运动场地地面冲击衰减性能测试方法及设备

简介
运动场地地面(playground surface)，被用于铺在运动场设施下面一种人工或天然的材料，包括地基、地层、和其他用于抗冲击的地面材料。
临界跌落高度（critical fall height，CFH），衡量运动场地地面材料的冲击衰减性能，由符合标准具体规定的冲击衰减性能指标的地面的高理论跌落高度来定义。临界跌落高度是接近但不希望会引起威胁生命的头部伤害的大高度。
头部伤害判据（head injury criterion，HIC），一个冲击加速度与时间关系的特殊积分，以测定头部受到伤害的相关性。
加速度（g-max），当模拟头形落体与地面碰撞时大的冲击加速度，以重力加速度g为单位。
冲击衰减（impact attenuation），通过地面局部变形或位移来减少峰值冲击力和峰值加速度以吸收冲击过程中的能量的运动场地地面特性。

概述
国外，每年有成千上万儿童及成年人在运动场地、公共的或私人的运动设施上，由于跌倒在不合适的地面而受伤。据美国消费者产品安全委员会统计，美国每年超过15万人在运动场地上受伤。澳大利亚每年也有1300名儿童因玩滑梯、秋千等游戏，从高处跌下受伤住院。在标准制定前，虽然由此引起费达几百万美元，但是保险公司仍然拒绝承担多种与此有关险项的保险义务。因此，国外立法建立限制条例，如美国制定的ASTM F 1292-2004、欧洲制定的EN 1177:1997和澳大利亚制定的 AS/NZS4422:1999等对运动场地地面安全性能检测方法及设备的标准或规范，以评估运动场地地面铺垫的材料是否合格。
国内也有报道小孩荡秋千时，设施连钩突然脱钩，致小孩头部被摔成头骨粉碎性骨折的重伤。记者看到出事现场地面没有装保险垫，也无防缓冲作用的橡胶地板。事实上，有很多采用各种吸收冲击能量的弹性材料作为地面铺层，可以防止人们跌倒而损伤，特别是头部损伤。问题是弹性材料的特性和铺垫厚度都与安全有关，需要有相关的测试设备测定。

国内引用的标准及冲击设备
国内已有不少厂商生产或销售三元乙丙橡胶(EPDM)的弹性安全地垫(Rubber Safety Cushion)。我们近参观了第九届地面材料展览会（上海）和第20届中国体育用品博览会（成都）并获得一些样品，了解到有些安全地垫生产厂的测量是按GB/T 14833－1993（塑胶跑道）标准检测的，也有厂商称其产品符合欧洲EN 1176标准，但是在介绍时都没有提及对头部受冲击伤害程度的HIC进行测量评估。EN 1176-1:1998《Playground equipment — Part 1：General safety requirements and test methods》至EN 1176-7的七个标准是针对运动场器材（如秋千、滑梯、木马等）的安全要求和试验方法，其中EN 1176-1:1998在4.2.8.4条中特地提到：跌落到儿童运动地面免受伤害的安全地垫性能试验要根据EN 1177，测试通用的冲击衰减材料以符合临界跌落高度（CFH）值。
我国还没有测量评估运动场地、儿童游乐场地HIC的要求，国家标准GB 19272-2003，《健身器材室外健身器材的安全通用要求》 第5.7.4条规定：“……天梯、秋千等上下运动弹跳或可能从空中运动跌落的器材，其运动地面应为松软或富有弹性的地面，例如：沙土层、橡塑地板等。若为橡塑地板时，其地板的结构厚度应不小于25mm；若为沙坑时，沙层厚度应不小于200mm，……” 。而且强调该标准第5章为强制性条款。
冲击强度测试仪（出口型号Uniaxe-II Impact Tester ）（见图4），符合美国ASTM、澳大利亚AS、欧洲EN标准的要求，已推向市场，在欧洲和澳洲得到了应用。

我们从EPDM安全地垫样品的弹性手感及采用HS2005冲击强度测试仪自行试验研究发现，国内外的产品冲击衰减的特性有较大差异，测试记录数据见表1。

图5显示的是序号6样品三组试验数据的曲线,分别显示在g-max＝200时对应的跌落高度和显示HIC＝1000时对应的跌落高度 。根据ASTM F 1292-2004标准，取HIC和g-max所对应的跌落高度Hc值小的一个作为临界跌落高度（CFH）值，即CFH值为1.4m。
再分析表1的数据。可以看到弹性手感软的安全地垫比弹性手感硬的安全地垫有更好的冲击衰减性能。我们把试验数据与英国Wicksteed公司安全地垫产品的厚度与大自由跌落高度的关系图进行比较（图6），可以看到我们试验序号6和序号7国外产品的CFH数据与图6接近，即安全地垫厚50mm时的CFH＝1.5m左右；而弹性手感较硬的国内产品CFH明显低于1.5m，甚至于CFH＝1.1m，这样的安全地垫的防护性能能否满足设计要求就需要用测试设备来验证了，当然也可以加大安全地垫的厚度来满足CFH的要求，但是增加了工程成本。

结语
我们注意到国内运动场地、儿童游乐场地的安全不应该出了大量事故才重视起来，我国政府部门及社会各界现在都应引起重视，防患于未然，笔者建议：运动场地地面冲击衰减性能测试方法及设备
a)加强宣传运动场地有冲击衰减特性的安全要求，尽快制订国内标准的或对应（等效或非等效）于国外的有关标准，或补充GB19272-2003的内容；
b)研究运动场地安全性能的检测技术，研发有自己知识产权的检测设备；
c)在国内标准尚未颁布之前，是否可以参考国外标准（如EN 1177）, 对安全地垫或其它冲击衰减材料（如沙滩，沙地）冲击衰减特性检测，以控制安全地垫生产质量、控制运动场地工程质量和验收、定期（如二年）对场地的安全性能复测。