Torben C. Hansen:

MATERIALVETENSKAP OCH VÄG-

OCH VATTENBYGGNAD

Eftertryck ur Teknisk Tidskrift 34:1965

Rapport från Bygeforskningen, Stockholm

Rapport 28:1965

UDK 62O.2:625.7620.2:6261627

Materialvetenskap och vag- och vattenbyggnad

Science of Engineering and Building Møterialsand Civil Engineering Lïork

av tekn. dr Torben C. Hansen

Cement- och Betonginstitutet, Stockholm

Utgivare : Statens institut för byggnadsforskning

Denna rapport utges med medel från fonden för byggnadsforskning enligt byggforsk-nin gsrådets beslut; försäljningsintäkterna tillfaller fonden.

MoTeriolveÌenskop ochoch votlenbyggnodvög'

TEKN. DR TORBEN C HANSEN, STOCKHOLM

Moleriolvelenskop som seporol disciplin hor i USA under del senosle decenniet rönl slork

uppmörksomhet och ulvecklols snobbT. Fromslegen på omrôdet i Sverige hor vorit drö-

jonde. Pô vög- och vottenbyggnodsområdel i Sverige hor mon emellerlid uppmörksom.

mol den omerikonsko ulvecklingen liksom diskussionen blond bergsmönnen om under-

visningen inom områdel moleriolvelenskop. En grundkurs i löroömnel byggnodsmcleriol-

velenskop lorde voro nödvöndig för fromlido väg- och vollenbyggore och ett förslog lill en

sådon skisseros.

Tekniska nyskapelser som kärnreak-torer, raketvapen och rymdfarkosterställer helt andra krav på sina bygg-nadsmaterial än konventionella bygg-nads- och maskinkonstruktioner. Ut-veckling av nya material och anpass-ning av traditionella material till nyabehov är uppgifter som den empiriskaoch deskriptiva materialläran icke ha¡kunnat lösa. Det har därför blivit niid-vändigt att utröna de fysikaliska, ke-miska och mekaniska principerna förmaterialens strukturuppbyggnad ochbeteende.

I USA har man satsat hårt på enförstärkning av materiallärans veten-skapliga bas genom ett organiseratsamarbete mellan kemister, fysikermed fasta ämnen som specialitet samtmetallurger och materialforskare in-om de mest skilda områden. Resulta-ten av denna fo¡skning ligger tillgrund för utvecklingen av,¡naterialve-tenskapen ("materials science"). Den-na räknas nu till grundvetenskapernavid amerikanska universitet. Att ut-vecklingen på området har förbisetûsvid europeiska tekniska högskolor ty-der på, att det skall mera till än snab-ba kommunikationer och internatio-nella kongresser för att skapa kontaktmellan två kontinenter.Att utvecklingen skett på områden'

som ligger ganska fjärran från väg-och vattenbyggarnas vanliga arbets-fält (fr Tekn. T. 1964 s. 1051) för-klarar, va¡för materialvetenskapen än-nu icke har haft något större infly-

tande på byggnadsmaterialläran ellerövriga väg- och vattenbyggnadsäm-nen. I rättvisans namn måste emeller-tid nämnas, att svenska silikat- ochcementforskare mycket tidigt har in-sett betydelsen av en vetenskaplig be-handling av materialtekniska pro-blem.'' "' t' t

Vod ör moteriolvelenskop?

Materiallärans plats i modern ingen-jörsutbildning har behandlats dels i enomfattande rapportn från An-rerican

Society of Engineering Education(ASEE), dels i en rapport' från "sub-committee 6 of ASEE follow-up com-mittee". I den senare anges tre vä-sentliga orsaker till den revideradeuppfattningen om m ateriallärans bety-delse inom ingenjörsutbildningen.För det första måste ingenjören i sitt

dagliga arbete kunna värdera och ut-nyttja ett långt större antal materialän fallet var tidigare. Nya materialkommer dagligen till och det är ickelängre rimligt att kräva att ingenjöreni detalj skall känna till egenskaper ochbrister hos alla dessa material,För det andra utnyttjas materialens

egenskaper av ekonomiska skäl myc-ket hårdare än fallet var tidigare ochman a¡betar med lägre säkerhetsmar-ginaler. För att kunna utnyttja ma-terialen till gränsen av deras förmågakrävs en intim kännedom om mate-rialens struktur och egenskaper.För det tredje har man kunnat ut-

