香港建筑地盘使用安全帽现状调察及安全帽防护功能的研究评估Word文档下载推荐.docx
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圖1.在香港科技大學的Dynatup衝擊試驗機上進行安全帽衝擊試驗
圖2.頭模頸部貼有應變片,以記錄安全帽受衝擊時頸部的受力
以下簡介部份試驗:
∙中心衝擊試驗
在標準中心衝擊試驗中,撞擊點選擇在安全帽頂的中心,遵照的標準是ISO3873-1977,落錘質量為5公斤,下落高度為1米,總衝擊能量為50焦耳,峰值力應不超過5千牛頓。
為了評估安全帽的安全係數,研究人員還分別使用100焦耳和150焦耳的衝擊能量對安全帽進行了超載試驗。
試驗結果如表1所示:
表1,中心衝擊試驗
測試環境
20°
C
50°
C及水浸
安全帽品牌
帽殼用料
A
高密度聚乙烯
B
C
ABS樹脂
A
B
峰值力(千牛頓)
標準(50焦耳)
1.30
1.34
1.90
0.98*
1.33
1.93
超載(100焦耳)
8.95
7.26
2.59
9.24
8.78
4.78
8.34
7.71
2.71
*在落錘與安全帽外殼間發生滑動
試驗結果表明,在標準衝擊試驗中,A和B安全帽所受到的最大衝擊力為1.3千牛頓左右,C則為1.9千牛頓;
試驗數據說明,溫度與水浸對峰值力的影響甚微。
事實上,所有的新安全帽都在經受數次50焦耳的衝擊試驗後,才會發生破裂。
在超載衝擊試驗中,所有三種牌子的新安全帽都可承受100焦耳的衝擊,而未發生嚴重的外殼損傷;
可是在150焦耳的衝擊力下,將發生不同程度的損壞。
這說明它們的安全系數介於2與3之間。
根據ISO3873-1977安全標準,當峰值力超過5千牛頓時,或者當衝擊後安全帽發生破裂時,安全帽就不再具有保護頭部安全的功能。
從表1展示的試驗數據可知,在100焦耳的衝擊下,A和B安全帽所傳送的最大衝擊力分別超過7千牛頓和8千牛頓,雖然帽殼的外部結構沒有損壞,它亦失去了保護作用。
然而,同等情況下,C安全帽的峰值力還保持在3千牛頓以下,仍對頭部具有保護能力。
從抗衝擊的因素考慮,C安全帽的質量為最優。
當衝擊能量達到150焦耳時,三種安全帽的外殼均出現裂紋(圖3)或應力發白,預示材料內部的大規模破壞。
這時,安全帽必須立即更換。
圖3.在150焦耳超載衝擊試驗中,安全帽的外殼產生裂紋
圖4.在100焦耳超載衝擊試驗中,安全帽的帽箍發生斷裂
除了外殼損壞外,研究人員也觀察到帽箍的損壞(如圖4)。
帽箍是安全帽的一個關鍵部份,它能延遲並減小傳送到頭部和頸部的壓力。
更重要的是,它可以吸收衝擊能量的大部份,因此,帽箍的損壞應當被看成是整個安全帽的破壞,可是這一點在實用中常常被忽略。
研究人員建議,應當在建築地盤上定期檢查安全帽箍是否完好。
∙貫穿試驗
在試驗中,如果3公斤重的圓錐形落錘從1米高處落下,貫穿安全帽外殼後觸及頭模,則認為該安全帽已失去防護功能。
為了篩選安全係數較高的品牌,用60焦耳的衝擊能量進行了超載貫穿試驗。
共選取6個試樣進行試驗,其結果如表2所示:
表2,貫穿試驗
標準(30焦耳)
凹痕
超載(60焦耳)
嚴重凹陷
外殼破裂,但落
錘沒有觸及頭模
如表所示,所有品牌的新安全帽都順利通過了30焦耳的貫穿試驗。
而在超載條件下(60焦耳),三種安全帽都發生了外殼破裂,但圓錐形落錘並未觸及頭模。
按照ISO3837-1977標準,它們亦都通過了超載貫穿試驗,並表明這些安全帽的防止貫穿的安全系數大於2。
