TUGAS AKHIR KAJIAN TENTANG APLIKASI SERAT SINTETIS DAN SERAT ALAMI UNTUK CAMPURAN BETON

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR KAJIAN TENTANG APLIKASI SERAT SINTETIS DAN SERAT ALAMI UNTUK CAMPURAN BETON Diajukan Sebagai Syarat Untuk Menyelesaikan Pendidikan Tingkat Sarjana Strata 1 (S-1) Pada Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Katolik Soegijapranata Disusun Oleh : SITO RESMI FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA SEMARANG 2008

2 Kalian Tentang Aplikasi Serat Sintetis dan Serat Alami Untuk Campuran Beton KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur kami haturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat serta kehendak-nya, kami dapat menyelesaikan Laporan yang berjudul: Kajian Tentang Aplikasi Serat Sintetis dan Serat Alami Untuk Campuran Beton. Adapun maksud dan tujuan dari penyusunan Proposal ini adalah untuk memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan ( S-1 ) pada Fakultas Teknik Program Studi Teknik Sipil Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Penyelesaian laporan ini, tidak sedikit bantuan moril dan materiil yang kami terima, dan pada kesempatan ini kami ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada 1. Dr. Rr. MI Retno. Susilorini, ST., MT Selaku Dekan Fakultas Teknik Program Studi Teknik Sipil Universitas Katolik Soegijapranata serta Pembimbing.. 2. Kedua orang tua saya yang telah memberi doa, cinta dan kasih sayangnya 3. Kakak dan adik-adik saya, terimakasih atas doa dan dorongan semangatnya 4. Suamiku Riono Abdi, terimakasih atas bantuan, doa, cinta dan perhatianmu selama ini.. 5. Seluruh dosen Fakultas Teknik Sipil Universitas Katolik Soegijapranata Semarang, terima kasih atas segala ilmu yang telah diberikan dan karyawan TU Fakultas Teknik Sipil Universitas Katolik Soegijapranata Semarang yang turut membantu dalam hal adminstrasi 6. Seluruh teman-teman Teknik Sipil Universitas Katolik Soegijapranata angkatan dan semua pihak yang terkait yang tidak dapat kami sebutkan satu per satu Semua pihak yang terkait yang tidak dapat kami sebutkan satu per satu. Kami sepenuhnya menyadari bahwa Laporan ini masih jauh dari kesempurnaan baik dari segi materi maupun dalam hal melakukan analisis. iii

3 Kalian Tentang Aplikasi Serat Sintetis dan Serat Alami Untuk Campuran Beton Oleh karena itu, segala kritik dan saran yang membangun yang berkenaan dengan laporan ini akan kami terima dengan senang hati. Akhir kata kami berharap semoga Laporan ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkannya. Semarang, September 2008 Penulis iv

4 Kalian Tentang Aplikasi Serat Sintetis dan Serat Alami Untuk Campuran Beton DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... i KARTU ASISTENSI... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... viii BAB I PENDAHULUAN... Error! Bookmark not defined. 1.1 Latar Belakang... Error! Bookmark not defined. 1.2 Perumusan masalah Batasan Masalah Tujuan Studi Literatur... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Uraian Umum Beton Bahan Dasar Semen Agregat Air... Error! Bookmark not defined. 2.3 Beton Serat Pengertian Serat Serat Sintetis Serat Acrylic Serat Aramid Serat Karbon Serat Nylon Serat Polyester Serat Polythylene Serat Polypropylene v

5 Kalian Tentang Aplikasi Serat Sintetis dan Serat Alami Untuk Campuran Beton Serat Alami Ampas Tebu Kayu Bambu Serat Kelapa Serat Rami dam Serat Tumbuhan Lain Serat Goni Serat Sisal Pengertian Beton atau KSB (Komposit Sementitis Berserat) Alami Kinerja Zona Antar Muka (ZTA) Matriks Serat Kinerja Mikro Dari Zona Transisi Antar Muka (ZTA) Kinerja Serat Makro BAB III METODOLOGI PENELITIAN... Error! Bookmark not defined. 3.1 Diagram Alir penelitian... Error! Bookmark not defined. 3.2 Jalannya Penelitian... Error! Bookmark not defined. BAB IV PEMBAHASAN Sifat-Sifat atau Properties Serat Interaksi Serat dengan Matriks Tak Retak Homogen Interaksi Serat dalam Matriks yang Retak Teknik Eksperimen untuk Mengevaluasi Ikatan Serat matriks Serat Getas Dalam Matriks Daktail Cabut serat fraktur Kinerja Beton Serat dan Komposit Sementitis dengan Serat Sintetis Kinerja Serat Alami Pemetaan (Mapping)... Error! Bookmark not defined. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... Error! Bookmark not defined. 5.1 Kesimpulan... Error! Bookmark not defined. 5.2 Saran... Error! Bookmark not defined. DAFTAR PUSTAKA vi

6 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 : Deskripsi permasalahan cabut-serat Gambar 2.2 : Karakteristik tegangan-regangan tarik pada bahan sementitis Gambar 2.3 : Struktur ZTA pada serat mikro baja Gambar 3.1 : Diagram alir penelitian Gambar 4.1 : Interaksi serat matriks, matriks tak retak: (a) matriks tanpa pembebanan ; (b) tegangan ; (c) kompresi 28 Gambar 4.2 : Interaksi serat-matriks, matriks tak retak Gambar 4.3 : Pengaturan (setup) uji tarik serat tipikal serat tunggal atau ganda Untuk panjangnya penanaman pendek atau panjang Gambar 4.4 : Hubungan antara tipe serat pull out dan load-sip Gambar 4.5 : Kurva tegangan-regangan untuk serat dengan matriks yang Mudah Dibentuk (ductile) Gambar 4.6 : Masalah cabut-serat Gambar 4.7 : Kurva tegangan-regangan untuk serat dengan matriks rapuh Gambar 4.8 : Relasi tegangan-regangan untuk material polimer thermoplastic. 39 Gambar 4.9 : Diagram alur pemetaan viii

7 DAFTAR TABEL Tabel : Perkiraan komposisi oksida semen portland... 5 Tabel : Batas Gradasi Agregat Halus... 6 Tabel 2.4 : Sifat dan Jenis Serat Sintetis Tabel : Sifat dan Jenis Serat Sintetis Tabel : Sifat-sifat Serat Alami Tabel 4.1 : Hasil Uji Tarik Tipikal Tabel 4.2 : Spesifikasi Serat Kain Polyester Tabel 4.3 : Kinerja Beberapa Serat Alami Tabel 4.4 : Variasi Optimal Kuat Tarik Belah Beton Serat Dari Berbagai Jenis Serat Tabel 4.5 : Mapping Kinerja Beton Serat vii

8 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Serat memegang peranan penting dalam komposit karena turut menentukan kinerja komposit secara keseluruhan, karena ide untuk memperkuat bahan getas (brittle material) telah dilakukan sejak jaman Mesir purba antara lain dengan menambahkan serat tumbuhan atau surai kuda pada adukan bata (Toledo Filho, et. al, 2004). Beton serat sendiri adalah bahan yang terbuat dari campuran semen hidrolis dengan agregat halus dan agregat kasar dengan tambahan potongan serat (ACI Committee 544. IR-82, 1982). Penambahan serat di dalam adukan beton, diharapkan akan menurunkan kelecakan adukan secara cepat, sejalan dengan pertambahan konsentrasi serat dan aspek ratio serat (perbandingan antara panjang serat dan diameter serat) (Sudarmoko, 1993). Pada dasarnya prinsip dari beton serat adalah menulangi beton dengan serat yang disebarkan secara merata dalam adukan beton dengan orientasi random, sehingga mencegah terjadinya retakan-retakan beton yang terlalu dini akibat pembebanan (Soroushin dan Bayasi, 1997, dalam Suhendro, 2000). Perkembangan beton serat dimulai pada era kontruksi perumahan. Sebagai gambaran, Cina dan Jepang juga mulai menggunakan serat tumbuhan sebagai perkuatan (Li, 2002). Pada era modern, perkembangan penambahan serat anorganik pada beton dimulai sekitar tahun 1960-an dengan aplikasi serat baja lurus (Balaguru dan Shah, 1992; Li, 202). Aplikasi serat baja lurus menunjukkan kinerja keliatan 1

9 2 fraktur kuat lentur, daktilitas, dan absorpsi energi (Balaguru dan Shah 1992). Pada tahun 1970-an, serat polimer sintetis mulai digunakan secara komersial dengan tujuan antara lain sebagai kontrol retak awal, diikuti dengan serat kaca yang tahan terhadap alkali pada tahun an, dan serat karbon mulai digunakan pada awal tahun 1990-an. Dalam hal ini, serat karbon memiliki kuat tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi dibandingkan serat polimer sintetis (Balaguru dan Shah, 1992; Li, 2002a,b). Penambahan serat untuk campuran beton atau komposit sementitis dilakukan seiring perkembangan teknologi serat anorganik, sedangkan inovasi serat organik atau serat alami (natural fiber) menjadi salah satu pilihan karena ketersediaanya dapat diperbaharui, relatif murah, dan diproduksi dengan teknologi terkini (Mohr, et. al,2004). Menimbang perkembangan teknologi aplikasi serat pada elemen struktur, perlu adanya kajian yang lebih mendalam tentang sifat-sifat (properties) serat pada campuran beton atau komposit sementitis serta kinerja beton atau komposit sementitis berserat sintetis dan alami agar diperoleh pemahaman yang baik dan saran-saran untuk perkembangan teknologi beton atau komposit sementitis berserat dimasa mendatang. 1.2 Perumusan Masalah Untuk memperoleh pemahaman yang baik tentang beton atau komposit sementitis berserat maka perlu diketahui : a. Bagaimana sifat-sifat (properties) serat dalam campuran beton berserat, dan komposit sementitis berserat sintetis dan alami? b. Bagaimana kinerja campuran beton dan komposit sementitis berserat sintetis dan alami?

