Deze oratie werd onder de titel 'Faszinationund Herausforderung der Materialwissen-schaft heute' in het Duits gepubliceerd doorDelft University Press, uitgave 1979**De tussen haakjes geplaatste cijfers verwij-zen naar de literatuur aan het einde van ditartikelModerne materiaal-wetenschappen, fascinerenden uitdagendRede, uitgesproken bij de aanvaarding van het ambt vangewoon hoogleraar in de materiaalkunde aan de Afdeling derCiviele Techniek van de Technische Hogeschool te Delftop woensdag 28 februari 1979*door Dr.rer.nat.F.H. WittmannDe rol van de materiaalkunde in de Civiele TechniekWelke rol speelt de materiaalkunde in de civiele techniek? Gaat van dit vakgebied ietsfascinerends uit? Op een dergelijke vraag kunnen de meest uiteenlopende antwoordengegeven worden. Menig student beschouwt materiaalkunde als een vervelend leervak tijdensde eerste jaren van zijn studie. Vroeger heerste algemeen de opvatting dat materiaalkunde hetbeste kon worden gekarakteriseerd als een domme, zij het noodzakelijke opsomming van demeest belangrijke eigenschappen van bekende bouwmaterialen. Voor menigeen is materiaal-kunde ook een veel gehanteerde zondebok bij mislukkingen in de praktijk. Voor anderen beperktmateriaalkunde zich tot het beproeven van bouwmaterialen. Slechts weinigen beschouwenmateriaalkunde als een mogelijkheid om nieuwe bouwmaterialen te ontwikkelen. En ten slottezijn er mensen die alle materiaalwetenschappen beschouwen als het werkterrein voor chemicien fysici en die de praktische toepassing ervan volkomen negeren.Gezien deze met elkaar in strijd zijnde opvattingen, lijkt er hoogstens sprake te zijn van een fas-cinerende chaos.Met deze bijdrage wil ik proberen in die chaos enige orde te scheppen waarbij ik allereerst aan-dacht zou willen besteden aan enkele historische uitgangspunten van de materiaalwetenschap-pen om vervolgens aan de hand van enkele gerichte voorbeelden de moderne materiaalkundete kenschetsen. Daarmee zal enerzijds op de uitdaging worden gewezen die van dit onafgeba-kende en relatief nog jonge vakgebied uitgaat, anderzijds op het fascinerende om zich in demoderne materiaalwetenschappen te verdiepen.De materiaalkunde is geen afgeleide van ??n klassieke wetenschapsrichting aan onze universi-teiten. In feite gaat het hier om wezenlijke elementen die ontleend zijn aan de wiskunde, demechanica, de chemie en de fysica. Genoemde disciplines zouden derhalve door specialisten incompetente werkgemeenschappen bijeengebracht moeten worden. En hier beginnen de pro-blemen. Wij hebben nog maar w?inig ervaring opgedaan met interdisciplinair onderzoek. Velehonderden jaren hebben de verschillende disciplines zonder onderling contact naast elkaar ge-werkt. Wij moeten met veel moeite eerst leren om elkaar te begrijpen. De bekende fysicusChristian Gerthsen legde er tijdens mijn studententijd aan de technische hogeschool vanKarlsruhe steeds weer de nadruk op dat de methodes en de denkschema's in de chemie en defysica niet met elkaar te verenigen zijn. Een goed fysicus zal zich volgens hem nooit in de chemiekunnen bekwamen en het omgekeerde geldt evenzeer. Wanneer deze twee vakgebieden dievoor menige leek moeilijk te onderscheiden zijn, reeds zo principieel verschillend zijn, welkebarrieres bevinden zich dan tussen de chemie en de civiele techniek? Toch is in deze tijd de ont-wikkeling op het gebied van de materiaalwetenschap fundamenteel afhankelijk van de integratievan fysica, chemie en civiele techniek. In de materiaalkunde moeten de scheidsmuren die tij-dens discussies in een interdisciplinair gezelschap ontstaan, worden geslecht. Daarin is men totdusver nog niet helemaal geslaagd en dat is de reden waarom onderzoekers in de materiaal-kunde dit als een serieuze uitdaging opvatten.Het komt ook nu nog te dikwijls voordat men zich verschuilt achter zijn vroegere vakstudies. Wieop deze wijze zijn kennis op de voorgrond plaatst, bereikt meestal alleen, dat aan leemtes in dewetenschap voorbij wordt gegaan. Uit een onderzoek in de VS [1 ] ** kwam naar voren dat tot voorkort de meeste onderzoekers op het gebied van de materiaalkunde zich nog kwalificeerden alschemicus, fysicus of ingenieur. Toch valt er wat dat betreft de laatste 10 jaar enige veranderingwaar te nemen. Geleidelijk aan komt de karakteristieke materiaalkundige naar voren en daar-mee ontstaan ook de criteria om vakcollega's te beoordelen. In dit verband gezien bevond debenoemingscommissie die mij heeft voorgedragen zich in een weinig benijdenswaardigesituatie. Waarop konden zij zich op het moment van hun beslissing baseren? Het is te hopen datik het in mij gestelde vertrouwen niet zal teleurstellen.Om verschillende redenen moeten de materiaalwetenschappen in de bouwtechniek nog een be-paalde achterstand inlopen. Uit de genoemde enqu?te [1 ] bleek dat vele materiaalkundigen nogweinig weten over belangrijke materialen zoals beton, hout en asfalt en derhalve ook de nood-CementXXXI(1979)nr.6 233En zij zeiden tot elkander: Welaan, laten wij tichelenmaken en die goed bakken. En de tichel diende hun totsteen en het asfalt diende hun tot leem.