620.2 :625.1620.2 | 6261627

röna lagar och gemensamma principersom förenar större grupper av mate-rial. Materialkonst har blivit ,material-

vetenskap.Kommittén tog ställning till frågan,

om huvudvikten inonr. modern ingen-jörsutbildning skall läggas på under-visning i 'materialvetenskap ellor på

undervisning i deskriptiv materialld¡a.Man anser att det vore önskvärt atti¡kludera i undervisningen såväl de

grundläggande fysikaliska principernasom läran om framstâllning, provningoch praktisk användning av materia-len.

Måste man välja, anser kommitténdock, att huvudvikten bör läggas på

undervisning i de grundläggande prin-ciperna. Den praktiska bakgrundenkan en ingenjör skaffa sig senare. Detär långt svårare för honom att tillägnasig de vetenskapliga grundprincipernagenom självstudium, och det är dessa

principer som inom såväl materiallä-ran som alla andra ingenjörsvetenska-per skall bilda en bas för varje ingen-jörs yrkesutveckling. Kommittén de-

finierar materialvetenskap så:

"Thus, the subject becomes a studyof the interrelationship among pro-perties, environment, and structure".

Materialvetenskap är alltså läran omsambandet mellan materialens struk-tur och dess beteende under yttre och

inre påverkan.Materialvetenskapen omfattar all-

männa principer för strukturbildninghos material samt lagar för bestäm-

TEKNISK TIDSKRIFT I9ó5 H.34

ning av materialens egenskaper som

funktion av struktur och påverkan.Många olika vetenskaper är repre-

senterade inom materialld.ran, tabell 1.

Det är uppenbart att t.ex. ett studiumav inflytandet av elektriska och mag-netiska fält på elementarpartiklar ochatomer hör till atomfysiken. Inflytan-det av mekaniska kraftfält på atom-komplex kan studeras inom kristallo-grafin, medan inflytandet av meka-niska kraftfält på flerfassystem somt.ex. betong eller polykristallina 'mate-rial kan studeras inom elasticitetsteo-rin, plasticitetsteorin, reologin ellerinom de fasta ämnenas fysik. Vidaregäller att ett studium av inflytandetav kemisk påverkan på materialen,som t,ex. korrosion, hör till den fysi-kaliska kemin, medan strukturbildningstuderas av metallurger, mineraloger,kristallografer och a¡dra forskare somhar specialiserat sig på de mest skildaområden. I verkligheten ingår clementav de flesta vetenskaper på ett ellerannat sätt i materialvetenskapen.Vilka dela¡ av materialläran som är

av intresse beror framför allt på vil-ken yrkesgren vederbörande ingenjörtillhör. Det är naturligt att elektrotek-niker är mera intresserade av mate-rialens elektriska och rnagnetiskaegenskaper än de är av mekaniskaegenskaper, medan det rnotsatta gäl-ler för väg- och vattenbyggare ochmekanister. Reaktoringenjören är spe-

ciellt intresserad av bestrålning medanfuktdiffusion är ett sto¡t byggnadstek-niskt problem. Eftersom intressena så-

lunda är olika, bär ingenjörerna in-om varje yrkesgren huvudansva¡et förutveckling och systematisering av denegna speciella delen av materialveten-skapen.

Undervisn ing i moleriolvelenskopi USA

På bas av detaljerade rekommendatio-ner från American Society of Engin-eering Education har många ameri-kanska universitet uta¡betat programför ingenjörsutbildning i materialve-tenskap. Programrrnen har som oftasttillkommit genom ett sama¡bete mel-lan universitetens avdelningar för tek-nisk fysik och metallurgi och de föl-jer ungefär samma linjer vid olikauniversitet. Efter de obligatoriska, ele-mentára kwserna i fysik och kemi föl-

4

Tabell L Materialvetenskapens om-

lattníngterialvetenskap planera specialkurser ibyggnadsmateriallära för väg- och

vattenbyggare.För den allmänna kursen i material-

vetenskap används ofta Van Vlack'slärobok, "Elements of ,materials

science"to, medan "Engineering mate-

rials science"" av C W Richards är

populär vid påbYggnadskursen förväg- och vattenbyggare' Under det att

bijckerna var för sig täcker vissa de-

lar av materialvetenskapen på ett ut-omordentligt bra sätt, tiltfredsstdller

de knappast väg- och vattenbyggarnas

speciella behov. Dessa två böcker av-

slöjar några av svårigheterna att an-

passa undervisningen i materialveten-

skap till praktiska behov.

