SRTP 项目 立项申请书 北航

全国大学生创新创业训练计划

立项申请表

项目名称：

立项人：

所在院（系）：

手机：

电子信箱：

申请金额：

训练场地：

申请日期：

北京航空航天大学教务处

二○一一年

填表说明

一、填写申请表前，请先认真阅读《北京航空航天大学大学生创新创业训练计划实施规

定》。申请表各项内容，要实事求是，逐条认真填写。表达要明确、严谨，字迹要清晰易辨。外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词，须注出全称。

二、申请表封面要求宋体4号字填写，正文要求宋体5号字填写，其中数字和英文要求

Times New Roman，正文单倍行距，用A4纸双面打印，于左侧装订成册。各栏空格不够时，请自行加页。

三、表中“项目来源”是指“自己设定、导师课题细化或转化、企业界的课题、其它”。

四、表中“项目起止年月”以“2010.09—2012.05”的形式填写。

五、表中“项目预期成果”可包括：论文、调查报告、软件设计、硬件作品及其它。

六、表中“项目进度安排” 以“2010.10—2011.02 完成资料的综合整理与分析，完成相

关论文的撰写”的形式填写。

七、表中“项目经费预算”要逐项列出明细，设备要注明性能指标和规格型号，材料要注

明类别，最后总计。

八、请申请者认真阅读并按要求填写本表末页的申请者承诺书。

项目名称碳纤维与钢纤维混合混凝土机场道面的力学性能与融雪化冰效应项目来源自己设定

申请经费起止时间年月至年月申

请

人

(

团

队

第

一

人

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项

人

)

姓名学号专业班级联系电话E-mail 项目分工

导师姓名职务/职称电话E-mail

一、申请理由（包括项目背景及自身具备的知识条件）

项目背景：

冬天或者冰寒地区的道路结冰、积雪，严重影响国家的交通、经济以及正常的户外活动和工作，2008 年初的一场特大降雪，给我国特别是南方地区带来巨大灾害，直接经济损失达537.9 亿元。而航空运输行业更是深受其害，目前我国对此问题的处理方法主要是机场停运或人工、机械、化学融化、热融化等方法融雪化冰。而这些传统方法又存在很多问题：如封闭机场会给客货运输带来极大不便，特别对于我国特有的“春运”期间，机场停运无疑是给本来就不堪重负的铁路、公路运输雪上加霜；人工清除、机械清除，工人劳动强度大但是效率却很低，效果也很差；化学融化的方法，融雪所使用的化学物品，可能会侵蚀机场道面、污染环境；热融化方法同样也存在效率低、费用高、破坏道面等缺点。鉴于冰雪对道路交通的巨大危害和目前除冰雪方法的弊端,需要进一步研究新的融雪化冰方法，自发热水泥混凝土机场道面，使机场道面既能在冰雪天气中通过导电发热、控制道面温度达到融雪化冰或是防止道面结冰的目的；也能承担应有的荷载、拥有良好的耐久性，已经成为一个重要且可行的课题。在水泥混凝土道面中加入碳纤维和钢纤维不仅可以极大的提高混凝土的承载能力，满足机场承载要求；同时利用碳纤维和钢纤维的导电性增强混凝土的导电性能，使混凝土在两端电极作用下可以作为导体通电发热，可以做到实时融雪化冰，保证机场在极端天气下正常运行。

项目可行性：

现将如何确定导电混凝土及保护层的最佳厚度和碳纤维与钢纤维的最佳配比的思路详述如下：

1确定最佳厚度：

a：力学条件：

基于弹性地基板理论,最大荷载应力的临界荷位在板边纵缝或横缝中点，根据相关文献，可将飞机荷

载下道面板应力计算公式形式定为：

式中:td为以挠度比表征接缝传荷能力的传荷系数;Ec为混凝土弯拉弹性模量;Et为基层顶面回弹模量;q

为飞机胎压;r为考虑飞机动载影响的荷载圆半径;a、b、c、d、e为待定常数。又知，最大荷载应力取决

于板的接缝传荷能力和飞机主起落架构型,当前主起落架主要分为单轮、双轮、双轴双轮或多轴多轮，现

以单轮为例，讨论满足机场承载能力的导电混凝土和保护层的最佳厚度；由文献，当飞机作用于道面板

纵缝中点时,产生的最大应力计算公式为：

式中:tdx为纵缝的接缝传荷系数；

当飞机作用于道面板横缝中点时,产生的最大应力计算公式为：

式中:tdy为横缝的接缝传荷系数.

