PENGARUH PEMBEBANAN IMPAK JATUH BEBAS PADA CONCRETE FOAM DENGAN VARIASI KOMPOSISI POLIURETAN YANG DIPERKUAT SERAT TKKS

Transkripsi

1 PENGARUH PEMBEBANAN IMPAK JATUH BEBAS PADA CONCRETE FOAM DENGAN VARIASI KOMPOSISI POLIURETAN YANG DIPERKUAT SERAT TKKS Neil Leo Kaban 1, Bustami Syam 2 1,2 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara neil_hunting@yahoo.com ABSTRAK Dalam membuat bangunan, seperti perumahan, apartemen, supermarket, dan jembatan hal yang perlu diperhatikan adalah kekuatan dan daya tahan dari bangunan tersebut. Beton yang kuat dan ringan sangat diharapkan sehingga memperkuat daya tahan, serta mempermudah saat proses pembangunan. Sudah banyak bangunan yang menggunakan bahan material concrete foam dengan menambahkan material yang berbeda-beda, sehingga diperlukan pengujian lebih dalam, mengenai bahan concrete foam ini. Objek penelitian adalah beton concrete foam dengan variasi komposisi poliuretan yang diperkuat serat tandan kosong kelapa sawit. Persentasi variasi concrete foam dan TKKS dibuat dengan 3 variasi komposisi yaitu: komposisi 1 bahan mortar 90% - BA+TKKS 10% dengan semen 23,7%, pasir 47,4%, air 18,9%, poliol 4,5%, isosiana 3,5%, TKKS 2 %, komposisi 2 bahan mortar 85% - BA+TKKS 15% dengan semen 22,4%, pasir 44,7%, air 17,9%, poliol 6,7%, isosiana 5,2%, TKKS 3%, dan komposisi 3 bahan mortar 80% - BA+TKKS 20% dengan semen 21%, pasir 42,1%, air 16,8%, poliol 9%, isosiana 7%, TKKS 4%. Pembuatan spesimen beton dilakukan selama satu bulan, dimulai dari spesimen dimasukkan kedalam cetakan sampai spesimen kering dan siap diuji. Setelah spesimen beton dibuat, diuji menggunakan alat uji Impak Jatuh Bebas dengan load cell sebagai sensor pengambil data. Pengujian dilakukan dengan 3 jenis ketinggian yaitu 1 m, 2 m, dan 3 m. Dari hasil pengujian diketahui kekuatan impak maksimum terjadi pada komposis 1 ketinggian 3 m dengan kekuatan harga impak 0,51305 J/mm2. Kata Kunci: Concrete Foam, TKKS, Beton, Impak Jatuh Bebas, Load Cell 1. PENDAHULUAN Dimasa kini sudah banyak penelitian bahan bangunan yang dilakukan untuk mencari bahan bangunan yang kuat, ringan, tahan lama dan ekonomis, karena seperti yang kita ketahui bahwa semakin kuat suatu bahan maka semakin berat bahan itu. Dalam hal ini penggunaan beton dengan berat volume yang lebih ringan dari beton normal akan memberikan keuntungan yang signifikan antara lain: mengurangi luas penampang struktur, mereduksi beban gempa dan pondasi, dan mengurangi dampak lingkungan disekitar proyek. Berat volume beton dapat dikurangi dengan prinsip mengganti material bahan berbutir dengan rongga udara atau material pengisi yang lebih ringan. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan limbah yang dihasilkan pabrik pengolahan minyak kelapa sawit. Produksi Indonesia minyak kelapa sawit kasar indonesia mencapai 6 juta ton pertahun, dan secara bersaman dihasilkan pula limbah TKKS dengan potensi sekitar 2,5 juta ton per tahun. Limbah ini biasanya dibakar sehingga dapat mencemari udara. Salah satu usaha dalam mengatasinya adalah dengan memanfaatkan tandan kosong kelapa sawit ini untuk pencampuran bahan concrete foam yang telah ditambahkan poliuretan yang sering digunakan sebagai bahan busa sehingga didapat masa beton yang lebih ringan daripada beton normal.[1] 2 TINJAUAN PUSTAKA Material Komposit Bahan komposit merupakan bahan teknologi yang mempunyai potensi yang tinggi dalam bidang teknik terkhusus dalam hal material. Komposit dapat memberikan gabungan sifat-sifat yang 135

