运动场地透气型塑胶面层不同成份配比性能研究

陈正权

(陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300)

新型材料能够有效提升运动员竞技水平、保障运动场地卫生环保，对于推动体育运动和器材、场地建设等有着重要的推动作用。与一般煤渣跑道或水泥运动场地相比，透气型塑胶跑道具有明显更加优异的防滑性、防护性、耐磨性和环保性能[1]。同时，由于塑胶场地加工成型难度更低，因而能够获得更加整洁美观、色彩亮丽的场地设计观感[2]。本文通过配比实验，得到了运动场地透气型塑胶面层不同成份配比情况下的性能参数，以期能够为我国体育事业、材料事业以及教育事业的发展提供理论和数据支持。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

选择4 种不同厂家生产的透气型塑胶面层作为实验主材料，实验所需材料及仪器筹备情况见表1。

表1 实验筹备情况Table 1 Experiment preparation

1.2 实验方法

为获得精准的实验数据，本试验在实验配比确定环境共计进行两次实验。两次实验的塑胶样块胶水/ 胶粒值配比分别为：1:5.5、1:6、1:6.5、1:7 以及1:7.5、1:8、1:8.5、1:9；通过陕西国防职业学院实验室，利用表1 中所示的仪器进行实验样块冲击吸收性能、垂直形变、拉伸强度等进行测试；通过专家分析建议以及文献资料调阅等方式，最终确定将实验用塑胶样块胶水/ 胶粒配比值确定为：1:5.5、1:6、1:6.5、1:7[3]。

2 结果与分析

2.1 透气型塑胶运动场地主成分分析

透气型塑胶运动场地主要分为底层和面层两部分，底层加工材料一般由聚氨酯胶水与弹性橡胶颗粒等合成高分子材料构成，在温度达到一定值后地基下产生的水蒸气等能够通过底层透气功能很快散去，从而避免一般塑胶场地出现的鼓包现象；面层材料主要为三元乙丙（EPDM），该材料由聚氨酯浆料与预聚体进行混合搅拌后，采用机械喷涂器械在底层铺设的基础上进行喷涂施工所得，能够显著提升运动场地的紫外线抵抗力和耐磨性能[4]。

本试验认为在实际的实验过程中，EPDM 材料中的聚氨酯胶水和橡胶颗粒的配比比例，是影响塑胶样块抗拉伸性能和抗断裂伸长率等性能的关键[5]。一般来说，单组份实验塑胶样块中的聚氨酯胶水占比越高，越能够获得更好的抗拉伸性能和抗断裂伸长率；而弹性橡胶颗粒的占比越高，则塑胶样块的冲击吸收性能和防滑性能越强。因此，需要通过本试验对综合性能最佳的配比进行分析。

2.2 透气型塑胶运动场地不同成份配比性能分析

通过调阅四种不同材料的原始成分说明，经过陕西国防职业学院实验室的实际分析，得到四种不同塑胶样块材料的检验指标。

2.2.1 冲击吸收

在进行某些跳跃动作时，运动者的足部与地面之间将会形成作用力与反作用力，反作用力的大小除与作用力大小有关外，还与运动场地的地面材质关系密切。硬质地面具有更加优异的应力传递性能，因而能够获得较小的作用力损失，反作用力一般较软质材料更大[6]。这一现象反映了运动场地材料受冲击后所吸收力的程度，一般被称为材料的“冲击吸收”性能。冲击吸收计算公式如下：

其中，Fs表示塑胶面层仪器测试读数；Fc表示混凝土表面层仪器测试读数；面层材料的冲击吸收取三次计算数值的平均值。

利用冲击吸收测试仪对四种不同胶块样块进行指标分析，得到表2 所示不同配比透气型塑胶试样的冲击吸收指标。

表2 不同配比透气型塑胶试样的冲击吸收指标Table 2 Impact absorption indexes of different proportion of permeable plastic samples

根据国际田联中有关运动场地的相关规定可知，表2 所得数据中试样Ⅰ透气型塑胶面层不符合国际田联中的相关标准；试样Ⅱ透气型塑胶面层仅在1:6.5 配比条件下能够达到国际田联中的相关标准；试样Ⅲ透气型塑胶面层所有配比均达标；试样Ⅳ透气型塑胶面层同样仅在1:6.5 配比条件下能够达到国际田联中的相关标准。

2.2.2 垂直形变

运动场地使用人员在进行部分活动时，脚步着地会引起地面材料产生形变，这一部分力被成为垂直形变力，形变的大小被称为垂直形变量。假设地面材料由于自身属性带来了较高的垂直形变，则容易因为运动员着地不固定而无谓增加运动员在进行某些技术动作时的能量消耗，使运动人员成绩下降且更容易疲劳；假设材料垂直形变过小，容易因为无法提供足够的垂直方向缓冲而给运动人员身体带来损伤，同时垂直形变过小则无法为运动人员提供足够的弹性，易导致运动减速[7]。