10 3 1.3 Batasan Masalah Pembatasan masalah mengenai kajian tentang aplikasi serat sintetis dan serat alami untuk campuran beton agar dapat terarah sesuai dengan tujuan yang diharapkan, maka digunakan batasan masalah sebagai berikut: 1. Kajian dititikberatkan pada sifat-sifat (properties) serat pada campuran beton berserat, serta komposit sementitis berserat sintetis dan alami. 2. Pustaka yang dikaji dalam tugas akhir ini meliputi topik-topik sebagai berikut: a. Sifat-sifat (properties) serat : Nadai (1950), Hummel (1998), Balaguru dan Shah (1992), Bentur, et, al (2003), Li dan Stang (1997), Martinez-Barrera (2006). b. Kinerja beton serat dan komposit sementitis berserat sintetis : Wang, Li dan Becker (1990), Susilorini (2007a, 2007b, 2007c, 2007d, 2008a), Balaguru dan Shah (1992). c. Kinerja beton berserat alami : Susilorini, et, al (2003). 1.4 Tujuan Studi Pustaka Tujuan studi pustaka ini antara lain: 1. Mengkaji sifat-sifat (properties) serat pada campuran beton atau komposit sementitis Cementitious Composites serta kinerja beton dan komposit sementitis berserat sintetis dan alami dengan mengkaji artikel pada jurnal, makalah, dan buku-buku teks yang relevan. 2. Melakukan pemetaan (mapping) kinerja beton berserat, dan komposit sementitis berserat sintetis dan alami.

11 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Uraian Umum Beton merupakan bahan campuran yang terdiri dari agregat kasar dan halus yang dicampur dengan air dan semen sebagai bahan pengikat dan pengisi antara agregat kasar dan halus, dan kadang-kadang ditambah dengan bahan tambahan bila diperlukan (Neville, 1981). Beton mempunyai kuat desak yang besar, tetapi kuat tariknya relatif rendah, sehingga beton mudah retak (Park dan Paulay, 1975). Salah satu usaha untuk memecahkan masalah tersebut adalah dengan menambahkan serat ke dalam adukan beton (Susilorini dan Suwarno,2001). Beberapa tahun terakhir ini, beton serat makin banyak diminati, dan saat ini ada banyak penelitian tentang beton yang sedang dilakukan. Bahan serat yang digunakan dari baja, plastik, kaca, dan lain-lain. Berbagai eksperimen telah menunjukkan bahwa penambahan serat seperti ini dalam jumlah yang memadai yakni sekitar 1-5% ke dalam beton konvensional (Balaguru dan Shah, 1992), sehingga dapat meningkatkan kuat tarik beton secara signifikan (Sudarmoko, 1993). 2.2 Beton Bahan dasar Bahan dasar beton terdiri atas semen, agregat, air, dan bahan tambah bila diperlukan (SKSNI T ). Perbandingan tersebut mengacu pada standar American Concrete Institute (ACI), atau Road Note No.4 yang diperbarui dengan The British Mix Design Method atau lebih dikenal dengan Departemen Of Environment (DOE), atau campuran coba-coba (Tjokrodimuljo, 1996). Kajian mengenai bahan dasar beton akan disajikan sebagai berikut: 4

12 Semen Tabel Perkiraan komposisi oksida semen portland Sumber : Neville, 1981 Oksidasi Jumlah ( % ) CaO SiO Al 2 O Fe 2 O 3 0,5 6.0 MgO 0,1 4.0 Alkali ( K 2 O + Na2O) 0,2 1,3 SO Bahan dasar semen ialah batu kapur dan tanah liat dari alam yang memiliki berbagai oksida (Neville, 1981). Standar Industri Indonesia (SII) mendefinisikan bahwa semen portland ialah semen hidrolis, dibuat dengan menghaluskan klinker yang mengandung silikat kalsium (bersifat hidrolis), dan gips. Semen terdiri dari 4 senyawa pokok, yaitu : (a) trikalsium silikat (3 CaO.SiO 2 ) atau C 3 S, (b) dikalsium silikat (2 CaO.SiO 2 ) atau C 2 S, (c) trikalsium aluminat (3 CaO.Al 2 O 3 ) atau C 3 A, (d) tetrakalsium aluminoferit (4 CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 ) atau C 4 AF. Kalsium silikat bereaksi dengan air menghasilkan kalsium silikat hidrat (calsium silicate hydrate atau C-S-H) dan kalsium hidroksida. 2 (3 CaO.SiO 2 ) + 6 H 2 O 3 CaO.SiO 2.3 H 2 O + 3Ca (OH) 2 2 (2 CaO.SiO 2 ) + 4 H 2 O 3 CaO.2 SiO 2.2 H 2 O + Ca (OH) 2 C-S-H padat berongga yang belum sempurna disebut tobermorite. Jumlah tobermorite gel 70% dari semen. Ca (OH) 2 bersifat basa kuat (ph=12,5), sehingga mencegah korosi baja tulangan dalam beton. Reaksi C 3 A dengan air, diikuti dengan kenaikan kuat tekan pasta (flash set), hidrasi C 3 A menghasilkan kalsium sulpho

13 6 aluminat dan kalsium aluminat hidrat. Reaksi C 3 A dengan gypsum (CaSO 4.2H 2 O) menghasilkan kalsium sulfo aluminat (3CaO.Al 2 O 3 ) berbentuk kristal jarum atau ettringate, reaksi tersebut akhirnya menghasilkan kalsium aluminat hidrat berbentuk kristal kubus Agregat Jumlah agregat dalam beton 60-80% dari volume beton (Tjokrodimuljo, 1996). Butiran agregat diameter kecil mengisi ruang antara agregat besar sehingga menjadi satu kesatuan massa beton yang utuh dan kompak. Lubang ayakan (mm) Tabel Batas gradasi agregat halus Sumber : Tjokrodimuljo, 1996 I Kasar II agak kasar Daerah pasir III agak halus IV Halus 4, , , , , , SII.0052 tentang mutu dan cara uji agregat beton syarat agregat halus atau pasir menyatakan bahwa : modulus halus butir 1,5 sampai 3,8, kadar lumpur atau bagian yang lebih kecil dari 70 mikron (0,074 mm) maksimum 5%, kadar zat organik dalam pasir diketahui dengan mencampur campuran pasir air dan natrium sulftat 3%. Kadarnya baik jika warna larutan lebih muda daripada warna standar, kekerasan butiran pasir kurang dari 2 kali kekerasan pasir kwarsa, kekekalan butiran pasir (jika diuji dengan natrium sulfat bagian yang hancur maksimum 10%, dan jika dipakai magnesium sulfat, maksimum 15%).

14 7 Agregat kasar berdiameter lebih besar dari 4,80 mm, berasal dari batu alam (kerikil atau batu pecah) atau agregat buatan. Kekerasan agregat berpengaruh pada kuat desak beton karena 75% dari volume beton diisi oleh agregat. Faktor pemilihan agregat ialah : permukaan dan bentuk agregat, dan gradasi agregat Air Air merupakan bahan dasar penyusun beton, yang diperlukan untuk bereaksi dengan semen dan melumasi butiran agregat agar mudah dikerjakan, dicetak, dipadatkan dan, diangkut (Tjokrodimuljo, 1996). Proses hidrasi memerlukan air sejumlah 25% dari berat semen. Penambahan air yang berlebihan dapat mengurangi kekuatan matrik, karena berpori sehingga kuat desak lebih kecil, serta bleeding. Syarat air untuk beton adalah air yang menghasilkan kuat tekan beton lebih dari 90% dari kuat tekan beton dengan air suling (Tjokrodimuljo, 1996). 2.3 Beton Serat ACI (American Concrete Institute) memberikan definisi untuk beton serat, sebagai suatu konstruksi yang tersusun dari bahan semen, agregat halus dan kasar serta sejumlah kecil serat. Menurut Tjokrodimuljo (1996), beton serat ialah bahan komposit yang terdiri dari beton biasa dan bahan lain yang berupa serat. Serat dalam beton ini berguna untuk mencegah adanya retak-retak sehingga menjadikan beton serat lebih daktail daripada beton biasa. Beberapa sifat-sifat beton dapat diperbaiki dengan penambahan serat, di antarannya adalah meningkatnya daktilitas, ketahanan, kuat tarik dan lentur, ketahanan terhadap kelelahan, ketahanan terhadap pengaruh susutan, ketahanan terhadap abrasi, ketahanan terhadap pecahan atau fragmentasi, ketahanan terhadap pengelupasan. Berbagai macam serat yang dapat digunakan untuk memperbaiki sifat-sifat