2 berbeda-beda pada penggunaan yang tidak akan diperoleh melalui penggunaan logam dan keramik, khususnya tentang sifat kekuatan spesifik serta kekakuan spesifik. Beton Susunan beton secara umum, yaitu: 7-15% PC, 16-21% air, 25-30% pasir, dan 31-50% kerikil. Kekuatan beton terletak pada perbandingan jumlah semen dan air, rasio perbandingan air terhadap semen (W/C ratio) yang semakin kecil akan menambah kekuatan (compressive strength) beton. Kekuatan beton ditentukan oleh perbandingan air semen, selama campuran cukup plastis, dan beton dapat dipadatkan secara sempurna dengan agregat yang baik. 2.3 Agregat Kandungan agregat dalam suatu campuran biasanya sangat tinggi, komposisi dapat mencapai 60% - 70% dari berat campuran beton. Walaupun fungsinya hanya sebagai bahan pengisi, tetapi karena komposisinya yang cukup besar, maka peran agregat perlu dipelajari dengan baik, sebab agregat dapat menentukan sifat mortar atau beton yang akan dihasilkan. Penggunaan agregat dalam beton adalah untuk: 1. Menghemat penggunaan semen. 2. Menghasilkan kekuatan yang besar pada beton. 3. Mengurangi susut pengerasan beton. 4. Mencapai susunan beton yang padat. Dengan gradiasi yang baik, maka akan didapatkan beton yang padat. 5. Mengontrol workabilitas beton.[2] Air Air diperlukan pada pembuatan beton untuk memicu proses kimiawi beton, membasahi agregat, dan memberikan kemudahan dalam pengerjaan beton. Air yang dapat diminum umumnya dapat digunakan sebagai campuran dalam pembuatan beton. Air yang mengandung senyawasenyawa yang berbahaya, yang tercemar garam, minyak, gula, atau bahan-bahan kimia lainnya, bila dipakai dalam campuran beton akan menurunkan kualitas beton, bahkan dapat mengubah sifat-sifat beton yang dihasilkan. Poliuretan Poliuretan sering juga disebut poliisosianat, Gugus isosianat, -NCO, merupakan gugus yang sangat reaktif dan dapat membentuk uretan dengan alkohol. Seperti poliamida, poliuretan dapat mengalami ikatan hidrogen. Upaya pertama untuk membuat poliuretan komersil dilakukan oleh Bayer di Jerman yang membuat polimer dari heksana-1,6- diisosianat (heksametilena diisosianat) dari butana-1,4-diol(-1,4-butanediol). Poliuretan mempunyai sifat yang sama dengan nilon, tetapi karena sukar diwarnai dan titik lelehnya lebih rendah, maka polimer ini pada awalnya tidak banyak diperdagangkan. Akan tetapi, terjadi kemajuan pesat pada kimia poliuretan yang menghasilkan busa, elastomer, pelapis permukaan, serat, dan perekat poliuretan. Poliuretan yang terbentuk juga dapat berupa foam (busa). Walaupun berasal dari berbagai sampel poliol yang berbeda, tetapi poliuretan jenis ini lebih keras dibandingkan dengan poliuretan yang lain. Dengan direaksikan melalui isosianat akan terbentuk banyak uretan. Yang kemudian akan diperiksa sifatnya. Salah satu kegunaan poliuretan foam dapat digunakan sebagai busa. Tandan Kosong Kelapa Sawit Limbah berbentuk padatan dari pabrik kelapa sawit umumnya berbentuk tandan kosong, cangkang dan serat buah, seperti pada gambar 1. Dari berbagai jenis komponen limbah pabrik kelapa sawit yang dihasilkan itu, tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan komponen yang paling banyak. