淺談運(yùn)動面層材料的物理機(jī)械性能

謝韻 熊英

摘要：當(dāng)前，常用的合成材料彈性面層有塑膠、丙烯酸、硅PU、人工草坪等。本文詳細(xì)分析了運(yùn)動面層材料的物理機(jī)械性能。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動面層材料;分類;物理性能

隨著公眾校園安全需求的增長，將跑道安全的關(guān)注度推向高潮。教育部高度重視，采取一系列措施及時介入指導(dǎo)，并邀請專業(yè)監(jiān)測機(jī)構(gòu)現(xiàn)場抽樣檢測，以便在最短時間內(nèi)控制惡性事件的蔓延。在這一系列事件推動中，更加了解到，跑道運(yùn)動面層材料的化學(xué)性能對學(xué)生有著顯著影響，有毒的運(yùn)動面層材料會對學(xué)生身體健康產(chǎn)生很大的負(fù)面影響及危害。運(yùn)動面層材料的環(huán)保問題能在短時間內(nèi)被人感受到，主要從感受到積累不適感再到爆發(fā)。經(jīng)常忽略了運(yùn)動面層材料的物理性能，其對人體腿部的影響是一個漫長過程，可能會造成持續(xù)性損傷，最終形成不可逆破壞。

一、運(yùn)動場地面層簡介

運(yùn)動場地面層是指場地的表面層，能滿足運(yùn)動項目所需的摩擦、保護(hù)、標(biāo)識、色彩、反光等特性要求。按材料分為合成面層和非合成面層，其中，合成面層又稱為全天候面層，是高分子合成材料制成的面層，有現(xiàn)場拌和材料鋪設(shè)，也有現(xiàn)場卷材或塊狀材料鋪設(shè)。而非合成面層又稱為天然材料面層，是最環(huán)保的場地面層材料，廣泛用于室外體育項目，如網(wǎng)球、籃球、排球、橄欖球、棒壘球、足球、沙灘足球、沙灘排球和滑冰滑雪項目，以及室內(nèi)體育項目中，如籃球、排球、羽毛球、健身操、體育舞蹈等。運(yùn)動場地面層的選用應(yīng)根據(jù)使用功能、環(huán)境和投資確定。

二、運(yùn)動面層材料類型

1、塑膠。塑膠主要材料為聚氨酯塑膠彈性體，廣泛應(yīng)于各類田徑場、羽毛球場、網(wǎng)球場、籃球場等場地。根據(jù)材料結(jié)構(gòu)不同劃分為：全塑型、復(fù)合型、混合型和透氣型，可適應(yīng)對不同場合和成本的要求。塑膠場地具有平整度好、抗壓強(qiáng)度高、硬度彈性適當(dāng)、物理性能穩(wěn)定的特性，雨后能立即使用，增加利用時間，提高場地使用率。具有適度的彈性及反彈力，有利于速度和技術(shù)的發(fā)揮，降低運(yùn)動傷害。具有一定的抗紫外線能力和耐老化力，透氣性和疏水性好，使用壽命7～8年。強(qiáng)度高，能滿足各種高強(qiáng)度運(yùn)動和運(yùn)動機(jī)械的滾壓。對基礎(chǔ)要求不高，能在水泥混凝土地面或瀝青混凝土基層上使用。

2、丙烯酸。以丙烯酸為主要材料，適量加入石英砂，經(jīng)多遍涂敷在場地基層。丙烯酸適用于籃球場、網(wǎng)球場、羽毛球場、排球場等場地。按材料工藝分為硬地、彈性丙烯酸。丙烯酸材料綠色環(huán)保，有極強(qiáng)的抗紫外線性能，適用于各種氣候條件，維護(hù)保養(yǎng)便利，顏色鮮艷持久不退，使用壽命在5年以上。其中硬地丙烯酸建設(shè)費(fèi)用低、耐磨性好，彈性丙烯酸減震性好，可減輕腳部和腿部所受震動。由于丙烯酸面層厚度較薄，對基層要求高，一般采用瀝青混凝土基層，混凝土基層容易出現(xiàn)細(xì)小裂縫影響面層質(zhì)量需預(yù)先處理。施工對天氣和氣溫有嚴(yán)格要求，場地潮濕、溫度不達(dá)標(biāo)均會影響施工質(zhì)量。施工周期長，硬地丙烯酸涂層數(shù)量有7層，彈性丙烯酸涂層數(shù)量達(dá)11層。

3、硅PU。硅PU是一種以聚氨酯（PU）材料與含有有機(jī)硅成分的材料復(fù)合在一起生產(chǎn)出來新型場地材料。適用于籃球場、網(wǎng)球場、排球場、羽毛球場、體操場等場地。上硬下彈上層結(jié)構(gòu)，彈性穩(wěn)定均勻。耐候性好，自然環(huán)境下長期保持鮮艷色彩，使用壽命在8年以上。無需特別的維護(hù)保養(yǎng)，清潔容易。材料環(huán)保安全無味?？芍苯釉谛屡f混凝土基層上使用，減少基礎(chǔ)地面處理成本。

4、人造草坪。人造草坪是以仿草葉狀的合成纖維植入機(jī)織基布，背面涂布起固定作用的涂層。廣泛應(yīng)用于足球場、網(wǎng)球場、籃球場等各種運(yùn)動場地?？扇旌虺掷m(xù)使用，透水透氣不受雨雪天氣影響，場地使用率高，使用壽命可達(dá)10年左右。材質(zhì)符合環(huán)保要求，安全無毒，富有彈性，阻燃性好。成品施工，施工周期快，維護(hù)簡單，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低。場地線條采用不同顏色草坪裁剪拼接而成，無需單獨(dú)劃線，整體性好。對基礎(chǔ)質(zhì)量要求不高，可在硬土或混凝土基層直接鋪設(shè)。