(Genesis 11:3)zaak van fundamenteel onderzoek op deze materialen onderschatten (fig. 1). Daarom is hetdringend gewenst zowel het eigen vakgebied te ontsluiten als te streven naar nauwer contactmet materiaalkundigen van andere disciplines.Het ontstaan van de materiaalwetenschapDe evolutie wordt volgens de voor ons belangrijkste materialen in periodes onderverdeeld, zoalshet stenen tijdperk, het bronzen tijdperk en het ijzeren tijdperk. Daarmee wordt de zeer sterkewisselwerking duidelijk die er bestaat tussen materiaaltechnologie en de daarmee overeen-komstige beschavingsperiode. De evolutie in de materiaaltechnologie werd vroeger ook dikwijlsbenut om aanvalswapens en verdedigingswerken te verbeteren en werd zodoende dienstbaargemaakt aan de uitbreiding en versteviging van machtsstructuren. De Assyriers konden bij voor-beeld hun heerschappij in het middenoosten lange tijd handhaven omdat zij hadden geleerd hunijzeren wapens door 'afschrikken' harder te maken [2].Het smelten van erts, het legeren van metalen of de technologie om van zand en as glas te ver-vaardigen, evenals het bakken van bakstenen uit klei, kunnen worden beschouwd als het beginvan de tegenwoordige materiaalchemie. De chemie is ook tot in onze tijd een belangrijke pijlervan de materiaalwetenschap en de technologie gebleven.De eerste pogingen om theorie?n te ontwikkelen waarmee materiaalgedrag kan worden begre-pen blijven voorbehouden aan de Griekse natuurfilosofen en fysici. De veelvuldigheid vanverschijningsvormen van de ons omringende stoffen moest met elkaar in samenhang te brengenzijn en door eenvoudige principes kunnen worden verklaard. Na enkele voorafgegane ont-wikkelingsfasen, formuleerde de omstreeks het jaar 495 v??r Christus geboren Empedocles devier-elementen-leer. Deze werd meer dan 2000 jaar lang algemeen erkend, totdat Lavoisier inde tweede helft van de 18e eeuw het begrip Element opnieuw definieerde. De theorie vanEmpedocles werd door Aristoteles als volgt omschreven:'Empedocles neemt als principe vier elementen aan, waarbij hij aan de genoemde elementenwater, lucht en vuur, als vierde de aarde toevoegt. Deze namelijk, zo meent hij, zijn eeuwig enzijn niet ontstaan, maar verenigden zich slechts in meer of mindere mate tot een eenheid enscheidden zich weer uit die eenheid af' [3].2De vier elementen volgens Empedocles metde daarbij behorendemateriaaleigenschappen. De toestand van een materiaal kan met een vector-voorstelling worden weergegeven.1Gemiddelde betekenis die aanfundamenteel onderzoek in relatie tot deverschillende materialen doormateriaaldeskundigen wordt toegekend, alsfunctie van de gemiddelde vertrouwdheidvan de ondervraagden met eik materiaalAan deze vier elementen kon men materiaaleigenschappen toekennen. Volgens de opvattingvan de theorie correspondeert lucht met week, aarde met hard, water met taai en vuur met bros(fig. 2). Hiermee ontstaat de mogelijkheid om een bepaald materiaal te karakteriseren, door deelementen, waaruit dat materiaal is samengesteld, in een vectorvoorstelllng weer te geven. Metbehulp van de vier-elementen-leer is het bovendien mogelijk om op systematische wijze de ver-anderingen in materiaaleigenschappen te verklaren. Het is imponerend en kenmerkend te lezenhoe Vitruvius het verhardingsproces van kalkmortel op deze basis uiteenzet [4] (tabel 1).Tegenwoordig weten wij dat de belangrijkste materiaaleigenschappen worden bepaald door deatomaire en moleculaire opbouw van de materie. Wij zijn in staat om de materiaaleigenschap-pen tot op zekere hoogte te verbeteren door veranderingen aan te brengen in de moleculairestructuur. Dit deelgebied van de moderne materiaalkunde wordt in Engels sprekende landen'molecular engineering' genoemd [5]. De geleerden van thans ervaren het als fascinerend hoede klassieke natuurfilosofen en fysici van de school v??r Socrates een dergelijk inzicht in de ma-terie hebben kunnen ontwikkelen, zonder dat zij experimenteel onderzoek verrichtten, maar uit-sluitend door rechtlijnig denken en door het trekken van analogie?n [6]. Aristoteles schrijft overde twee voornaamste vertegenwoordigers van deze school het volgende:'Leucippus en Democritus beweren dat alle overige dingen uit ondeelbare lichamen zijn samen-gesteld; deze lichamen echter zijn oneindig in getal en vorm. De materialen echter onderschei-den zich van elkaar door de soort atomen, waaruit zij zijn opgebouwd en door de ligging en orde-ning van deze atomen' [7].Soort, ligging en plaats van de atomen zijn derhalve maatgevend voor de materiaaleigenschap-pen. Deze uitspraak kon pas worden bewezen met behulp van de moderne natuurwetenschap.Het algemene principe van Democritus is tegenwoordig in samenhang met de opbouw van deCement XXXI (1979) nr. 6 234Tabel 1Vergelijking van de omschrijving van deverhardingsmechanismen van een zuivereen een hydraulische kalkmortel naarVitruvius met de terminologie van de huidigecementchemie. Dit voorbeeld laat zien, hoemen de werkelijke gang van zaken omtrentde toepassingen in de praktijk in het kadervan de Materiaalkunde overeenkomstig destand van de wetenschap omschrijftnaar Vitruvius(voor ca. 2000 jaar)huidige voorstelling van (zaken)Kalksteen bestaat zoals alle stof-fen uit de vier elementen (lucht,water, aarde en vuur).Kalksteen bestaat voornamelijkuit .Bij het brandproces in een ovenverliest kalksteen zijn sterkte:vocht en lucht (gas) worden uitge-dreven . Er blijft een stof over metveel open lege pori?n.Bij 800?C wordt kalksteen ther-misch ontleedt volgens:CaCO380^CaO + CO2?Als de gebrande kalk met waterwordt vermengd, dan wordt het inhet materiaal achtergeblevenvuur door het vocht bevrijd. Hetmengsel verandert bij afkoelenvan bros in taai.De gebrande kalk wordt geblustvolgens:CaO + H20 -? Ca(OH)2 +280cal/gHet verhardings-mechanisme van eenzuivere kalkmortel.De poreuze, fijn verdeelde ge-brande kalk kan goed met zandworden gemengd en de twee stof-fen verstevigen tot een vastlichaam terwijl het water ontwijkt(het mengsel droogt)De gebluste kalk reageert metkooldioxide uit de lucht en ver-hardt onder afgifte van watervolgens:Ca(OH)2 + C02 -* +Wat sponssteen of bims vanPompei (Puzzolane) genoemdwordt, schijnt uit een anderesteen door branden in de aardete zijn