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運動場地地面沖擊衰減性能測試方法及設備

簡介
運動場地地面(playground surface)，被用于鋪在運動場設施下面一種人工或天然的材料，包括地基、地層、和其他用于抗沖擊的地面材料。
臨界跌落高度（critical fall height，CFH），衡量運動場地地面材料的沖擊衰減性能，由符合標準具體規定的沖擊衰減性能指標的地面的高理論跌落高度來定義。臨界跌落高度是接近但不希望會引起威脅生命的頭部傷害的大高度。
頭部傷害判據（head injury criterion，HIC），一個沖擊加速度與時間關系的特殊積分，以測定頭部受到傷害的相關性。
加速度（g-max），當模擬頭形落體與地面碰撞時大的沖擊加速度，以重力加速度g為單位。
沖擊衰減（impact attenuation），通過地面局部變形或位移來減少峰值沖擊力和峰值加速度以吸收沖擊過程中的能量的運動場地地面特性。

概述
國外，每年有成千上萬兒童及成年人在運動場地、公共的或私人的運動設施上，由于跌倒在不合適的地面而受傷。據美國消費者產品安全委員會統計，美國每年超過15萬人在運動場地上受傷。澳大利亞每年也有1300名兒童因玩滑梯、秋千等游戲，從高處跌下受傷住院。在標準制定前，雖然由此引起費達幾百萬美元，但是保險公司仍然拒絕承擔多種與此有關險項的保險義務。因此，國外立法建立限制條例，如美國制定的ASTM F 1292-2004、歐洲制定的EN 1177:1997和澳大利亞制定的 AS/NZS4422:1999等對運動場地地面安全性能檢測方法及設備的標準或規范，以評估運動場地地面鋪墊的材料是否合格。
國內也有報道小孩蕩秋千時，設施連鉤突然脫鉤，致小孩頭部被摔成頭骨粉碎性骨折的重傷。記者看到出事現場地面沒有裝保險墊，也無防緩沖作用的橡膠地板。事實上，有很多采用各種吸收沖擊能量的彈性材料作為地面鋪層，可以防止人們跌倒而損傷，特別是頭部損傷。問題是彈性材料的特性和鋪墊厚度都與安全有關，需要有相關的測試設備測定。

國內引用的標準及沖擊設備
國內已有不少廠商生產或銷售三元乙丙橡膠(EPDM)的彈性安全地墊(Rubber Safety Cushion)。我們近參觀了第九屆地面材料展覽會（上海）和第20屆中國體育用品博覽會（成都）并獲得一些樣品，了解到有些安全地墊生產廠的測量是按GB/T 14833－1993（塑膠跑道）標準檢測的，也有廠商稱其產品符合歐洲EN 1176標準，但是在介紹時都沒有提及對頭部受沖擊傷害程度的HIC進行測量評估。EN 1176-1:1998《Playground equipment — Part 1：General safety requirements and test methods》至EN 1176-7的七個標準是針對運動場器材（如秋千、滑梯、木馬等）的安全要求和試驗方法，其中EN 1176-1:1998在4.2.8.4條中特地提到：跌落到兒童運動地面免受傷害的安全地墊性能試驗要根據EN 1177，測試通用的沖擊衰減材料以符合臨界跌落高度（CFH）值。
我國還沒有測量評估運動場地、兒童游樂場地HIC的要求，國家標準GB 19272-2003，《健身器材室外健身器材的安全通用要求》 第5.7.4條規定：“……天梯、秋千等上下運動彈跳或可能從空中運動跌落的器材，其運動地面應為松軟或富有彈性的地面，例如：沙土層、橡塑地板等。若為橡塑地板時，其地板的結構厚度應不小于25mm；若為沙坑時，沙層厚度應不小于200mm，……” 。而且強調該標準第5章為強制性條款。
沖擊強度測試儀（出口型號Uniaxe-II Impact Tester ）（見圖4），符合美國ASTM、澳大利亞AS、歐洲EN標準的要求，已推向市場，在歐洲和澳洲得到了應用。

我們從EPDM安全地墊樣品的彈性手感及采用HS2005沖擊強度測試儀自行試驗研究發現，國內外的產品沖擊衰減的特性有較大差異，測試記錄數據見表1。

圖5顯示的是序號6樣品三組試驗數據的曲線,分別顯示在g-max＝200時對應的跌落高度和顯示HIC＝1000時對應的跌落高度 。根據ASTM F 1292-2004標準，取HIC和g-max所對應的跌落高度Hc值小的一個作為臨界跌落高度（CFH）值，即CFH值為1.4m。
再分析表1的數據。可以看到彈性手感軟的安全地墊比彈性手感硬的安全地墊有更好的沖擊衰減性能。我們把試驗數據與英國Wicksteed公司安全地墊產品的厚度與大自由跌落高度的關系圖進行比較（圖6），可以看到我們試驗序號6和序號7國外產品的CFH數據與圖6接近，即安全地墊厚50mm時的CFH＝1.5m左右；而彈性手感較硬的國內產品CFH明顯低于1.5m，甚至于CFH＝1.1m，這樣的安全地墊的防護性能能否滿足設計要求就需要用測試設備來驗證了，當然也可以加大安全地墊的厚度來滿足CFH的要求，但是增加了工程成本。

結語
我們注意到國內運動場地、兒童游樂場地的安全不應該出了大量事故才重視起來，我國政府部門及社會各界現在都應引起重視，防患于未然，筆者建議：運動場地地面沖擊衰減性能測試方法及設備
a)加強宣傳運動場地有沖擊衰減特性的安全要求，盡快制訂國內標準的或對應（等效或非等效）于國外的有關標準，或補充GB19272-2003的內容；
b)研究運動場地安全性能的檢測技術，研發有自己知識產權的檢測設備；
c)在國內標準尚未頒布之前，是否可以參考國外標準（如EN 1177）, 對安全地墊或其它沖擊衰減材料（如沙灘，沙地）沖擊衰減特性檢測，以控制安全地墊生產質量、控制運動場地工程質量和驗收、定期（如二年）對場地的安全性能復測。