CN1312874A - 铺设人工草皮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人工草皮装置,用于安装在一个支持土壤基质上,以提供一比赛运动表面,其结合了天然草皮的感觉以及人工草皮的耐磨性。该草皮装置包括一绒头织物,其带有一柔性板衬底和多排直立人工条带。一个由三层不同等级的颗粒材料层构成的独特的填充层设在衬底的上表面上的直立条带之间的间隙中,并且其深度小于这些条带的长度。

Description

铺设人工草皮的方法

本发明涉及一种具有一种独特的多层弹性颗粒状填充物的人工草皮，该人工草皮把天然草皮的外观和感觉与人工草皮的耐磨性结合在一起。

传统上都在用于体育比赛和体育活动的运动表面上培育天然草皮。天然草皮一般来说要优于硬质表面，例如由于天然草皮对于脚部冲击和运动员经常摔到在运动表面上的比赛如足球和英式足球来说会提供某些弹性和缓冲。天然草皮使下面的土壤稳定，以把泥土和灰尘的问题最小化，并且提供一个漂亮的外观。

体育活动场上天然草皮的维护是昂贵的，天然草皮在阴暗的封闭运动场中不会生长得好，并且连续的繁重的往来会在草皮表面中磨损某些场地，从而非常难于防止水和泥土的积累。

因此，过去曾开发出人工草皮，以降低维护体育运动场的费用，并且提高草皮表面尤其是职业运动所涉及的草皮表面的耐久性。

人工草皮通常包含一种类似地毯的绒头织物，该织物具有铺设在一个压实基底例如碎石或其它稳定的基础材料上的柔性衬底。该绒头织物具有多排代表草叶的从衬底的顶部表面向上延伸的直立的人工条带。对于本发明来说尤其感兴趣的是颗粒状弹性填充物的各种配方，该填充物铺在衬底的上表面上的直立条带之间，以模拟土壤的存在。大多数现有技术涉及到采用一些沙子或碎渣颗粒与弹性泡沫衬底或碎橡胶颗粒一起来提供弹性。

例如，Haas,Jr.的美国专利3,995,079披露了采用一种草皮绒头织物来覆盖高尔夫绿地。该填充物选自颗粒状的煤渣、碎燧石或碎花岗岩。有弹性的泡沫下衬垫提供一些弹性，然而填充物的角状颗粒比较有磨蚀作用。在磨蚀是一个问题的地方，如足球、橄榄球、英式足球、曲棍球、垒球比赛以及运动员会跌倒或被撞倒在运动表面上的其它比赛的地方，需要在颗粒状填充物上铺设没有磨蚀作用的弹性材料。例如Haas,Jr.的美国专利4,337,283披露了把细小硬质沙子颗粒与体积为25％到95％的弹性颗粒混合，以提供一种改善了的有弹性且不磨蚀的模拟土壤填充物。这种弹性材料可以包括颗粒状橡胶颗粒、软木聚合物小球、泡沫橡胶颗粒、蛭石等的混合物。

使用均匀混合的颗粒状填充物会产生许多缺点，例如在现有技术系统中，硬质沙子颗粒和弹性橡胶颗粒在填充物的整个厚度上以一种均匀的方式混合。人工草皮填充物例如可以包括一种由重量为60％的沙子和40％的颗粒状橡胶颗粒均匀地混合在一起并在直立人工草条带之间设置的且厚度为1英寸到3英寸的混合物。由于橡胶颗粒与沙子相比来说较昂贵，因此，优选为高百分比的沙子，以使这种系统的成本最小化。沙子颗粒也改善了排水程度，这对于例如人工草皮表面不处于一个封闭场馆中的情况来说是必要的。橡胶颗粒易于妨碍水的自由流动，而由于橡胶和硅砂之间表面张力特性的差异，沙子颗粒的毛细作用会把表面的水分向下吸。

现有技术的填充系统不能认识到该填充物是一个动态系统，该系统在与该填充物顶部表面接触的弹跳的球、运动员脚以及身体的振动和冲击的影响下连续处于运动状态。例如，具有高比例沙子的均匀混合的填充物导致沙子颗粒在球或运动员冲击该填充物顶部表面的时候会飞溅。随着时间的流逝，连续冲击的区域会分离，并且将会看见沙子。人们认为在人工草的表面中看见淡颜色的沙子是不好的，并且在受到这样的冲击时看见沙云的时候尤为不好。另外，当活动者跌到在顶部表面上或在该表面上滑动时，暴露的沙子颗粒会擦伤皮肤。