ontstaan.De natuurlijke Puzzolanen zijnoverwegend vulkanische as meteen hoog silikaatgehalte en eenvari?rend gehalte aan verbindin-gen zoals Aluminaat.Si02(Al203)Het verhardings-mechanisme van eenhydraulische kalk-mortel.Indien Puzzolanen en kalk, diebeide aan een brandproces heb-ben blootgestaan, met water wor-den gemengd, dan komt de opge-borgen warmte vrij en ontstaateen vaste stof die tegen water be-stemd is.Bij benadering kan het verbran-dingsmechanisme als volgt wor-den omschreven:3 Ca(OH)2 + 2 Si02 ->3 Ca0.2Si02 +3 +warmtematerie op verschillende niveaus aanwijsbaar. De atoomeigenschappen zijn bepaald door hetaantal en de ruimtelijke ordening van de elektronen rond de kern. Het koolstofatoom bij voor-beeld bezit zes elektronen; daardoor zijn de eigenschappen van het atoom en ook de mogelijk-heden om verbindingen te vormen bepaald en tevens de eigenschappen van de daaruit opge-bouwde materialen. Het stikstof atoom, met volledig andere eigenschappen heeft slechts ??nelektron m??r. De veelheid in eigenschappen van organische substanties is voornamelijk geba-seerd op het verschil in rangschikking van enkele elementen (fig. 3). Alcohol, suiker en aspirinezijn opgebouwd uit koolstof, waterstof en zuurstof en zij onderscheiden zich slechts door aantalen ordening van de bouwstenen binnen het molecuul. Toch hebben genoemde stoffen een zeerverschillende uitwerking op ons lichaam.3Drie polymeren, waarvan de monomerentelkens uit 4 atomen waterstof, 2 atomenkoolstof en 1 atoom zuurstof zijnopgebouwd. Door het verschil in plaatsbinnen de monomeer ontstaan aanzienlijkeverschillen in materiaaleigenschappen. Inhet voorbeeld zijn deglasovergangstemperaturen aangegevenVoor Democritus was verder ook de noodzaak aanwezig dat de atomen in beweging zijn:'De aanhangers van de atoomtheorie bewezen dat de atomen willekeurig in de lege ruimte be-wegen en vanzelf door hun plaatselijke beweging met elkaar in botsing komen'.Daarmee is reeds het principe aangegeven van de moleculair-dynamische theorie, waarmee te-genwoordig de kruip van een materiaal wordt beschreven. Men kan deze overwegingen met be-hulp van de moderne materiaalfysica mathematisch formuleren en daarmee het materiaalge-drag kwantitatief beschrijven.Cement XXXI (1979) nr. 6 2354Salviati beschrijft:... 'Stellen wij ons vooreen vast prismatisch lichaam ABCD, dat bijAB in de muur is bevestigd, terwijl aan hetandere einde een kracht werkt als gevolgvan gewicht E. Het zal duidelijk zijn dat hetprisma, wanneer het breekt, dat doet terplaatse van B, waar het muurvlak alslijnoplegging fungeert... De absolutetreksterkte in doorsnede BD, dat is het vlakdoor met C, verhoudt zich tot de door dewerking van de hefboom BCgekarakteriseerde breuksterkte als delengte BC tot de helft van AB ...(Galileo Galilei, Discorsi e dimostrazionimatematiche, Leiden 1628, bladzijde 4)Pas veel later, namelijk aan het begin van de 17e eeuw, werd de mechanica als derdecomponent van de materiaalwetenschap naast chemie en fysica geplaatst. Galileo Galilei(1564 -1642) was de eerste die bij zijn studies het experiment hanteerde als een nieuwe weten- _schappelijke onderzoekingsmethode. Tevens was Galilei ge?nteresseerd in talrijke technischeproblemen, zoals irrigatietechniek, materiaalbeproeving en de vestingbouw [8].In zijn beroemd geworden verhandeling 'Discorsie e dimostazioni matematiche' in 1638 uitge-geven in Leiden [9], beschrijft Galilei het draagvermogen van uitkragende balken (fig. 4). Dezefundamentele bijdrage met betrekking tot materiaalsterkte werd door Coulomb (1773) en laterdoor Navier (1826) gebruikt en verder ontwikkeld. Tegenwoordig staat ons een krachtig hulp-middel in de vorm van de op het vorenstaande gebaseerde sterkteleer ter beschikking.'Peu importe d'ailleurs qu'une th?orie soit vraie si elle peutnous guider dans la recherche de faits que nous commen-?ons ? soup?onner'.(E.Freyssinet)Het was overigens geen toeval dat bovengenoemde verhandeling van Galilei niet in zijn eigenland (Itali?) werd uitgegeven, maar in Leiden. Na de bittere vrijheidsoorlog kenmerkten deNederlanden zich door een liberaal geestelijk klimaat, waarin de nieuwe wetenschappelijke in-zichten met minder vooringenomenheid werden ontvangen dan destijds in de andere Europeselanden gebruikelijk was. Friedrich Schiller becommentarieert dit klimaat al direct in de eerste zinvan zijn 'Geschichte des Abfalls der Vereinigten Niederlande von der spanischen Regierung'[10]:'Eine der merkw?rdigsten Staatsbegebenheiten, die das sechzehnte Jahrhundert zumgl?nzendsten der Welt gemacht haben, d?nkt mir die Gr?ndung der niederl?ndischen Freiheit'.De materiaalkunde kon in de laatste tientallen jaren een beslissende ontwikkeling doormaken.Door het systematisch bijeenbrengen van de essenti?le componenten - namelijk materiaal-chemie, materiaalfysica en sterkteleer-groeide de materiaalkunde in de laatste 30 jaren uit toteen zelfstandig vakgebied, waarin intussen aan bijna alle vooraanstaande technische hoge-scholen onderricht wordt gegeven.Na deze terugblik op de geschiedenis, zal aan de hand van enkele voorbeelden de betekenisvan deze nog jonge tak van de wetenschap worden uiteengezet.De structuur van cementsteenMomenteel wordt in Nederland jaarlijks meer dan 1 m3beton per hoofd van de bevolkingverwerkt. De eigenschappen van dit meest gebruikte samengestelde materiaal wordenessentieel bepaald door de karakteristieke opbouw van de poreuze cementsteen. De structuurvan de cementsteen die tijdens de hydratatie van het cement ontstaat, was lange tijd niettoegankelijk voor kwantitatieve onderzoekingen. Zodoende had de fantasie bijna vrij spel bijspeculaties omtrent de