PENGARUH KADAR PENAMBAHAN ABU AMPAS TEBU TERHADAP SIFAT FISIS MEKANIS DAN POTENSI PENGEMBANGAN TANAH LEMPUNG EKPANSIF

Transkripsi

1 PENGARUH KADAR PENAMBAHAN ABU AMPAS TEBU TERHADAP SIFAT FISIS MEKANIS DAN POTENSI PENGEMBANGAN TANAH LEMPUNG EKPANSIF Teguh Widodo 1 dan Hikmat Triana 2 1 Program Studi Teknik Sipil, Universitas Janabadra Yogyakarta, Jl. Tentara Rakyat Mataram 55 Yogyakarta elingmuhammad@yahoo.com 2 Program Studi Teknik Sipil, Universitas Janabadra Yogyakarta, Jl. Tentara Rakyat Mataram 55 Yogyakarta h_triana@yahoo.com ABSTRAK Stabilisasi tanah lempung secara kimiawi dilakukan dengan cara mencampur tanah lempung dengan bahan-bahan kimia seperti kapur, semen, abu terbang (fly ash) dan bahan-bahan kimia tambahan lain yang bertujuan memperbaiki sifat fisis dan mekanis tanah lempung. Abu ampas tebu (AAT) mengandung silikat, ferat, dan aluminat yang dapat mempercepat proses posolanisasi pada tanah lempung sehingga berpotensi digunakan sebagai bahan stabilisasi tanah lempung. Makalah ini menyajikan pengaruh kadar penambahan AAT pada nilai kadar air optimum, kepadatan maksimum, CBR terendam/tidak terendam, kuat tekan bebas dan indeks plastisitas tanah lempung ekpansif. Kadar penambahan AAT optimum diperoleh dengam cara memvariasi kadar penambahan AAT 0%, 5%, 10%, 15% dan 20% berat tanah kering. Uji berat jenis, batas-batas atterberg dan distribusi ukuran butir dilakukan terhadap tanah lempung yang berasal dari Perumahan Karang Jati, Kecamatan Kasihan-Kasongan, Kabupaten Bantul, Yogyakarta. Hasil penelitian menunjukkan tanah uji merupakan tanah lempung berplastisitas tinggi dengan potensi pengembangan 35,18 %, kadar air optimum (OMC) 19,500 %, berat isi kering maksimum 1,448 gr/cm 3 ; CBR tanpa rendaman 12,125 %, nilai CBR rendaman 3,75%; dan kuat tekan bebas, qu 2,090 kg/m 2. Kadar penambahan AAT optimum adalah 15%. Peningkatan nilai CBR terendam, CBR tidak terendam dan kuat tekan bebas pada kadar penambahan AAT 15 % adalah: 217 %, 16,9 % dan 29,6 %. Hasil penelitian juga menunjukkan semakin besar kadar penambahan AAT mengakibatkan penurunan potensi pengembangan dan kepadatan maksimum, serta peningkatan nilai kadar air optimum. Kata kunci: Kadar penambahan AAT, nilai CBR, kuat tekan bebas 1. PENDAHULUAN Latar belakang Tanah lempung adalah tanah dengan kandungan partikel halus dan nilai indeks plastisitas tinggi. Plastisitas tanah lempung diakibatkan adanya mineral lempung yang bersifat mengikat air. Beberapa mineral yang diklasifikasikan sebagai mineral lempung yakni: montmorillonite, illite, kaolinite, dan polygorskite (Hardiyatmo, 2002). Secara teknis tanah lempung memiliki daya dukung rendah, penurunan besar dan kembang-susut tinggi. Stabilisasi tanah lempung dilakukan untuk meningkatkan daya dukung, mengurangi penurunan dan sifat kembangsusut. Stabilisasi tanah dapat dilakukan menggunakan metode: 1) mekanis/pemadatan 2) fisis/perbaikan gradasi, dan 3) stabilisasi kimiawi. Bahan sering digunakan dalam stabilisasi kimiawi adalah abu terbang (fly ash), abu vulkanis, kapur, abu sekam padi, portland cement. Abu ampas tebu (AAT) memiliki potensi sebagai bahan