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) banyak mengandung serat disamping zat-zat lainnya. Bagian dari tandanan yang banyak mengandung serat atau selulosa adalah bagian pangkal dan ujungnya yang runcing dan keras. 136

3 detik [m/s], percepatan diukur dalam meter per detik kwadrat [m/s], persamaan gerakan lurus percepatan seragam....(1) Dimana: v = kecepatan benda jatuh (m/s). g = gravitasi (m/s 2 ). h = ketinggan jatuh benda (m). Gambar 1 Tandan Kosong Kelapa Sawit Benda Jatuh Bebas Sebuah benda yang jatuh bebas dari sebuah ketinggian akan mengalami pertambahan kecepatan selama benda tersebut jatuh. Jika benda jatuh ke bumi dari ketinggian tertentu relatif kecil dibandingkan dengan jari-jari bumi, maka benda mengalami pertambahan kecepatan dengan harga yang sama setiap detik. Hal ini berarti bahwa percepatan ke bawah benda bertambah dengan harga yang sama jika sebuah benda ditembakkan ke atas kecepatannya berkurang dengan harga yang sama setiap detik dan perlambatan ke atasnya seragam.[3] Gerak Lurus Perpindahan adalah perubahan kedudukan. Hal ini merupakan besaran vektor mencakup jarak dan arah. Kecepatan adalah laju perubahan kedudukan terhadap waktu. Hal ini juga merupakan besaran vektor mencakup jarak, arah dan waktu. Kecepatan seragam memiliki partikel yang bergerak dengan kecepatan konstan pada lintasan lurus atau dimiliki partikel yang melintasi perpindahan yang sama dalam selang waktu yang sama berturut-turut tidak perduli betapa kecilnya selang waktu. Percepatan seragam dimiliki partikel yang mengalami perubahan kecepatan yang sama dalam selang waktu yang sama berturut-turut tidak perduli betapa kecilnya selang waktu. Satuan perpindahan diukur dalam meter [m], kecepatan diukur dalam meter per Energi Energi didefinisikan sebagai kesanggupan untuk melakukan kerja. Prinsip kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dirusakkan (dimusnakan). Dalam hal ini terdapat dua bentuk energi mekanik, yaitu: 1. Energi potensial (Ep), yaitu energi yang dapat dimiliki benda berdasarkan kedudukan benda. Benda mempunyai energi berdasakan massa dan posisi (tinggi) benda. Besarannya dapat ditentukan dengan rumus: E p = m. g. h... (2) 2. Energi kinetik (Ek), yaitu energi yang dapat dimiliki benda berdasarkan gerakan benda. Adanya pergerakan benda dari kecepatan awal vo ke kecepatan perubah v. Besarannya dapat ditentukan dengan rumus:...(3) Pengukuran Gaya Impak Secara umum kekuatan impak adalah ukuran bagi kekuatan dari suatu bahan ketika bahan tersebut patah akibat benturan yang terjadi secara tiba-tiba. Dalam mencari kekuatan impak, dapat digunakan rumus: Kekuatan impak = E/A... (4) 3 METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu a. Penelitian dilakukan di Laboratorium Pusat Riset Impak dan Keretakan Departemen Teknik Mesin F.T USU, yang menggunakan alat uji impak jatuh bebas. 137