processen die zich in de micro-structuur tijdens belasten en uitdrogenvoordoen.Pas in de jaren veertig slaagde men er in het laboratorium van de Portland Cement AssociationCement XXXI (1979) nr. 6 2365(I) Eenvoudige model van de structuur vancementsteen volgens Powers [12]; (II)Model van Feldman en Sereda [13];(III) M?nchener Modell [14]: Als gevolg vanwateradsorptie zet de ruimtelijk vertaktestructuur bij overgang van 0% rel.vochtigheid naar 40% rel. vochtigheid zichin drie richtingen evenredig uit ( l0).Bij grotere voch'tigheid wordt het contacttussen de geldeeltjes op sommige plaatsenverbroken, als gevolg van de splijtdruk vanhet water ().Dit laatste heeft een verdere uitzetting totgevolgte Skokie bij Chicago in de kennisbarri?re te doorbreken. Met behulp van de toen ontwikkeldeadsorptiemethodes - men meet daarbij de hoeveelheid opgenomen water als functie van dedampdruk in de omgeving - stelden Powers en Brownyard [11 ] vast dat de hydratatieproduktenvan cement uiterst fijn verdeeld zijn. Men nam een inwendige oppervlakte waar van ca. 200 m2/gbij een gemiddelde pori?nwijdte van ca. 20 ?, hetgeen overeenkomt met de doorsnede vanslechts enkele moleculen water. De afzonderlijke deeltjes konden dan ook maar een diktehebben van enkele moleculen.Deze bijzondere substantie, waarvan men de structuur juist begon te vermoeden, werdcementgel genoemd.De gegevens uit talrijke adsorptiemetingen heeft Powers later verwerkt in een model van decementsteenstructuur [12]. Hiermee was de eerste brug geslagen tussen de gegevens uitfysisch-chemische adsorptiemetingen en de mechanische eigenschappen van beton. Powersverklaarde zowel de kruip als de krimp van beton uit de langzame bewegingen van het geadsor-beerde en gecondenseerde water in de cementsteenstructuur. Door het uitoefenen van eenbepaalde belasting wordt volgens hem het water uit de nauwe wigvormige micropori?n tussende afzonderlijke geldeeltjes geperst. Daarmee kon de tijdsafhankelijke vervorming, dus dekruip, worden verklaard. Droogt een proefstuk uit, dan kan aan de hand van dit model de krimpworden aangetoond door dezelfde waterbeweging in de microstructuur. In kwantitatieve zinechter kon het materiaalgedrag daarmee nog niet worden beschreven.Bij het model van Powers wordt ervan uitgegaan dat bij veranderend vochtgehalte de stabiliteitvan de geldeeltjes zelf niet be?nvloed wordt. In de natuur komen echter silicaathydraatver-bindingen voor die een verschillend watergehalte tussen de moleculaire lagen kunnen bergen.Het opnemen van de watermoleculen tussen de genoemde lagen doet de substantie zwellen.Feldman en Sereda [13] ontwierpen, rekening houdend met genoemd verschijnsel en zichbaserend op eigen metingen, een alternatief model, waarbij een relatie gelegd werd tussen demateriaaleigenschappen en het water tussen de moleculaire lagen.De nogal heftige, persoons-gerichte discussies aangaande beide modellen vormen geen al tebeste bladzijde in de geschiedenis van de materiaalwetenschappen. Wel dwong de strijd degeleerden tot het leveren van nieuwe, meer overtuigende argumenten.Ruim 10 jaar geleden introduceerde een groep jong fysici aan de Technische Universiteit vanM?nchen het gebruik van moderne fysische meetmethoden voorde bestudering van de cement-steenstructuur. Parallel en wederzijds aanvullend werden aan cementsteen behalve deadsorptie-isothermen ook kernspinresonantie, M?ssbauereffect, luminescentie en decomplexe dielektrische constante gemeten. Bovendien werd een methode ontwikkeld om deVan der Waalskrachten bij kleine afstanden te bepalen.De resultaten van de genoemde onderzoekingen werden vereenvoudigd samengevat in hetzgn. 'M?nchener Modell'[14] (fig. 5). Volgens dit model zijn twee grootheden bepalend voor demateriaaleigenschappen van beton, namelijk de oppervlakte-energie van de geldeeltjes en desplijtdruk van het water. Zoals een waterdruppel onder invloed van de oppervlakte-energie zichsamenbalt tot een kogel, zo wordt ook op het nietige geldeeltje een hydrostatische druk uitge-oefend. In dezelfde mate waarin water aan het oppervlak van de hydratatieprodukten wordtgeadsorbeerd, neemt de hydrostatische druk af zodat de deeltjes dienovereenkomstig kunnenuitzetten. De som van de uitzetting van alle geldeeltjes wordt macroscopisch waargenomen alshet uitzetten van beton. Bij grotere relatieve luchtvochtigheid kunnen door de splijtdruk van hetwater verbindingen tussen de geldeeltjes onderling worden verbroken. Dit veroorzaakt zowelzwelling als sterktevermindering.CementXXXI(1979)nr.6 237'In fact we have to give up taking things for granted, even theapparently simple things. We have to learn to understandnature and not merely to observe what it imposes on us'.(J.D.Bernal)6Relatie tussen de vereiste inspanning om bijonderzoek een beoogd doel te bereiken enhet aandeel daarin van fundamenteletheoretische begrippenOm de gegevens uit dit model te kunnen verifi?ren, werden met behulp van omvangrijkemeetseries de sterkte, krimp en uitzetting, evenals de kruip van zowel cementsteen als beton bijverschillende vochtgehalten bepaald.Thans kan worden geconstateerd dat met het 'M?nchener Modell' kwantitatief een relatie isgelegd tussen de eigenschappen van beton en de gecompliceerde structuur van de cement-steen. De nietige geldeeltjes van moleculaire afmetingen voegen zich tot een ruimtelijk vakwerkaaneen, waarvan de mechanische eigenschappen worden bepaald door de geometrischeordening en de koppeling van de deeltjes onderling. De wederzijdse koppeling van de deeltjeswordt echter duidelijk be?nvloed door het vochtgehalte. Hiermee kan de belangrijke invloed vanhet vochtgehalte op de mechanische eigenschappen