zhǔn)，整體測試方法大致相同，但也有一些細(xì)節(jié)區(qū)別。

GB/T 30228-2013先通過不同的高度測試出HIC為1000的下落沖擊高度，之后在這個高度為中心的上下500mm范圍內(nèi)各選取兩個高度進(jìn)行測試，并對這四個高度的沖擊產(chǎn)生的HIC和Gmax分別擬合關(guān)系曲線圖，比較HIC為1000時所對應(yīng)的高度和Gmax為200時對應(yīng)的高度，選擇兩者中的最小值為CFH。

BS EN 1177:2018是隨機(jī)高度進(jìn)行下落沖擊，選取HIC符合表1的點(diǎn)對應(yīng)的高度，對符合表1要求的高度下落沖擊時的HIC與該高度進(jìn)行曲線擬合，對符合表1要求的高度下落沖擊時的Gmax與該高度進(jìn)行曲線擬合，比較HIC為1000時所對應(yīng)的高度和Gmax為200時對應(yīng)的高度，選擇兩者中的最小值為CFH。

表1 HIC的選擇Tab.1 Selection of HIC

本文選用BS EN 1177:2018為不同類型運(yùn)動地坪的CFH對比研究的試驗方法。一方面考慮到BS EN 1177:2018相比GB/T 30228-2013從發(fā)布與實(shí)施時間看更有先進(jìn)性，且就擬合曲線用的下落高度的選擇與確定具有更好的可操作性與合理性；另一方面考慮到本研究為實(shí)驗室試驗，試驗樣品的厚度沒有現(xiàn)場施工的厚度大，在不確定設(shè)計高度的情況下，選用BS EN 1177:2018也是出于保護(hù)設(shè)備不被盲目損壞。

1.2 測試儀器

測試設(shè)備采用符合BS EN 1177:2018測試要求的沖擊測試儀。

2 測試技術(shù)路線及計算公式

2.1 測試技術(shù)路線

本文的測試技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 測試技術(shù)路線Fig.1 Testing technology route

2.2 計算公式

本文測試時的計算公式如式（1）所示。

式中：

a—加速度，以重力加速度g的倍數(shù)表示；

t1,t2—開始時間和結(jié)束時間之間的任意兩個中間值，ms。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 滲水型運(yùn)動地坪的臨界跌落高度

根據(jù)BS EN 1177:2018的測試方法進(jìn)行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的滲水型運(yùn)動地坪的CFH如表2所示?？梢钥闯?，隨著滲水型運(yùn)動地坪樣品厚度的增加，其CFH隨之提高，平均每增加樣品厚度10mm，CFH提高約0.3m。此外還可以看出，在相同厚度條件下，含ETPU顆粒的滲水型運(yùn)動地坪的CFH高于不含ETPU顆粒的滲水型運(yùn)動地坪，主要是因為ETPU是一種軟質(zhì)發(fā)泡材料，具有優(yōu)越的回彈性能和緩沖性能，當(dāng)模擬頭部的重物垂直落沖擊時，ETPU顆粒能通過自身的壓縮變形來完成對沖擊力的阻擋與消耗，避免頭部嚴(yán)重?fù)p傷。

表2 不同厚度的滲水型運(yùn)動地坪的CFH結(jié)果Tab.2 CFH test results of permeable sports floor with different thicknesses

3.2 復(fù)合型運(yùn)動地坪的臨界跌落高度

根據(jù)BS EN 1177:2018的測試方法進(jìn)行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的復(fù)合型運(yùn)動地坪的CFH如表3所示?？梢钥闯?，隨著復(fù)合型運(yùn)動地坪樣品厚度的增加，其CFH隨之提高，平均每增加樣品厚度10mm，CFH提高約0.4m。

表3 不同厚度的復(fù)合型運(yùn)動地坪的CFH結(jié)果Tab.3 CFH test results of composited sports floor with different thicknesses

3.3 全塑型運(yùn)動地坪的臨界跌落高度

根據(jù)BS EN 1177:2018測試方法進(jìn)行檢測，不同工藝（發(fā)泡型和非發(fā)泡型）和不同厚度（15mm、25mm、35mm、45mm）的全塑型運(yùn)動地坪的CFH如表4所示。可以看出，隨著全塑型運(yùn)動地坪樣品厚度的增加，其CFH隨之提高，非發(fā)泡全塑型運(yùn)動地坪平均每增加樣品厚度10mm，CFH提高約0.3m；發(fā)泡全塑型運(yùn)動地坪平均每增加樣品厚度10mm，CFH提高約0.4m。此外，通過比較相同厚度、不同工藝的全塑型運(yùn)動地坪的CFH可以看出，發(fā)泡全塑型運(yùn)動地坪的CFH高于非發(fā)泡全塑型運(yùn)動地坪，主要是發(fā)泡型樣品成型時在材料內(nèi)部產(chǎn)生了泡孔所致，這種孔壁厚且有彈性的閉孔泡孔可有效吸收部分重物產(chǎn)生的能量。在相同泡孔密度條件下，材料的壓縮應(yīng)變越大，其吸收的沖擊能量越大，垂直下落沖擊后對頭部的損傷越小，而在相同壓縮應(yīng)變前提下，泡孔密度高的材料的CFH高于泡孔密度低的材料[3]。

