吳佳俐，李萍，王強強，孫仕超，馬志強，盧超男，馮春研，李娜

（中國國檢測試控股集團股份有限公司，北京 100024）

0 前言

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

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。研究發現，頭部在受沖擊時會承受靜態和動態載荷的沖擊，這種沖擊會產生變形和加速度，導致頭部受到一定的損傷，嚴重時會產生爆炸性骨折、屈曲性骨折、集中性腦損傷、彌漫性腦損傷等。此外還發現，HIC、最大加速度（Gmax）與頭部內壓有一定關聯，HIC低于限制要求時，說明頭內部如大腦、小腦、腦干、腦室等結構基本不會受損傷[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，還在運動場地的安全設計中得到應用，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HIC和Gmax得到，是HIC為1000時所對應的高度與Gmax為200時對應的高度相比較，取兩者中的最小值。

CFH是運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的區域，是活動器材使用安全的重要設計參數[2]，也是驗收安全性能的重要指標之一。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域的最大垂直距離。該標準考慮了使用者所有可能使用器材的運動，并依據這些運動規定了站姿、坐姿、懸掛、攀爬時的跌落高度。

本文針對滲水型運動地坪、復合型運動地坪、全塑型運動地坪、混合型運動地坪、預制型運動地坪、無填充式人造草運動地坪體系（含彈性緩沖墊）及安全地墊的CFH進行對比研究。

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的常用標準，整體測試方法大致相同，但也有一些細節區別。

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范圍內各選取兩個高度進行測試，并對這四個高度的沖擊產生的HIC和Gmax分別擬合關系曲線圖，比較HIC為1000時所對應的高度和Gmax為200時對應的高度，選擇兩者中的最小值為CFH。

BS EN 1177:2018是隨機高度進行下落沖擊，選取HIC符合表1的點對應的高度，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與該高度進行曲線擬合，比較HIC為1000時所對應的高度和Gmax為200時對應的高度，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從發布與實施時間看更有先進性，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驗室試驗，試驗樣品的厚度沒有現場施工的厚度大，在不確定設計高度的情況下，選用BS EN 1177:2018也是出于保護設備不被盲目損壞。

1.2 測試儀器

測試設備采用符合BS EN 1177:2018測試要求的沖擊測試儀。

2 測試技術路線及計算公式

2.1 測試技術路線

本文的測試技術路線如圖1所示。

圖1 測試技術路線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的倍數表示；

t1,t2—開始時間和結束時間之間的任意兩個中間值，ms。

3 試驗結果與分析

3.1 滲水型運動地坪的臨界跌落高度

根據BS EN 1177:2018的測試方法進行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的滲水型運動地坪的CFH如表2所示。可以看出，隨著滲水型運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顆粒的滲水型運動地坪的CFH高于不含ETPU顆粒的滲水型運動地坪，主要是因為ETPU是一種軟質發泡材料，具有優越的回彈性能和緩沖性能，當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，避免頭部嚴重損傷。

表2 不同厚度的滲水型運動地坪的CFH結果Tab.2 CFH test results of permeable sports floor with different thicknesses

3.2 復合型運動地坪的臨界跌落高度

根據BS EN 1177:2018的測試方法進行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的復合型運動地坪的CFH如表3所示。可以看出，隨著復合型運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 不同厚度的復合型運動地坪的CFH結果Tab.3 CFH test results of composited sports floor with different thicknesses

3.3 全塑型運動地坪的臨界跌落高度

根據BS EN 1177:2018測試方法進行檢測，不同工藝（發泡型和非發泡型）和不同厚度（15mm、25mm、35mm、45mm）的全塑型運動地坪的CFH如表4所示。可以看出，隨著全塑型運動地坪樣品厚度的增加，其CFH隨之提高，非發泡全塑型運動地坪平均每增加樣品厚度10mm，CFH提高約0.3m；發泡全塑型運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動地坪的CFH可以看出，發泡全塑型運動地坪的CFH高于非發泡全塑型運動地坪，主要是發泡型樣品成型時在材料內部產生了泡孔所致，這種孔壁厚且有彈性的閉孔泡孔可有效吸收部分重物產生的能量。在相同泡孔密度條件下，材料的壓縮應變越大，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動地坪的CFH結果Tab.4 CFH test results of whole-polyurethane sports floor with different processes and thicknesses

3.4 混合型運動地坪的臨界跌落高度

根據BS EN 1177:2018的測試方法進行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的混合型運動地坪的CFH如表5所示。可以看出，隨著混合型運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動地坪的CFH結果Tab.5 CFH test results of mixed sports floor with different thicknesses

3.5 預制型運動地坪的臨界跌落高度

根據BS EN 1177:2018測試方法進行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm、60mm）預制型運動地坪的CFH如表6所示?？梢钥闯?，隨預制型運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 不同厚度的預制型運動地坪的CFH結果Tab.6 CFH test results of prefabricated sports floor with different thicknesses

3.6 無填充式人造草運動地坪體系（含彈性緩沖墊）的臨界跌落高度

根據BS EN 1177:2018的測試方法進行檢測，不同厚度（25mm、35mm、45mm）的無填充式人造草運動地坪體系（含彈性緩沖墊）的CFH如表7所示?？梢钥闯觯S著無填充式人造草運動地坪體系（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動地坪體系（含彈性緩沖墊）的CFH結果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BS EN 1177:2018的測試方法進行檢測，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結果Tab.8 CFH test results of safety mats with different thicknesses

3.8 不同類型運動地坪的臨界跌落高度比較分析

比較表2～表8的數據可以看出，當固定樣品厚度時，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泡材料[4]，其泡孔孔徑相對于發泡型全塑型運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到70%以上，能提供更強的支撐力，從而起到了保護頭部、減少損傷的目的。

當樣品厚度為25mm、35mm、45mm時，含ETPU顆粒的滲水型運動地坪和發泡全塑型運動地坪的CFH相對高些，前者是通過填充物提高樣品性能，即內部填充高回彈顆粒，后者是通過工藝改善樣品的微觀結構，使其結構呈現多孔狀態。

其余產品的CFH排序如下：預制型運動地坪＞不含ETPU顆粒的滲水型=非發泡全塑型運動地坪＞安全地墊＞復合型運動地坪＞混合型運動地坪。預制型運動地坪的CFH相對高些是由于預制型運動地坪底部存在凹凸結構，這種凹凸結構形成了緩沖空間，從而有利于對于頭部的保護。復合型運動地坪和混合型運動地坪由于材料結構密實，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行改善，市場上也不乏更有彈性的復合型運動地坪和混合型運動地坪。

4 結論

通過上述試驗結果的對比分析可得出以下結論：

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

2）可通過添加高回彈顆粒提高運動地坪的CFH；

3）可通過調節運動地坪的內部泡孔緩沖結構提高運動地坪的CFH；

4）可通過提高運動地坪的厚度來提高運動地坪的CFH；

5）可通過調節運動地坪材料自身的彈性來提高運動地坪的CFH。