利用垂直形变测试仪对四种不同塑胶面层试样垂直形变性能进行分析，得到表3 所示不同配比透气型塑胶试样的垂直形变指标。

表3 不同配比透气型塑胶试样的垂直形变指标Table 3 Vertical deformation indexes of different proportion of permeable plastic samples

根据国际田联中的相关规定可知，表3 所得数据中试样Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的垂直形变指标均满足0.6mm～2.5mm的要求，四厂家所生产产品在保证运动场地地面垂直形变性能方面均达标。

2.2.3 拉伸强度

透气型塑胶面层的拉伸强度主要是指塑胶试样在进行拉伸实验时直到断裂为止所承受的最大拉伸应力σmax。根据国际田联中有关运动场地的相关规定，无孔场地面层合成材料的σmax 最小值应为0.5MPa 以上；有孔地面层合成材料的σmax 最小值应为0.4MPa 以上[8]。根据这一参照标准，在拉伸速度（100±10）mm/min 条件下，对四种不同材料进行拉伸强度测试。拉伸强度计算公式如下：

其中，σ表示最大拉伸应力；F表示试样的扯断力（N）；A表示试样的横截面积（mm2）。

利用拉力试验机对四种不同试样的拉伸强度进行测量，得到表4 所示不同配比透气型塑胶试样的拉伸强度。

表4 不同配比透气型塑胶试样的拉伸强度Table 4 Tensile strength of different proportion of permeable plastic samples

由表4 数据可知，试样Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在不同比例条件均能够获得≥0.400MPa 的拉伸强度，完全达到国际田联有关运动场地中的相关参照标准，分别在配比为1:6、1:6.5 和1:7 条件下达到最高值；试样Ⅳ在不同比例条件下均不能获得符合国际田联相关规定的拉伸强度，表明该厂家生产的运动场地透气型塑胶面层更容易出现断裂现象，在进行部分运动时极易造成运动员损伤[9]。

2.2.4 断裂伸长率

透气型塑胶面层的断裂神产率主要指的是在拉力作用下，塑胶试样出现断裂现象时标线间距离的增加量与初始标距之间的比值（%）。根据国际田联中的相关规定，断裂伸长率的最小值应大于等于40%[10]。本试验在拉伸速度（100±10）mm/min 条件下，对四种材料进行断裂伸长率值实验。在拉伸强度≤0.2MPa，扯断伸长率≤22% 条件下，对四种不同材料进行断裂伸长率测试。断裂伸长率计算公式如下：

其中，ε表示材料的断裂伸长率（%）；LO表示待检测试样的初始工作标距（mm）；L表示塑胶试样被扯断时的工作标距（mm）。

利用拉力试验机对四种不同试样的断裂伸长率进行测试，得到表5 所示不同配比透气型塑胶试样的断裂伸长率。

由表5 数据可知，四种塑胶试样中，仅试样Ⅱ在1:5.5以及1:6 配比条件下无法满足国际田联关于运动场地断裂伸长率的相关要求；试样Ⅰ的断裂伸长率在不同配比条件下未发生明显波动；试样Ⅲ在1:7 条件下获得了所有待检测试样中的最高断裂伸长率64.88%。

表5 不同配比透气型塑胶试样的断裂伸长率Table 5 Elongation at break of permeable plastic samples with different proportions

3 结论

通过对四种不同厂家透气型塑胶面层材料进行力学实验，得到了关于EPDM 材料中聚氨酯胶水和橡胶颗粒的配比比例对塑胶面层物理性能的影响结果：①试样Ⅰ的冲击吸收性能无法满足国际田联中的相关要求，但是在配比值为1:6.5 条件下能够获得最高冲击性能，试样Ⅲ在所有配比条件下能够达到国际田联中的相关要求，试样Ⅱ、Ⅳ透气型塑胶面层仅在1:6.5 配比条件下能够达到国际田联中关于运动场地冲击吸收方面的相关标准，分析其原因应该是该2 厂家在进行产品加工设计时没有严格按照配比进行，胶水含量不达标或辅料中的某几类成分超过了规定值；②四种试样在垂直形变测试环节均达到了国际田联关于运动场地的要求，并不会因为垂直形变性能影响对四种产品的取舍；③试样Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在不同比例条件均能够获得≥0.400MPa 的理想拉伸强度，试样Ⅳ在不同配比条件下获得的最大拉伸强度仅0.277 MPa；④四种试样中，试样Ⅱ在1:5.5 和1:6 条件下无法获得达标的断裂伸长率，从1:6.5 开始逐渐达标。

综合分析，四种不同厂家所生产的运动场地透气型塑胶面层具有不同的优劣势，在进行实际的材料选择时需要根据生产成本、项目难度等具体进行取舍。但是，通过多次实验所得数据结果，本文认为在配比值为1:6.5条件下四类产品所能够提供的物理性能最为均衡。这一结果可以作为体育运动场地建设施工及相关材料研究的重要参照。