三、運(yùn)動場地面層材料行業(yè)發(fā)展

運(yùn)動場地面層材料市場熱度高漲，其應(yīng)用市場得到跨越式發(fā)展的根本原因在于技術(shù)、安全、品種的革新。用戶需求的爆發(fā)式增長豐富了運(yùn)動場地面層材料的應(yīng)用市場。一方面，運(yùn)動場地面層材料的產(chǎn)業(yè)鏈中原料及供應(yīng)商的進(jìn)一步推動，有利于產(chǎn)業(yè)源端的重組升級，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)流程;另一方面，運(yùn)動場地面層材料技術(shù)、品質(zhì)、品種的更新迭代，有利于產(chǎn)品的不斷升級和質(zhì)量改進(jìn)，進(jìn)一步滿足用戶的新需求，有利于產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

四、運(yùn)動面層材料物理性能

在教育部教育裝備研發(fā)中心牽頭帶領(lǐng)下，中國建材檢測認(rèn)證集團(tuán)有限公司、清華大學(xué)等多家檢測機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)和施工企業(yè)共同起草了GB 36246-2018《中小學(xué)合成材料面層運(yùn)動場地》，于2018年5月14日發(fā)布，同年11月1日正式實施。該標(biāo)準(zhǔn)列出了運(yùn)動合成面層材料的一系列環(huán)保性能指標(biāo)，還提出了物理性能指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)澆與預(yù)制面層的物理性能指標(biāo)包括：沖擊吸收、垂直變形、防滑值、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和阻燃性。合格判定指標(biāo)如表1所示。

五、沖擊吸收與垂直變形

GB36246-2018《中小學(xué)合成材料面層運(yùn)動場地》中沖擊吸收及垂直變形兩項指標(biāo)主要與人體在運(yùn)動中的保護(hù)性能有關(guān)，指標(biāo)的設(shè)定涉及材料學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動健康、人體骨骼等多方面。中小學(xué)生正處于一個好動年齡，充滿活力、好奇心、好勝心，干勁十足，但在活動中難免發(fā)生碰撞，甚至造成嚴(yán)重傷害，好的運(yùn)動面層材料能保護(hù)中小學(xué)生骨骼在生長發(fā)育階段不受磕破、扭曲和折斷等，保護(hù)其骨骼正常健康的發(fā)育過程。

沖擊吸收性能部分反映了材料的硬度及回彈性，而垂直變形性能反映了運(yùn)動面層材料的壓縮復(fù)原性。因此，這兩個指標(biāo)是衡量運(yùn)動面層材料物理機(jī)械性能的首要指標(biāo)。

檢測中研究了大量檢測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)影響運(yùn)動面層材料的沖擊吸收性能與其厚度有一定關(guān)聯(lián)。相同配方、材質(zhì)送檢樣品，厚度不同，沖擊吸收性能可能會差很多，特別是當(dāng)現(xiàn)場抽樣田徑場地樣品厚度小于12mm、球類場地樣品厚度小于6mm時，三個溫度的沖擊吸收性能往往不合格。當(dāng)樣品厚度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，沖擊吸收性能通常與運(yùn)動面層材料的孔隙率或填充的彈性泡沫粒子有關(guān)。重物在20kg和550.25mm條件自由垂直下，落到接觸運(yùn)動面層材料，運(yùn)動材料面層通過壓縮變形吸收重物沖擊能量，從而有效降低返回能量。一方面，這種壓縮變形由材料本身彈性引起，另一方面，由施工成型過程中材料中的一些微小泡孔引起，這種孔壁厚而有彈性的閉孔泡孔能有效吸收一些重物產(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，其吸收沖擊能量越大，在相同壓縮應(yīng)變前提下，泡孔多的運(yùn)動面層材料沖擊能量吸收優(yōu)于泡孔密度少的材料。提高沖擊能量吸收的另一種方法是在材料中添加彈性泡沫粒子，在檢測中，泡沫粒子在同一位置的3次沖擊很難達(dá)到壓實應(yīng)變，這更有利于回彈和反復(fù)吸收每次沖擊能量。

垂直變形性能與沖擊吸收性能原理相似。當(dāng)運(yùn)動面層材料彈性好時，受力后材料在垂直方向上的變形基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的0.6～3.0mm范圍。GB 36246-2018《中小學(xué)合成材料面層運(yùn)動場地》對垂直變形性能無太多的溫度要求，但沖擊吸收性能檢測有三個溫度點(diǎn)要求，即2℃、232℃和502℃，許多檢測樣品在2℃時通過率不高，主要原因是材料耐低溫性差，低溫下易硬化。

綜合性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求的運(yùn)動面層材料往往需從無毒無刺激性原材料、配方和施工鋪設(shè)技術(shù)方面相互支持。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來的運(yùn)動面層材料將繼續(xù)向系統(tǒng)化、多樣化、環(huán)?；透咝阅芊较虬l(fā)展。

總之，隨著運(yùn)動面層材料越來越受人們的關(guān)注，監(jiān)管部門對其和跑道行業(yè)的健康發(fā)展高度重視，相信未來我國運(yùn)動面層材料將更加標(biāo)準(zhǔn)化，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，檢測機(jī)構(gòu)也要責(zé)無旁貸地控制好最后一道關(guān)，控制運(yùn)動面層材料，從而為教育和體育事業(yè)做出一定貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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