運動場地透氣型塑膠面層不同成份配比性能研究

陳正權

(陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300)

新型材料能夠有效提升運動員競技水平、保障運動場地衛生環保，對于推動體育運動和器材、場地建設等有著重要的推動作用。與一般煤渣跑道或水泥運動場地相比，透氣型塑膠跑道具有明顯更加優異的防滑性、防護性、耐磨性和環保性能[1]。同時，由于塑膠場地加工成型難度更低，因而能夠獲得更加整潔美觀、色彩亮麗的場地設計觀感[2]。本文通過配比實驗，得到了運動場地透氣型塑膠面層不同成份配比情況下的性能參數，以期能夠為我國體育事業、材料事業以及教育事業的發展提供理論和數據支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備

選擇4 種不同廠家生產的透氣型塑膠面層作為實驗主材料，實驗所需材料及儀器籌備情況見表1。

表1 實驗籌備情況Table 1 Experiment preparation

1.2 實驗方法

為獲得精準的實驗數據，本試驗在實驗配比確定環境共計進行兩次實驗。兩次實驗的塑膠樣塊膠水/ 膠粒值配比分別為：1:5.5、1:6、1:6.5、1:7 以及1:7.5、1:8、1:8.5、1:9；通過陜西國防職業學院實驗室，利用表1 中所示的儀器進行實驗樣塊沖擊吸收性能、垂直形變、拉伸強度等進行測試；通過專家分析建議以及文獻資料調閱等方式，最終確定將實驗用塑膠樣塊膠水/ 膠粒配比值確定為：1:5.5、1:6、1:6.5、1:7[3]。

2 結果與分析

2.1 透氣型塑膠運動場地主成分分析

透氣型塑膠運動場地主要分為底層和面層兩部分，底層加工材料一般由聚氨酯膠水與彈性橡膠顆粒等合成高分子材料構成，在溫度達到一定值后地基下產生的水蒸氣等能夠通過底層透氣功能很快散去，從而避免一般塑膠場地出現的鼓包現象；面層材料主要為三元乙丙（EPDM），該材料由聚氨酯漿料與預聚體進行混合攪拌后，采用機械噴涂器械在底層鋪設的基礎上進行噴涂施工所得，能夠顯著提升運動場地的紫外線抵抗力和耐磨性能[4]。

本試驗認為在實際的實驗過程中，EPDM 材料中的聚氨酯膠水和橡膠顆粒的配比比例，是影響塑膠樣塊抗拉伸性能和抗斷裂伸長率等性能的關鍵[5]。一般來說，單組份實驗塑膠樣塊中的聚氨酯膠水占比越高，越能夠獲得更好的抗拉伸性能和抗斷裂伸長率；而彈性橡膠顆粒的占比越高，則塑膠樣塊的沖擊吸收性能和防滑性能越強。因此，需要通過本試驗對綜合性能最佳的配比進行分析。

2.2 透氣型塑膠運動場地不同成份配比性能分析

通過調閱四種不同材料的原始成分說明，經過陜西國防職業學院實驗室的實際分析，得到四種不同塑膠樣塊材料的檢驗指標。

2.2.1 沖擊吸收

在進行某些跳躍動作時，運動者的足部與地面之間將會形成作用力與反作用力，反作用力的大小除與作用力大小有關外，還與運動場地的地面材質關系密切。硬質地面具有更加優異的應力傳遞性能，因而能夠獲得較小的作用力損失，反作用力一般較軟質材料更大[6]。這一現象反映了運動場地材料受沖擊后所吸收力的程度，一般被稱為材料的“沖擊吸收”性能。沖擊吸收計算公式如下：

其中，Fs表示塑膠面層儀器測試讀數；Fc表示混凝土表面層儀器測試讀數；面層材料的沖擊吸收取三次計算數值的平均值。

利用沖擊吸收測試儀對四種不同膠塊樣塊進行指標分析，得到表2 所示不同配比透氣型塑膠試樣的沖擊吸收指標。

表2 不同配比透氣型塑膠試樣的沖擊吸收指標Table 2 Impact absorption indexes of different proportion of permeable plastic samples

根據國際田聯中有關運動場地的相關規定可知，表2 所得數據中試樣Ⅰ透氣型塑膠面層不符合國際田聯中的相關標準；試樣Ⅱ透氣型塑膠面層僅在1:6.5 配比條件下能夠達到國際田聯中的相關標準；試樣Ⅲ透氣型塑膠面層所有配比均達標；試樣Ⅳ透氣型塑膠面層同樣僅在1:6.5 配比條件下能夠達到國際田聯中的相關標準。

2.2.2 垂直形變

運動場地使用人員在進行部分活動時，腳步著地會引起地面材料產生形變，這一部分力被成為垂直形變力，形變的大小被稱為垂直形變量。假設地面材料由于自身屬性帶來了較高的垂直形變，則容易因為運動員著地不固定而無謂增加運動員在進行某些技術動作時的能量消耗，使運動人員成績下降且更容易疲勞；假設材料垂直形變過小，容易因為無法提供足夠的垂直方向緩沖而給運動人員身體帶來損傷，同時垂直形變過小則無法為運動人員提供足夠的彈性，易導致運動減速[7]。

