運(yùn)動場地透氣型塑膠面層不同成份配比性能研究

陳正權(quán)

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300)

新型材料能夠有效提升運(yùn)動員競技水平、保障運(yùn)動場地衛(wèi)生環(huán)保，對于推動體育運(yùn)動和器材、場地建設(shè)等有著重要的推動作用。與一般煤渣跑道或水泥運(yùn)動場地相比，透氣型塑膠跑道具有明顯更加優(yōu)異的防滑性、防護(hù)性、耐磨性和環(huán)保性能[1]。同時(shí)，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(shè)計(jì)觀感[2]。本文通過配比實(shí)驗(yàn)，得到了運(yùn)動場地透氣型塑膠面層不同成份配比情況下的性能參數(shù)，以期能夠?yàn)槲覈w育事業(yè)、材料事業(yè)以及教育事業(yè)的發(fā)展提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

選擇4 種不同廠家生產(chǎn)的透氣型塑膠面層作為實(shí)驗(yàn)主材料，實(shí)驗(yàn)所需材料及儀器籌備情況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)籌備情況Table 1 Experiment preparation

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為獲得精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)配比確定環(huán)境共計(jì)進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)。兩次實(shí)驗(yàn)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(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，利用表1 中所示的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣塊沖擊吸收性能、垂直形變、拉伸強(qiáng)度等進(jìn)行測試；通過專家分析建議以及文獻(xiàn)資料調(diào)閱等方式，最終確定將實(shí)驗(yàn)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(jié)果與分析

2.1 透氣型塑膠運(yùn)動場地主成分分析

透氣型塑膠運(yùn)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(gòu)成，在溫度達(dá)到一定值后地基下產(chǎn)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(xiàn)的鼓包現(xiàn)象；面層材料主要為三元乙丙（EPDM），該材料由聚氨酯漿料與預(yù)聚體進(jìn)行混合攪拌后，采用機(jī)械噴涂器械在底層鋪設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行噴涂施工所得，能夠顯著提升運(yùn)動場地的紫外線抵抗力和耐磨性能[4]。

本試驗(yàn)認(rèn)為在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵[5]。一般來說，單組份實(shí)驗(yàn)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(qiáng)。因此，需要通過本試驗(yàn)對綜合性能最佳的配比進(jìn)行分析。

2.2 透氣型塑膠運(yùn)動場地不同成份配比性能分析

通過調(diào)閱四種不同材料的原始成分說明，經(jīng)過陜西國防職業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際分析，得到四種不同塑膠樣塊材料的檢驗(yàn)指標(biāo)。

2.2.1 沖擊吸收

在進(jìn)行某些跳躍動作時(shí)，運(yùn)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(guān)外，還與運(yùn)動場地的地面材質(zhì)關(guān)系密切。硬質(zhì)地面具有更加優(yōu)異的應(yīng)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(zhì)材料更大[6]。這一現(xiàn)象反映了運(yùn)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(jì)算公式如下：

其中，F(xiàn)s表示塑膠面層儀器測試讀數(shù)；Fc表示混凝土表面層儀器測試讀數(shù)；面層材料的沖擊吸收取三次計(jì)算數(shù)值的平均值。

利用沖擊吸收測試儀對四種不同膠塊樣塊進(jìn)行指標(biāo)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(biāo)。

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

根據(jù)國際田聯(lián)中有關(guān)運(yùn)動場地的相關(guān)規(guī)定可知，表2 所得數(shù)據(jù)中試樣Ⅰ透氣型塑膠面層不符合國際田聯(lián)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；試樣Ⅱ透氣型塑膠面層僅在1:6.5 配比條件下能夠達(dá)到國際田聯(lián)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；試樣Ⅲ透氣型塑膠面層所有配比均達(dá)標(biāo)；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(dá)到國際田聯(lián)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 垂直形變

運(yùn)動場地使用人員在進(jìn)行部分活動時(shí)，腳步著地會引起地面材料產(chǎn)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(shè)地面材料由于自身屬性帶來了較高的垂直形變，則容易因?yàn)檫\(yùn)動員著地不固定而無謂增加運(yùn)動員在進(jìn)行某些技術(shù)動作時(shí)的能量消耗，使運(yùn)動人員成績下降且更容易疲勞；假設(shè)材料垂直形變過小，容易因?yàn)闊o法提供足夠的垂直方向緩沖而給運(yùn)動人員身體帶來損傷，同時(shí)垂直形變過小則無法為運(yùn)動人員提供足夠的彈性，易導(dǎo)致運(yùn)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(jìn)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(biāo)。