表4 不同工藝和不同厚度的全塑型運(yùn)動地坪的CFH結(jié)果Tab.4 CFH test results of whole-polyurethane sports floor with different processes and thicknesses

3.4 混合型運(yùn)動地坪的臨界跌落高度

根據(jù)BS EN 1177:2018的測試方法進(jìn)行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的混合型運(yùn)動地坪的CFH如表5所示?？梢钥闯?，隨著混合型運(yùn)動地坪樣品厚度的增加，其CFH隨之提高，平均每增加樣品厚度10mm，CFH增長約0.1～0.2m。

表5 不同厚度的混合型運(yùn)動地坪的CFH結(jié)果Tab.5 CFH test results of mixed sports floor with different thicknesses

3.5 預(yù)制型運(yùn)動地坪的臨界跌落高度

根據(jù)BS EN 1177:2018測試方法進(jìn)行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm、60mm）預(yù)制型運(yùn)動地坪的CFH如表6所示。可以看出，隨預(yù)制型運(yùn)動地坪樣品厚度增加，CFH隨之提高，平均每增加樣品厚度10mm，CFH增長約0.3m。

表6 不同厚度的預(yù)制型運(yùn)動地坪的CFH結(jié)果Tab.6 CFH test results of prefabricated sports floor with different thicknesses

3.6 無填充式人造草運(yùn)動地坪體系（含彈性緩沖墊）的臨界跌落高度

根據(jù)BS EN 1177:2018的測試方法進(jìn)行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的無填充式人造草運(yùn)動地坪體系（含彈性緩沖墊）的CFH如表7所示?？梢钥闯?，隨著無填充式人造草運(yùn)動地坪體系（含彈性緩沖墊）樣品彈性緩沖墊厚度的增加，其CFH隨之提高，平均每增加彈性緩沖墊厚度10mm，CFH增長約0.3m。

表7 不同厚度的無填充式人造草運(yùn)動地坪體系（含彈性緩沖墊）的CFH結(jié)果Tab.7 CFH test results of unfilled artificial turf sports floor (including elastic pad) with different thicknesses

3.7 安全地墊的臨界跌落高度

根據(jù)BS EN 1177:2018的測試方法進(jìn)行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的安全地墊的CFH如表8所示?？梢钥闯?，隨著安全地墊樣品厚度的增加，其CFH隨之提高，平均每增加樣品厚度10mm，CFH增長約0.3m。

表8 不同厚度的安全地墊的CFH結(jié)果Tab.8 CFH test results of safety mats with different thicknesses

3.8 不同類型運(yùn)動地坪的臨界跌落高度比較分析

比較表2～表8的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)固定樣品厚度時，無填充人造草體系的CFH相對更高，這是因為彈性緩沖墊是一種具有彈性的發(fā)泡材料[4]，其泡孔孔徑相對于發(fā)泡型全塑型運(yùn)動地坪的泡孔孔徑更大，具有更大的緩沖壓縮空間，可抵擋瞬間的沖擊力，此外，彈性緩沖墊閉孔率通常達(dá)到70%以上，能提供更強(qiáng)的支撐力，從而起到了保護(hù)頭部、減少損傷的目的。

當(dāng)樣品厚度為25mm、35mm、45mm時，含ETPU顆粒的滲水型運(yùn)動地坪和發(fā)泡全塑型運(yùn)動地坪的CFH相對高些，前者是通過填充物提高樣品性能，即內(nèi)部填充高回彈顆粒，后者是通過工藝改善樣品的微觀結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多孔狀態(tài)。

其余產(chǎn)品的CFH排序如下：預(yù)制型運(yùn)動地坪＞不含ETPU顆粒的滲水型=非發(fā)泡全塑型運(yùn)動地坪＞安全地墊＞復(fù)合型運(yùn)動地坪＞混合型運(yùn)動地坪。預(yù)制型運(yùn)動地坪的CFH相對高些是由于預(yù)制型運(yùn)動地坪底部存在凹凸結(jié)構(gòu)，這種凹凸結(jié)構(gòu)形成了緩沖空間，從而有利于對于頭部的保護(hù)。復(fù)合型運(yùn)動地坪和混合型運(yùn)動地坪由于材料結(jié)構(gòu)密實(shí)，營造的緩沖空間相對較少，因此CFH略低，但是可通過提高材料自身的彈性進(jìn)行改善，市場上也不乏更有彈性的復(fù)合型運(yùn)動地坪和混合型運(yùn)動地坪。

4 結(jié)論

通過上述試驗結(jié)果的對比分析可得出以下結(jié)論：

1）無填充式人造草體系由于彈性緩沖墊的彈性發(fā)泡材質(zhì)的原因，其CFH相對更高；

2）可通過添加高回彈顆粒提高運(yùn)動地坪的CFH；

3）可通過調(diào)節(jié)運(yùn)動地坪的內(nèi)部泡孔緩沖結(jié)構(gòu)提高運(yùn)動地坪的CFH；

4）可通過提高運(yùn)動地坪的厚度來提高運(yùn)動地坪的CFH；

5）可通過調(diào)節(jié)運(yùn)動地坪材料自身的彈性來提高運(yùn)動地坪的CFH。