∙已具有微小損傷的安全帽的衝擊試驗
為了評估帽殼或者帽箍上具有微小裂紋的舊安全帽的安全性能,試驗之前先在新安全帽上用刀片開出10-15mm的貫穿裂紋。
在帽箍上,預置裂紋約為4mm長,且靠近連接孔。
對這些試樣進行中心衝擊試驗。
其試驗結果列於表3。
表3,有預裂紋的安全帽的中心衝擊試驗
裂紋在帽殼(50焦耳)
1.26
1.85
0.90*
2.19
1.75
1.09*
2.09
裂紋在帽殼(100焦耳)
9.83
6.96
2.13
12.11
8.35
3.96
8.63
6.98
6.59
裂紋在帽箍(50焦耳)
1.44
1.81
由此可見,帽殼上預置裂紋的安全帽與無裂紋的安全帽,在衝擊試驗中表現了類似的行為。
在50焦耳的標準衝擊下,B和C安全帽上沒有發現新的損傷,原有的裂紋仍然保持原樣;
在A安全帽上,發現有新裂紋出現,但預期中原有裂紋的擴展並未出現。
在100焦耳的超載試驗中,A安全帽因破損而失效,C安全帽發生應力白化而失效,B安全帽卻沒有損壞。
可是,當帽箍上有裂紋存在時,即使只加50焦耳的衝擊能量,大部份安全帽都完全損壞。
這一試驗說明,帽箍的細小損傷已足以引致安全帽的完全失效。
∙因氣候影響而老化的安全帽的衝擊試驗
酷熱與高度潮濕的氣候會引致安全帽材料的迅速老化。
在這種嚴酷的氣候條件下,預計塑膠安全帽的抗衝擊性能將會迅速減小。
為了全面了解香港市售與使用的安全帽的可靠性,極有必要對受氣候影響而老化的安全帽的性能進行測試。
研究人員採用了兩類試樣:
經實驗處理的新安全帽和在實際環境中老化的舊安全帽。
實驗室處理包括溫度處理和水浸處理,前者是將安全帽放在50°
C的溫箱中加熱4小時,然後在室溫下試驗;
水浸處理是將安全帽在室溫條件下在水中浸泡4小時。
同時,研究人員在香港的各建築地盤收集了使用過的A安全帽,它們的使用時間由半年至兩年不等。
測試時,採用的設備和試驗條件均與前面相同。
經加熱和水浸處理的新安全帽的測試結果,可從表1、表2、表3中得知。
水浸後的樣品在抗衝擊性能方面沒有太大變化;
加熱處理後的樣品對於50焦耳的試驗條件也沒有什麼變化,只有在100焦耳超載試驗中,經過升溫處理的樣品的峰值力才有輕微升高。
∙現場收集的舊安全帽的測試
為了測試經使用後的安全帽外殼的殘餘衝擊強度,對在地盤使用過一年的A安全帽外殼進行的50焦耳多重衝擊試驗。
試驗表明,在多次衝擊下,載荷曲線基本保持一致,觀察不出使用時間的影響。
圖5.在不同的衝擊能量下,A品牌安全帽外殼所承受的峰值力與使用時間的關係
圖5展示了A安全帽外殼所承受的峰值力與使用時間的關係。
數據表明,第一,所有使用過的安全帽,包括在地盤上使用長達兩年的安全帽,都能夠通過標準的衝擊試驗,而不致發生失效;
第二,在輕微增加的衝擊能量(60焦耳)水平上,使用過一年半至兩年的樣品,其峰值力從3.2千牛頓增加到4.5千牛頓。
這個力非常接近由ISO標準提出的臨界值5千牛頓,因此研究人員指出,氣候老化的影響是明顯的,地盤上使用的安全帽應當經常更換。
此外,當衝擊能量增加時,僅使用過半年的安全帽的峰值力呈急劇增加,因此在高空墜物危險性大的地盤,還應當採用其他的防護方法,例如架設安全網及將物料整齊擺放等。
∙頸部損傷試驗
在以往的安全帽防護標準中都沒有頸部損傷標準。
在ISO標準中提出的最大力5千牛頓,主要是防止人腦的損傷,它不一定適用於頸部的損傷。
在本課題中研究了安全帽對頸部的防護作用,這在香港是第一次。