经过对现有的道面结构参数进行大量的调查得出:道面板厚度一般变化于0·20~0·40 m

之间,接缝传荷数变化于0.55~0.90之间,混凝土弯拉弹性模量变化于32~38 GPa之间,基层顶面回弹模量变化于165~315 MPa之间,如果知道具体荷载，从而知道最大应力，即可通过上述公式求得道面板的最小厚度。

b：热学条件：

利用碳纤维、钢纤维混合混凝土的电热效应融雪化冰时,根据能量守恒定律,碳纤维混凝土通电所产生的热量,应等于混凝土升温的蓄热量、冰雪升温及融化吸收的热量和热量损失三者之和。其关系可表示如下: Q=PΔt=mCpΔT+miCpiΔTi+Qlmi+Qs

式中:m、Cp、ΔT分别为导电混凝土和保护层的质量、比热和升高的温度,其中,m=ρV,ρ和V 分别为导电混凝土的密度（考虑到纤维混凝土中纤维体积含量较低,对导电混凝土的密度和比热影响较小,因此也可直接采用普通混凝土的密度和比热进行计算）和体积;mi、Cpi、ΔTi分别为冰的质量、比热和升高的温度,其中,mi=ρiVi,ρi 和Vi分别为冰的密度和体积,ρi=920 kg/m3,Cpi=2.1 kJ/(kg·℃);P为导电混凝土的发热功率;Δt为通电时间;Ql 为冰的熔解热,

Ql=334 kJ/kg;Qs为融雪化冰过程中导电混凝土或冰、雪与周围环境的热损失。

由公式可知，在实际情况下，后三项为常量，即融雪所需的总热量一定，而蓄热量与厚度h成正比，所以所需电热Q与h成正比，故可得出结论，h越小，所需热量越小。

综合力学条件和热学条件，在同时满足承载条件及蓄热量小的情况下，必存在一个最优化的混凝土厚度。

2配比条件：由文献，钢纤维(30mm,哑铃型)与短碳纤维(6mm,5μm的混杂组合使混凝土强度和延性比提高率都有了很大提高,故可以通过比较试验比较不同配比情况下导电混凝土力学性质与电阻率变化，以达到同时满足高荷载与低电导率的最优化效果。

知识条件：

已具备的有：力学、电学、热学等方面的基础物理知识，结构承载能力的计算，纤维导电混凝土承载与加热的基本原理；混凝土材料的性能及特点，混凝土结构承载要求

研究过程中需自学的有：混凝土材料的性能及特点，机场路面设计的原则及方法,碳纤维、钢纤维的力学、电学、热学性能，掺入碳纤维、钢纤维对水泥混凝土各项性能的影响以及影响范围，环境对自发热混凝土融雪化冰效果的影响等。

二、项目特色与创新点

现有的自发热水泥混凝土大部分是用碳纤维混凝土本身作为导体，即在素混凝土中加入短切碳纤维束，改变混凝土的导电性能，使其成为导体从而可以通电发热，虽然掺量较低时即可形成导电网络,但由于纤维搭接的接触面较小,因此其电导率低,需加大纤维的掺量才能改善其导电性能。而过高的纤维含量将使纤维在搅拌时结团成束,难以分散，在成型时易引入大量的气泡,使混凝土强度降低；而用钢纤维混凝土本身作为导体也存在较大问题,由于其直径较粗,当钢纤维掺量较低时,难以形成相互搭接的导电网络,导电性能差;但纤维掺量高时,其工作性又差,采用常规方法很难施工。而我们的项目研究的是将碳纤维和钢纤维按一定比例掺入混凝土，使其获得更好的导电性，同时又能够满足机场承载要求；

以往的导电混凝土都是单独使用碳纤维或钢纤维作为导体，同时前人的研究也只是局限于单独研究纤维混凝土的力学性质或热学性质，我们的项目特色在于将上述各点统一起来，研制出融承载于导热功能于一体的导电混凝土，满足现代化机场要求。

