高分子材料粘合铺设的体育场馆地面层抗冲击性能分析

李瑜

摘要：体育场馆选材质量的好坏在某种程度上直接影响着现代体育运动的发展水平以及普及程度。目前广泛应用的高分子复合材料属于人工材料，主要是将相关原材料进行化学合成而产生，这种材料具有弹性大、强度高、耐磨性强、抗震、减震等优点，使之在体育运动场地中获得了颇为广泛的运用。采用试验法对体育场馆内部地面铺设聚氨酯泡沫复合材料面层的抗冲击性能进行测试，同时探究了数值模拟法在材料冲击吸收性能测试中的应用，并对其在体育场馆的相关应用进行阐述。

关键词：体育场馆地面；粘合；高分子复合材料；抗冲击性能

中图分类号：TQ328.3文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0099-03

Performanceanalysisofimpactresistanceofthegroundlayerof thestadiumlaidwithpolymercompositematerial

LI Yu

（Xi'an Medical University，Xi'an 710021，China）

Abstract： To a certain extent，the quality of the materials selected for stadiums directly affects the development lev? eland popularity of modern sports. At present，the widely used polymer composite material is an artificial material， which is mainly produced by chemical synthesis of related raw materials. This material has the advantages of highelasticity，high strength，strong wear resistance，good earthquake resistance and shock absorption ability，so thatit has been widely used in sports venues. This paper used the experimental method to test the impact resistance ofpolyurethane foam composite surface layer used for laying the ground inside the stadium. Meanwhile，the applica? tion of numerical simulation method in the test of material impact absorption performance was explored，. and its re? lated application in sports venues was elaborated.

Keywords： Sports venue ground；adhensive；polymer composite；Impact resistance

高分子复合材料是常用的合成材料之一，其广泛的应用于各个领域。高分子复合材料面层的物理性能是其各项性能中至关重要的，主要包括冲击吸收性能、拉伸强度等;而对于体育运动场馆安全运用的关键指标就是其冲击吸收性能。对于高分子复合材料的冲击吸收性能，通常采用冲击吸收系数（FR）进行表征。任何一种在体育场館的使用高分子复合材料面层都必须经过严格的检验，要符合一定的铺设标准，包括其外观、物理性能等各个方面的性能全部达标才能进行使用[1-2]。经研究证明，只有合成材料面层的冲击吸收系数的数值在一定范围内，才能较好的保护运动员并有助于其成绩的提高;当冲击吸收系数数值不在一定范围内，则不利于体育活动的开展。本文针对体育场馆内部地面粘合铺设用聚氨酯泡沫复合材料面层的抗冲击性能进行研究，以期将其运用在体育运动场地的铺设中，提升体验感的同时更好保护运动员的安全。

1 塑料复合材料抗冲击性能测试试验

体育运动场地面层和缓冲衬垫等通常由聚氨酯、橡胶颗粒、塑料以及各种化学试剂制备。以聚氨酯泡沫塑料材料为试验对象，探究其在应力下的力学性能和能量吸收性能。

1.1 试验材料与方法

将聚氨酯发泡塑料材料制备为100 mm×100 mm×78 mm 的试样，所用样品共4组，先将其置于温度为25℃、相对湿度为50%的恒温恒湿环境中24 h；然后分别进行准静态压缩试验和落锤冲击试验。

准静态压缩试验方案。采用材料压缩机，按照 GB/T 8168—2008包装用缓冲材料静态压缩标准进行测试，设定应变率为2.56×10-3/s，压缩速度为12 mm/min，采用第1组试样共进行5次循环准静态压缩试验，每次测试间隔24 h以上。

落锤冲击试验方案。采用落锤冲击试验系统，按照GB/T 8167—2008包装用缓冲材料动态压缩标准，对后3组试样进行不同高度的跌落冲击测试，3组试样的冲击高度分别设定为50、80和100 cm。初始应变率分别为4.01×101/s、5.08×101/s 和5.68×101/s。落锤质量为22.4 kg，每组试样进行对应高度的5次循环冲击测试，每次测试间隔24 h以上[3-4]。

1.2 试验结果与分析

1.2.1 不同应变率下材料的缓冲性能

可通过应力-应变曲线反映聚氨酯发泡塑料材料的抗冲击性能，利用origin 软件将2种试验下采集的4组试样的数据绘制为应力-应变曲线。发现不论是准静态压缩还是落锤冲击测试，曲线都存在一个线弹性阶段，随着应变的增加，材料的应力呈线性上升状态。第1组试样的变化较为平缓，后3组由于应变率相对较大，试样的应力明显增大。在某点应力-应变曲线下的面积即该应力点吸收的能量（W），将其除以材料弹性模量（E），s 可计算出标准化能量，以应变为0.4时为例，4组试样此时的应力和标准化能量如表1所示。

由表1可知，当应变为0.4时，从第1组到第4组，材料的初始应变率越大所吸收的能量越多；从抗冲击、吸能的角度来看，聚氨酯发泡塑料材料在中低应变率下的能量吸收性能比准静态的更强[5-6]。

