高分子材料粘合鋪設(shè)的體育場館地面層抗沖擊性能分析

李瑜

摘要：體育場館選材質(zhì)量的好壞在某種程度上直接影響著現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展水平以及普及程度。目前廣泛應(yīng)用的高分子復(fù)合材料屬于人工材料，主要是將相關(guān)原材料進(jìn)行化學(xué)合成而產(chǎn)生，這種材料具有彈性大、強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)、抗震、減震等優(yōu)點(diǎn)，使之在體育運(yùn)動(dòng)場地中獲得了頗為廣泛的運(yùn)用。采用試驗(yàn)法對(duì)體育場館內(nèi)部地面鋪設(shè)聚氨酯泡沫復(fù)合材料面層的抗沖擊性能進(jìn)行測試，同時(shí)探究了數(shù)值模擬法在材料沖擊吸收性能測試中的應(yīng)用，并對(duì)其在體育場館的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：體育場館地面；粘合；高分子復(fù)合材料；抗沖擊性能

中圖分類號(hào)：TQ328.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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

高分子復(fù)合材料是常用的合成材料之一，其廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。高分子復(fù)合材料面層的物理性能是其各項(xiàng)性能中至關(guān)重要的，主要包括沖擊吸收性能、拉伸強(qiáng)度等;而對(duì)于體育運(yùn)動(dòng)場館安全運(yùn)用的關(guān)鍵指標(biāo)就是其沖擊吸收性能。對(duì)于高分子復(fù)合材料的沖擊吸收性能，通常采用沖擊吸收系數(shù)（FR）進(jìn)行表征。任何一種在體育場館的使用高分子復(fù)合材料面層都必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)，要符合一定的鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，包括其外觀、物理性能等各個(gè)方面的性能全部達(dá)標(biāo)才能進(jìn)行使用[1-2]。經(jīng)研究證明，只有合成材料面層的沖擊吸收系數(shù)的數(shù)值在一定范圍內(nèi)，才能較好的保護(hù)運(yùn)動(dòng)員并有助于其成績的提高;當(dāng)沖擊吸收系數(shù)數(shù)值不在一定范圍內(nèi)，則不利于體育活動(dòng)的開展。本文針對(duì)體育場館內(nèi)部地面粘合鋪設(shè)用聚氨酯泡沫復(fù)合材料面層的抗沖擊性能進(jìn)行研究，以期將其運(yùn)用在體育運(yùn)動(dòng)場地的鋪設(shè)中，提升體驗(yàn)感的同時(shí)更好保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的安全。

1 塑料復(fù)合材料抗沖擊性能測試試驗(yàn)

體育運(yùn)動(dòng)場地面層和緩沖襯墊等通常由聚氨酯、橡膠顆粒、塑料以及各種化學(xué)試劑制備。以聚氨酯泡沫塑料材料為試驗(yàn)對(duì)象，探究其在應(yīng)力下的力學(xué)性能和能量吸收性能。

1.1 試驗(yàn)材料與方法

將聚氨酯發(fā)泡塑料材料制備為100 mm×100 mm×78 mm 的試樣，所用樣品共4組，先將其置于溫度為25℃、相對(duì)濕度為50%的恒溫恒濕環(huán)境中24 h；然后分別進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)。

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方案。采用材料壓縮機(jī)，按照 GB/T 8168—2008包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，設(shè)定應(yīng)變率為2.56×10-3/s，壓縮速度為12 mm/min，采用第1組試樣共進(jìn)行5次循環(huán)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，每次測試間隔24 h以上。

落錘沖擊試驗(yàn)方案。采用落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，按照GB/T 8167—2008包裝用緩沖材料動(dòng)態(tài)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)后3組試樣進(jìn)行不同高度的跌落沖擊測試，3組試樣的沖擊高度分別設(shè)定為50、80和100 cm。初始應(yīng)變率分別為4.01×101/s、5.08×101/s 和5.68×101/s。落錘質(zhì)量為22.4 kg，每組試樣進(jìn)行對(duì)應(yīng)高度的5次循環(huán)沖擊測試，每次測試間隔24 h以上[3-4]。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 不同應(yīng)變率下材料的緩沖性能

可通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映聚氨酯發(fā)泡塑料材料的抗沖擊性能，利用origin 軟件將2種試驗(yàn)下采集的4組試樣的數(shù)據(jù)繪制為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。發(fā)現(xiàn)不論是準(zhǔn)靜態(tài)壓縮還是落錘沖擊測試，曲線都存在一個(gè)線彈性階段，隨著應(yīng)變的增加，材料的應(yīng)力呈線性上升狀態(tài)。第1組試樣的變化較為平緩，后3組由于應(yīng)變率相對(duì)較大，試樣的應(yīng)力明顯增大。在某點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積即該應(yīng)力點(diǎn)吸收的能量（W），將其除以材料彈性模量（E），s 可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)化能量，以應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)為例，4組試樣此時(shí)的應(yīng)力和標(biāo)準(zhǔn)化能量如表1所示。