4 b. Waktu yang diperlukan untuk penelitian mulai dari persiapan hingga selesai diperkirakan selama 4 (empat) bulan. Komposisi Spesimen Spesimen akan dicetak dengan menggunakan cetakan berbentuk tabung dengan tinggi 150 mm dan berdiameter 50 mm. Komposisi persentase spesimen uji beton dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1 Komposisi Spesimen Pengolahan TKKS menjadi serat TKKS Serat TKKS diperoleh dari hasil pengolahan tandan kosong kelapa sawit yang diolah menjadi serat berdasarkan proses-proses tertentu. TKKS yang digunakan merupakan limbah dari pabrik pengolah kelapa sawit. Proses pembuatan serat TKKS berawal dari: 1. TKKS dalam bentik utuh dihancurkan dan direndam air bersih selama 24 jam. 2. Air rendaman dibuang dan direndam dengan larutan NaOH 1M selama 24 jam. 3. Kemudian air rendaman dibuang dan dibilas dengan air bersih. 4. TKKS dijemur selama 3 hari. 5. TKKS yang sudah kering dicacah dengan tangan dan gunting kemudian dihaluskan menggunakan mesin. Pembuatan Spesimen Adapun proses pembuatan spesimen dilakukan dalam beberapa langkah sebagai berikut: 1. Mempersiapkan semua alat dan bahan. 2. Menimbang semua bahan menurut komposisi spesimen yang telah ditentukan. Untuk pembuatan yang pertama menggunakan spesimen 1 yaitu: semen 13,2 gr, pasir 260,6 gr, air 104,2 gr, poliol 24,8 gr, isosiana, 19,2 gr (begitupula untuk spesimen 2, 3, dan 4). 3. Melumasi permukaan bagian dalam cetakan dengan oli. Hal ini bertujuan untuk mempermudah selama proses pembongkaran. 4. Masukkan semen dan pasir kedalam cawan pengadukan, aduk hingga merata. 5. Masukkan kembali air dan aduk sampai merata. 6. Masukkan serat TKKS dan aduk sampai merata. 7. Masukkan poliol dan aduk sampai meratan. 8. Masukkan isosianat dan diaduk kurang lebih 10 detik (usahan saat pengadukan dilakukan dengan kecepatan maksimal dan stabil). 9. Tuangkan campuran kedalam cetakan. 10. Kemudian membiarkan campuran tersebut pada tekanan atmosfir dan suhu kamar selama 3 hari sebelum cetakan dibongkar. Proses Pengujian Gambar 2 Alat Impak Jatuh Bebas Adapun proses pengujian impak dilakukan dalam beberapa langkah sebagai berikut: 1. Cek peralatan pengujian dalam keadaan siap beroperasi. Alat 138

5 impak jatuh bebas dapt dilihat pada gambar Persiapkan spesimen uji. 3. Hubungkan kabel dari load cell, perekam data, ke computer. 4. Pasang beban pada test rig dan spesimen uji diletakkan diatas meja anvil. 5. Tarik tali beba n sampai ketinggian yang telah ditentukan. 6. Lepas tali beban bersamaan dengan klik start program pada layar computer. 7. Data tersimpan dalam PC dan dapat dilanjutkan. Semua pelaksanaan hasil penelitian akan diolah dan didapatkan suatu kesimpulan yang merupakan tujuan dari penelitian. Urutan pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada gambar 3. menyebabkan perbedaan warna dan berat pada beton. Pada gambar 4.a komposisi 1 bahan mortar 90% - BA+TKKS 10% dengan semen 23,7%, pasir 47,4%, air 18,9%, poliol 4,5%, isosiana 3,5%, TKKS 2 %. Beton memiliki berat 501,0 gram (saat basah) dan 421,6 gram (saat kering). Pada gambar 5.a komposisi 2 bahan mortar 