van het beton voldoende nauwkeurigworden beschreven.De betekenis van de hier uiteengezette voorstellingen wordt pas werkelijk duidelijk, wanneermen het materiaalgedrag onder zoveel mogelijk praktijkomstandigheden rekenkundig trachtvast te leggen met behulp van numerieke berekeningen volgens de eindige elementenmethode.Voor een beschrijving van de kruip en de krimp onder veranderlijke klimatologische omstandig-heden kan dan gebruik worden gemaakt van de gegevens van het 'M?nchener Modell'. Dezeontwikkeling in de moderne materiaalwetenschap bevat verschillende fascinerende aspecten.Bij deze onderzoekingen wordt het echter ook duidelijk dat fysisch-chemlsche modellen alleenniet toereikend zijn om een exacte beschrijving te geven van het materiaalgedrag van beton. Alsgevolg van het niet-homogene vochtgehalte tijdens het uitdrogen, ontstaan namelijk scheuren.Deze scheurvorming, die afhankelijk is van de afmetingen van het proefstuk, be?nvloedt echtertevens het tijdgebonden verloop van het krimpproces. Zo toont ook dit voorbeeld de Interactievan fysisch-chemische elementen met de sterkteleer binnen de materiaalwetenschappenovertuigend aan.Scheuruitbreiding in betonIn laboratoria voor materiaalbeproeving worden dagelijks grote hoeveelheden beton in de vormvan kubussen of cilinders tot breuk belast. De gevonden sterkte wordt geregistreerd envergeleken met een vastgestelde normwaarde. Het materiaalgedrag wordt waargenomen, maareigenlijk niet of nauwelijks begrepen.Fenomenologisch werd het bezwijken van beton al dikwijls beschreven. Men stelt daarbij vastdat bij toenemende belasting de scheuren talrijker en langer worden totdat ten slotte de matrixuit elkaar valt.De rekenkundige scheuranalyse stelt ons in staat deze situatie in een vereenvoudigde vorm nate bootsen. Op deze wijze wordt vergroting van de scheurvorming in een poreus materiaalbepaald en met beproevingsresultaten vergeleken [15].Deze theorie werd met succes toegepast om de levensduur van zwaar belast beton te kunnenvaststellen. In beton is het toeslagmateriaal in een mortelmatrix ingebed. Bij het storten ontstaanzwakke plaatsen en scheuren in het grensvlak tussen toeslagmateriaal en matrix. Dezescheuren zullen zich verder ontwikkelen als gevolg van krimpspanningen in het nog onbelastemateriaal. De ligging, het aantal en de gemiddelde lengte van deze zonder meer te verwachtenscheuren stellen een grens aan de haalbare sterkte.Wanneer een uitwendige belasting een bepaalde waarde overschrijdt, zullen enkele scheurenkritische afmetingen gaan aannemen. Zodra zo'n scheur op een voldoend sterke toeslagkorrelstuit, is het verder groeien voorkomen. Pas bij een grotere belasting kan deze hindernis wordenoverwonnen. In normaal beton zijn toeslagmaterialen en scheuren min of meer toevalligverdeeld. Deze macrostructuur van het beton is te kwantificeren, want de statistische verdelingvan vorm, grootte en gemiddelde afstand van de toesiagkorrels, evenals de verdeling van dezonder meer te verwachten scheuren kunnen met behulp van moderne beeldanalyse-apparatuur worden bepaald. Met de aldus verkregen statistische gegevens kan tegenwoordig ineen computer met behulp van de Monte Carlo methode een karakteristieke materiaalstructuurworden gegenereerd. Daarmee kan dus de opbouw van een gegeven betonmengsel tenbehoeve van een bezwijkanalyse worden nagebootst. Wanneer men de belasting in hetComputerexperiment in fasen laat toenemen, kan het aangroeien van de scheuren wordenwaargenomen en kan ten slotte het bezwijkcriterium worden bepaald [16].Voordat deze ingenieuze computerfaciliteiten ter beschikking stonden, viel aan dergelijkestudies in het geheel niet te denken. Het is fascinerend te ervaren hoe in weinige jaren dergelijkemethodes binnen de materiaalwetenschappen tot ontwikkeling zijn gekomen.Het is natuurlijk niet de bedoeling van zulke uitgebreide onderzoekingen om het waargenomengedrag van beton onder een gegeven zware belasting achteraf rekenkundig vast te leggen.Neen, het gaat er veel meer om de eigenschappen van beton dat onder algemene omstandig-heden wordt toegepast vooraf te kunnen voorspellen. Welke sterkte kan onder een meerassigespanningstoestand worden bereikt? Hoe is bij een gegeven belastingsituatie de sterkte teoptimaliseren? Kan de spreiding in de betonsterkte doelgericht worden gereduceerd? Met welkesterkte mag worden gerekend bij stootbelastingen?Deze vragen kunnen niet bevredigend worden beantwoord aan de hand van een zuiverfenomenologisch onderzoek. Door de combinatie van computersimulatie en geselecteerdeproeven is het voor de eerste maal mogelijk de sterkte van beton op algemene wijze te bepalen.Hier is het stellig ook van belang het optimum vast te stellen voor de kosten die aan een onder-zoek mogen worden besteed. Wanneer van geen enkele theoretische basis wordt uitgegaan,zullen de kosten voor de talloze empirische proevenseries onaanvaardbaar hoog worden.Cement XXXI (1979) nr. 6 238'Die Wissenschaft oli die Freundin der Praxis sein, abersnicht ihre Sk vin'.la(C.F.Gauss)Anderzijds zou een exacte rekenkundige banadering van het werkelijke gedrag van beton ookonvoorstelbare kosten met zich brengen. Het daartussen gelegen optimum kan al naar desamenstelling van een laboratoriumbezetting meer naar de ene of naar de andere kant verscho-ven zijn (fig. 6). Door het benutten van de mogelijkheden die de moderne materiaalwetenschap-pen bieden, kunnen met geraffineerde onderzoekmethoden veel tijd en geld worden bespaard.Dat mag best eens goed onderstreept worden, omdat naar buiten toe dikwijls de indruk wordt ge-wekt als zou het moderne onderzoek alleen maar geldverslindend zijn.De taak