15 8 mekanik beton antara lain adalah : serat baja (steel fibre), serat polipropilene (polypropylene fiber) sejenis plastik mutu tinggi, serat kaca (glass fiber), serat karbon (carbon fiber), serta serat dari bahan alami (natural fiber), seperti ijuk, rambut, sabut kelapa, serat goni, dan serat tumbuh-tumbuhan lainnya. Penambahan serat pada adukan dapat menimbulkan masalah pada penyebaran serat (fiber dispersion) dan kelecakan (workability) adukan. Masalah yang timbul pada penambahan serat disebut balling efect yaitu sesama serat yang membentuk satu kumpulan, kumpulan tersebut seperti bola yang mengganggu ikatan matrik. Fiber dispersion dapat diatasi dengan memberikan bahan tambahan berupa superplastizer ataupun dengan meminimalkan diameter agregat maksimum, sedangkan pada workability adukan beton dapat dilakukan dengan modifikasi terhadap faktor-faktor yang mempengaruhi kelecakan adukan beton yaitu nilai f.a.s, jumlah kehalusan butiran semen, gradasi campuran pasir dan kerikil, tipe butiran agregat, diameter agregat maksimum serta bahan tambah. 2.4 Pengertian Serat Serat merupakan bahan tambah yang dapat digunakan untuk memperbaiki sifat beton (Tjkrodimuljo1992). Serat memiliki peranan yang penting dalam komposit karena menentukan kinerja komposit secara keseluruhan (Balaguru dan Shah, 1992; Li, 2002a,b). Kinerja antar muka (Interface) antara serat dan matrik sangat ditentukan oleh kinerja serat, karena istilah lain untuk mempresentasikan antar muka adalah zona transisi antar muka, ZTA (Interfacial Transition Zona) (Bentur, et. al, 1996). Perkembangan serat dimulai pada tahun 1960-an, dengan diterapkannya aplikasi serat anorganik sebagai tambahan pada beton, yaitu serat baja lurus (Balaguru dan Shah, 1992; Li, 2002). Cina dan Jepang juga telah mulai menggunakan serat tumbuhan sebagai perkuatan

16 9 pada awal kebangkitan konstruksi perumahan (Li, 2002). Sejak tahun 1970-an, serat polimer sintetis mulai digunakan secara komersial dengan tujuan antara lain sebagai kontrol retak awal. Inovasi ini diikuti aplikasi serat kaca yang tahan terhadap alkali, pada tahun 1980-an sampai dengan tahun 1990-an serat karbon mulai digunakan karena memiliki kuat tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi dibandingkan serat polimer sintetis (Balaguru dan Shah, 1992; Li, 2002a,b) Serat sitetis Serat polimer sintetis (synthetic polymeric fiber) atau biasa disebut serat sintetis adalah serat yang dibuat oleh manusia dari hasil riset dan pengembangan dalam industri petrokimia dan tekstil (Balaguru dan Shah, 1992). Terdapat dua bentuk serat fisik, yaitu : serat filamen tunggal dan serat yang dihasilkan dari pita filamen. Saat ini terdapat dua volume serat sintetis yang berbeda yang digunakan dalam aplikasi yaitu: prosentase volume rendah (0,1% sampai 0,3%) dan prosentase volume tinggi (0,4% sampai 0,8%) (Cement and Concrete Institute, 2001). Sebagian besar aplikasi serat sintetis memiliki volume 0,1%. Pada tingkat ini, kekuatan beton dan karakteristiknya tidak berpengaruh karena retakan bisa dikendalikan(cement and Concrete Institute, 2001). Serat sintetis telah banyak digunakan sebagai perkuatan dalam struktur beton. Serat yang termasuk dalam golongan serat sintetis antara lain: Polypropylene, polyethylene, polyester, nylon, aramid, acrylic dan PVA (Balaguru dan Shah, 1992), sifat-sifat spesifik serat sintetis ditunjukkan pada tabel 2.4 (Cement and Concrete Institute, 2001).

17 10 Tabel : Sifat dan jenis serat sintetis (Sumber : Cement and Concrete Institute, Serat Acrylic Serat acrylic adalah serat yang mengandung sedikit 85% akrylonitril. Serat ini mempunyai modulus elastisitas serta kerapuhannya lebih tinggi dari pada serat polimerik lainnya (Balaguru dan Shah, 1992). Serat acrylic digunakan untuk menggantikan serat asbestos didalam, dan banyak produk beton berpenguat berserat (Cement and Conrete Institute, 2001).

18 Serat Aramid Serat ini mampu meningkatkan sifat-sifat mekanik FRC, karena modulus elastisitasnya yang tinggi termasuk regang dan kekuatan (Balaguru dan Shah, 1992). Serat aramid dua kali lebih kuat dari serat kaca dan lima kali lebih kuat dari serat baja, per satuan massa. Harga serat aramid relatif mahal. Beton yang diperkuat serat aramid terutama digunakan sebagai pengganti semen asbestos untuk aplikasi kekuatan tinggi (dan Concrete Institute, 2001) Serat Karbon Serat karbon jauh lebih mahal dari tipe-tipe serat lain. Oleh karena itu penggunaannya sangat terbatas. Serat karbon diproduksi dengan karbonisasi bahan organik yang sesuai dalam bentuk karbon pada temperatur tinggi dan kemudian menggabungkan kristal-kristal gift yang dihasilkan dengan hot stretching (Cement and Concrete Institute, 2001). Serat karbon yang terbuat dari minyak jauh lebih mahal dari pada serat karbon konvensional yang terbuat dari bahan berserat. Serat karbon tersedia dalam jenis utuh dalam bentuk potongan serat. Serat karbon mempunyai kekuatan regangan dan modulus elastisitas yang tinggi dan karakteristik tegangan regangan yang rapuh. (Cement and Concrete Institute, 2001) Serat Nylon Serat memiliki peranan penting dalam kinerja Komposit Sementitis Berserat (fiber-reinforced cementitious composite), KSB, secara keseluruhan. Perilaku lekatan antara serat dan matriks pada antar-muka dapat ditinjau melalui uji cabut-serat. Kajian perilaku antar muka dan transfer tegangan antara serat dan matriks memiliki peranan penting dalam menentukan keseluruhan sifat-

19 12 sifat komposit, menyeleksi unsur-unsur pokok dalam komposit, dan memprediksi kegagalan struktur komposit (Sun dan Lin, 2001). Kajian tentang model-model cabut-serat terdahulu yang sebagian besar memakai serat baja mengemukakan bekerjanya tegangan geser dan tegangan geser-gesek di sepanjang zona terlepas. Perlu diketahui bahwa material baja memiliki angka Poisson yang relatif rendah yaitu sekitar 0,27-0,3 (Gere dan Timoshenko, 1997) sehingga akan sangat berbeda implikasinya pada analisis cabut-serat bila serat nylon atau serat sintesis yang berangka Poisson tinggi (sekitar 0,4-0,5) Serat nylon merupakan nama generik dari polyamide (Hummel, 1998), termasuk jenis material polimer thermoplastic yang mempunyai kinerja tegangan regangan, seperti halnya serat polimer lain (rayon, bakelite, dan serat polimer tinggi lainnya), nylon memiliki struktur berhelai-helai (filamentous) dan berserat-serat (fibrous) dengan rantai molekul yang panjang (Nadai, 1950). Serat nylon terbuat dari bahan nylon, bahan tersebut tersedia dalam bermacam-macam bentuk. Serat ini tersedia dalam bentuk yang sangat kecil, helaian serat ini perpoundnya berjumlah sekitar 35 juta helai sedangkan panjang helainnya sekitar 25 in/19mm (Balaguru dan Shah, 1992). Nylon stabil terhadap panas, hidrofilis lembam dan resistan terhadap sejumlah material. Nylon sangat efektif untuk menambah resistensi terhadap tumbukan dan kekuatan serta mempertahankan dan meningkatkan kapasitas beban beton setelah retak pertama (Cement and Concrete Institute, 2001). Serat nylon memiliki sifat licin pada permukaannya, di samping itu kinerjanya sangat dipengaruhi oleh angka Poisson (Susilorini, 2007a). Oleh sebab itu diasumsikan tidak terjadi geser di sepanjang serat terlepas pada proses cabut-serat. Geser hanya