由表1可知，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)，從第1組到第4組，材料的初始應(yīng)變率越大所吸收的能量越多；從抗沖擊、吸能的角度來看，聚氨酯發(fā)泡塑料材料在中低應(yīng)變率下的能量吸收性能比準(zhǔn)靜態(tài)的更強(qiáng)[5-6]。

1.2.2 循環(huán)試驗(yàn)下材料的緩沖性能

以第3組試件的試驗(yàn)條件為例，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的5次循環(huán)測試下，發(fā)現(xiàn)聚氨酯泡沫塑料材料通過變形大量吸能，有著較好的抗沖擊性能。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，材料的靜態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力均逐漸降低，緩沖吸能特性減弱。相比于第1次靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，第2次和第3次所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯下降，后3次基本重合，說明前2次應(yīng)力對(duì)材料的緩沖性能影響較大。在動(dòng)態(tài)落錘沖擊試驗(yàn)下，前3次落錘沖擊對(duì)材料的緩沖性能影響較大，循環(huán)測試達(dá)到一定次數(shù)后，聚氨酯泡沫塑料材料的緩沖性能穩(wěn)定，吸能特性基本保持不變。同時(shí)也表明聚氨酯發(fā)泡塑料材料在多次的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沖擊下仍有著較好的抗沖擊性能，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)場地的鋪設(shè)可較好保障運(yùn)動(dòng)員的安全[7]。

2 數(shù)值模擬法測定沖擊吸收性能分析

試驗(yàn)法在測定材料沖擊吸收性能過程中受到諸多因素的作用，存在著相應(yīng)的局限性，在復(fù)雜力學(xué)問題應(yīng)用存在著頗大困難。1956年，Turner 正式提出有限元概念，該理論獲得較為快速的應(yīng)用與推廣。在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展下，將有限元為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬法獲得了蓬勃的發(fā)展，進(jìn)而在復(fù)雜力學(xué)問題研究方面獲得應(yīng)用。

相關(guān)研究人員基于合成材料結(jié)構(gòu)打造有限元模型，并對(duì)合成材料的彈道沖擊性能進(jìn)行了深入研究[8-9]。借助于Ls-Dyna 求解器，對(duì)有關(guān)參量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而使得合成材料受到彈道沖擊之后所出現(xiàn)的破壞模式圖，然后對(duì)比實(shí)際彈道沖擊結(jié)果，得出雙方整體上滿足一致性標(biāo)準(zhǔn)，這表明此有限元模型在測定合成材料的沖擊吸收性能環(huán)節(jié)有著較高的精準(zhǔn)性。

利用構(gòu)建已有運(yùn)行軌跡的三維有限元模型，得出運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)在具體載荷效應(yīng)下，對(duì)合成材料面層運(yùn)動(dòng)空間的有關(guān)能量進(jìn)行合成。借助于有限元模型，對(duì)空芯增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊性能進(jìn)行深入研究，這些學(xué)者還進(jìn)一步分析材料抗沖擊性能受到纖維體積分?jǐn)?shù)的影響，該體積分?jǐn)?shù)與材料抗沖擊性能之間有著正關(guān)聯(lián)性，該體積分?jǐn)?shù)對(duì)此沖擊吸收性能會(huì)帶來明顯影響。

借助于數(shù)值模擬法，開發(fā)創(chuàng)新的3D 模型，可以對(duì)合成材料的面層運(yùn)動(dòng)場地沖擊吸收系數(shù)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，利用對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)測結(jié)果，由此確認(rèn)3D 模型在預(yù)測沖擊系數(shù)方面有著較高的準(zhǔn)確性。通過 ANSYS Workbench 系統(tǒng)，完成此次實(shí)驗(yàn)的3D 數(shù)值模型，進(jìn)而對(duì)2類合成材料的沖擊吸收進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

3 高分子復(fù)合材料在體育場館地面層的影響特性

3.1 在塑膠跑道中的影響

當(dāng)前，塑膠類運(yùn)動(dòng)跑道，憑借著自身較為顯著的防滑、減震效應(yīng)，在體育領(lǐng)域得到較為廣泛的運(yùn)用。這類運(yùn)動(dòng)跑道主要構(gòu)成包括砂石墊層、防潮、混凝土、過渡、塑膠、彈力層等，其中彈力層的核心原料為聚丙烯酸酯，塑膠層原料屬于典型的乙酸乙烯酯共聚物。在制作跑道面層之際，主要使用E/VAC 乳液，或者丙烯酸乳液加以固化[10-12]。前者乳液的性能表現(xiàn)的較差，在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，逐步被后一種乳液所取代；圖1所示為塑膠類體育運(yùn)動(dòng)跑道的結(jié)構(gòu)組成。