Vid planering av grundläggande

Tabetl 2. Kurser ì materialvetenskap

v id S tanl ord-unìv er s it etet

Grundläggande kurserndnd

Statistisk termodYnamikYtor och fasgränserFastransformationer i fasta ämnEn

KristallografiDefekler i kristallina materialKristallbildning och kristalltillväxtFotoelektriska processer i k¡istallerElektriska ledningsfenomen i k¡istallerMaterialtransport och tillväxtprocesser ifasta ämnen

Materialegenskapernas beroende av

strukturen

MateríalegenskaPer

Fysikalisk struktur och mekanisk hå11-

fasthetFasta ämnens mekaniska egenskaperKorrosion och elektrometallurgiFasta ämnens magnetiska och elektriska

egenskaperBrottfenomen i fasta ämnenAnisotropi i kristallerPlasticitet och kryPning

U ndersökningsmetoderDiffraktion och spektroskoPiElektronmikroskopi

Specíella malerialPrinciper för pulvermetallurgiHögtemporat urmate¡ialMaterial för kärnreakto¡er

Tekniska aspekter

Industriell metallurgiEkonomisk och teknisk jämförandemateriallä¡a

StrukturElementarpartiklaroch atomErÀtomkomplexEn-fas-system

Fler-fas-systemSammansattasystem

PåverkanTidTernperaturFuktBestrålningKemisk påverkanMekaniskt kraftfältElektriskt k¡aftfältMagnetiskt kraftfält

Materialegenskaper

jer för andra årskursen en grundkursi materialvetenskap. Denna grundkursär ofta gemensam för t.ex. elektro-tekniker, väg- och vattenbyggare ochmekanister. För tredje eller fjärde års-

kursen anordnas sedan speciella på-

byggnadskurser inom de olika avdel-ningarna.Vid vissa universitet har man därut-

över infört en helt ny utbildningsrikt-ning för "materials engineers". VidStanford-universitetet i Kalifornienstår en lång rad kurser till buds förde studerande inom denna riktningn,tabell 2. Institutionen för material-vetenskap vid detta universitet haricke mindre än tolv professorer.

I kursöversikten i tabell 2 har ickemedtagits grundkursen eller special-

kurser för andra avdelningar. Under-visning i grundkursen'meddelas av en

professor vid avdelningen för mate-rialvetenskap, medan ansvaret förnämnda specialkurser vilar på profes-

sorerna inom respektive avdelningar.Vid amerikanska universitet har nran

lagt huvudvikten inom undervisning-en i materialvetenskap på teknisk-fy-sikaliska egenskaper hos relativt väl-kristalliserade och täta material spe-

ciellt rnetaller, medan material inne-hållande mikrokristallina eller kolloi-dala partiklar, material med avsevärdporositet, och sammansatta materialendast behandlas mycket perifert. Enbetydande del av vissa byggnadsmate-rials ogynnsamma egenskaper berorpå dessa materials kolloidala och po-rösa struktur. Ofta läggs stor vikt videlektriska och magnetiska egenskaper,

medan do mekaniska egenskaperna

tillmäts mindre betydelse. Därvid ha¡i USA uppkommit svårigheter att påbasis av "den altrmänna kursen" i ma-

Tabell 3. Förslag till grundkurs i materîals struktur och egenskaper

I Interatomära kralterAtomens strukturPrimära bindningar

JonbindningarKovalenta bindningarMetallbindningar

Sekundära bindningar (Van der Waals-krafter)Molekylär polarisationDispersionseffekterEffekter av lþrmanenta dipolerVäteþindningar

2 .4tomkomplexlvlolekylárstrukturKristallstrukturMolekylkristallerJonk¡istallerMetallk¡istaller

Mik¡okristallin och kolloidal strukturAmorf strukturDefinition av fasor

3 EnlassystemMetalliska faser och deras egenskaperRena metaller och fasta lösningarDeformations- och brottmekanismerPåverkan av struktur och egenskaper genom termisk behandlingPåverka¡ av struktur och egenskaper genom mekanisk behandlingKornstrukturens inverkan pä egenskaperna