in het onderzoekDikwijls wordt gediscussieerd over de vraag of in het kader van de materiaalwetenschappen hetaccent behoort te liggen op fundamenteel, danwei op meer praktijk gericht onderzoek. Voor mijechter is deze vraag zo foutief geformuleerd. Het woord fundamenteel is zeer relatief en heeft indit verband vrijwel geen enkele betekenis. Wat voor menig materiaalkundige als fundamenteeloverkomt, is voor vele natuurkundigen al zo ver in de praktijk ingeburgerd dat ze er ernstig aantwijfelen of er eigenlijk nog wel van wetenschappelijke activiteiten kan worden gesproken. Meerter zake is het criterium of de bijdrage van materiaalkundigen hulp kan bieden bij het oplossenvan een praktijkprobleem. Bij vele goed geformuleerde onderzoekprogramma's kan men nietaan de indruk ontkomen, dat ook na het bereiken van alle genoemde doelstellingen geenwezenlijke waar dan ook bruikbare vooruitgang is bereikt. Om zulke ongewenste ontwikkelingente voorkomen, is het noodzakelijk dat een nauwere samenwerking tussen hogescholen enbedrijfsleven tot stand komt.De hogescholen kunnen hun rol in deze dialoog echter alleen waar maken, wanneer zij zelf-standig en onafhankelijk blijven en zich voortdurend kritisch blijven ori?nteren op het inter-nationaal bereikt niveau.De materiaalwetenschappen hebben een zodanige ontwikkeling doorgemaakt, dat het binneneen vakgroep nodig is zich te beperken tot enkele geselecteerde specialistische gebieden. Hetprogramma moet dan als regel zowel chemisch, fysisch als rekenkundig-mechanisch wordenaangepakt. Hieruit volgt de noodzaak van interdisciplinaire samenwerking. Tot dusver is desamenwerking tussen vertegenwoordigers van verschillende vakrichtingen nog nergensvolledig gelukt. Het blijft, zij het met de nodige tolerantie, een uitdaging aan alle betrokkenen dehierbij optredende problemen te overwinnen.Allereerst is daarvoor nodig dat de kennis die op de andere vakgebieden reeds bestaat, binnende materiaalwetenschappen wordt gebracht. Verder dienen moderne theoretische en experi-mentele methodes te worden gehanteerd om de bekende bouwmaterialen beter te karak-teriseren en op systematische wijze te verbeteren. Ten slotte zullen door de genoemde dialoogmet de praktijk in de researchlaboratoria ook de wegen gevonden moeten worden voor deontwikkeling van nieuwe bouwmaterialen.Onderzoek is onverbrekelijk verbonden aan de onderwijs-opdracht in een hogeschool. Door eengeschikte medewerker te belasten met relevant onderzoek, zal deze in het algemeen doelmatigkunnen worden voorbereid voor toekomstige taken in de praktijk. Bij de belangrijkste fase in devakopleiding, namelijk bij de keuze en begeleiding van onderwerpen in het afstuderen en vooreen promotie zou er rekening mee moeten worden gehouden of de betrokken medewerkerdaarmee gemakkelijker een functie buiten de hogeschool kan verwerven. Wanneer dat niet hetgeval is, zullen buitengewoon sterke argumenten aangevoerd moeten kunnen worden om ditafstudeeronderwerp desondanks te rechtvaardigen.In het voorgaande is er verschillende keren op gewezen dat de materiaalwetenschappenfundamenteel gebaseerd moeten zijn op de samenwerking tussen chemie, fysica en mechanica.Om zich op zinvolle onderzoekactiviteiten te ori?nteren, is men in belangrijke mate van decontacten met constructeurs uit de bouwwereld afhankelijk. Nieuwe constructiemethodesroepen vragen op die door de materiaalwetenschappen moeten worden beantwoord enanderzijds zullen tot ontwikkeling gebrachte nieuwe bouwmaterialen leiden tot grotere mogelijk-heden op constructief gebied.Met vezels versterkte materialen vormen een overtuigend voorbeeld van de noodzaak vannauwe samenwerking tussen materiaalwetenschappen en constructeurs. Met het verwerkenvan glas-, kunststof-, staal- of koolstofvezels in een matrix van kunststof of van bekendebindmiddelen zoals gips en cement, worden vele interessante materiaaleigenschappenverkregen. Door gebruik te maken van de mogelijkheden van de moderne materiaalweten-schappen, ook van gecompliceerde computeronderzoeken, kunnen de structuren van samen-gestelde materialen tot in detail worden bepaald. De gegevens moeten wel zodanig wordengepresenteerd dat ze door constructeurs kunnen worden begrepen en toegepast.In de bouwpraktijk heeft het accent steeds gelegen op het realiseren van nieuwe bouwwerken.De bouwwereld wordt gekarakteriseed door gedurfde constructies, hetgeen veel aan haarimago heeft bijgedragen. In vergelijking daarmee staat het onderhoud van gebouwen tot dusvernogal op de achtergrond. Anderzijds is in onze maatschappij de verantwoordelijkheid voor hetinstandhouden van waardevolle cultuurhistorische bouwwerken de laatste jaren aanzienlijkgegroeid. Vele bouwmaterialen die honderden jaren aan hun doel hebben beantwoord, wordentegenwoordig door agressieve bestanddelen in de atmosfeer van een ge?ndustrialiseerdeomgeving zodanig aangetast, dat zij slechts voor verval kunnen worden behoed doorzorgvuldige saneringsmaatregelen. Het wordt door de moderne materiaalwetenschappen ookals een uitdaging beschouwd de middelen te ontwikkelen om door vocht en zouten aangetastmuurwerk, onvervangbare fresco's en architectonisch waardevolle bouwwerken te kunnenCement XXXI (1979) nr. 6 239docendo discitur'herstellen. Een duidelijk onderkend gemis aan kennis in dit verband wordt nog al te vaak doorspeculanten commercieel uitgebuit.Tot voor kort werden bij de tot stand gebrachte bouwwerken de risico's bijna volledig en metsucces onderdrukt.