3.2 在塑膠跑道中的特性

運(yùn)動(dòng)場地的塑膠跑道已經(jīng)全面對(duì)水泥地面進(jìn)行了取代，具體就是塑膠跑道存在著較多的優(yōu)良性能，例如減震、防滑、較佳的彈性等。運(yùn)動(dòng)員在塑膠跑道上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行相應(yīng)的賽事，從而得到更為出色的運(yùn)動(dòng)成績。目前塑膠跑道主要有以下4類：

（1）全塑型。此跑道構(gòu)成涉及到2層，分別為防滑層與底層膠。相關(guān)的建筑材料屬于典型的聚氨酯，它有著較佳的彈性，具有較為出色的減震保護(hù)與耐磨性能，而且適用于頻率相對(duì)較高的運(yùn)動(dòng)場地，這種跑道在各種類型中，性能與質(zhì)量都屬于最佳，當(dāng)然，建設(shè)成本也自然最高；

（2）顆粒型。這種跑道的構(gòu)成頗具簡單性，主要構(gòu)成為噴涂塑料層與橡膠粒，它大多應(yīng)用于簡易型場地建設(shè)，成本較低，不過質(zhì)量不佳；

（3）復(fù)合型。這種跑道構(gòu)成主要為防滑、面膠與底膠層，所使用的材料主要為廢舊塑料與橡膠膠粒，在使用率較高的跑道中往往使用這種材料，然而它的性能與質(zhì)量整體并不好；

（4）混合型。這種跑道構(gòu)成與第1種基本一致，不過它的底膠層使用一些廢舊橡膠粒，而且在它的上層運(yùn)用了聚氨酯，通常在一般運(yùn)動(dòng)場地中使用，有著較高的性價(jià)比與綜合性能；當(dāng)然，也是當(dāng)前應(yīng)用頗為廣泛的一種跑道類型[13-14]。

4 結(jié)語

隨著體育行業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，開發(fā)和研究具有質(zhì)量輕、韌性好、耐老化和成型快的塑料復(fù)合型材料已經(jīng)成為了體育行業(yè)在健康與可持續(xù)發(fā)展過程中的一項(xiàng)重要工作。體育運(yùn)動(dòng)場館塑料復(fù)合材料面層的抗沖擊性能對(duì)運(yùn)動(dòng)員的成績和人身安全都有深遠(yuǎn)影響，因此，開展塑料復(fù)合材料面層抗沖擊性能的研究具有重要的意義[15]。實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法對(duì)于塑料復(fù)合材料面層抗沖擊性能的研究適用于不同的應(yīng)用場景，在未來的研究過程中，積極探索2種實(shí)驗(yàn)方法，建立數(shù)值模型，展開對(duì)體育運(yùn)動(dòng)場館復(fù)合材料面層的研究工作，將帶來很高的社會(huì)價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 畢建軍.體育健身器材用塑料復(fù)合材料性能分析及應(yīng)用—評(píng)《塑料材料與配方》第三版[J].塑料工業(yè)，2022，50（11）：182192.

[2] 高棟.塑料復(fù)合材料在體育娛樂設(shè)施器材中的應(yīng)用及性能測試[J].粘接，2022，49（11）：68-71.

[3] 余防.塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施和健身器械中的應(yīng)用——評(píng)《體育場地與設(shè)施》[J].合成樹脂及塑料，2019，36（4）：111-114.

[4] 江偉.塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施和健身器材中的應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2019，47（1）：152-155.

[5] 熊恬，余娜.塑料及復(fù)合材料在體育設(shè)施及健身器材中的應(yīng)用[J].塑料助劑，2022（5）：51-53.

[6] 曹璐，姜子景.塑料及復(fù)合材料在體育運(yùn)動(dòng)器械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].粘接，2022，49（8）：54-58.

[7] 王宇.基于塑料復(fù)合材料的體育設(shè)施和健身器械選材[J].塑料助劑，2021（5）：57-58.

[8] 馬蕾.塑料復(fù)合材料在健身器材中的應(yīng)用[J].塑料助劑，2021（5）：1-2.

[9] 李娟.體育健身器材用塑料復(fù)合材料性能分析及應(yīng)用[J].合成材料老化與應(yīng)用，2021，50（4）：152-154.

[10] 鄭亞飛.塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施和健身器材中的應(yīng)用—評(píng)《體育用品及器械標(biāo)準(zhǔn)匯編》[J].材料保護(hù)，2020，53（12）：175.

[11] 孫超.基于塑料及復(fù)合材料的體育運(yùn)動(dòng)設(shè)施與器材選材研究[J].粘接，2020，41（1）：73-76.

[12] 張新.塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施中的應(yīng)用[J].粘接，2019，40（12）：49-52.

[13] 張馨嬌，范娜.塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施和健身器材中的應(yīng)用[J].粘接，2019，40（10）：89-93.

[14] 張建龍.體育設(shè)施與健身器材中塑料復(fù)合材料的實(shí)踐分析[J].粘接，2019，40（10）：86-88.

[15] 李娟.體育健身器材用塑料復(fù)合材料性能分析及應(yīng)用[J].合成材料老化與應(yīng)用，2021，50（4）：152-154.