85% - BA+TKKS 15% dengan semen 22,4%, pasir 44,7%, air 17,9%, poliol 6,7%, isosiana 5,2%, TKKS 3%. Beton memiliki berat 490,4 gram (saat basah) dan 405,6 gram (saat kering). Pada gambar 6.a komposisi 3 bahan mortar 80% - BA+TKKS 20% dengan semen 21%, pasir 42,1%, air 16,8%, poliol 9%, isosiana 7%, TKKS 4%. Beton memiliki berat 476,2 gram (saat basah) dan 393,2 gram (saat kering). Perbedaan berat ini diakibatkan karena mengembang nya gelembung busa akibat campuran poliuretan dan isosianat serta serat TKKS yang dicampur ke dalam beton. Semakin banyaknya persentase komposisi concrete foam maka semakin mengembang dan semakin ringan beton tersebut. Gambar 4 (a) spesimen awal, (b) spesimen setelah di impak ketinggian 1m 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa Pengaruh Persentase Concreate Foam Pada gambar 4.a, 5.a, 6.a terdapat perbedaan komposisi terutama pada concrete foam nya. Perbedaan persentase komposisi concrete foam ini Gambar 5 (a) spesimen awal, (b) spesimen setelah di impak ketinggian 1m 139

6 Gambar 6 (a) spesimen awal, (b) spesimen setelah di impak ketinggian 1m Analisa Gaya Impak Jatuh Bebas Berdasarkan pengujian impak jatuh bebas dengan menggunakan load cell, terlihat bahwa semakin besarnya persentase concreate foam dan serat TKKS maka gaya maksimum yang terjadi pada beton semakin kecil walau perbedaan gaya ini tidak terlalu jauh. Setelah dilakukan pengujian impak jatuh bebas, pada komposisi 1 bahan mortar 90% - BA+TKKS 10% gaya maksimal yang terjadi 256,3353 N dan tegangan maksimal yang terjadi 0, MPa. Grafik gaya dan tegangan dapat dilihat pada gambar 7 dan 8. Pada komposisi 2 bahan mortar 85% - BA+TKKS 15% gaya maksimal yang terjadi 247,5063 N dan tegangan maksimal yang terjadi 0, MPa. Grafik gaya dan tegangan dapat dilihat pada gambar 9 dan 10. Pada Komposisi 3 bahan mortar 80% - BA+TKKS 20% gaya maksimal yang terjadi 247,4082 N dan tegangan maksimal yang terjadi 0, MPa. Grafik gaya dan tegangan dapat dilihat pada gambar 11 dan 12. Ketinggiian pengujian impak jatuh bebas yang menggunakan load cell dilakukan dengan ketinggian yang bervariasi yaitu: 1 meter, 2 meter, dan 3 meter menunjukkan bahwa semakin tingginya jarak jatuh benda maka gaya dan tegangan yang terjadi semakin besar. Gambar 8 Grafik Time VS Stress komposisi 1 ketinggian 1m Gambar 9 Grafik Time VS Force komposisi 2 ketinggian 1m Gambar 10 Grafik Time VS Stress komposisi 2 ketinggian 1m Gambar 7 Grafik Time VS Force komposisi 1 ketinggian 1m Gambar 11 Grafik Time VS Force komposisi 3 ketinggian 1m 140

7 Gambar 11 Grafik Time VS Stress komposisi 3 ketinggian 1m Dalam pengujian, diketahui bahwa tegangan terbesar terjadi pada komposisi 1. Dapat dilihat pada gambar grafik 12, pada ketinggian 3 m spesimen 1 memiliki tegangan impak terbesar yaitu 0, MPa dengan persentase komposisi blowing agent + TKKS lebih rendah. Ini membuktikan bahwa blowing agent dapat membuat beton lebih ringan namun mengurangi kekuatan beton. Stress 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0, , , % 15% 20% BA+TKKS 3 meter 2 meter 1 meter Gambar 13 Grafik Stress VS BA+TKKS Dengan menggunakan rumus kekuatan impak = E/A, maka dapat