20 13 terjadi di sepanjang serat tertanam sehingga serat dan matriks tetap dalam keadaan komposit). Kurva relasi P-δ (beban-perpindahan) danσ - (tegangan-regangan) uji tarik serat nylon memperlihatkan fenomena bergerigi yang dapat dijelaskan oleh fenomena perpanjangan titik leleh tersebut di atas. Adanya peningkatan beban diikuti oleh penurunan beban merupakan implikasi fenomena perpanjangan titik leleh akibat sifat viskusitas material nylon. Averett (2004) menyampaikan hasil uji tarik serat nylon 6.6 dengan fenomena bergerigi yang juga dijumpai pada kurva relasi P-δ (beban-perpindahan) dan σ -ε (tegangan-regangan) Kajian tentang model-model cabut-serat terdahulu yang sebagian besar memakai serat baja mengemukakan bekerjanya tegangan geser dan tegangan geser-gesek di sepanjang zona terlepas. Perlu dicatat bahwa material baja memiliki angka Poisson yang relatif rendah yaitu sekitar (Gere dan Timoshenko, 1997) sehingga akan sangat berbeda implikasinya pada analisis cabut-serat bila serat nylon atau serat sintesis yang berangka Poisson tinggi (sekitar ). matriks zona terlepas serat P panjang serat tertanam, l f panjang terlepas, l 2 Perpindahan ujung serat Gambar 2.1 Deskripsi permasalahan cabut-serat (Sumber :Susilorini, 2007a,b)

21 14 Permasalahan cabut-serat dapat disajikan seperti pada Gambar 4.3 di atas (Susilorini, 2007a,b). Suatu serat tertanam dalam matriks dan dikerjakan beban tarik P sehingga terjadi perpindahan ujung serat besar δ. Gambar 1 memperlihatkan adanya zona terlepas dengan panjang terlepas l 2. Panjang terlepas l 2 tersebut disebabkan oleh adanya panjang retak stabil di dalam matriks akibat proses fraktur selama berlangsungnya cabut-serat. Panjang retak stabil tersebut pada kenyataannya adalah sangat sulit untuk diukur. Penelitian-penelitian terdahulu tentang masalah cabut-serat mengindikasikan bahwa belum ada peneliti yang memberikan pendekatan panjang retak stabil di dalam matriks. (Susilorini, 2007a,b). Pada masalah cabut serat (Susilorini 2007a), hasil uji eksperimental menunjukkan nilai modulus elastisitas pasta semen= 2849 MPa dengan perbandingan matriks sementitis 1:1:0,6 antara semen : pasir : air dan mempunyai angka poisson (υ)= 0,23, sedangkan untuk serat nylon mempunyai modulus elastisitas sebesar= 2416,92 MPa, angka poisson (υ)= 0,47, perpanjangan (elongation) = 0,8640, dan berat jenis= 13,33780 N/m 3 (Susilorini, 2007a) Serat Polyester Serat polyester tersedia dalam bentuk filamen tunggal dan termasuk di dalam kelompok polyester termoplastis (Cement and Concrete Institute, 2001). Serat ini terbuat dari monomer ethil asetat (Balaguru dan Shah, 1992), bentuk fisik dan kandungan kimiannya dapat berubah-ubah secara substansial dengan mengubah teknik pembuatannya (Balaguru dan Shah, 1992). Serat ini sensitif terhadap temperatur dengan temperatur di atas temperatur kerja normal dan sifatnya berubah-ubah. Serat polyester bersifat hidrofobik, serat polyester ini digunakan dalam kandungan rendah (0,1%

22 15 volume) untuk mencegah retak akibat penyusutan plastis pada beton (Cement and Concrete Institute, 2001) Serat Polythylene Serat polythylene diproduksi dalam bentuk filamen tunggal dengan deformasi permukaan wart like (Cement and Conrete Institute, 2001) dan mempunyai bentuk yang panjang normal (0,5 2 in, mm) dan dalam bentuk bubuk (Balaguru dan Shah, 1992). Polythylene dalam bentuk pulp bisa digunakan sebagai pengganti serat asbestos (Cement and Concrete Institute,2001). Serat ini juga dapat digunakan sebagai campuran semen untuk memperbaiki saluran, goresangoresan dan bahan yang bedaya rekat rendah Serat Polypropylene Serat polypropylene tersedia dalam bentuk filamen tunggal dan mempunyai panjang 0,25 2 in (6 50 mm) dengan tampang melingkar yang dapat dipotong-potong sesuai yang diinginkan, serat ini juga tersedia dalam bentuk bubuk yang memiliki daya rentang lebih rendah dari polythylene bubuk (Balaguru dan Shah, 1992). Serat polypropylene pertama kali digunakan untuk memperkuat beton pada tahun 1960-an. Polypropylene adalah polimer hidrokarbon sintesis yang seratnya dipakai untuk proses instrusi dengan hot drawing material melewati bahan celup. Serat ini bersifat hidrofobik sehingga mempunyai kekurangan berupa karakteristik ikatan yang buruk dengan matrik semen, titik lebur yang rendah, mudah terbakar, dan modulus elastis rendah (Cement and Concrete Institute, 2001).

23 Serat alami Serat alami digunakan untuk berbagai kebutuhan manusia (Hummel, 1998). Pada tahun 1980-an dimulai upaya untuk membuat serat sutra sintetis dari serat selulosa (yang diperoleh melalui pelarutan kayu lunak), disebut viscose atau rayon (ditemukan oleh JW. Swan dari Inggris pada tahun 1879 dan dimulai dipabrikasi di Jerman tahun 1910) (Hummel, 1998). Material serat alami dapat diperoleh dengan harga yang terjangkau dan tingkat penggunaan energinya rendah dengan memanfaatkan teknologi dan sumber daya lokal. Penggunaan serat alami sebagai salah satu bentuk untuk memperkuat beton adalah hal yang sangat menarik untuk diimplementasikan di wilayah yang belum maju, bila material kontruksi konvensional tidak langsung tersedia atau harganya yang terlalu mahal (Cement and Concrete Institute, 2001). Beton serat telah banyak digunakan untuk membuat genting, lembaran bergelombang, pipa-pipa, gudang, dan tangk-tangki. Semen yang diperkuat dengan serat selulosa kayu mempunyai kegunaan komersial di dalam pembuatan lembaran datar dan bergelombang dan pipa-pipa tidak bertekanan (Cement and Concrete Institute, 2001). Sifat-sifat khas dari serat alami ditunjukan pada tabel 2.5.

24 17 Tabel : Sifat-sifat serat alami (Sumber : Cement dan Concrete Institute, 2001) Serat alami dibagi dalam 2 kategori yaitu serat alami diproses dan serat alami tanpa proses (Cement and Concrete Institute, 2001). Serat alami yang diproses adalah serat selulosa kayu. Selulosa kayu merupakan serat alami yang paling banyak digunakan, biasanya diperoleh dengan menggunakan proses kraft. Proses ini meliputi perebusan potongan kayu dalam larutan sodium hidroksida, sodium karbonat dan sodium sulfida. Selulosa kayu mempunyai sifat- sifat mekanis yang relatif baik dibandingkan dengan berupa serat buatan manusia lain, seperti polypropylene, polythylene, polyester dan acrylic (Cement and Concrete Institute, 2001). Serat kayu selulosa dapat mempengaruhi pencampuran matriks semen. Hal ini dikarenakan adanya pelepasan gula dan kotoran organik yang lain ke dalam matriks semen dapat memperlambat atau sama sekali menghalangi pencampuran semen. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, serat selulosa sekarang banyak digunakan diberbagai tempat sebagai pengganti asbestos untuk komposit semen (Cement and Concrete Institute, 2001). Serat alami lain yang banyak digunakan untuk memperkuat material beton meliputi serat palma dan serat rumput gajah, serat yang juga diambil dari batu basal. Serat rumput gajah diambil dari

25 18 batang rumput gajah yang tumbuh sampai 10 kaki (3 m) dan jumlah helaian seratnya banyak, serta tajam terikat bersama lignin. Pengambilan serat ini sulit, akan tetapi serat ini secara dimensional stabil dibawah kondisi cuaca yang berbeda dan bersifat melawan alkali (Balaguru dan Shah, 1992) Ampas Tebu Serat ampas tebu menjadi material yang berserat setelah penyaringan sari buah dari pohonnya. Ampas tebu mempunyai kandungan serat sekitar 50%. Sifat fisik serat ini tergantung pada variasi dari pohon tebu, dan efisiensi dari penggilingan tumbuhan (Balaguru dan Shah, 1992) Kayu Serat kayu memegang porsi terbesar dari pemakaian serat alami yang digunakan dalam beton diseluruh dunia (Balaguru dan Shah, 1992). Penggunaan serat kayu dalam campuran semen Portland yang digunakan sebagai pengganti serat untuk serat asbes. Keuntungan dari serat kayu adalah memiliki kuat tarik tinggi, dan modulus elastisitas tinggi. Kerugian utamanya adalah sifat mudah rusak dan pembusukan di lingkungan yang bersifat alkali. Penelitianpenelitian terbaru telah mampu mengenali metoda dan proses untuk memperkecil disintegrasi serat di suatu lingkungan yang bersifat alkali (Balaguru dan Shah, 1992) Bambu Serat bambu termasuk dalam anggota rumput, serat bambu tumbuh di daerah tropis dan sub tropis. Tumbuhan ini dapat tumbuh dengan ketinggian 15 m. Tangkainya mempunyai sambungan pada masing- masing ruas, diameter