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

根據(jù)國際田聯(lián)中的相關(guān)規(guī)定可知，表3 所得數(shù)據(jù)中試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的垂直形變指標(biāo)均滿足0.6mm～2.5mm的要求，四廠家所生產(chǎn)產(chǎn)品在保證運(yùn)動場地地面垂直形變性能方面均達(dá)標(biāo)。

2.2.3 拉伸強(qiáng)度

透氣型塑膠面層的拉伸強(qiáng)度主要是指塑膠試樣在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)直到斷裂為止所承受的最大拉伸應(yīng)力σmax。根據(jù)國際田聯(lián)中有關(guān)運(yùn)動場地的相關(guān)規(guī)定，無孔場地面層合成材料的σmax 最小值應(yīng)為0.5MPa 以上；有孔地面層合成材料的σmax 最小值應(yīng)為0.4MPa 以上[8]。根據(jù)這一參照標(biāo)準(zhǔn)，在拉伸速度（100±10）mm/min 條件下，對四種不同材料進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試。拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

其中，σ表示最大拉伸應(yīng)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(yàn)機(jī)對四種不同試樣的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測量，得到表4 所示不同配比透氣型塑膠試樣的拉伸強(qiáng)度。

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

由表4 數(shù)據(jù)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(qiáng)度，完全達(dá)到國際田聯(lián)有關(guān)運(yùn)動場地中的相關(guān)參照標(biāo)準(zhǔn)，分別在配比為1:6、1:6.5 和1:7 條件下達(dá)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(lián)相關(guān)規(guī)定的拉伸強(qiáng)度，表明該廠家生產(chǎn)的運(yùn)動場地透氣型塑膠面層更容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，在進(jìn)行部分運(yùn)動時(shí)極易造成運(yùn)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(chǎn)率主要指的是在拉力作用下，塑膠試樣出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象時(shí)標(biāo)線間距離的增加量與初始標(biāo)距之間的比值（%）。根據(jù)國際田聯(lián)中的相關(guān)規(guī)定，斷裂伸長率的最小值應(yīng)大于等于40%[10]。本試驗(yàn)在拉伸速度（100±10）mm/min 條件下，對四種材料進(jìn)行斷裂伸長率值實(shí)驗(yàn)。在拉伸強(qiáng)度≤0.2MPa，扯斷伸長率≤22% 條件下，對四種不同材料進(jìn)行斷裂伸長率測試。斷裂伸長率計(jì)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(biāo)距（mm）；L表示塑膠試樣被扯斷時(shí)的工作標(biāo)距（mm）。

利用拉力試驗(yàn)機(jī)對四種不同試樣的斷裂伸長率進(jìn)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(shù)據(jù)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(lián)關(guān)于運(yùn)動場地?cái)嗔焉扉L率的相關(guān)要求；試樣Ⅰ的斷裂伸長率在不同配比條件下未發(fā)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(jié)論

通過對四種不同廠家透氣型塑膠面層材料進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到了關(guān)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(jié)果：①試樣Ⅰ的沖擊吸收性能無法滿足國際田聯(lián)中的相關(guān)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(dá)到國際田聯(lián)中的相關(guān)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(dá)到國際田聯(lián)中關(guān)于運(yùn)動場地沖擊吸收方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析其原因應(yīng)該是該2 廠家在進(jìn)行產(chǎn)品加工設(shè)計(jì)時(shí)沒有嚴(yán)格按照配比進(jìn)行，膠水含量不達(dá)標(biāo)或輔料中的某幾類成分超過了規(guī)定值；②四種試樣在垂直形變測試環(huán)節(jié)均達(dá)到了國際田聯(lián)關(guān)于運(yùn)動場地的要求，并不會因?yàn)榇怪毙巫冃阅苡绊憣λ姆N產(chǎn)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(qiáng)度，試樣Ⅳ在不同配比條件下獲得的最大拉伸強(qiáng)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(dá)標(biāo)的斷裂伸長率，從1:6.5 開始逐漸達(dá)標(biāo)。

綜合分析，四種不同廠家所生產(chǎn)的運(yùn)動場地透氣型塑膠面層具有不同的優(yōu)劣勢，在進(jìn)行實(shí)際的材料選擇時(shí)需要根據(jù)生產(chǎn)成本、項(xiàng)目難度等具體進(jìn)行取舍。但是，通過多次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果，本文認(rèn)為在配比值為1:6.5條件下四類產(chǎn)品所能夠提供的物理性能最為均衡。這一結(jié)果可以作為體育運(yùn)動場地建設(shè)施工及相關(guān)材料研究的重要參照。