Keramiska fase¡ och deras egenskaperKeramiska fasers kristallstruktur (speciellt silikatstrukturor)Def ormations- och brottmekanismer

Organis'ka fase¡ och deras egenskaperP olymerisationsmekanismerInflytande av polymerstruktur på egenskaper (speciellt defo¡mations- och brott-mekanismer)

4 FlerlassystemSe tabell 4

5 Sammansatta slrukturerArmerad betong, a¡merad plast, laminater, trä etc.

6 Mekaniskt beteende

Ilållfasthet och deformation under spänning

DragningTryckBöjningKomplexa spännin gstillståndHårdhetAvnötning

Hållfasthet och deformation unde¡ spänning, tid och temperaturDynamiska egenskaporUtmattningKrypning och andra tidsberoendedeformationer

7 Fysikaliska egenskaper

Elektriska och magnetiska egenskaperHygro-termiska egenskaperBeständighet och åldrandeviktDiffusion

kurser i materialvetenskap gemensamt kunskaper om samverkan mellan ma-för flera avdelningar är det nödvän- terialens sfruktur, egenskaper och oli-digt, att de studerande inom samtliga ka påverkan, att specialkurser inomberörda avdelningar bibringas sådana dessa avdelningar utan svårighet kan

läggas upp på bas av grundkursen. Il-lustrerande exempel på material bördärför väljas inom samtliga dessa av-delningars arbetsområden och sam-ma vikt bör läggas vid materialensmekaniska egenskaper som vid kemis-ka och fysikaliska egenskaper.Om en sådan gemensam grundkurs

icke kan åstadkommas, förefaller detmera lämpligt att en speciell grund-kurs ordnas för väg- och vattenbyg-gare. I syfte att stimulera till diskus-sion framlägger jag här ett första för-slag till en sådan kurs, tabell 3 och 4.Till kursförslaget kan anrmärkas, att

ifråga om undervisningen om metal-liska enfassystem bör illustreradeexempel väljas med anknytning tillbyggnadsindustrin, t.ex. järn, koppar,aluminium, magnesinm m.fl. För ke-ramiska enfassystem och deras egen-skaper bör behandlingen leda till ,för-ståelse fö¡ beteendet hos komplicera-de silikatstrukturer såsom stengods,.porslin, tegel, bergarter, lera, gips,

kalk och cement. På samma sätt börbehandlingen av organiska fase¡ ochderas egenskaper leda fram till för-ståelse för beteendet hos gummi ochplast, lim, trä, cellulosaprodukter, tex-tilier, asfalt m.m,

Som exempel på strukturbildning hostvåfassystem kan väljas järn-kol-lege-ringar, medan cement lämpligt kanillustrera fö¡hållandena vid flerfassy-stem. Betong kan illustrera samban-den 'mellan struktur och egenskaperhos heterogena flerfassystem. Försammansatta strukturer väljs exempelbland byggnadsmaterial såsom arme-rad betong, armerad plast, laminater,trä etc.

I fråga om materialens mekaniskabeteende (hållfasthet och deformationunder spänning) bör behandlingen le-da fram till förståelse för elasticitets-,plasticitets- och brotteorier. Beteendetunder tid- och temperaturinflytandenbör behandlas, så att framställningenleder fram till förståelse för viskosi-tets- och viskoelasticitetsteorier, all-män reologi samt dualiteten mellantid och temperatur.

Prqklisko möjligheter föru nderv¡sn ing

Även om byggnadsmaterialforskning-en i huvudsak är empirisk, pågår ve-tenskaplig forskning av hög klass. Re-

Tabell 4. Flerlassy stem

fast fas fast fas fast suspension,blandning

fast fas vätskefas fast emulsion,ev. gel

fast fas luftfas fast skum

vätskefas fast fas

vätskefas vätskefas emulsionvätskofas luftfas skum

luftfas fast fas âerosol, ev.