從有關頸部損傷的生物力學研究文獻中得知,當頸部受到超過1.8千牛頓的軸向壓力時,或作用到頸部的彎曲力矩大於10牛頓米時,人的頸部將受傷。
值得注意的是,導致頸部損傷的壓力遠低於ISO標準中提出的防止腦部損傷的5千牛頓。
彎曲力矩的標準也是首次應用到安全帽的性能評估中。
圖6.經使用的品牌A安全帽,外殼受到的峰值力與使用時間的關係
圖7.經使用的A安全帽,頸部受到的峰值力與使用時間的關係
圖6及圖7展示了室溫下中心衝擊試驗的結果,樣品為使用過的A安全帽,衝擊能量為50焦耳及60焦耳。
在50焦耳的試驗中,無論新舊程度如何,所有安全帽的峰值力都遠低於5千牛頓,同樣地,所有的安全帽傳送到頸部的最大力也都小於頸部損傷標準1.8千牛頓。
這一結果說明,在衝擊能量低,而且安全帽沒有損壞時,在至少兩年的使用期間內,A安全帽能夠對使用者的頭部和頸部同時提供有效的保護。
值得重視的是,當衝擊能量輕微升高時,衝擊點的峰值力顯著增加。
在60焦耳的衝擊能量下,安全帽上的峰值力隨使用時間而增加。
使用了兩年半的安全帽,其峰值力相當接近標準所規定的臨界值,在頸部的數據也相似。
上述試驗表明,A安全帽的安全系數很小,它雖然可以順利通過各種標準的測試,但當實際情況稍稍偏離標準情況時,都可能引致失效。
考慮到香港地盤工作的特點,即建築物通常都相當高,就連小小的墜落物,其衝擊能量都可能超過50焦耳。
因此,研究人員建議,在選擇安全帽時應考慮它在稍高能量撞擊下的表現。
安全帽材料測試
∙經熱水處理的材料測試
在不同的處理溫度下,三個牌子的安全帽材料的楊氏模量有少許變化。
在所有試驗中,模量隨溫度的升高而略有升高,但屈服應力幾乎保持不變。
∙經環境強化處理後材料的機械性能測試
為了模擬強烈日光照射的效應,研究人員將安全帽外殼材料在香港塑膠技術中心的Q-V-U試驗機上進行強化環境處理。
選取的試驗樣品共48個,即上述三種品牌各選16個。
試樣用紫外光和100%濕度交替處理。
處理後,A和B品牌的試樣外觀看不出明顯變化,而C試樣的表面色澤明顯變深。
然後,研究人員對處理過的樣品進行了單軸拉伸和衝擊試驗。
A和B品牌的試樣的單軸拉伸曲線與未經處理的材料相似,其彈性部份呈現非線性,所有試樣在斷裂之前都能經歷很大的塑性變形。
而C安全帽外殼材料在經過紫外光處理後的性質與未經處理的材料的性質很不相同,經過紫外光處理的材料在發生屈服之後立即斷裂,不發生任何塑性變形。
它的衝擊強度亦急劇減低,經過600小時標準強度的紫外光處理後,此材料的衝擊強度減小到原有強度的三分之一。
由此可見,C安全帽外殼材料ABS對環境條件極為敏感,在氣候老化條件下,它很容易並很迅速地降低其機械特性。
因此,如果選用C安全帽,更換頻率應當比其他品牌為高。
研究人員還對安全帽材料進行了差熱分析及電鏡分析,証實使用過的安全帽其材料的晶體結構發生了變化,令其更易發生脆性斷裂。
這些結果有助於研究和開發新的塑膠材料及改進現有材料,以提高安全帽的防護性能。
總結
∙香港市售的主要品牌的新安全帽均能順利通過標準衝擊測試,它們的安全係數在2至3之間。
經過2至3年的使用,安全帽的衝擊強度明顯下降,難以為使用者提供預期的保護。
∙安全帽的抗衝擊能力取決於材料和構造。
通常帽殼與帽箍利用變形來吸收能量並保護頭部,其中帽箍具有不可忽視的防護功能。
∙硬質帽殼除了發生裂紋、應力發白或凹陷而導致失效外,有時帽箍的脫落或斷裂也可引起安全帽的整體失效,而導致致命傷害。
因此,應當對帽箍的品質及完好狀況給予更多重視。
∙氣候對由塑膠製造的安全帽外殼影響極大。