26 19 batangnya antara 0,4 sampai 4,0 inci (1 sampai 10 cm). Teknik yang digunakan untuk mengambil serat dari bambu harus menggunakan teknis khusus. Serat bambu mempunyai tegangan yang kuat, tetapi modulus elastisitasnya rendah dan cenderung untuk menyerap air serta memberi pengaruh kurang baik yang terkandung dalam serat selama proses pengawetan (Balaguru dan Shah, 1992) Serat Kelapa Serat kelapa mempunyai sekam berserat pada bagian luarnya, serat kelapa yang sering disebut sabut, dapat diambil dengan hanya merendam sekam dalam air atau sebagai alternatif lain diproses dengan mekanik. Serat yang pendek ini (hanya beberapa inci saja) digunakan untuk pembuatan tali selama berabad-abad. Sabut mempunyai modulus elastisitas rendah dan juga sensitif terhadap perubahan kelembaman (Balaguru dan Shah, 1992) Serat Rami dan Serat Tumbuhan Lain Serat rami ditanam sebagian besar untuk diambil seratnya. Serat rami memiliki modulus elastisitas yang tinggi. Selain serat rami dapat diambil dari tumbuhan lain seperti rumput gajah, alang-alang air, pisang raja dan musamba, dari semua serat itu bisa digunakan untuk memperkuat beton (Balaguru dan Shah,1992) Serat Goni Goni ditanam untuk diambil seratnya. Sebagian besar goni ditanam di daerah Bangladesh, China, India dan Thailand. Tumbuhan goni dapat tumbuh sampai ketinggian 8

27 20 kaki (2,4 m) dengan diameter tangkai yang normalnya kurang dari 1 inci (25 mm). Karena tumbuhan ini berserat, untuk mengambil seratnya dapat diambil dari tangkai dengan hanya merendam didalam air sekitar empat minggu. Hal ini dilakukan agar dapat melenturkan seratnya. Serat kemudian diambil dengan tangan dan dikeringkan. Barubaru ini peralatan mekanik telah digunakan untuk pengambilan serat goni (Balaguru dan Shah, 1992) Serat Sisal Sejumlah peneliti dari Australia dan Swedia sudah mempelajari tentang sifat semen campuran yang dibuat dari serat sisal. Serat ini diambil dari daun-daun Agave Sisalana, terutama dibuat dari hemiselulose, lignin, dan pektin. Serat sisal ini relatif kuat dan tahan lama dilingkungan yang bersifat alkali (Balaguru dan Shah, 1992). 2.4 Pengertian Beton atau KSB (Komposit Sementitis Berserat) Komposit yang memiliki serat sebagai salah satu unsur penyusunnya disebut Komposit Sementitis Berserat (Fiber-reinforced Cementitious Composite) (Susilorini, 2007a). KSB digunakan pada struktur perkerasan dan lantai industri. Pada tahun-tahun selanjutnya memperlihatkan bahwa KSB (komposit sementitis berserat) mulai digunakan pada jembatan terowongan dan kanal, struktur hidrolis, pipa, struktur bahan ledak, dan lain-lain (Balaguru dan Shah, 1992; Li, 2002a,b). KSB dibedakan menurut karakteristik tegangan regangan dan respon pasca retaknya (Susilorini, 2007a) seperti yang disajikan pada gambar 2.1, meliputi beton tanpa serat dan beton serat (Fiber reinforced concrete, FRC), serta komposit sementitis kinerja tinggi (High Performance Fiber Reinforced Fiber Reinforced Cementitious

28 21 Composite, HPFRCC). Beton serat kinerja tinggi sering disebut Komposit Sementitis Terekayasa, KST, atau disebut ECC (Engineered cementitious composites) (Fischer dan Li, 2004). KST dikategorikan sebagai KSB dengan perilaku deformasi pengerasan regangan (Stang dan Li, 2004) atau pelunakan regangan yang terus berkembang, antara lain dengan jenis pemodelan analitis (Kabele, 2003) dan pemodelan mekanika- mikro (Li, Wu dan Chan 1996), serta desain dan aplikasi tegangan lebar. Gambar 2.2 Karakteristik tegangan regangan tarik pada bahan sementitis (Sumber : Fischer dan Li, 2004 ; Susilorini 2007a) Kinerja zona transisi antar muka (interfacial transition zone) ZTA, yang merupakan lapisan pembatas tipis ( µm) yang memisahkan serat dan matrik pada komposit sementitis berserat dan sangat tergantung pada geometri serat (Bentur, et. al, 1996), serat dapat digolongkan menjadi : (a) serat makro (penampang serat lebih besar dari penampang butiran semen, diameter penampang berkisar 0,1-1µm), (b) serat mikro (diameter penampang berkisar 5 40 µm) dan (c) serat bundel

29 22 (bundled fiber), biasanya berupa strands yang terdiri dari ratusan atau ribuan helai serat mikro yang dijadikan satu, kadang-kadang jenis serat ini dapat terlarut menjadi serat mikro helai tunggal. Pemisahan antara serat dan matrik pada serat makro baja ditunjukkan pada gambar 2.2. Untuk memperkaya efisiensi lekatan pada ZTA (zona transisi antar muka), diupayakan kepadatan struktur mikro ZTA meningkat, dengan ditambahkan silica fume, digunakan serat yang terlarut, dan lain-lain (Li, Wang, dan Becker, 1990, 1991). Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam implementasi serat yang efektif pada beton yang mengeras antara lain (Cement and Concrete Institute, 2001) : a. Serat harus lebih kaku dari matriks, yaitu modulus elastisitasnya lebih tinggi. b. Muatan serat per volume harus memadai. c. Harus ada ikatan antara matriks serat yang kuat d. Panjang serat harus memadai e. Serat harus mempunyai aspek rasio yang tinggi, yaitu harus cukup panjang, relatif terhadap diameternya. Gambar 2.3 Struktur ZTA pada serat mikro baja (Sumber : Bentur, et. al, 1996 ; Susilorini, 2007a

30 Kinerja Zona Antar Muka (ZTA) Matriks Serat Bentur, et. al, (1996) memberi pengertian tentang mekanisme ikatan FRC untuk studi analitis dan eksperimental terbaru. Karakteristik ikatan tidak dapat diperhitungkan begitu saja hanya dengan mempertimbangkan kekuatan ikatan antar muka dari serat. Pertimbangan sejumlah faktor tambahan lain sangat berpengaruh seperti efek pembengkokan (mempengaruhi efisiensi orientasi), tegangan lateral dan karakteristik khusus dari strukur mikro antar muka Dengan demikian, faktor-faktor tersebut harus dimasukkan dalam pendekatan menyeluruh untuk menigkatkan kinerja FRC. Pengaruh antar muka pada komposit serat mempunyai peran yang sangat penting dalam mengendalikan kinerja material secara keseluruhan Kinerja Mikro Dari Zona Transisi Antar Muka (ZTA) Menurut Bentur, et. al, (1996), (ZTA) dalam komposit semen, baik dengan serat atau tambahan bahan lain, matriks yang ada di dekat daerah masukan dapat berbeda struktur mikronya dari matriks semen secara keseluruhan. Hal ini bisa dilihat dengan lebar yang bisa sampai µm, dan struktur mikro didalamnya yang tidak seragam. Zona transisi antar muka (ZTA) digunakan untuk membedakan dengan komposit lain (misalnya, matriks keramik dan polimer), karena ZTA dapat dianggap sebagai lapisan batas yang tipis, dan memisahkan serat dengan matriks yang biasanya diberi istilah umum Ikatan. ZTA pada FRC mempunyai berbagai macam tipe morfologi, tergantung pada komposisi serat, geometri, perlakuan permukaan, komposisi matriks dan pemrosesan komposit di dalam produksi.

31 Kinerja Serat Makro Struktur mikro ZTA serat makro hampir mirip yang terdapat pada beton (Bentur. et. al, 1996) dengan ciri-cirinya mempunyai porositas yang tinggi dan deposit kalsium hidroksida (CH). dalam jumlah besar. Pada kedua sistem ini pembentukannya terjadi karena akibat dari efek wall dan semen tidak efisien didalam campuran yang jauh lebih besar. Uji kekerasan untuk menghitung kekerasan retakan antar muka menunjukkan zona ini jauh lebih kecil daripada yang terdapat didalam matriks keseluruhan. Hal ini mengindikasikan bahwa ikatan lemah berdasarkan fitur-fitur strukur mikro. Struktur mikro ZTA memiliki kelemahan sehingga perlu upaya memodifikasi guna meningkatkan efisiensi ikatan. Pengeringan dilakukan secara kontinyu diharapkan sangat efektif untuk mempertebal struktur mikro ZTA dengan penambahan waktu pengeringan dari 14 hari menjadi 28 hari guna meningkatkan kekuatan dan kekakuan ikatan antar muka sampai dua kali lipat seperti yang telah diuji dengan uji tarikan keluar.