stabilisasi kimia karena mengandung silikat, ferat, dan aluminat yang dapat mempercepat proses posolanisasi pada tanah lempung. Makalah ini menyajikan hasil penelitian pengaruh kadar penambahan AAT pada nilai kadar air optimum, kepadatan maksimum, CBR terendam/tidak terendam, kuat tekan bebas, indeks plastisitas dan potensi pengembangan tanah lempung ekpansif. Tujuan penelitian ini adalah: 1) mengetahui potensi AAT sebagai bahan stabilisasi tanah lempung ekpansif ditinjau dari kuat geser tanah, niali CBR, dan potensi pengembangan, dan 2) mengetahui kadar penambahan AAT optimum. Tanah lempung Tanah lempung merupakan pertikel-pertikel berukuran mikroskopis sampai submikroskopis yang berasal dari pelapukan kimiawi unsur-unsur penyusun batuan. Bentuknya berupa lempengan-lempengan pipih dan merupakan partikel-partikel dari mika, mineral lempung, dan mineral-mineral lainnya. Tanah lempung sangat keras dalam keadaan kering dan bersifat plastis pada keadaan kadar air sedang. Pada keadaan kadar air lebih tinggi, lempung SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 G-65

2 bersifat lengket/kohesi dan sangat lunak. (Das, 1988). Unsur-unsur penyusun tanah lempung memiliki beberapa variasi kandungan yang berbeda menurut butiran (grained) dan jenis unsurnya (Tabel 1). Tabel 1. Unsur-unsur penyusun tanah lempung (Pettijohn dalam Suryandini, 2000) Lempung Kasar (%) Lempung Halus (%) SiO 2 48,07 40,61 TiO 2 0,89 0,79 Al 2 O 3 18,83 18,91 FeO 6,91 7,42 MgO 3,56 3,29 CaO 4,98 6,24 Na 2 O 1,17 1,19 K 2 O 2,56 2,62 Lain-lain 10,91 12,51 Menurut Terssier dalam Wahyudi (2002) ditinjau dari tingkatan mikro organisasi antar partikel lempung, mikrostruktur partikel lempung dapat diklasifikasikan menjadi empat tingkatan yaitu: 1. Struktur primer, merupakan struktur dasar yang terdiri dari satu lembaran (layer, feuillet) dan ruang interlayer dengan ketebalan total disebut d 001. Gambar 1. menunjukkan perbedaan secara skematis struktur mineral kaolinite, montmorillonite dan illite (Michel, 1993). Mineral kaolinite terdiri dari 1 lapis silica tetrahedron (Si) dan 1 lapis aluminium octahedron (Al) atau umum disebut mineral tipe 1:1, mempunyai d 001 = 7,2 Angstrong (=7,2 x 10-7 mm). Molekul air tidak dapat memasuki ruang interlayer mineral kaolinite sehingga termasuk dalam non expanding lattice. Sedangkan mineral monmorillonite terdiri dari 2 lapis Si dan 1 lapis Al (disebut mineral tipe 2:1), mempunyai d 001 = 9,6 Angstrong (= 9,6 x 10-7 mm). Molekul air dapat memasuki ruang interlayer mineral monmorillonite sehingga termasuk dalam expanding lattice. Mineral illite mempunyai struktur dasar yang sama dengan monmorillonite namun terdapat ion potassium (K) yang bersifat tetap (fixed) pada ruang interlayer sehingga air tidak mampu masuk dan bersifat non expanding lattice. 2. Struktur sekunder, merupakan gabungan dari beberapa lembaran yang bermineral sama (d 001 = konstan) dan sering disebut kristalit. 3. Struktur tersier (gambar 2.) merupakan gabungan dari beberapa kristalit, yang terdiri dari layer atau lebih umum disebut sebagai sebuah partikel. Dalam mekanika tanah dimensi sebuah partikel lempung didefinisikan < 0,002 mm (MIT, USDA, AASHTO). 4. Struktur quartener (gambar 2.), merupakan gabungan dari beberapa partikel dan umum disebut dengan sebuah agregat. Tanah yang bisa dilihat secara visual umumnya merupakan gabungan dari beberapa agregat. Gambar 1. Diagram skemetis struktur mineral A) kaolinite, B) monmorillonite, dan C) Illite. (Michell, 1993) G-66 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5