diketahui kekuatan impak beton maksimum terjadi pada komposis 1 ketinggian 3 m dengan kekuatan harga impak 0,51305 J/mm2, seperti yang ditunjukkan pada tabel 2 dibawah ini. Tabel 2 Hasil perhitungan besar kekuatan impak 5 KESIMPULAN Gambar 12 Grafik Time VS Stress terbaik Persentase BA+TKKS seperti pada gambar grafik 13 menunjukkan semakin besarnya persentase komposisi BA+TKKS maka semakin kecil tegangan impak yang terjadi. ini terjadi karena semakin besar persentase BA+TKKS maka beton semakin ringan dan berongga, sehingga mengurangi tegangan yang dapat diterima oleh beton. Ketinggian impak juga mempengaruhi besarnya tegangan beton, semakin tinggi gaya impak jatuh bebas maka semakin besar tegangan yang terjadi. 1. Ternyata banyaknya persentase concreate foam dan serat TKKS mempengaruhi berat beton, volume, dan kekuatan beton. Hal ini terjadi karena reaksi yang diakibatkan concrete foam sehingga beton mengembang. 2. Hasil pengukuran impak jatuh bebas dengan load cell membuktikan: Semakin tinggi benda jatuh bebas, semakin besar pula kecepatan jatuhnya dan makin besar pula gaya impak yang ditimbulkannya. Kekuatan impak maksimum terjadi pada komposis 1 ketinggian 3 m 141

8 dengan kekuatan harga impak 0,51305 J/mm2. Tegangan terbesar terjadi pada spesimen 1 dengan ketinggian jatuh impak 3 m yaitu sebesar 0,1710 Mpa. Dengan komposisi semen 23,7%, pasir 47,4 %, air 18,9%, poliol 4,5%, isosiana 3,5%, dan serat TKKS 2% Pada spesimen 1, ketinggian 1 m menghasilkan tegangan 0,1305 MPa, ketinggian 2 m menghasilkan tegangan 0,1575 MPa dan ketinggian 3 m menghasilkan tegangan 0,1710 MPa. Pada spesimen 2, ketinggian 1 m menghasilkan tegangan 0,1260 MPa, ketinggian 2 m menghasilkan tegangan 0,1440 MPa dan ketinggian 3 m menghasilkan tegangan 0,1620 MPa. Pada spesimen 3, ketinggian 1 m menghasilkan tegangan 0,1260 MPa, ketinggian 2 m menghasilkan tegangan 0,1393 MPa dan ketinggian 3 m menghasilkan tegangan 0,1620 MPa. Semakin tinggi gaya impak jatuh bebas maka semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk mencapai tegangan maksimum dan semakin besar pula tegangan yang terjadi. [5] Johnson, W., 1972, Impact Strength of Material, London: Edward Arnold Press. [6] Schadete, K., 1985, Polyurethan Hanbook, Poliol dalam Gunter Oertel. Munich, Viena, New York : Hanser Publiser. [7] Siregar, B.M., 2005 Modifikasi Metoda Pengujian Kekuatan helmet Industri akibat Beban Impak Kecepatan Tinggi, Tesis, Magister Teknik Mesin FT-USU. [8] Sumarsono, Joko, 2009, Fisika untuk SMA/MA Kelas X Jakarta: Pusat perbukuan. [9] Wuryati S dan Candra R, 2001, Teknologi Beton, Yogyakarta: KANSIUS. DAFTAR PUSTAKA [1] Zulfikar, 2010, Pembuatan dan Penyelidikan Perilaku Mekanik Material Polymeric Foam diperkuat Serat TKKS akibat Beban Statik dan Impak, Tesis. Magister Teknik Mesin FT-USU. [2] Mulyono, Tri, 2003, Teknologi Beton, Penerbit ANDI Yogyakarta. [3] Basir, Abdul, 2008, Analisa Hasil Pembuatan Koin Aluminium dengan Proses Blanking Menggunakan Beban Impak Benda Jatuh Bebas, Tesis. Magister Teknik Mesin FT-USU. [4] Helen, W., 1970, Polyurethan Hanbook, Poliol dalam Gunter Oertel. Munich, Viena, New York : Hanser Publiser. 142