luftfasluftfas

vätskefas dimmaluftfas luftbla,ndning

sultaten av denna forskning är kanskeicke tillräckliga för att bilda underlagför en fullständig kurs i byggnads-materialvetenskap, men kunskapsvoly-men är dock så omfattande att de

flesta frågor ay $törre betydelse förväg- och vattenbyggare kan belysasfrån vetenskaplig synvinkel.Man måste kräva att de studerande

genom undervisningen i materialve-tenskap får en klar bild av dagens lä-ge och därigenom ges en möjlighetatt kunna utnyttja den framtida forsk-ningens resultat. Detta bör icke ske

på bekostnad av kunskaper om de

aktuella byggnadsmaterialens egenska-per. Bristerna i vårt vetande, och där-med de områden där de mest påtagliga riskerna för praktiskt ,rnisslyckan-de föreligger, kan avslöjas genom un-dervisning i materialvetenskap, medandessa brister ofta döljs i den deskrip-tiva materialläran.En undervisning i byggnadsmaterial-

vetenskap ställer stora anspråk på lä-raren. Förutom att vara en god pe-

dagog nråste ha¡ va¡a välbevandradinom fysik och kemi. Han måste hagod kännedom om väg- och vatten-byggarnas praktiska problem och sam-

tidlgt helst ha personlig erfarenhet

6

suspension, ev. sol färsk oementpasta, färskt cement-bruk, färsk betong, asfaltbetong, må-larfärg, Linoleum etc.

asfaltemulsionerbrandsläckningsmedel, skum fråntvättmedel (detergents)

pulver utfall, rök, smog, cement, sand, grus,

stål och andra legeringar, c€ment-klinke¡, naturLig sten, tegel, hårdnadbetong, stengods, porslin etc.

hårdnad cementpasta, lera etc.

isoleringsmaterial, skum.gummi,skumplast, lättbetong etc.

övriga pulverformiga materialvattenângaatmosfärisk luft

från forskning åtminstone inom me-taller, cement och betong, plast ochträ.Det finns knappast någon som upp-

fyller samtliga dessa fordringar, menkraven på allsidighet kvarstår, omundervisningen skall få praktisk bety-delse och icke bli en utbildning fören liten elit av framtida forska¡e. Ettsätt att lösa problemet vore att läggaupp kurserna genom ett samarbetemellan experter representerande de

olika och skilda områdena.Vid amerikanska universitet är det

normalt att nya kurser planeras ge-

nom direkt samarbete mellan profes-sorer vid samma eller skilda institu-tioner och avdelningar. Undervis-ningsbördan lättas avsevärt för de fa-kultetsmedlemmar som arbotar på

uppläggning av nya kurser inom den

egna eller inom andra institutioneroch avdelningar.I Sverige kunde ett sådant sarrnarbe-

te eventuellt ordnas i form av en kom-mitté med representanter från högsko-lor, branschforskningsinstitut ochbyggnadsindustri. Ett sådant samarbe-te är vanligt t.ex. inom statliga norm-kommittéer och det är ri,rnligt att an-

ta att det även skulle visa sig frukt-

bringande vid uppläggning av kurservid högskolorna.

Behovel ov u nderv¡sn¡ng

Med tanke på de stora materialmäng-der som förbrukas av byggnadsindu-strin och på de stora ekonomiska in-vesteringar som årligen förmedlas avdenna industri är det förvånande, attväg- och vattenbyggare visar ettganska litet intresse fór materialpro-blemen.

Byggnadsverk dirnensioneras i all-mänhet för hållfasthet enligt elastici-tets- eller plasticitetsteorin, rnedanandra egenskaper av samma elle¡ stör-re betydelse lämnas åt sidan. I mångafall uppför byggnadsmaterialen sig

varken elastiskt eller plastiskt och denstatiska beräkningen á¡ därför ofta ettteoretiskt mästerverk som har litetmed verkligheten att göra. I mångafall är beständighet, deformationer el-ler kvalitén på utförandet mera avgö-rande än hållfastheten för en kon-struktions ändamålsenl.ighet och livs-längd.

Genom en differentiering av dimen-sioneringsmetoderna så att dessa kom-rner att ta hänsyn till ,materialens

verkliga egenskaper, är det rnöjligtatt åstadkomma ett mera rationelltbruk av byggnadsmaterialen. Storakrav på materialkunskap kommer attställas både på de få väg- och vatten-byggare som skall utforma framti-dens norme¡ och på de många somskall utnyttja föreskrifterna.