三、项目技术方案

现将主要需要解决的问题及解决方案总结如下：

1、不同配比下导电混凝土的不同力学与导电性质，从而确定最佳配比。由文

献知，钢纤维体积率为1·0%~2·0%,碳纤维体积率为1·0‰~2·5‰时，导电混凝土力学及导电性能都得到极大提高。在此范围内，通过正交试验确定二者最佳比例。

钢纤维比例（百分比）

1.00 1.40 1.80

2.20 2.50

碳纤维比例

千分比

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2、在加热情况下混凝土承载能力是否变化及变化趋势

先测得混凝土在不加热情况下的力学性能，然后将混凝土加热到不同温度下，通过外加荷载的方法测定其应力应变曲线，通过比较分析，确定力学性能变化

情况。

2011.12—2012.3：查阅相关资料，完成以下工作：1）选定热效应与力学性能好的碳纤维与

钢纤维，根据二者的热效应进行理论分析计算出碳纤维、钢纤维与混凝土

不同配比情况下的加热效果，同时根据二者的力学性能理论分析计算出不

同配比情况下的承载能力，综合二者提找到最佳配比方案；2）理论分析满

足承载、加热与机场安全（主要避免钢纤维露出道面）所需纤维混凝土和

保护层的最佳厚度；

2012.4—2012.5：选购制备实验所需材料，如沙子，水泥，碳纤维，钢纤维等，做好材料和

设备的实验准备；研究提出受力和加热功能一体化的碳纤维、钢纤维混合

水泥混凝土机场道面设计方案及实验方案；

2012.6—2012.8：制备碳纤维、钢纤维混合水泥混凝土机场道面板；

2012.9—2012.11：进行碳纤维、钢纤维混合水泥混凝土机场道面板加热加载实验并进行在

不同配比方案下，在加热与非加热情况下道面板的承载能力以及融雪化冰

效果比较分析，并确定最佳加热时间。提出受力加热一体化碳纤维束水泥

混凝土机场道面板的最佳实施方案；提出发明专利申请；

2012.11—2012.12：总结理论分析和实验结果，撰写结题报告。

五、项目预期成果

1.通过理论计算与实验分析找出碳纤维与钢纤维的最佳配比，及导电混凝土和保护层的最佳

厚度；按照设计原则做出一块融承载和融雪化冰功能于一体的碳纤维钢纤维混合水泥混

凝土机场道面板，并根据机场运行的实际情况研究碳纤维与钢纤维通电加热的实用方式，并确定最佳加热时间；

2.提交项目研究报告；

3.力争申请一至两项发明专利。

1.资料费：用于购买、租借或打印与项目研究相关的书籍、资料、机场道面设计标准等；为

取得研究数据而支付的调查、咨询费用以及办公用品等。共计1000元；

2.耗材费：用于制作碳纤维钢纤维混合水泥混凝土的碳纤维、钢纤维、水泥、砂子、石料、

水等，共计3000元；

3.实验费：用于实验场地租借以及实验过程中所需其他如运输费等费用，共计1000元；

4.专利/版面费：用于申请专利而发生的相关费用，共计4000元。

总计：9000元

指导教师意见

签名：

年月日

学院意见

负责人（签名、公章）：

年月日

专家组评审意见

签名：

年月日

学校意见

负责人（签名、公章）：

年月日

申请者承诺：

1、我保证填报内容属实。

2、如果获得资助, 我和本项目组成员将严格遵守有关各项规定。切实保证研究工作时间，按计划认真开展研究工作, 按时报送有关材料。

3、任何与本项目相关的论文或发明、专利等成果，注明由全国大学生创新创业训练计划经费支持。

申请者(签章)：

年月日

附项目经费的使用规定

一、使用范围：

要保证项目经费用于所支持项目的科研支出。主要包括资料费、复印费、版面费、会务费、样品制作费、测试费、实验耗材费、小零部件加工费及科研协作费等。

二、项目成果及有关要求：

1．发表论文时应注明受全国大学生创新创业训练计划项目经费支持，否则项目结题时论文不能计入项目研究成果。注明方式可以通过标题页的脚注或论文后的感谢等常规方式体现，以其他形式提交的成果也应有相应体现。

2．本项目经费支持下完成但在项目结题后发表的论文须计入项目成果，并计入项目完成情况的最终评价，因此项目完成人务必在项目结题后继续将有关进展报送教务处实践教学科。

三、其它

1.对于违反项目经费使用规定和弄虚作假的情况，酌情给予警告、批评、不予报销，

直至取消以后的申请资格。

2.本规定有关解释权归学校教务处。