尤其在填充层相对较薄的情况中，沙子和橡胶的填充层易于自己分类并紧密结合成相对坚实的表面。因此，当最初安装的时候，该均匀混合的填充层会提供足够程度的弹性，然而随着时间流逝，对于表面坚实且紧密的地方来说，弹性会降低。为了避免这个问题，可以安装一更厚的填充层，然而所形成的表面弹性会太大，并且可能导致对运动员造成伤害。职业运动员主要经常抱怨的是鞋子上的防滑钉不能从紧密织成的或编织的人工运动草皮表面中连贯地松开，从而使得膝盖和脚踝受到伤害，并且该人工表面是坚硬的而且是有磨蚀作用的，从而会使皮肤灼伤或擦伤。颗粒状填充物通过形成了一种更好地模仿了天然土壤和草皮的人工表面从而具有这些缺点。

均匀混合的填充物还有一个缺点在于，磨蚀的沙子颗粒保留在人工草皮的顶部表面上，而在该表面上与这些沙粒接触的运动员的皮肤会受到擦伤。随着时间流逝，由于振动和冲击的动态作用的缘故，较小的沙子颗粒易于朝着该填充层的底部沉积，而更大更粗糙的沙子颗粒会上升到顶部表面。结果，随着时间流逝，人工系统的磨蚀特性会增强，并且可能导致受到繁重往来的运动表面的特定区域比其它区域更磨蚀。

本发明的一个目的在于提供一种填充物，它能在整个使用过程中保持其性能。本发明还有一个目的在于使人工草皮填充物的磨蚀特性降低。本发明还有一个目的在于，使该填充物的顶部表面稳定，以保持一种在长期使用中不会变坚实或质量不会变坏的有弹性的类似草的表面。

本发明提供一种新颖的人工草皮装置，用于安装在一个支持土壤基底上，以提供一种比赛运动表面，该草皮把人工草皮的耐磨性和天然草皮的外观和感觉结合在一起。

该草皮装置包括一绒头织物，其具有一柔性板衬底和许多排代表草叶的从衬底的上表面向上延伸的直立人工条带。由多层不同等级的颗粒状材料构成的独特的填充层铺设在衬底的上表面上的直立条带之间的间隙中，并且其深度小于条带的长度。

现有技术采用了一种由沙子和橡胶颗粒均匀混合的填充物。迄今为止还没有认识到填充物在受到顶部表面上的体育运动的冲击和振动的时候作为一种动态系统。当球或运动员撞击填充层的顶部表面的时候，沙子颗粒在冲击的作用下会向上迁移。灰尘和硬质沙子颗粒会擦伤皮肤，并且会溅入运动员的眼睛或耳朵。绿色人工草纤维中的亮颜色的沙子的外观是不好的，而暗色的橡胶颗粒则更象一种天然的土壤表面。

因此，在填充物顶部表面处有沙子颗粒的明显的缺点在于：会使运动员受到擦伤且会使沙子飞溅。然而，单独使用橡胶颗粒作为填充物比较昂贵，并且会导致高弹性的不自然的运动表面。只由橡胶颗粒构成的填充物相对于沙子而言其毛细作用排水特性较差。传统上把沙子与橡胶颗粒混合以提供排水性能、降低填充物的成本、降低弹性、并且提供充分的重量以保持该织物不动。水渗透穿过该填充物易于使沙子颗粒向下移动，然而，由于沙子和橡胶在整个填充层混合，因此就有显著体积的沙子接近运动表面。