Byggnadsindustrin kommer i framti-den att översväm,rnas av en stigandeflod av nya byggnadsmaterial. Bris-tande förmåga att bedöma dessa ma-terial kommer antingen att leda tillen överdriven konservatism eller tillett dyrbart experimenterande. Under-visning i byggnadsmaterialvetenskapär nödvändig för att väg- och vatten-byggare skall kunna göra ett syste-

matiskt i stället för ett slumpartat ma-terialval. Detta blir särskilt kritisktinom det fullt industrialiserade byg-gandet, där man kommer att röra sig

med ett rnycket större antal materialän inom det traditionella byggandet.ökad materialkunskap hos väg- ochvattenbyggarna blir därvid en nödvän-dig förutsättning för industrialiseringav byggnadsbranschen.Många byggnadskonstruktionsdelar

StrukturbildningKvalitativa fassambandKvantitativa fassambandTrefassystem

Reaktioner i fasta ämnen"T-T-T"-kurvor

Strukturtypor

\I

Förhållandenavid fasjämvikt

Förhällandena närfasjämvikt ej råder

Dispersions-medel

Dispersfas

Resulterandemateria

Exemp'el

och installationer skulle kunna utfö-ras med mera ändanrâlsenliga mate-rial än vacl som nu står till buds. Un-dervisning i materialvetenskap är ennödvändig förutsättning för effektivmaterialforskning och därigenom förutveckling av traditionella såväl somnya byggnadsnraterial. Det åliggerväg- och vattcnbyggarna att själva le-da utvccklingen på byggnadsrnaterial-området. Och det bör inte vara ma-terialfabrikanterna som styr den. Or-saken till stagnationen inom bygg-nadsmaterialforskningen är främst attväg- och vattenbyggare saknar dennödvändiga bakgrunden för att effek-tivt kunna bedriva sådan forskning.

Slutord

Det är en grr-rndregel för all ingenjörs-utbildning att den bör vìta på en bas

av sunda vetenskapliga principer. Det-ta har hittills visat sig leda till påtag.liga tekniska framsteg. Det finns ingenanledning att materialläran i detta av-seende skulle vara något undantag.

Man gör icke dagens teknologer nå-gon tjänst genom att underlätta stu-dierna och därigenom avskära en helgeneration av väg- och vattenbyggarefrån att tillgodogöra sig resultaten av

en snabb utveckling som inom kortkommer att revolutionera materialin-dustrin och som i det tysta redanhar haft stort inflytande på såväl ma-terialforskning som utbildning i USA.

Vid uppläggning av unde¡visningeni materialvetenskap är det emellertidicke nödvändigt att Sverige följer sam-ma utveckling som USA. Man bördärför försöka att åtminstone undvi-ka att upprepa misstagen vid upplägg-ning av undervisningen i byggnads-materialvetenskap.

Lillerolurl. Hillert, Mi lvlater¡olwaetrskar- och bergsve-

tenskop, Tekî, T. 9l (1964) s. 1051.

2. Werner, D & Giertz-Hedströnì, S: Sontbatdntellan f¡,sikaliskt-kemiska och tekttískt tiktigoegetskaper hos betotrg. Tekn. T. ól (193f) s,

v 45.3. Hedvall, J A: Mineralograli - en nrctollo-

groli lör ícke-ntelaller. Tekn, T. 78 (1948) s.

29.4. Forslind, E: Fresh Concrete. Building ma-

terials their elasticity and inelasticity. Amster-dam 1954.

5. Gruderlo, Li Cenretlpostons trt¡kroslrrtklur,Gullkornet 9 (1959).

6. American Society of Engineering Education(ASEE): nepo, t on evalrßlíon of engitrcet¡ngeducation. Urbana, Ill. 1955.

7. Subcomnittee 6 of ASEE follow-up com-milæet On the nanue and p, operlies ol Dwte-riais.1959.8. Murphy, G: Syrttpositut on e¡lucation ìn nn-

lerpls. ASTM Special Technical PublicationNo.263.9. Materials .fci¿nce. Stanford Uuiversity Bull.

Ser. 17 No. 3 (1964) s- 149.10. Van Vlack, L Hi Elenßnts ol naterials

science. Reading Mass. 1960.

11. Riclrards, C W: Engineeritrg nnterialsscience, San Francisco 1961.12. Be¡nal, J D: Alter tü'entyÍiye years. The

science of science. London 1964.