3 Gambar 2. Tipe mikropori dan klasifikasi struktur lempung (Tessier dalam Wahyudi, 2002) Mikropori diklasifikasikan berdasarkan mikrostruktur atau tingkatan mikroorganisasi partikel-partikel tersebut (gambar 2.) yaitu: 1. Mikropori intraparticulaire, yaitu merupakan gabungan antara mikropori interlayer dan lenticulaire, yang terdapat dalam sebuah kristalit atau partikel. 2. Mikropori interparticulaire, adalah pori-pori yang terletak diantara partikel-partikel dalam sebuah aggregate. 3. Ruang interagregate, terdapat diantara agregate-agegate yang berdiameter relatif besar. Air tanah yang dapat dilihat secara visual terletak di dalam pori inter aggregate ini. Permasalahan tanah lempung tidak hanya terbatas pada penurunan (settlement) saja, tetapi mencakup secara menyeluruh, seperti adanya pengembangan (swelling) dan penyusutan (shrinkage) tanah. Sebenarnya pengembangan dan penyusutan merupakan peristiwa lazim yang terjadi pada semua jenis tanah. Hanya untuk tanah lempung peristiwa ini membutuhkan perhatian yang lebih besar, karena efek yang terjadi banyak merugikan konstruksi di atasnya. Mekanismenya adalah adanya proses tanah lempung pada saat kering banyak menyerap air yang mengakibatkan mengembang dan saat melepaskan air terjadi penysusutan yang besar. Penyerapan air yang besar pada lempung diakibatkan oleh mineral lempung yang mampu menyerap air dalam jumlah besar dan strukturnya yang bertingkat. Seed dkk (1962) mendefinisikan potensi pengembangan sebagai prosentase pengembangan kearah vertikal pada kondisi direndam atau dijenuhkan terlebih dahulu dengan dipadatkan, dengan kadar air optimum sehingga mencapai kepadatan maksimum. Menurut Seed dkk (1962) potensi pengembangan memiliki hubungan dengan indeks plastisitas tanah sesuai persamaan berikut ini. 2,44 S 60K ( PI ) (1) dengan S adalah potensi pengembangan, PI adalah Indeks Plastisitas dan K adalah konstanta = 3,6 x Untuk menggambarkan kemampuan mengembang Seed at al membuat klasifikasi seperti terlihat pada Tabel 2 di bawah ini. Abu ampas tebu Tabel 2. Hubungan antara derajat ekspansi dengan potensi pengembangan DERAJAT EKSPANSI Rendah Sedang Tinggi Sangat Tinggi POTENSI PENGEMBANGAN 0-1,5 1,5-5,0 5,0-25 > 25 Ampas tebu adalah sisa-sisa tebu yang telah diperah memakai alat Unigator Mark IV digabung dengan gilingan tiga rol ukuran 36 x 84, dengan penambahan air sebanyak 25% dari tebu untuk diambil cairnya yang mengandung nira (nira mentah). Ampas yang beratnya sekitar 30% tebu digunakan sebagai bahan bakar ketel Air New Mark 10 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 G-67