- Ofschoon tijdens de bouw vele kathedralen zijn ingestort en steeds weeropnieuw bruggen en dijken het begaven, wordt de betrouwbaarheid van een constructie pastegenwoordig methodisch onderzocht. In een bevoegde studie staat te lezen dat Amerika eentijd heeft gekend waarin jaarlijks zo'n 25 spoorbruggen instortten [17]. Van de 55 grotehangbruggen die tussen 1900 en 1940 zijn gebouwd, hebben niet minder dan 7 het begeven[18]. Het jaarlijks risico dat de gebruiker liep dodelijk te verongelukken, was niettemin niet groterdan ca. 10-8.Het risico in de bouwnijverheid kreeg bij de bouw van kerncentrales een nieuwe dimensie. Destrijd tussen de voor- en tegenstanders van kernenergie wordt bovendien op een breed maat-schappelijk vlak uitgevochten. Daarom moesten op korte termijn de middelen en de wegenworden gevonden om de risico's van bouwwerken te kwantificeren. De veiligheidstheorie vormtop dit moment een van de weinige middelen om in de dikwijls zeer emotionele discussies enigezakelijke argumenten te brengen. Daarbij is het nu eenmaal noodzakelijk aan te geven metwelke waarschijnlijkheid maximale belastingsgevallen optreden. Verder dient ook bekend te zijnwelke spreiding in de materiaalkarakteristieken optreedt. De hiertoe ontwikkelde theoretischebeginselen en de daarbij behorende beproevingsmethodieken zijn bijeen gebracht ?n de zgn.stochastische materiaalkunde. De activiteiten binnen deze nieuwe richting van de materiaal-kunde is zeer fascinerend. Er moeten nieuwe wetenschappelijke technieken worden ontwikkelden in hun toepassing worden beproefd, bijna dagelijks wordt het maatschappelijk-politiekebelang van de verkregen resultaten getoetst, alvorens zij verdere bewerkingen ondergaan.Ter leringWanneer het brede spectrum van de materiaalwetenschappen wordt beschouwd, dan komtdaarbij de vraag naar voren wie in staat geacht kan worden dit vakgebied in al zijn verscheiden-heid in onderzoek en onderwijs te overzien. Dat is voor ??n persoon ook niet mogelijk. Daaromgeldt bij de materiaalkunde wellicht sterker dan bij andere vakgebieden de eis van samen-werking tussen verschillende collega's.In de opleiding staat echter niet zozeer de veelvuldigheid in materiaaleigenschappen centraal,maar veel meerde overheersende samenhang. Voor de student in de Civiele Techniek is het vanbelang dat hij begrip krijgt van het gedrag van bouwmaterialen in een constructie; de feiten-kennis kan worden beperkt tot het hoogst noodzakelijke. Op deze wijze is de latere ingenieur inde gelegenheid zonder onoverkomelijke problemen nieuw ontwikkelde bouwmaterialen toe tepassen waarmee onder de gegeven specifieke omstandigheden nog geen ervaring isopgedaan.Het lijkt mij zinvol het huidige onderwijsprogramma voor de Materiaalkunde in de laterestudiejaren uit te breiden met een reeks speciale colleges voor de verschillende constructievevakdisciplines. Tot op heden is het gebruikelijk dat studenten die als afstudeerproject eenconstructief onderwerp hebben gekozen waarbij zich materiaalproblemen voordoen, eentweede project in het materiaalgebied kiezen. In het algemeen is dat ook juist, want hiermeewordt de wisselwerking tussen materiaalkunde en de constructieve vakken nog eens onder-streept. Anderzijds ware het te wensen dat meer studenten een afstudeerproject vanmateriaalkundige aard zouden kiezen. Niet alleen omdat het een fascinerend vakgebied is,maar meer omdat de vraag naar hooggekwalificeerde materiaaldeskundigen in het bedrijfs-leven nog steeds groeit.Het uitgangspunt van alle hogescholen, namelijk de eenheid in leerstof en onderzoek, is bij zo'njonge en zich dermate snel ontwikkelde wetenschapsrichting als de materiaalkunde natuurlijkeen vanzelfsprekendheid. Bij de leerstof is men gedwongen de verborgen systematiek achtervele bijzonderheden op te sporen. De leraar leert daar waarschijnlijk zelf het meest van en kandat direct op het lopend onderzoek overdragen. Anderzijds wordt de leerstof door doelgerichtonderzoek voortdurend geactualiseerd.Bij de opleiding van medewerkers die wetenschappelijk werk gaan verrichten, gaan onderzoeken onderwijs zonder duidelijke begrenzingen in elkaar over. Ik zie de begeleidende taak bijvorenstaande als een van de voornaamste functies van een hoogleraar. Aan de meeste hoge-scholen wordt het onderzoek in wezen uitgevoerd door promovendi. Vermoedelijk is er ook geenalternatief voor deze zeer effici?nte en stimulerende organisatievorm van het onderzoek. Het iswel te hopen dat, bij de te verwachten verandering van de ZWO (Nederlandse organisatie voorZuiver Wetenschappelijk Onderzoek) in de breder opgezette RWO (Raad voor Weten-schappelijk Onderzoek), de mogelijkheid voor de opbouw van dynamische en creatieve groepenvan promovendi geschapen wordt.SlotopmerkingenIk heb getracht verschillende fascinerende aspecten aan te geven van de moderne materiaal-wetenschap. Een terugblik op het ontstaan kan evenzo boeiend werken als de huidige duidelijkherkenbare tendenzen van een snelle verdere ontwikkeling. Fascinerend en tegelijkertijduitdagend is de nauwe verstrengeling met de klassieke basiswetenschappen. Van grotebetekenis is de stimulans die door de interactie met het construeren op de materiaalweten-schappen wordt uitgeoefend. Ook de leerstof zal gebaat zijn met een levendige ontwikkeling vande materiaalwetenschappen. Laten wij ons echter niet verblinden door hetgeen ons fascineert,maar liever de blik richten op de voor ons liggende problemen. Vervolg op blz. 262Cement XXXI (1979) nr. 6 240vereenvoudiging van de voorschriften zijn.Maar te uwer geruststelling: eerst zal daaromworden getracht het gebied te begrenzenwaarbinnen geen verdere controle noodzake-lijk is.Er is een suggestie gedaan afzonderlijkevoorschriften te maken voor eenvoudige envoor moeilijke of gecompliceerde construc-ties, met andere woorden, voor eenvoudigeconstructeurs