本发明认识到，该填充物是一个在来自比赛活动、表面维护和降水的冲击和振动的影响下连续移动的颗粒的动态系统。本发明以许多方式来调节这种动态活动。通过提供一层纯橡胶颗粒顶层来使该顶部表面大体上保持无沙子。用一层纯沙子底层来调节水的渗透和排泄。通过选定比例的中间混合层来缓冲纯沙子和纯橡胶层之间的动态相互作用，例如：以重量为单位的三份沙子和一份橡胶。类似草的人工条带的带有纤丝的顶端把相对较大的顶部橡胶颗粒保持在一种疏松的网状柔软结构中。当脚在这些颗粒和人工条带上面通过的时候，带纤丝的纤维的疏松十字形网络也会让移位的橡胶颗粒回到底下的顶部橡胶层中。纯橡胶顶层和带纤丝的条带的网络的组合产生出一种天然草皮表面的外观和感觉。沙子和橡胶混合的中间层形成坚实而有弹性的支撑，并且整个高含量的沙子组分提供了重量，并且通过沙子的毛细作用来提供更好的排水性能。

首先把底层安放在衬底的顶部表面上，并且该底层主要包括硬质沙子颗粒。可以用少量的橡胶颗粒与沙子混合而不会明显影响沙子层的功能。冲洗该沙子，以把低于70筛号(mesh)的细沙子去除，以改善表面排水性能。可以根据用途来显著地改变最大颗粒尺寸。对于体育活动场地而言，该沙子的颗粒尺寸低于20筛号，以避免与该运动表面使用者的摩擦接触。用作比赛用途的沙子颗粒的尺寸优选在30和50美国筛号规格之间。对于应用在赛马场表面而言，摩擦不是问题，可以采用低于14筛号的较大的颗粒尺寸。

然后，把硬质沙子和弹性橡胶颗粒以选定的重量比(如3∶1)相互混合的中间层铺设在底层上。最后把专门由弹性橡胶颗粒构成的顶层铺设在该中间层上。橡胶颗粒的尺寸在10和30筛号之间。

与使用者接触的较薄的顶层在出现接触的地方具有高弹性，并且由于专门采用橡胶构成，因此摩擦较低。沙子底层提供了重量，以保持该草皮不动，并且快速把表面上的水排干。在有可能结冰的地方，良好的排水性尤为必要。

沙子和橡胶颗粒混合的中间层作为一层缓冲层，以保持底部沙子和顶部橡胶分离。中间混合层防止磨蚀沙子朝着顶部表面层过度迁移。顶部表面处的淡颜色沙子是不好看的，并且在与弹跳的球接触时会产生灰尘，并且会擦伤眼睛和身体。中间的混合沙子和橡胶层可防止沙子由于来自表面比赛活动的振动而向上大量迁移到顶层。重量较轻且颗粒较大的橡胶将停留在较小且较重的沙粒上面。由于沙子颗粒与橡胶颗粒相比较其尺寸更小密度更密，所以，在重力的作用下以及通过向下渗透的水而带着的时候，沙子颗粒会在较大的橡胶颗粒之间的空隙中向下掉。由表面活动例如来自弹跳的球和运动员的脚的冲击所引起的局部冲击和振动会引起一些沙子颗粒在中间混合层中向上移动并且进入到顶层。然而，纯橡胶顶层会基本上保持不含沙子颗粒，因为通过穿过顶部表面而排出的水的作用而使沙子颗粒向下冲洗，这会使沙子颗粒回到中间层。大橡胶颗粒之间的相对较大的空隙让更小的沙子颗粒在重力以及振动的作用下向下落。

该组合的多层以比现有方法更低的成本和更薄的厚度产生出一种弹性表面。相反，均匀混合的填充层易于固结成一种坚实紧密的表面，并且如果以厚层形式应用的话，它会具有高弹性并且成本高。本发明即使在以薄层形式应用的时候仍然保持它的弹性，因为其顶层是由纯橡胶颗粒构成的，并且各个层并不易于分离或紧密结合。

根据运动或表面的其它所期望的用途，人工条带的上部分可从顶层的顶部表面向上延伸0.25英寸-1.00英寸，以提供草叶的外观并在运动期间控制球的滚动。还可通过改变穿过顶部表面延伸的草叶条带的厚度和密度，从而能够改变在运动过程中球的滚动特性。或者通过用刚性金属丝刷或其它刷类装置来越过安装表面，从而在现场使这些人造条带的上部分纤维化、分割或绽裂。或者，条带可以被纤维化而成为几条纤维带，该纤维带散开以产生类似的结果，而不是在现场纤维化的单一条带。纤维化和多条纤维具有以下几个优点。纤维化表面具有类似于真实草皮的轻微弹性，并且看起来更象天然草皮。十字形纤维化的纤维包含顶层橡胶颗粒，同时让移位的橡胶颗粒回到原位，并让水能够从中穿过排出。