4 ton/jam dan ketel Cheng Cen 40 ton/jam dengan suhu pembakaran antara 600 o C sampai 700 o C. Uap yang dihasilkan digunakan untuk menggerakan turbin, mesin uap dan pompa-pompa. Uap bekasnya digunakan untuk memanaskan dan menguapkan nira dalam pan penguapan dan masakan. Abu ampas tebu (AAT) adalah abu sisa pembakaran ampas tebu yang dihasilkan adalah dari bawah tungku ketel (bottom ash), atau di atas tungku ketel adalah (fly ash). Abu ampas yang dipakai dalam penelitian ini adalah berupa Ash Bagasse. AAT memiliki komposisi kimia SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, CaO dan MgO yang berpotensi sebagai bahan pozolan. Hasil pengujian komposisi kimia, abu ampas tebu Pabrik Gula Madukismo Yogyakarta menunjukan prosentase kimia seperti dapat dilihat dalam Tabel 3 di bawah ini. Tabel 3. Unsur-unsur kimia abu ampas tebu Pabrik Gula Madukismo Yogyakarta (Hatmoko, T.J, & Lulie, Y, 2007) 2. METODOLOGI PENELITIAN UNSUR KIMIA BESAR KANDUNGAN UNSUR (%) SiO 2 48 Al 2 O 3 19 Fe 2 O 3 10 CaO 4,5 MgO 2,05 Na 2 O 3 1,3 K 2 O 0,20 H 2 O 0,00 HP 18,9 Penelitian ini dibagi dalam dua tahap yaitu: 1) penelitian awal, dan 2) penelitian lanjutan. Penelitian awal bertujan untuk memastikan tanah lempung yang berasal dari Perumahan Karangjati II, Kecamatan Kasihan, Kabupaten Bantul adalah tanah lempung ekpansif. Penelitian lanjutan bertujuan untuk mengetahui sifat-sifat mekanis campuran tanah-aat. Penelitian awal meliputi: 1) Uji saringan dan hidrometer. 2) Uji indeks properties berupa: berat jenis, kadar air dan batas-batas atterberg, 3) Penentuantuan potensi mengembang tanah asli berdasarkan persamaan 1. 4) Uji kadar air dan berat jenis AAT. Penelitian lanjutan meliputi: 1) Uji batas-batas Atterberg tanah+aat untuk mendapatkan nilai indeks plastisitas masing-masing variasi campuran tanah+aat. Selanjutnya nilai potensi mengembang dihitung berdasarkan persamaan 1. Variasi AAT yang digunakan adalah 5, 10, 15, dan 20 % berat kering tanah. 2) Uji pemadatan standard Proctor untuk masing-masing variasi campuran tanah+aat. Uji ini dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh kadar penambahan AAT pada kadar air optimum dan berat volue kering maksimum. 3) Uji tekan bebas untuk masing-masing variasi campuran tanah+aat. Uji ini dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh kadar penambahan AAT padanilai kuat tekan bebas. 4) Uji california bearing ratio, CBR, untuk masing-masing variasi campuran tanah+aat. Uji ini dilakukan pada kondisi terendam/tidak terendam air dan dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh kadar penambahan AAT pada nilai CBR kondisi terendam/tidak terendam air. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil uji saringan, hydrometer dan indeks properties tanah lempung dari Perumahan Karangjati II, Kecamatan Kasihan, Kabupaten Bantul tercantum dalam Tabel 4. Tanah memiliki potensi pengembangan yang dihitung berdasarkan persamaan 1 sebesar 35,18 % sehingga termasuk tanah dengan potensi pengembangan sangat tinggi. Plot batas cair dan indeks plastisitas pada diagram plastisitas klasifikasi tanah USCS seperti terlihat dalam gambar 3 menunjukkan bahwa tanah termasuk lempung berplastisitas tinggi. Berdasarkan ke dua hal tersebut di atas maka dapat disimpulkan bahwa tanah lempung dari Perumahan Karangjati II, Kecamatan Kasihan, Kabupaten Bantul adalah tanah lempung ekpansif. Hasil uji kadar air dan berat jenis AAT dari Pabrik Gula Madukismo Yogyakarta dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 4. Karakteristik Tanah Asli Pemeriksaan Nilai Persen lolos saringan #200 77,32 % Persen butiran butiran lempung 6,73 % G-68 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5