強烈紫外線照射、高溫、高濕度引致塑膠材料變脆,從而使衝擊強度降低。
∙首次在香港進行了安全帽與頸部損傷的相關性研究。
在安全帽受到中心衝擊和偏心衝擊時都可能引致頸椎受傷,這常是由於過度擠壓和彎曲造成的。
試驗結果顯示,對於某些牌子(如A)的安全帽而言,50焦耳的標準衝擊能量有時也會導致頸椎受傷。
∙將受訪地盤應用最廣泛的三個品牌的安全帽的研究評估總結於表4。
結果表明,C安全帽具有最優的抗衝擊能力,可是它對於環境最敏感。
如果選用C安全帽的話,必須頻繁地進行更換。
A品牌安全帽雖然也可通過標準的測試,但是它的安全係數在三個品牌中居於最低位。
在研究人員所進行的大部份測試中,A品牌的安全帽常僅能達到臨界值,安全系數較低。
不幸的是,它是受訪建築地盤中應用得最普遍的品牌。
表4受訪地盤三種常用安全帽的研究評估
重量(千克)
0.31
0.32
0.44
帽箍用料
低密度聚乙烯
堅硬度
低
適中
高
防止外殼損壞的安全係數
2.0
3.0
提供衝擊防護的安全係數
小
大
抗撞擊能力
良好
優異
抗貫穿能力
延長脈衝的能力
能量吸收能力
可接受
頭箍功能
較差
氣溫、濕度及紫外光影響
較小
頭頸受傷危險
對香港建築地盤選擇和使用安全帽的建議
為了改善香港建築工業的施工安全,研究人員提出一些選擇和使用安全帽必須要注意的地方。
1.香港應當採用何種安全帽標準?
雖然所有的國際標準均以ISO3873為依據,但有些標準在更換周期和安全性核察方面的要求更為嚴格,同時有些標準是使用亞洲人的頭模進行檢測,例如GB標準(中國國際),根據香港的地理環境和氣候條件,用家在選購安全帽時,應按這些標準考慮。
2.安全帽外殼的安全係數
香港普遍採用的安全標準有ISO,ANSI,BSI,GB和JIS等,這些標準要求安全帽外殼能承受50焦耳的衝擊能量。
依據香港的地盤環境,安全帽外殼的抗衝擊強度應當加大。
如上所述,已測試的新安全帽的安全系數為2至3。
因此,使用者選用安全帽時,在考慮標準的50焦耳能量衝擊基礎上,還須要求安全系數不低於2。
3.對安全帽製造材料的考慮
在香港的濕熱氣候條件下,製造安全帽的塑膠材料會迅速老化,比如ABS塑膠受氣候影響特別明顯,受測試C品牌安全帽,雖然它的抗撞擊性能最優,但又最易受氣候影響而降低安全性。
因此地盤管理人員及工人應注意留意安全帽的製造材料而定期更換。
4.安全帽的更換
大部份安全標準都沒有規定安全帽的更換時間。
按照對使用過的A品牌安全帽的研究,在香港地盤使用2年後,其抗衝擊能力及材料性能都明顯下降,已經不能如預期那樣提供安全防護。
因此,建議在香港地盤上,安全帽的使用期限不得超過兩年,比GB所提出的兩年半略為嚴格。
5.安全訓練及更換的規劃
根據現行工廠暨工業經營(建築地盤)安全規例,要求負責建築地盤的承建商須向受僱於建築地盤的每名工人提供適當的安全頭盔;
及採取所有合理步驟,以確定工人如無配戴著適當的安全頭盔,則不得逗留在建築地盤內;
而職業安全健康條例中的“一般性責任”條款亦要求僱主為僱員提供安全訓練。
但據我們觀察所見,大多數地盤工人缺乏正確使用安全帽的訓練,同時對於安全帽之保養和定期更換等知識較為貧乏。
由於地盤中偶然發生的碰刮和細小墜落物體的撞擊,安全帽的外殼和帽箍常產生輕微的損傷,可能影響安全帽的可靠性和使用期限。
因此,有必要提醒使用者在每次使用前都對安全帽外殼及帽箍進行小心檢查。
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