32 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian Tugas akhir ini merupakan sebuah studi pustaka, dengan alir penelitian sebagai berikut: Mulai Pengumpulan Pustaka (buku teks, jurnal, prosiding, disertasi) Telaah tentang sifat sifat (properties) serat Kajian tentang kinerja beton atau KSB Kinerja beton atau KS berserat Sintetis Kinerja beton atau KS berserat alami Pemetaan (mapping) kinerja beton atau KS berserat Sintetis dan alami TIDAK OK OK Kesimpulan dan saran Selesai Gambar 3.1 Diagram Alir penelitian 25

33 Jalannya Penelitian Pada diagram alir penelitian di atas dijelaskan beberapa jalannya penelitian antara lain: 1. Pengumpulan pustaka Pengumpulan pustaka ini didapatkan dari buku teks, jurnal, porosiding dan disertasi mengenai serat untuk campuran beton dari beberapa peneliti yang pernah melakukan penelitian. Dengan adanya pustaka yang sudah dikumpulkan dapat mempermudah untuk membahas beberapa hasil penelitian, yang diharapkan bisa memp[eroleh kajian tentang aplikasi serat untuk campuran beton. 2. Menelaah tentang sifat-sifat (properties) serat Untuk memperoleh pemahaman yang lebih jelas maka dilakukan telaah tentang sifat-sifat (properties) serat agar dapat mengetahui sifat-sifat serat sebagai campuran beton. 3. Kajian tentang kinerja beton atau KSB meliputi kinerja beton serat sintetis dan serat alami Dengan adanya pustaka yang sudah diperoleh didapatkan beberapa pembahasan mengenai kinerja beton atau KSB serta kinerja beton serat sintetis dan alami 4. Pemetaan (mapping) kinerja beton atau KS berserat sintetis dan alami Pada tahap ini dilakukan pemetaan (mapping) kinerja beton KS berserat sintetis dan alami yang lebih mendalam dan lebih jelas untuk mendapatkan hasil yang lebih baik lagi. 5. Kesimpulan dan saran Setelah melakukan pembahasan yang lebih mendalam barulah diambil kesimpulan tentang kinerja serat sebagai campuran beton dan memberi saran yang lebih baik untuk masa yang akan datang.

34 BAB IV PEMBAHASAN 4.1 Sifat-sifat atau Properties Serat Interaksi antara serat dan matriks mempengaruhi kinerja (performance) material komposit serat berbentuk semen. Pengertian interaksi ini diperlukan untuk memperkirakan kontribusi serat dan untuk memprediksi perilaku komposit (Balaguru dan Shah, 1992). Beberapa peneliti telah mempelajari berbagai aspek interaksi ini. Beragam faktor Berikut ini adalah parameter penting (utama) yang mempengaruhi interaksi serat dengan matrik. a. Kondisi matriks: retak atau tidak retak b. Komposisi matriks c. Geometri serat d. Jenis serat : sebagai contoh, baja, polimer, mineral, atau serat yang terjadi secara alamiah e. Ciri-ciri permukaan serat f. Kekakuan serat dibandingkan dengan kekakuan matriks g. Orientasi serat: distribusinya yang lurus (rata) dibandingkan dengan distribusi yang acak. h. Volume pecahan serat i. Tingkat pembebanan j. Ketahanan serat dalam komposit dan dampak jangka panjang. Dengan adanya interaksi yang ada diantara parameter-parameter ini, model teoritis yang ada yang berkaitan dengannya hanya pada tahap terbatas (Balaguru dan Shah, 1992) Interaksi Serat dengan Matriks Tak Retak Homogen Interaksi jenis ini terjadi di dalam hampir semua komposit selama tahap awal pembebanan (loading). Interaksi serat dengan matriks yang tak retak kurang penting dalam penerapan praktis (Balaguru dan Shah, 1992). Studi mengenai interaksi ini benar-benar menghasilkan informasi 27

35 28 yang sangat berguna untuk memahami perilaku secara keseluruhan dari komposit tersebut sistem serat dan matriks sederhana yang berisi serat tunggal ditunjukkan di dalam Gambar 4.1 Di dalam tahap yang tidak dibebani (unloaded), tekanan di dalam kedua matriks tersebut dan serat diasumsikan menjadi nol (Gambar 4.1.a, adanya beban tarik (tensile) maupun beban tekan pada komposit dan perubahan suhu pada komposit deformasi yang bersesuaian (Balaguru dan Shah, 1992). Dalam kasus matriks semen, hidrasi semen akan gaya tekan di dalam matrik maupun serat. Ketika beban bekerja pada matriks tersebut, bagian dari beban itu dipindahkan pada serat tersebut di sepanjang permukaannya. Perbedaan kekakuan antara serat dan matriks (Balaguru dan Shah, 1992), akan membantu memindahkan sebagian dari beban dan pada serat. Dengan demikian serat tersebut lebih kaku daripada matriks, dan deformasi pada serat dan disekitar serat akan lebih kecil, sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 4.1b dan 4.1.c Jika modulus serat lebih kecil daripada modulus elastisitas matriks, maka deformasi disekitar serat akan lebih tinggi (Balaguru dan Shah, 192). Pemindahan gaya tekan elastis ada di dalam komposit yang tidak retak sepanjang matriks tersebut dan serat tersebut berada di dalam jangkah (range) regangan elastis. Respon tegangan-regangan dari matriks tersebut dapat menunjukkan nonlinearitas dan perilaku inelastis sebelum terjadinya fraktur. Matrik Serat Kontur deformasi (a) (b) (c) Gambar 4.1 Interaksi Serat-Matriks, Matriks Tak Retak: (A) Matriks Tanpa Pembebanan; (b) Tegangan; (c) Kompresi. (Sumber : Balaguru dan Shah, 1992)

36 Interaksi Serat dalam Matriks yang Retak Ketika komposit yang mengandung serat (fiber) dibebani tegangan (Gambar 4.2), pada tahap tertentu matriks retak. Jika matriks retak,serat tersebut membawa beban melintasi retakan tersebut, dan memindahkan beban dari satu sisi matriks kepada sisi lainnya. Dalam praktiknya, beberapa serat akan menjembatani patahan tersebut, yang memindahkan beban melintasi patahan. Jika serat dapat memindahkan beban yang cukup yang dapat melintasi retakan tersebut, semakin banyak retakan akan terbentuk disepanjang panjangnya spesimen (Balaguru dan Shah, 1992). Tahap pembebanan ini disebut dengan tahapan multi retak. sebagian besar penerapan praktis, tahapan patahan ganda (multiple cracking stage) ini terjadi dibawah kondisi beban layanan. Masalah-masalah kritis yang ditujukan dalam interaksi serat: (1) variasi slip-beban, (2) geometri dan efek orientasi, (3) bagaimana mengukur tahanan tarik (beban) dari serat tunggal, dan (4) interaksi serat yang terdistribusi secara acak, sehingga dapat dilakukan evaluasi perilaku tarik serat ganda. Matriks Serat Sintetis atau organik Gambar 4.2 Interaksi Serat-Matrik, Matriks Retak (Sumber: Balaguru dan Shah, 1992)

37 Teknik Eksperimen untuk Mengevaluasi Ikatan Serat-Matriks Perilaku ikatan serat-matriks dapat dipelajari dengan menggunakan pengujian langsung maupun tidak langsung. Untuk pengujian tidak langsung, komposit diuji dalam hal kinerja tarik (tension) atau lentur (bending), dan kontribusi serat dievaluasi (Balaguru dan Shah, 1992). Analisis matematis yang luas digunakan untuk memisahkan tahanan yang diberikan oleh serat akibat tahanana matriks. Pengujian langsung, baik serat tunggal atau larik serat paralel dikeluarkan dari matriks tersebut (Balaguru dan Shah, 1992). Hasil tes dapat digunakan untuk memperkirakan sifat-sifat antar-muka, kekuatan ikatan rata-rata, dan perilaku slip-beban (load-slip). (a) Serat tunggal : panjang penanaman yang pendek ; keterangan gambar: Serat; Matriks = beton, batuan; Rigid support = penopang kaku (rigid) (b) Serat tunggal: long embedment length = panjang penanaman besar Gambar 4.3 Pengaturan (setup) Uji Tarik Serat Tipikal Serat Tunggal Atau Ganda Untuk Panjangnya Penanaman Pendek Atau Panjang (Sumber : Balaguru dan Shah, 1992)