1.2.2 循环试验下材料的缓冲性能

以第3组试件的试验条件为例，在准静态压缩的5次循环测试下，发现聚氨酯泡沫塑料材料通过变形大量吸能，有着较好的抗冲击性能。随着循环次数的增加，材料的静态应力和动态应力均逐渐降低，缓冲吸能特性减弱。相比于第1次静态压缩试验，第2次和第3次所得应力-应变曲线明显下降，后3次基本重合，说明前2次应力对材料的缓冲性能影响较大。在动态落锤冲击试验下，前3次落锤冲击对材料的缓冲性能影响较大，循环测试达到一定次数后，聚氨酯泡沫塑料材料的缓冲性能稳定，吸能特性基本保持不变。同时也表明聚氨酯发泡塑料材料在多次的静态和动态冲击下仍有着较好的抗冲击性能，应用于运动场地的铺设可较好保障运动员的安全[7]。

2 数值模拟法测定冲击吸收性能分析

试验法在测定材料冲击吸收性能过程中受到诸多因素的作用，存在着相应的局限性，在复杂力学问题应用存在着颇大困难。1956年，Turner 正式提出有限元概念，该理论获得较为快速的应用与推广。在计算机技术迅速发展下，将有限元为基础的数值模拟法获得了蓬勃的发展，进而在复杂力学问题研究方面获得应用。

相关研究人员基于合成材料结构打造有限元模型，并对合成材料的弹道冲击性能进行了深入研究[8-9]。借助于Ls-Dyna 求解器，对有关参量进行计算，进而使得合成材料受到弹道冲击之后所出现的破坏模式图，然后对比实际弹道冲击结果，得出双方整体上满足一致性标准，这表明此有限元模型在测定合成材料的冲击吸收性能环节有着较高的精准性。

利用构建已有运行轨迹的三维有限元模型，得出运动环节在具体载荷效应下，对合成材料面层运动空间的有关能量进行合成。借助于有限元模型，对空芯增强复合材料的抗冲击性能进行深入研究，这些学者还进一步分析材料抗冲击性能受到纤维体积分数的影响，该体积分数与材料抗冲击性能之间有着正关联性，该体积分数对此冲击吸收性能会带来明显影响。

借助于数值模拟法，开发创新的3D 模型，可以对合成材料的面层运动场地冲击吸收系数进行科学预测，利用对比试验验证了预测结果，由此确认3D 模型在预测冲击系数方面有着较高的准确性。通过 ANSYS Workbench 系统，完成此次实验的3D 数值模型，进而对2类合成材料的冲击吸收进行了数值模拟分析。

3 高分子复合材料在体育场馆地面层的影响特性

3.1 在塑胶跑道中的影响

当前，塑胶类运动跑道，凭借着自身较为显著的防滑、减震效应，在体育领域得到较为广泛的运用。这类运动跑道主要构成包括砂石垫层、防潮、混凝土、过渡、塑胶、弹力层等，其中弹力层的核心原料为聚丙烯酸酯，塑胶层原料属于典型的乙酸乙烯酯共聚物。在制作跑道面层之际，主要使用E/VAC 乳液，或者丙烯酸乳液加以固化[10-12]。前者乳液的性能表现的较差，在具体应用环节，逐步被后一种乳液所取代；图1所示为塑胶类体育运动跑道的结构组成。

3.2 在塑胶跑道中的特性

运动场地的塑胶跑道已经全面对水泥地面进行了取代，具体就是塑胶跑道存在着较多的优良性能，例如减震、防滑、较佳的弹性等。运动员在塑胶跑道上运动，进行相应的赛事，从而得到更为出色的运动成绩。目前塑胶跑道主要有以下4类：

（1）全塑型。此跑道构成涉及到2层，分别为防滑层与底层胶。相关的建筑材料属于典型的聚氨酯，它有着较佳的弹性，具有较为出色的减震保护与耐磨性能，而且适用于频率相对较高的运动场地，这种跑道在各种类型中，性能与质量都属于最佳，当然，建设成本也自然最高；

（2）颗粒型。这种跑道的构成颇具简单性，主要构成为喷涂塑料层与橡胶粒，它大多应用于简易型场地建设，成本较低，不过质量不佳；

（3）复合型。这种跑道构成主要为防滑、面胶与底胶层，所使用的材料主要为废旧塑料与橡胶胶粒，在使用率较高的跑道中往往使用这种材料，然而它的性能与质量整体并不好；

（4）混合型。这种跑道构成与第1种基本一致，不过它的底胶层使用一些废旧橡胶粒，而且在它的上层运用了聚氨酯，通常在一般运动场地中使用，有着较高的性价比与综合性能；当然，也是當前应用颇为广泛的一种跑道类型[13-14]。

4 结语

随着体育行业领域的不断发展，开发和研究具有质量轻、韧性好、耐老化和成型快的塑料复合型材料已经成为了体育行业在健康与可持续发展过程中的一项重要工作。体育运动场馆塑料复合材料面层的抗冲击性能对运动员的成绩和人身安全都有深远影响，因此，开展塑料复合材料面层抗冲击性能的研究具有重要的意义[15]。实验法和数值模拟法对于塑料复合材料面层抗冲击性能的研究适用于不同的应用场景，在未来的研究过程中，积极探索2种实验方法，建立数值模型，展开对体育运动场馆复合材料面层的研究工作，将带来很高的社会价值。

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