不同类型运动地坪的临界跌落高度性能对比研究

吴佳俐，李萍，王强强，孙仕超，马志强，卢超男，冯春研，李娜

（中国国检测试控股集团股份有限公司，北京 100024）

0 前言

传统的运动场地以煤渣为铺地材料，但煤渣运动场地遇风易起灰、起尘，不利于人的呼吸道健康。为改善这一现象，运动场地逐渐改以沥青、混凝土为铺地材料，但沥青、混凝土运动场地地质过硬，对人的膝盖、脚腕、脚掌的骨骼及软组织有一定的损伤，长时间运动易造成隐形慢性损害。为提高地面的弹性、缓冲性，当前运动场地多数选择以运动地坪为铺地材料，常见的铺地运动地坪有全塑型运动地坪、混合型运动地坪、现浇型运动地坪、预制型运动地坪、透水性运动地坪、人造草运动地坪等。

头部损伤评价值（HIC）是由美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）提出的，用以评估头部损伤的伤害程度的指标。研究发现，头部在受冲击时会承受静态和动态载荷的冲击，这种冲击会产生变形和加速度，导致头部受到一定的损伤，严重时会产生爆炸性骨折、屈曲性骨折、集中性脑损伤、弥漫性脑损伤等。此外还发现，HIC、最大加速度（Gmax）与头部内压有一定关联，HIC低于限制要求时，说明头内部如大脑、小脑、脑干、脑室等结构基本不会受损伤[1]。目前，HIC不仅被广泛用于公路交通的车祸中头部伤害损伤评价，还在运动场地的安全设计中得到应用，但通常不是以HIC表征，也不是用Gmax表征，而是用临界跌落高度（CFH）表征。CFH依据HIC和Gmax得到，是HIC为1000时所对应的高度与Gmax为200时对应的高度相比较，取两者中的最小值。

CFH是运动场地地面满足冲击衰减性能的最大跌落高度，也就是满足垂直落下无损伤的安全高度的上限，常用于活动场地、游乐园、幼儿园场地中具有安全防护的区域，是活动器材使用安全的重要设计参数[2]，也是验收安全性能的重要指标之一。GB/T 19272-2011《室外健身器材的安全 通用要求》中定义了跌落高度指从明显支撑身体的部位到下面碰撞区域的最大垂直距离。该标准考虑了使用者所有可能使用器材的运动，并依据这些运动规定了站姿、坐姿、悬挂、攀爬时的跌落高度。

本文针对渗水型运动地坪、复合型运动地坪、全塑型运动地坪、混合型运动地坪、预制型运动地坪、无填充式人造草运动地坪体系（含弹性缓冲垫）及安全地垫的CFH进行对比研究。

1 测试方法及仪器

1.1 测试方法的确定

GB/T 30228-2013《运动场地地面冲击衰减的安全性能要求和试验方法》和BS EN 1177:2018《抗冲击游乐场表面 冲击衰减测定的试验方法》是检测和验收CFH的常用标准，整体测试方法大致相同，但也有一些细节区别。

GB/T 30228-2013先通过不同的高度测试出HIC为1000的下落冲击高度，之后在这个高度为中心的上下500mm范围内各选取两个高度进行测试，并对这四个高度的冲击产生的HIC和Gmax分别拟合关系曲线图，比较HIC为1000时所对应的高度和Gmax为200时对应的高度，选择两者中的最小值为CFH。

BS EN 1177:2018是随机高度进行下落冲击，选取HIC符合表1的点对应的高度，对符合表1要求的高度下落冲击时的HIC与该高度进行曲线拟合，对符合表1要求的高度下落冲击时的Gmax与该高度进行曲线拟合，比较HIC为1000时所对应的高度和Gmax为200时对应的高度，选择两者中的最小值为CFH。

表1 HIC的选择Tab.1 Selection of HIC

本文选用BS EN 1177:2018为不同类型运动地坪的CFH对比研究的试验方法。一方面考虑到BS EN 1177:2018相比GB/T 30228-2013从发布与实施时间看更有先进性，且就拟合曲线用的下落高度的选择与确定具有更好的可操作性与合理性；另一方面考虑到本研究为实验室试验，试验样品的厚度没有现场施工的厚度大，在不确定设计高度的情况下，选用BS EN 1177:2018也是出于保护设备不被盲目损坏。

1.2 测试仪器

测试设备采用符合BS EN 1177:2018测试要求的冲击测试仪。

2 测试技术路线及计算公式

2.1 测试技术路线

本文的测试技术路线如图1所示。

图1 测试技术路线Fig.1 Testing technology route

2.2 计算公式

本文测试时的计算公式如式（1）所示。

式中：

a—加速度，以重力加速度g的倍数表示；

t1,t2—开始时间和结束时间之间的任意两个中间值，ms。

3 试验结果与分析

3.1 渗水型运动地坪的临界跌落高度

根据BS EN 1177:2018的测试方法进行检测，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的渗水型运动地坪的CFH如表2所示。可以看出，随着渗水型运动地坪样品厚度的增加，其CFH随之提高，平均每增加样品厚度10mm，CFH提高约0.3m。此外还可以看出，在相同厚度条件下，含ETPU颗粒的渗水型运动地坪的CFH高于不含ETPU颗粒的渗水型运动地坪，主要是因为ETPU是一种软质发泡材料，具有优越的回弹性能和缓冲性能，当模拟头部的重物垂直落冲击时，ETPU颗粒能通过自身的压缩变形来完成对冲击力的阻挡与消耗，避免头部严重损伤。

表2 不同厚度的渗水型运动地坪的CFH结果Tab.2 CFH test results of permeable sports floor with different thicknesses