5 Kadar air alami 40,09 % Kadar air setelah dikeringkan 8,86 % Berat jenis tanah (Gs) 2,55 Batas cair (LL) 73,0 % Batas plastis (PL) 19,77 % Indeks plastisitas (PI) 53,23 % Aktifitas 6,9 Potensi pengembangan, S 35,18 % Tabel 5. Karakteristik Tanah Asli Pemeriksaan Nilai Kadar air 2,07 % Berat jenis (Gs) 1,89 Gambar 3. Plot indeks properties pada diagram plastisitas Berat jenis, Gs campuran tanah-aat mengalami penurunan seiring penambahan kadar AAT sebagaimana terlihat pada Tabel 6. Penurunan berat jenis ini diakibatkan oleh berat jenis AAT (1,89) yang lebih kecil dari berat jenis tanah lempung (2,55) sehingga makin banyak penambahan AAT berat jenis campuran tanah-aat makin mendekati berat jenis AAT. Penambahan AAT juga mengakibatkan nilai indeks plastisitas turun. Semakin besar penambahan AAT maka indeks plastisitas dan potensi pengembangan tanah makin kecil (Tabel 7). Penurunan nilai indeks plastisitas ini menunjukkan peran AAT dalam meminimalkan pengaruh air pada perilaku tanah lempung ekpansif. Tabel 6. Pengaruh kadar penambahan AAT terhadap berat jenis (Gs) Variasi campuran Lempung + AAT 0% Lempung + AAT 5% Lempung + AAT 10% Lempung + AAT 15% Lempung + AAT 20% Berat Jenis (Gs) 2,55 gr/cm 3 2,29 gr/cm 3 2,33 gr/cm 3 2,34 gr/cm 3 2,29 gr/cm 3 Tabel 7. Pengaruh kadar penambahan AAT terhadap berat jenis (Gs) Variasi campuran LL (%) (PL) (%) PI (%) S (%) Lempung + AAT 0% Lempung + AAT 5% Lempung + AAT 10% Lempung + AAT 15% Lempung + AAT 20% 73 64, ,9 63,5 19,77 26,67 26,51 26,53 26,54 53,23 38,13 38,49 38,37 36, Hasil uji pemadatan standard Proctor menunjukkan bahwa kadar air optimum meningkat seiring penambahan AAT. Peningkatan kadar air optimum ini disebabkan oleh campuran tanah-aat membutuhkan air lebih banyak untuk mencapai tingkat kemudahan dipadatkan yang sama dengan tanah asli. Hasil uji pemadatan standard Proctor juga menunjukkan bahwa berat kering maksimal tanah mengalami penurunan pada penambahan AAT. Penurunan berat kering maksimal ini lebih disebabkan oleh penurunan berat jenis tanah dan bukan menunjukkan penurunan tingkat kepadatan tanah. SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 G-69

6 Hasil uji CBR menunjukkan bahwa nilai CBR tidak terendam meningkat secara kurang signifikan. Nilai CBR tak terendam tanah asli 12,13 % menjadi 14,18 % pada kadar AAT 15 %. Hal yang sama juga ditunjukkan oleh hasil uji tekan bebas. Nilai UCS tanah asli 2,09 kg/cm 2 menjadi 2,71 kg/cm 2 pada kadar AAT 15 %. Peningkatan nilai CBR tidak terendam dan UCS yang kurang signifikan menunjukkan reaksi pertukaran ion positif (kation) yang ada di dalam lempung (Na+ dan K+) oleh ion-ion yang ada di dalam abu ampas tebu (Ca++ dan