本发明进一步的细节和其优点从以下的详细描述和附图中可以更加清楚。

为了使本发明容易理解，下面将参照附图以示例的方式对本发明的一个优选实施方案进行描述，其中：

图1为所安装的人工草皮装置的剖视图，显示出具有直立条带的柔性板衬底和由多层硬质沙子和弹性橡胶颗粒构成的填充层；

图2为一个类似的剖视图，显示出在经过刚性的金属丝刷刷过以使该条带的顶部纤维化之后的人工条带的上部分。

参照图1，本发明涉及一种人工草皮装置，其包括带有一层颗粒材料填充层的绒头织物，该草皮装置铺设在支持土壤基底上，以提供一个比赛运动表面。该绒头织物包括一柔性板衬底1，在该实施方案中所示的衬底1为一种双层疏松织物。大量直立的人工条带2从衬底1的上表面向上延伸。如图1中所示，条带2通过衬底1而丛生，排与排之间间隔一个间距W，并且具有长度L。该长度是根据填充物的深度以及所完成的人工草皮装置所要求的弹性来选择的。一种颗粒状材料的填充层3填在衬底1的上表面上的直立条带2之间的间隙中。该颗粒状材料可以选自通常可以得到的硬质颗粒如沙子、小石头或其它级的颗粒状材料和弹性颗粒例如碎橡胶。

填充层3由底层4、中间层5和顶层6构成。底层4基本上仅由直接铺设在衬底1的顶部表面上的硬质沙子颗粒构成。中间层5是由相互混合的硬质沙子颗粒和弹性橡胶颗粒构成的。在硬质和弹性颗粒的重量比大于2∶1的基础上选择该混合物。顶层6基本上仅由弹性橡胶颗粒构成。人工条带2的上部分7从顶层6的顶面8向上延伸。所形成的人工草皮表面可以适用于多种室内和室外用途，例如：运动场、赛马场以及娱乐场。

为了铺设多个不同的层，需要在同一区域上经过几次，首先铺大致纯净的沙子，然后再在同一区域上铺沙子和橡胶的混合物。之后，必须再次经过该区域并铺上大致纯净的橡胶材料。可以采用已知的方法。例如，为了铺沙子层，可以采用一种撒沙机，之后，用刷子刷该表面，以使绒头织物的绒毛上升，并且在铺设第二层5之前把条带2安放在基本直立的位置中。在铺设每一层之后，必须用刷子刷该表面，并使条带上升到如图中所示的直立位置中。

本发明的方法和现有技术之间的显著差异在于多个单独层的铺设，每层分别具有不同的特征。当然，铺设多层比铺设单一厚层包含更多的技巧和时间，然而其优点是显著的，并且可以如上面所解释的那样进行调整。

如图2所示，优选在安装第三顶层6之后，通过例如用金属丝刷或其它刷类装置来刷该表面，从而使人工条带2的上部分7纤维化。该操作使上部分7在顶面8上方弯曲，如通过图1和图2进行比较可以看出。条带2的端部是裂开的、绽裂的或有纤丝的，以获得以下优于现有技术的优点。纤维化的上部分7的覆盖使这些端部交织成一种疏松的网络，这就更加真实地模仿了天然草皮的外观。该纤维化的弯曲端部由于它们稍微上升或变松的缘故从而带有一点弹性，并且当球在比赛期间在所完成的表面上弹跳的时候更加精确地模仿了天然草皮的弹性。该弯曲的端部同时在视觉上遮盖着顶层6的橡胶粒，使这些橡胶粒保持不动，并且让移位的橡胶粒能够在顶层6和纤维化条带2的上侧之间来回移动。通过分裂条带2的端部或使之纤维化，水就更容易渗透过顶部表面8并通过底层4而排走。