3.2 复合型运动地坪的临界跌落高度

根据BS EN 1177:2018的测试方法进行检测，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的复合型运动地坪的CFH如表3所示。可以看出，随着复合型运动地坪样品厚度的增加，其CFH随之提高，平均每增加样品厚度10mm，CFH提高约0.4m。

表3 不同厚度的复合型运动地坪的CFH结果Tab.3 CFH test results of composited sports floor with different thicknesses

3.3 全塑型运动地坪的临界跌落高度

根据BS EN 1177:2018测试方法进行检测，不同工艺（发泡型和非发泡型）和不同厚度（15mm、25mm、35mm、45mm）的全塑型运动地坪的CFH如表4所示。可以看出，随着全塑型运动地坪样品厚度的增加，其CFH随之提高，非发泡全塑型运动地坪平均每增加样品厚度10mm，CFH提高约0.3m；发泡全塑型运动地坪平均每增加样品厚度10mm，CFH提高约0.4m。此外，通过比较相同厚度、不同工艺的全塑型运动地坪的CFH可以看出，发泡全塑型运动地坪的CFH高于非发泡全塑型运动地坪，主要是发泡型样品成型时在材料内部产生了泡孔所致，这种孔壁厚且有弹性的闭孔泡孔可有效吸收部分重物产生的能量。在相同泡孔密度条件下，材料的压缩应变越大，其吸收的冲击能量越大，垂直下落冲击后对头部的损伤越小，而在相同压缩应变前提下，泡孔密度高的材料的CFH高于泡孔密度低的材料[3]。

表4 不同工艺和不同厚度的全塑型运动地坪的CFH结果Tab.4 CFH test results of whole-polyurethane sports floor with different processes and thicknesses

3.4 混合型运动地坪的临界跌落高度

根据BS EN 1177:2018的测试方法进行检测，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的混合型运动地坪的CFH如表5所示。可以看出，随着混合型运动地坪样品厚度的增加，其CFH随之提高，平均每增加样品厚度10mm，CFH增长约0.1～0.2m。

表5 不同厚度的混合型运动地坪的CFH结果Tab.5 CFH test results of mixed sports floor with different thicknesses

3.5 预制型运动地坪的临界跌落高度

根据BS EN 1177:2018测试方法进行检测，不同厚度（25mm、35mm、45mm、60mm）预制型运动地坪的CFH如表6所示。可以看出，随预制型运动地坪样品厚度增加，CFH随之提高，平均每增加样品厚度10mm，CFH增长约0.3m。

表6 不同厚度的预制型运动地坪的CFH结果Tab.6 CFH test results of prefabricated sports floor with different thicknesses

3.6 无填充式人造草运动地坪体系（含弹性缓冲垫）的临界跌落高度

根据BS EN 1177:2018的测试方法进行检测，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的无填充式人造草运动地坪体系（含弹性缓冲垫）的CFH如表7所示。可以看出，随着无填充式人造草运动地坪体系（含弹性缓冲垫）样品弹性缓冲垫厚度的增加，其CFH随之提高，平均每增加弹性缓冲垫厚度10mm，CFH增长约0.3m。

表7 不同厚度的无填充式人造草运动地坪体系（含弹性缓冲垫）的CFH结果Tab.7 CFH test results of unfilled artificial turf sports floor (including elastic pad) with different thicknesses

3.7 安全地垫的临界跌落高度

根据BS EN 1177:2018的测试方法进行检测，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的安全地垫的CFH如表8所示。可以看出，随着安全地垫样品厚度的增加，其CFH随之提高，平均每增加样品厚度10mm，CFH增长约0.3m。

表8 不同厚度的安全地垫的CFH结果Tab.8 CFH test results of safety mats with different thicknesses

3.8 不同类型运动地坪的临界跌落高度比较分析

比较表2～表8的数据可以看出，当固定样品厚度时，无填充人造草体系的CFH相对更高，这是因为弹性缓冲垫是一种具有弹性的发泡材料[4]，其泡孔孔径相对于发泡型全塑型运动地坪的泡孔孔径更大，具有更大的缓冲压缩空间，可抵挡瞬间的冲击力，此外，弹性缓冲垫闭孔率通常达到70%以上，能提供更强的支撑力，从而起到了保护头部、减少损伤的目的。

当样品厚度为25mm、35mm、45mm时，含ETPU颗粒的渗水型运动地坪和发泡全塑型运动地坪的CFH相对高些，前者是通过填充物提高样品性能，即内部填充高回弹颗粒，后者是通过工艺改善样品的微观结构，使其结构呈现多孔状态。

其余产品的CFH排序如下：预制型运动地坪＞不含ETPU颗粒的渗水型=非发泡全塑型运动地坪＞安全地垫＞复合型运动地坪＞混合型运动地坪。预制型运动地坪的CFH相对高些是由于预制型运动地坪底部存在凹凸结构，这种凹凸结构形成了缓冲空间，从而有利于对于头部的保护。复合型运动地坪和混合型运动地坪由于材料结构密实，营造的缓冲空间相对较少，因此CFH略低，但是可通过提高材料自身的弹性进行改善，市场上也不乏更有弹性的复合型运动地坪和混合型运动地坪。

4 结论

通过上述试验结果的对比分析可得出以下结论：

1）无填充式人造草体系由于弹性缓冲垫的弹性发泡材质的原因，其CFH相对更高；

2）可通过添加高回弹颗粒提高运动地坪的CFH；

3）可通过调节运动地坪的内部泡孔缓冲结构提高运动地坪的CFH；

4）可通过提高运动地坪的厚度来提高运动地坪的CFH；

5）可通过调节运动地坪材料自身的弹性来提高运动地坪的CFH。