38 31 Pengaturan (setup) yang ditunjukkan di dalam Gambar 4.3c, d, dan e menghasilkan lebih sedikit dampak pengikatan dan lebih sedikit gangguan selama penarikan serat. Uji ini juga memberikan simulasi yang lebih baik dari suatu komposit serat yang terkena tarik (tension) (Balaguru dan Shah, 1992). Lagipula, sulit untuk menggunakan serat ganda, oleh sebab itu serat-serat tersebut dapat ditanamkan dalam suatu sudut yang berkaitan dengan arah penarikan. Hasil yang diperoleh dari uji ini sangat berguna untuk mengevaluasi komposit serat yang terkena pembebanan dinamis. Beberapa hal berikut harus dipertimbangkan ketika memilih pengaturan (setup) untuk uji tarik (Balaguru dan Shah, 1992). a. Pengaturan tersebut (setup) secara ideal seharusnya dapat menggambarkan keberadaan serat acak yang terletak di dalam komposit. Tidak mudah untuk mendapatkan simulasi yang sempurna. Tetapi, perlu diupayakan untuk menghindari kondisi batasan disekitar serat dan pertemuan (junction) matrix-fiber yang sangat berbeda dari apa yang terjadi di dalam komposit yang retak. b. Dalam banyak kasus, matriks (matrix) di sekitar serat berada dalam tarik (tension) ketika komposit terkena tarik (tension). Uji tarik yang mensimulasi kondisi lebih baik. c. Pengaturan (setup) tersebut seharusnya memberikan pada dirinya atas penggunaan serat ganda dan miring. d. Pengaturan (setup) tersebut seharusnya memberikan hasil yang dapat dihasilkan ulang dengan varian yang masuk akal. Koefisien variasi untuk uji tarik biasanya tinggi (dalam jangkah 20 sampai 50 persen. e. Karena sebaran serat acak di dalam komposit yang berbasis semen, diperlukan pemahaman tentang kinerja penarikan serat miring untuk memprediksi perilaku komposit. Dua faktor yang memberikan kontribusi penting terhadap tahanan tarik adalah tahanan geser (shear resistance) pada antar muka dan kekuatan paku serat. Kekuatan silang antar muka (interfacial) terutama tergantung pada sifat-sifat

39 32 matriks, sifat-sifat geometri serat, dan jumlah serat per unit area. Gerak dowel (efek lengkung dan gesekan serat) tergantung pada sudut miring dan sifat-sifat serat. Gerakan tersebut merusak matrik pada retakan dan oleh karena itu serat ganda tidak efektif seperti serat tunggal. Ref. Tabel 4.1 Hasil Uji Tarik Tipikal (sumber Balaguru dan Shah, 1992) Sifat-sifat Matrik Sifat-sifat serat Hasil uji tarik Pasir/ semen Air/ semen Arah cetakan (tuangan)* Tipe (2.38) PD berlapis kuningan (2.39) PD Kekuatan regangan tinggi Panjang tanam Diameter (mm) tekanan puncak (Pa) (2.40) PD PL PD PL PD PL (2.43) PD kawat gulungan Slip (geseran) pada tekanan puncak (2.12) PD (2.41) PD PD (2.42) PL Karbon rendah

40 33 Beban cabut selip Gambar 4..4 Hubungan Antara Tipe Serat Pull -Out Load -Sip (Sumber : Balaguru dan Shah, 1992) Serat Getas dalam Matriks Daktail Pembuatan material komposit yang diperkuat serat sebagaian besar berasal dari penelitian Griffith, yang menggunakan serat kaca (glass) yang berkekuatan tinggi untuk menunjukkan bahwa kekuatan yang jelas dari material yang rapuh menambah banyak lipatan ketika ukuran kerusakan internal (yang melekat ada dalam material) berkurang (Balaguru dan Shah, 1992). Kekuatan tarik (tensile) dari serat ini sangat tinggi, tetapi serat tersebut rapuh dan peka pada takiknya (notch-sensitive). Cacat sekecil apapun (microdefect) dapat menyebabkan kerusakan tiba-tiba pada tekanan yang lebih rendah daripada kekuatan regangan normalnya. Kepekaan dari cacat ini mengakibatkan serat tipis dan tidak tahan lama. Di samping itu, untuk menekankan pada kekuatan dan kekerasan yang tinggi atas serat tersebut dalam suatu bagian struktur, penting untuk

41 34 menggunakannya dalam suatu hal yang akan memberikan berbagai kondisi pembebanan dan geometri (Balaguru dan Shah, 1992). Hal ini menyebabkan penanaman serat ini dalam sebuah tekaan matrik untuk membuat komposit yang berkekuatan tinggi dan notch-insensitive (takik tidak peka). Matriks polimer seperti resin polyester digunakan sebagai matriks yang menjadi komposit yang sangat berhasil yang dikenal dengan produk fiberglass termasuk batang penguat fiberglass. Di dalam jenis serat kaca komposit, serat rapuh yang berkekuatan tinggi ditanamkan di dalam sebuah matriks bertekanan, yang memiliki volume fraksi (pecahan) serat sampai dengan 40 persen. Kurva tegangan tekanan (stress-strain) relatif dalam momen (tension) untuk serat kaca (glass fibers) dan matriks epoxy ditunjukkan dalam Gambar 4.5 Luas permukaan serat besar, memungkinkan untuk mendapatkan ikatan yang sempurna antara serat dan matriks. Ikatan ini cukup kuat untuk membuat komposit menjadi lebih kuat dan lebih kaku dari pada matriks dan lebih daktail (ductile) dibandingkan dengan perilaku serat. Ketegangan matrik yang mengalami kerusakan (gangguan), yang lebih besar daripada ketegangan serat yang mengalami kerusakan (gangguan), memungkinkan penggunaan potensi kekuatan serat secara penuh. Komposit yang terbuat dari karbon (grafit) serat yang berkekuatan tinggi dmatrix resin, yang mengkombinasikan serat yang kuat dan kaku dan matriks yang mudah dibentuk (ductile), memberikan performa yang tinggi untuk penerapan pada pesawat ruang angkasa. Grafit adalah contoh lain dimana kekuatan yang tinggi berhasil digunakan.

42 35 Serat Tegangan Matriks daktail Regangan Gambar 4.5 Kurva teganan - regangan untuk serat dengan matriks yang mudah dibentuk (ductile). (Sumber : Balaguru dan Shah, 1992) Alasan utama untuk menggunakan serat yang kuat di dalam matrik rapuh yang relatif lemah (dalam momen) adalah untuk meningkatkan daktilitas (ductility) dari matrik. Serat-serat tersebut juga memberikan kontribusi untuk meningkatkan kekuatan. Tetapi, di dalam banyak penerapan yang melibatkan jenis kombinasi ini, fraksi (pecahan) volume serat dipertahankan relatif rendah (< 1%), yang menyebabkan kenaikan yang tidak signifikan dalam kekuatan. Dalam komposit, oleh karena kapasitas tarik matriks lebih rendah daripada kapasitas tari serat, matriks gagal sebelum kapasitas potensi penuh dari serat tersebut tercapai. Serat yang menjembatani retakan yang terbentuk dalam matriks memberikan kontribusi pada disipasi energi melalui proses penguraian ikatan (debonding) dan cabut-serat (pull out). Dalam praktek, bila volume fraksi (pecahan) serat yang lebih tinggi (>5%) digunakan, ada kenaikan yang signifikan di dalam kekuatan regangan. Matriks secara tipikal terdiri dari komposit semen portland atau material bangunan lainnya seperti gypsum. Komposit semen portland bisa terdiri dari perekat semen, mortar (semen ditambah adukan halus), atau beton (semen ditambah agregat kasar dan halus). Dalam praktik

43 36 konstruksi, berbagai campuran seperti pengurangan air berjangkah tinggi (high range) dan campuran udara juga digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan daya tahan secara keseluruhan dari komposit tersebut. Serat bisa jadi bersifat metalik, mineral, dan polimer, atau alamiah. Serat yang bersifat metalik memiliki tipikal modulus yang tinggi dan kekuatan yang tinggi. Sifatnya juga mudah dibentuk. Serat mineral (secara khusus kaca) memiliki modulus yang lebih tinggi daripada produk semen tetapi lebih rendah daripada baja. Kegagalannya bersifat relatif getas. Serat polimer kuat dan mudah dibentuk tetapi modulusnya umumnya lebih rendah daripada modulus komposit semen. Serat polimer tertentu seperti Kevlar memiliki modulus yang lebih tinggi. Serat organik relatif kuat, tetapi sifat-sifat ikatannya tidak sebaik serat metalik atau mineral. Sifat-sifat secara keseluruhan dari suatu komposit akan tergantung pada jenis serat yang digunakan. Tetapi, konsep umum berikut ini berlaku pada semua jenis serat Cabut-serat fraktur Masalah cabut-serat dengan analisis berbasis fraktur telah banyak dilakukan. Pada analisis mekanika fraktur elastis linier, Gambar 4.6 menjelaskan konfigurasi cabut-serat, dengan zona pelepasan sebagai retak antar-muka bebas-traksi (Balaguru dan Shah, 1992).