en voor superconstructeurs. Nuzijn eenvoudige constructies juist de con-structies die het meest worden uitgebuit,vooral als zij in serie worden gemaakt.Door de vloerencommissie worden certifica-ten verstrekt aan systeemvloeren voor dewoningbouw. Nu staat de ontwikkeling nietstil. Nieuwe fabricagemethoden worden toe-gepast en er kunnen platen worden geleverdmet veel grotere overspanningen, die ookvoor de utiliteitsbouw van belang zijn. Indiende voorschriften onverkort op verschillendesystemen worden toegepast, zullen fabrl-cagemoeilijkheden ontstaan, die in het meestextreme geval tot sluiting van een fabriekkunnen leiden. Elk produkt wijkt op een be-paald punt af. De producent probeert uiter-aard aannemelijk te maken dat dit niet tenkoste van de veiligheid gaat.De problemen betreffen de opleglengte, deverankeringslengte, de doorkoppeling, deverdeelwapening, de bovenwapening voortoevallige inklemmingsmomenten en dedwarskrachtsterkte. Het vinden van alge-meen aanvaardbare oplossingen zal nog welenig overleg vergen.Relatie CUR-VBIn vele gevallen zal het voor het verkrijgen vaneen redelijk voorschrift noodzakelijk zijn, dataanvullend onderzoek wordt verricht. Devoorschriftencommissie vervult dan ten op-zichte van de onderzoekcommissie min ofmeer de rol van opdrachtgever.Formeel is de relatie niet geregeld.Dit hoeft geen bezwaar te zijn, zoals uit vol-gende anekdote moge blijken:Aan een pastoor werd gevraagd uit te leggenwat het verschil is tussen de hemel en de hel.Voor een pastoor is dit een heel eenvoudigevraag. Hij zei dan ook:'Dit is zeer eenvoudig. Kijk, de hel is een drie-sterren restaurant. Alles is perfect in orde. Detafels zijn magnifiek gedekt en de meestexquise spijzen worden opgediend. Maar desfeer is er om te snijden. En dat komt doormaar ??n probleem. Het bestek is een meterlang en is aan de handen van de gasten vast-gebonden. Wat zij ook doen, zij krijgen geenhap naar binnen. Alle spijzen gaan onaange-roerd terug. Iedereen is triest en ongelukkig.En nu de hemel. Dat is ook een drie-sterrenrestaurant, alles is hetzelfde. De prachtigegedekte tafels, de kwaliteit van de spijzen,zelfs het bestek. Ook daar is het bestek eenmeter lang en aan de handen van de gastenvastgebonden. En toch is de stemming gewel-dig. Iedereen heeft plezier, men lacht en con-verseert en geniet van de spijzen, want watdoet men? Men voert zijn overbuurman'.In de meest ideale situatie zullen de voor-schriften- en de onderzoekcommissies gelijkop werken, zodat de voorschriften kunnenworden gebaseerd op het onderzoek en in hetCUR-rapport de in de voorschriften op tenemen codes of procedures worden toege-licht en gerelativeerd.Resultaten van onderzoek kunnen echter nietzonder meer in de voorschriften worden ver-werkt. Deze worden dan te ingewikkeld en hetbouwen wordt waarschijnlijk zelfs duurder inplaats van goedkoper. De praktijk geeft devoorkeur aan voorschriften, die eenvoudigzijn toe te passen, zowel bij het ontwerp, deberekening als bij de uitvoering en tilt niet zozwaar aan de wetenschappelijke correctheid.Hierdoor komt de voorschriften maker altijd ineen conflictsituatie tussen praktijk en weten-schap. Enerzijds zullen wij dus onderzoek sti-muleren, anderzijds zullen wij de onderzoe-kers frustreren.Ik ben ervan overtuigd, dat in collegiale sa-menwerking oplossingen gevonden kunnenworden die voor ieder bevredigend zijn.Vervolg van blz. 240(Moderne materiaalwetenschappen,fascinerend en uitdagend)Literatuur1. Materials and Man's Needs, Materials Science and Engineering, Summary Report of the >Committee on the Survey of Materials Science and Engineering, National Academy of SciencesWashington, D.C. (1974).2. A.Freudenthal, 'Materialwissenschaft, Materialfestigkeit und Materialstruktur', SchweizerArchiv 37, 315-326(1971).3. Aristoteles, Die Metaphysik I 3.984 a 8, dt. T?bingen (1847/48).4. Vitruvius, De Architectura, liber II, 5.2, dt. Leipzig (1912).5. R. Roy, 'Rational Molecular Engineering of Ceramic Materials', Journal Amer. Cer. Soc. 60,350-363 (1977).6. W.Capelle, Die Vorsokratiker, Alfred Kr?ner Verlag Stuttgart (1953).7. Aristoteles, ?ber das Werden und Vergehen 11.314 a 21, dt. Leipzig (1853).8. F.KIemm, Technik - Eine Geschichte ihrer Probleme, Verlag Karl Alber, Freiburg und M?nchen(1954).9. Galileo Galilei, Discorsi e dimostrazioni matematiche, Leiden (1638).10. F.Schiller, Einleitung der 'Geschichte des Abfalls der Vereinigten Niederlande von der Spanis-chen Regierung', Leipzig (1788).11. T.C.Powers und T.L.Brownyard, 'Studies of the Physical Properties of Hardened PortlandCement Paste' Bulletin 22, Research Laboratories of the Portland Cement Association (1948).12. T.C.Powers, 'The Thermodynamics of Volume Change and Creep' Mat. et Struct. 1,487 (1968).13. R.F.Feldman und P.I.Sereda, 'A Model for Hydrated Portland Cement Paste as Deduced fromSorption Length Change and Mechanical Properties' Mat. et Constr. 1, 509 (1968).14. F.H.Wittmann, 'Grundlagen eines Modells zur Beschreibung charakteristischer Eigenschaftendes Betons' Deutscher Ausschu? f?r Stahlbeton, Schriftenreihe Heft 290 (1977).15. F.H.Wittmann und J.Zaitsev, 'Verformung und Bruchvorgang por?ser Baustoffe bei kurzeitigerBelastung und Dauerlast', Deutscher Ausschlu? f?r Stahlbeton, Schriftenreihe Heft232(1974).16. J.W.Zaitsev und F.H.Wittmann 'Crack Propagation in a Two-Phase Material such as concrete',Proc. Int. Conf. on Fracture 4, Waterloo, Vol. 3, 1197 (1977).17. J.E.Gordon, The New Science of Strong Materials or Why You Don't Fall Through the Floor,Pelican Book A 920 (1968).18. A.Pugsley, 'The Safety of Bridges', The Structural Engineer 46 (1968).Cement XXXI (1979) nr. 6 262