利用垂直形變測試儀對四種不同塑膠面層試樣垂直形變性能進行分析，得到表3 所示不同配比透氣型塑膠試樣的垂直形變指標。

表3 不同配比透氣型塑膠試樣的垂直形變指標Table 3 Vertical deformation indexes of different proportion of permeable plastic samples

根據國際田聯中的相關規定可知，表3 所得數據中試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的垂直形變指標均滿足0.6mm～2.5mm的要求，四廠家所生產產品在保證運動場地地面垂直形變性能方面均達標。

2.2.3 拉伸強度

透氣型塑膠面層的拉伸強度主要是指塑膠試樣在進行拉伸實驗時直到斷裂為止所承受的最大拉伸應力σmax。根據國際田聯中有關運動場地的相關規定，無孔場地面層合成材料的σmax 最小值應為0.5MPa 以上；有孔地面層合成材料的σmax 最小值應為0.4MPa 以上[8]。根據這一參照標準，在拉伸速度（100±10）mm/min 條件下，對四種不同材料進行拉伸強度測試。拉伸強度計算公式如下：

其中，σ表示最大拉伸應力；F表示試樣的扯斷力（N）；A表示試樣的橫截面積（mm2）。

利用拉力試驗機對四種不同試樣的拉伸強度進行測量，得到表4 所示不同配比透氣型塑膠試樣的拉伸強度。

表4 不同配比透氣型塑膠試樣的拉伸強度Table 4 Tensile strength of different proportion of permeable plastic samples

由表4 數據可知，試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在不同比例條件均能夠獲得≥0.400MPa 的拉伸強度，完全達到國際田聯有關運動場地中的相關參照標準，分別在配比為1:6、1:6.5 和1:7 條件下達到最高值；試樣Ⅳ在不同比例條件下均不能獲得符合國際田聯相關規定的拉伸強度，表明該廠家生產的運動場地透氣型塑膠面層更容易出現斷裂現象，在進行部分運動時極易造成運動員損傷[9]。

2.2.4 斷裂伸長率

透氣型塑膠面層的斷裂神產率主要指的是在拉力作用下，塑膠試樣出現斷裂現象時標線間距離的增加量與初始標距之間的比值（%）。根據國際田聯中的相關規定，斷裂伸長率的最小值應大于等于40%[10]。本試驗在拉伸速度（100±10）mm/min 條件下，對四種材料進行斷裂伸長率值實驗。在拉伸強度≤0.2MPa，扯斷伸長率≤22% 條件下，對四種不同材料進行斷裂伸長率測試。斷裂伸長率計算公式如下：

其中，ε表示材料的斷裂伸長率（%）；LO表示待檢測試樣的初始工作標距（mm）；L表示塑膠試樣被扯斷時的工作標距（mm）。

利用拉力試驗機對四種不同試樣的斷裂伸長率進行測試，得到表5 所示不同配比透氣型塑膠試樣的斷裂伸長率。

由表5 數據可知，四種塑膠試樣中，僅試樣Ⅱ在1:5.5以及1:6 配比條件下無法滿足國際田聯關于運動場地斷裂伸長率的相關要求；試樣Ⅰ的斷裂伸長率在不同配比條件下未發生明顯波動；試樣Ⅲ在1:7 條件下獲得了所有待檢測試樣中的最高斷裂伸長率64.88%。

表5 不同配比透氣型塑膠試樣的斷裂伸長率Table 5 Elongation at break of permeable plastic samples with different proportions

3 結論

通過對四種不同廠家透氣型塑膠面層材料進行力學實驗，得到了關于EPDM 材料中聚氨酯膠水和橡膠顆粒的配比比例對塑膠面層物理性能的影響結果：①試樣Ⅰ的沖擊吸收性能無法滿足國際田聯中的相關要求，但是在配比值為1:6.5 條件下能夠獲得最高沖擊性能，試樣Ⅲ在所有配比條件下能夠達到國際田聯中的相關要求，試樣Ⅱ、Ⅳ透氣型塑膠面層僅在1:6.5 配比條件下能夠達到國際田聯中關于運動場地沖擊吸收方面的相關標準，分析其原因應該是該2 廠家在進行產品加工設計時沒有嚴格按照配比進行，膠水含量不達標或輔料中的某幾類成分超過了規定值；②四種試樣在垂直形變測試環節均達到了國際田聯關于運動場地的要求，并不會因為垂直形變性能影響對四種產品的取舍；③試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在不同比例條件均能夠獲得≥0.400MPa 的理想拉伸強度，試樣Ⅳ在不同配比條件下獲得的最大拉伸強度僅0.277 MPa；④四種試樣中，試樣Ⅱ在1:5.5 和1:6 條件下無法獲得達標的斷裂伸長率，從1:6.5 開始逐漸達標。

綜合分析，四種不同廠家所生產的運動場地透氣型塑膠面層具有不同的優劣勢，在進行實際的材料選擇時需要根據生產成本、項目難度等具體進行取舍。但是，通過多次實驗所得數據結果，本文認為在配比值為1:6.5條件下四類產品所能夠提供的物理性能最為均衡。這一結果可以作為體育運動場地建設施工及相關材料研究的重要參照。