要知道，虽然在这里所描述的实施方案涉及硬质沙子颗粒和弹性橡胶颗粒的使用，但是也可以采用其它合适的材料。所有材料必须在尺寸和弹性上分级，以确保不同的层基本上保持区别和分离。例如，硬质颗粒可以是合成塑料颗粒、碎渣或任意其它的可以提供所需要的排水功能的硬质颗粒。从表面中渗过的水必须迅速地穿过顶层6和中间层5而流到底层4。衬底1可以是一种疏松织物或是多孔的，以便让水在顶部表面8和下面的基底土壤9之间迅速通过。同样，合适的弹性颗粒包括橡胶、蛭石、软木、泡沫塑料、黑色的或彩色的EPDM橡胶、以及其它不会随着时间而分解的相对稳定的材料。更大尺寸的淡颜色橡胶颗粒将保留在填充层的顶部，并且将降低填充层的保暖性。

这些条带可以包括多条纤维和就地纤维化的或保持原状的单一条带的混合物。细纤维不能现场铺设在上面，因为它们更容易损坏，并且比粗纤维更容易垂落，尤其是在高温环境下。粗的和细的纤维或条带的混合会使球在比赛中以一种更可预知的方式滚动，这取决于这些纤维对该球的阻力。改变草皮中条带的宽度和密度也会改变球的滚动特性。

通过实验和经验已经发现，硬质颗粒的理想尺寸在14和70美国筛号规格之间。对于大于20筛号规格的硬质颗粒而言，运动表面的使用者会感觉有磨蚀作用，而小于70筛号规格的颗粒会易于妨碍水的渗透，并且对填充层3的排水特性产生不利影响。在皮肤不会与该表面接触并且不会出现擦伤的地方，可以采用较大尺寸的颗粒例如14筛号规格。最好对沙子进行冲洗，以基本上除去所有低于70筛号尺寸的微小颗粒。获得这样的沙子的费用会比没有经过冲洗的沙子要高，然而改进的排水特性以及在干燥期间消除灰尘是非常合乎需要的。我们认为，沙子颗粒的优选尺寸在20到50之间，以避免擦伤的危险并提供优良的排水特性。

混合的中间层具有由所要求的用途决定的特定的重量比。例如，在应用在运动场的情况中，沙子和橡胶颗粒的优选比例为大于2∶1，并且，为了降低费用，该比例可以增加到大约3∶1。因此，由于沙子通常比橡胶颗粒要便宜得多，所以就降低了中间层的成本。在要求更高或更低的弹性时，可以按要求改变该比例。

弹性颗粒优选为碎橡胶颗粒，这些颗粒被低温研磨成在10到30美国筛号规格之间的尺寸。沙子和橡胶颗粒的相对尺寸的这种选择在纯沙子底层4和纯橡胶顶层6之间形成了逐渐分级的材料。

这些沙子颗粒即使在冲击和振动的作用下也易于保留在下面区域中，因为这些沙子颗粒的尺寸更小并且密度更高。较大且密度较小的橡胶颗粒会朝着填充层3的顶部迁移。

因此本发明认识到：在条带2和填充层3的颗粒受到在比赛中作用在该表面上的脚来往和冲击的扰动的时候，在动态系统中会有一定程度的移动。大致为纯橡胶的顶层6在主要需要弹性的地方提供了弹性，其中，在该处会出现运动员的脚和下落物体的冲击。如果顶层6太厚或者缺乏与橡胶颗粒混合的最低限度的沙子，那么会出现排水不良。定期刷扫会使足够的沙子与橡胶颗粒再混合，这样就能继续进行毛细作用排水。大致纯净的沙子底层4由于其密度更高且尺寸更小的缘故而保留在填充层的底部，以提供用于把绒头织物保持不动所要求的重量，并且提供必要的排水能力。混合沙子和橡胶颗粒的中间层5作为一层缓冲区域，以保持纯顶层6和纯沙子底层4分离，并且根据颗粒组分的尺寸和相对混合比而增加一个可控的弹性度。

如上所述，对于填充而言，让沙子颗粒靠近顶部表面8会有明显的缺点。沙子对皮肤的摩擦比橡胶颗粒要更大。如果沙子积累在顶部表面8上的话，它也不好看，并且会产生灰尘或颗粒飞溅，这不仅不好看，而且会与运动员的眼睛接触并造成伤害。在该表面受到降水的情况中，水向下穿过顶层6的渗透作用将易于带着沙子颗粒，从而会冲洗顶部表面6，并且使沙子颗粒在底层4和中间层5中重新定位。