44 37 serat matriks rigid Gambar 4.6 Masalah cabut-serat (Balaguru dan Shah, 1992) Berdasarkan kriteria Griffith, beban-cabut maksimum akan tercapai saat retak-antar muka mulai tumbuh, yang dirumuskan sebagai (Balaguru dan Shah, 1992): 1 C P 2 cr = a 2 b ( 2π ) 2γ i dengan : C = compliance b = panjang zona pelepasan a = jari-jari serat P cr = beban-retak = kerja spesifik fraktur; γ i

45 38 Serat mutu tinggi Tegangan Matrik getas Regangan Gambar 4.7 Kurva Tegangan-Regangan Untuk Serat Dengan Matriks Yang Mudah Rapuh (Sumber : Balaguru dan Shah, 1992) Kurva tegangan-regangan relatif dalam tarik (tension) untuk sebuah serat yang kuat dan matriks getas yang lemah ditunjukkan dalam gambar 4.7 Dalam hal ini, matriks akan retak (crack) lama sebelum fiber glass mencapai kekuatan regangannya karena ketegangan retakan untuk matriks sangat rendah dibandingkan dengan ketegangan retakan dari serat 4.2 Kinerja Beton Serat dan Komposit Sementitis dengan Serat sintetis Serat memiliki peranan yang penting dalam menentukan kinerja komposit secara keseluruhan (Susilorini, 2007a). Komposit yang memiliki serat sebagai salah satu unsur pokok penyusunannya adalah Komposit Sementitis Berserat (fiber reinforced cementitious composite) atau biasa disebut KSB. Salah satu peranan KSB adalah menentukan kinerja antar muka (interface) antar serat dan matrik (ZTA) (Bentur, et. al, 1996). Kinerja ZTA berkaitan erat dengan interaksi antara serat dan matrik, yang biasa disebut dengan lekatan (bond). ZTA dapat diasumsikan dengan berbagai jenis

46 39 morfologi, tergantung dengan komposisi serta geometri, keadaan permukaan, komposisi matrik, dan proses produksi komposit. Kinerja ZTA pada komposit sementitis berserat sangat tergantung pada geometri serat (Bentur, et. al, 1996). Susilorini (2007b) menekankan bahwa Perilaku antar muka dan transfer tegangan antara serat dan matriks sementitis memiliki peranan penting dalam menentukan keseluruhan sifat-sifat komposit, menyeleksi unsur-unsur pokok dalam komposit, dan memprediksi kegagalan struktur komposit yang diimplementasikan dalam uji cabut-serat menurut Sun dan Lin (2001), perilaku lekatan antara serat dan matriks pada antar-muka dapat ditinjau melalui uji cabut-serat. Kajian perilaku antar muka dan transfer tegangan antara serat dan matriks memiliki peranan penting dalam menentukan keseluruhan sifat-sifat komposit, menyeleksi unsur-unsur pokok dalam komposit, dan memprediksi kegagalan struktur komposit secara umum, sebagian model-model cabut-serat tidak mengakomodasi fenomena gerigi pada bagian kurva dengan pengerasan-regangan, sedangkan pada Susilorini (2007a), fenomena tersebut menjadi sangat signifikan dan terjadi selama berlangsungnya proses cabut-serat (Susilorini, 2007c). Susilorini (2007a) mengemukakan bahwa dari KSB (Komposit Sementitis Berserat) yang dipresentasikan dalam benda uji cabut serat, memiliki modulus elastisitas semen sebesar 2849 MPa dan modulus elastisitas nylon sebesar 2416,92 MPa. Mekanika fraktur memiliki peranan yang penting dalam sejarah desain material dan struktur. Dengan adanya pendekatan mekanika fraktur, akan diperoleh solusi yang baik untuk mencegah kegagalan serius dari struktur. Selama ini keunggulan mekanika fraktur telah terbukti berupa faktor keamanan yang lebih baik dan nilai ekonomis yang lebih tinggi sejalan dengan diperolehnya keuntungan struktural (Susilorini, 2007d). Untuk mengantisipasi timbulnya fraktur pada struktur beton, diupayakan meningkatkan keliatan (toughness) dan daktilitas tarik (Li dan Wang, 2005). Serat polimer sintetis (synthetic polymeric fiber), disebut juga serat sintetis. Serat sintetis ini telah banyak digunakan sebagai perkuatan dalam struktur beton. Serat sintetis merupakan hasil penelitian dan pengembangan

47 40 dibidang petrokimia industri tekstil. Termasuk dalam golongan serat sintetis antara lain polypropylene,polyethylene, polyester, nylon,aramid, acrylic, dan PVA (Balaguru dan Shah, 1992). Serat polimer sintetis (synthetic polymeric fiber), juga biasa disebut serat sintetis. Serat sintetis ini telah banyak digunakan sebagai perkuatan dalam struktur beton. Serat sintetis merupakan hasil penelitian dan pengembangan dibidang petrokimia industri tekstil. Termasuk dalam golongan serat sintetis antara lain polypropylene, polyethylene, polyester, nylon, aramid, acrylic, dan PVA (Balaguru dan shah, 1992). Sejak serat alami mulai digunakan untuk berbagai kebutuhan manusia pada tahun 1880an telah dimulai upaya membuat serat sutera sintetis dari serat selulosa (yang diperoleh melalui peralutan kayu lunak), disebut viscose atau rayon (ditemukan oleh JW. Swan dari Inggris pada tahun 1879 dan mulai dipabrikasi di Jerman tahun 1910) (Hummel 1998). Gambar 4.8 Relasi tegangan regangan untuk material polimer thermoplastic (Sumber : Hummel, 1998) Salah satu jenis serat sintetis yang terkenal adalah nylon. Nylon merupakan nama generic dari polyamide (Hummel,1998), termasuk jenis material polimer thermoplastis yang mempunyai perilaku tegangan regangan seperti diperlihatkan gambar 4.7 seperti halnya serat polimer lain (rayon, Bakelite dan serat polimer tinggi lainnya). Nylon memiliki struktur berhelaihelai (filamentous) dan berserat-serat (fibrous) dengan rantai molekul yang

48 41 panjang (Nadai, 1950). Penelitian Susilorini (2007a) mengemukakan bahwa serat nylon memiliki modulus elastisitas sebesar 2416,92 MPa. Polyester adalah serat buatan manusia, serat polyester merupakan polimer sintetis, serabut kapas. Polyester merupakan jenis serat yang cukup berat dengan berat jenis 1,38 gr/cm 3, sedikit lebih berat bila dibandingkan dengan nylon. Serat polyester merupakan serat yang sangat kuat karena adanya system pengkristalan polimer yang sungguh luar biasa. Keuletannya tetap tidak berubah baik dalam keadaan kering dan basah. Hal ini terjadi karena serat polyester bersifat sangat (tidak menyerap air) hydrophobic dan memiliki sistem pengkristalan polymer yang menganggumkan sehingga dapat menahan masuknya molekul-molekul dalam air kedalam bagian-bagian yang penting. Serat polyester dapat bersifat plastis maupun elastis sebagaimana dapat dilihat dari penyimpangannya pada peregangan dan penegangan yang berulang-ulang (Ineke, Anton, 2004). Tabel 4.2 Spesifikasi Serat Kain Polyester (Sumber : ACI Committee 544, Report 544.IR-82) 4.3 Kinerja Serat Alami Berbagai jenis serat dapat dipakai untuk memperbaiki sifat-sifat beton, mulai dari serat karbon yang mahal sampai dengan serat alami yang murah (Susilorini, et. al, 2003). Salah satu serat alami yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan campuran beton adalah serabut kelapa ( Coir ). Serabut kelapa termasuk serat alami, serabut terdiri dari dua bagian, yaitu sel-sel serat dan sel-sel non serat atau debus sabut/gabus.menurut palungkun (1992) mutu serat ditentukan oleh warna, prosentase kotoran, kadar air dan proporsi berat

49 42 antara serat panjang dan serat pendek. Menurut Balaguru dan Shah (1992), serabut kelapa memiliki kelemahan yaitu modulus elastisitasnya rendah dan peka terhadap kelembaban. Kinerja beberapa serat alami dapat disajikan pada tabel dibawah ini: Tabel 4.3 Kinerja Beberapa Serat Alami Sumber : Balaguru dan Shah, 1992 ** = Data tidak tersedia Hasil-hasil penelitian terdahulu tentang pemakaian serat alami pada beton, menunjukan bahwa penambahan serat ijuk akan menurunkan kuat tekan beton menjadi 0,98 dan 0,657 kali beton biasa untuk konsentrasi ijuk 1% dan 2% (Wijaya,1994). Beton yang diperkuat dengan serat bamboo mempunyai kuat tarik 4 kali baja lunak. Beberapa jenis serat menghasilkan variasi kuat tarik belah yang berbeda. Tabel 4.4 Variasi Optimal Kuat Tarik-Belah Beton Serat dari Berbagai Jenis Serat Sumber : Balaguru dan Shah, 1992