Mg++) maupun reaksi pozolan kurang optimal. Hasil uji CBR pada kondisi terendam air menunjukkan nilai CBR terendam air meningkat secara signifikan. Nilai CBR terendam tanah asli 3,75 % meningkat menjadi 12,8 % pada kadar AAT 15 %. Hal ini disebabkan oleh penambahan AAT mampu menekan tingkat pengembangan tanah pada kondisi terendam air sehingga nilai CBR terendam campuran tanah-aat tidak beda jauh dengan nilai CBR tidak terendam. Berdasarkan hasil uji CBR dan tekan bebas peningkatan nilai CBR tidak terendam, CBR terendam dan UCS mencapai optimum pada kadar penambahan AAT 15 %. Gambar 5.1. Pengaruh kadarpenambahan AAT terhadap nilai kadar air optimum. Gambar 5.1. Pengaruh kadarpenambahan AAT terhadap berat kering maksimal. Gambar 5.1. Pengaruh kadarpenambahan AAT terhadap nilai UCS. G-70 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5

7 4. KESIMPULAN Gambar 5.1. Pengaruh kadar penambahan AAT terhadap nilai CBR terendam/tidak. 1. Penambahan kadar AAT akan meningkatkan kadar air optimum dan menurunkan nilai berat volume kering maksimum. Namun demikian penurunan berat volume kering maksimum lebih diakibatkan oleh penurunan berat jenis campuran tanah-aat. 2. Nilai UCS meningkat seiring penambahan kadar AAT dan mencapai optimum pada kadar AAT 15 %. UCS tanah asli 2,09 kg/cm 2 meningkat menjadi 2,71 kg/cm 2 pada kadar AAT 15 %. Peningkatan nilai UCS ini kurang signifikan karena hanya mengalami kenaikan 29,6 %. 3. Nilai CBR tidak terendam meningkat seiring penambahan kadar AAT dan mencapai optimum pada kadar AAT 15 %. CBR tidak terendam tanah asli 12,13 % meningkat menjadi 14,18 % pada kadar AAT 15 %. Peningkatan nilai CBR tidak terendam ini kurang signifikan karena hanya mengalami kenaikan 16,9 %. 4. Nilai CBR terendam meningkat seiring penambahan kadar AAT dan mencapai optimum pada kadar AAT 15 %. CBR terendam tanah asli 3,75 % meningkat menjadi 12,8 % pada kadar AAT 15 %. Peningkatan nilai CBR terendam ini kurang signifikan karena kenaikan mencapai 217 %. DAFTAR PUSTAKA Das, B.M., (1988). Mekanika Tanah (Prinsip-prinsip Rekayasa Geoteknik ) Jilid 1 Alih bahasa Noor Endah dan Idrasurya B. Mochtar. Penerbit Erlangga, Jakarta. Hardiyatmo, H.C. (2002), Mekanika Tanah I, edisi 3, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta Hatmoko, T.J, & Lulie, Y., (2007), UCS Tanah Lempung Ekpansif yang Distabilisasi dengan Ampas Tebu dan Pasir, Jurnal Teknik Sipil Vol 8, Mittchell, J.K., (1993), Fundamental of Soil Behavior, John Wiley & Sons, Inc New York. Seed, H. B., Woodward, R.J., dan Lundgren, R., (1962), Prediction of Swelling Potential for Compacted Clays, Journal of the Soil Machanics and Foundation Division, ASCE Suryandhini, F., (2000). Pengaruh Variasi Penambahan Abu Ampas Tebu (Bagasse Ash) Terhadap Kemampuan Pengembangan Tanah Lempung Ekspansif Tugas Akhir, FT.TS. UGM. Wahyudi, H., 2002, Swelling Soil Ditinjau dari Aspek Mikroskopis, Seminar tentang Perkembangan Terkini dalam Pemecahan Masalah-masalah Geoteknik di Indonesia, HATTI, Surabaya SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 G-71

8 G-72 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5