如图2中所示，条带2的顶部7的纤维化和弯曲将易于保持或约束顶层6的橡胶颗粒。如上所述，本发明考虑到，由于脚的来往和运动，条带2和颗粒会出现一些运动。

较大且相对较轻的橡胶颗粒要迁移到顶部的自然趋势以及较小且较重的沙粒要迁移到填充层3底部的互补趋势是有益的。通过提供一层纯橡胶弹性顶层6，从而提供了实际所需要的弹性。定期刷扫顶层6将把足够的沙子混合进顶层6，以保持排水特性。在需要时，可以通过改变该层的厚度或混合比来提供附加的弹性。相反，现有技术提供了整体均匀的混合物，并且位于该层底部附近的弹性颗粒在该表面的顶部提供了更差的弹性作用。

填充在顶部表面处的沙子颗粒如上所述会产生显著的缺点，其中包括摩擦、灰尘以及难看的外观。相反，本发明将沙子用于底层，以提供排水和重量。当混合均匀的时候，在整个所需要的地方提供了弹性。当填充了不同层时，在顶部表面处感觉到更好的弹性。当橡胶到处都均匀地混合的时候，对于填充同样的厚度来说，需要更多的橡胶以在顶部表面处获得同样的弹性感觉。橡胶数量的降低从而降低了成本。而且，可以减少填充层3的整体厚度。材料的成本显著地小于也提供同样程度弹性的系统的成本。例如，顶层6可以安装有一个每平方英尺单位重量为0.5-0.6磅或更轻的顶部表面区域，已经发现，这对于这些用途来说完全足够。合成条带2的上部分7可以从顶层6的顶部表面8在0.25英寸到1.0英寸之间向上延伸到任意地方。已经发现，上部分6的这个长度以合理的成本提供了一个令人信服的逼真的类似草皮的外观。

虽然上述说明和附图涉及一个本发明人目前设想出的特定的优选实施方案，但是要理解的是，本发明在其广义方面还包括与所描述和所示出的部件等效的机械和功能等效物。

Claims (11)

1．一种人工草皮装置，用于安装在支持基底上，以提供一个运动比赛表面，该草皮装置包括：

一绒头织物，其具有一柔性板衬底和多个表示草叶的选定长度的直立人工条带，该条带从衬底的上表面向上延伸；以及

一颗粒状材料填充层，其设置在衬底上表面上的直立条带之间的空隙中，并且其深度比条带的长度要小，该颗粒状材料选自下组，该组包括：硬质以及弹性颗粒，该填充层包括：

一底层，基本上仅由设置在衬底的顶部表面上的硬质颗粒组成；

一中间层，由以选定的相对重量比相互混合在一起的硬质和弹性颗粒组成，其设置在底层上；以及

一顶层，基本上仅由设置在中间层上的弹性颗粒组成，人工条带的上部分从顶层的顶部表面向上延伸。

2．如权利要求1所述的人工草皮装置，其特征在于，硬质颗粒与弹性颗粒的相对重量比大于2∶1。

3．如权利要求1所述的人工草皮装置，其特征在于，硬质颗粒为沙粒，其尺寸为14到70美国筛号规格之间。

4．如权利要求3所述的人工草皮装置，其特征在于，沙子颗粒尺寸为20到50之间。

5．如权利要求4所述的人工草皮装置，其特征在于，沙子经过冲洗，以基本上除去所有尺寸低于70筛号的细小颗粒。

6．如权利要求1所述的人工草皮装置，其特征在于，弹性颗粒为碎橡胶颗粒，其尺寸为10到30美国筛号规格之间。

7．如权利要求2所述的人工草皮装置，其特征在于，中间层重量比大约为3∶1。

8．如权利要求1所述的人工草皮装置，其特征在于，顶层具有一个所安装的单位重量高达每平方英尺0.6磅的顶部表面区域。

9．如权利要求1所述的人工草皮装置，其特征在于，人工条带的上部分是在现场进行纤维化的。

10．如权利要求1所述的人工草皮装置，其特征在于，每条合成条带都包括多条纤维，该纤维具有向下弯曲的上部。

11．如权利要求1所述的人工草皮装置，其特征在于，合成条带的上部从顶层的顶部表面向上延伸0.25到1.00英寸。

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