BAB II TEORI DASAR. 2.1 Korosi

Transkripsi

1 BAB II TEORI DASAR 2.1 Korosi Korosi didefinisikan sebagai pengrusakkan atau kemunduran suatu material yang disebabkan oleh reaksi dengan lingkungan di sekitarnya. Pada metal, korosi dapat dijelaskan sebagai proses pengembalian metal yang telah diolah ke bentuk asalnya melalui reaksi oksidasi dengan lingkungan non metal (seperti oksigen dan air). Hal ini terjadi pada baja yang mengalami korosi. Baja berasal dari bijih besi yang mengandung oksida besi (iron oxide), dan saat mengalami korosi akibat air laut dan oksigen akan menghasilkan oksida besi yang terhidrasi (hydrated iron oxide). Proses korosi pada metal merupakan reaksi oksidasi dimana metal terurai menjadi ionnya dengan melepaskan elektron. Reaksi ini disebut juga reaksi anodik. Secara umum reaksi anodik ditulis dalam bentuk berikut: M M n+ + ne (2.1) dimana n adalah jumlah elektron yang dilepaskan Prinsip Korosi Korosi yang terjadi pada baja (seperti pada baja tulangan dalam beton) merupakan sebuah proses reaksi elektrokimia (electrochemical reaction), yang melibatkan transfer elektron dari satu jenis material ke material lain. Reaksi elektrokimia terjadi jika ada dua reaksi half cell; yaitu, satu reaksi half cell yang memproduksi elektron yang disebut reaksi anodik atau oksidasi, dan satu reaksi half cell yang mengkonsumsi elektron yang disebut reaksi katodik atau reduksi. Reaksi anodik pada baja adalah reaksi oksidasi atau penguraian baja menjadi ion. Berdasarkan reaksi pada persamaan (2.1), reaksi anodik pada baja dapat ditulis sebagai berikut: Fe Fe e (2.2) 6

2 Reaksi katodik yang umum terjadi dalam beberapa bentuk sebagai berikut: 2H + +2e H 2 (2.3) O 2 + 2H 2 O +4e 4OH (2.4) Persamaan reaksi (2.3) merupakan reaksi evolusi hidrogen, dan (2.4) adalah reaksi oksidasi oksigen menjadi ion OH atau ion hidroksil (hydroxyl ion). Persamaan reaksi (2.4) menegaskan bahwa agar korosi dapat terjadi, maka dibutuhkan air dan oksigen pada katoda. Reaksi anodik (oksidasi) dan katodik (reduksi) adalah reaksi-reaksi parsial, yang keduanya harus terjadi secara simultan dan pada tingkat yang sama. Kondisi ini menjadi dasar prinsip korosi, yaitu selama korosi pada metal berlangsung, maka tingkat oksidasi sama dengan tingkat reduksi. Dengan kata lain produksi jumlah elektron dan konsumsi jumlah elektron adalah sama. Jika besi atau baja hanya terurai dalam air, yaitu ion Fe 2+ pada persamaan (2.2) dalam keadaan larut, retak (cracking) dan spalling pada beton tidak akan terlihat. Agar karat (rust) terbentuk, maka beberapa tahap reaksi selanjutnya harus terjadi. Reaksi-reaksi tersebut antara lain; pembentukan ferrous hydroxide, ferric hydroxide, dan hydrated ferric oxide, sebagai berikut (Broomfield, 1997): Fe OH Fe(OH) 2 (2.5) 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3 (2.6) 2Fe(OH) 3 Fe 2 O 3.H 2 O + 2H 2 O (2.7) Hydrated ferric oxide atau Fe 2 O 3.H 2 O merupakan hasil proses korosi yang dikenal dengan karat. Proses korosi pada baja tulangan ditampilkan secara skematis pada Gambar 2.1 berikut. 7

3 O 2 H 2 O 2e 2e O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH 2+ karat Fe Fe + 2e Anoda OH - OH - OH - OH - Katoda Baja Tulangan Gambar 2.1 Proses korosi pada baja tulangan Oksida besi yang tidak terhidrasi (Fe 2 O 3 ) memiliki volume kira-kira dua kali volume baja yang digantikannya saat dalam keadaan baik. Saat terhidrasi, Fe 2 O 3 akan mengembang dan menjadi keropos. Hal ini berarti peningkatan volume pada interface baja/beton adalah 2 sampai 10 kali (Broomfield, 1997). Peningkatan volume ini menyebabkan retak dan spalling pada beton, karat pada baja tulangan dan munculnya noda-noda karat di daerah beton yang retak Lapisan Pasif Pada Baja Tulangan Lapisan pasif merupakan lapisan tipis (film) yang mencegah terjadinya korosi aktif. Dalam kasus ini, molekul oksida mendiami tempat-tempat atom yang reaktif pada permukaan logam dan mencegah atom-atom logam untuk mengurai. Lapisan pasif tidak menghentikan korosi, tetapi mengurangi nilai korosi pada tingkat yang tidak signifikan Peranan Klorida Dalam Proses Korosi Korosi aktif pada baja tulangan di dalam beton didahului oleh kerusakan pada lapisan pasif. Salah satu penyebab kerusakan lapisan pasif adalah serangan ion-ion agresif seperti ion klorida. Penetrasi klorida tidak akan menyebabkan kerusakan pada beton, tetapi ia akan menyerang baja tulangan yang terdapat di dalam beton tersebut. Ion klorida 8

4 menyerang lapisan pasif baja tanpa menurunkan ph (tidak meningkatkan derajat keasaman). Klorida bertindak sebagai katalisator yang merusak lapisan pasif oksida pada besi atau baja dan mempercepat proses korosi. Proses ini diperlihatkan pada Gambar 2.2. Serangan klorida terhadap besi sulit dihentikan karena tidak ada klorida yang dikonsumsi selama proses korosi berlangsung. FeCl Cl 2 Fe Cl Cl Lapisan pasif Fe 2 O 3 Baja Tulangan Gambar 2.2 Perusakan lapisan pasif pada besi Pengrusakan lapisan pasif oleh klorida terjadi apabila terdapat konsentrasi klorida yang cukup di permukaan baja tulangan. Hasil pengukuran di laboratorium menunjukkan korosi terjadi pada konsentrasi klorida melebihi 0.6 dari konsentrasi hidroksil (Hausmann, 1967). Nilai tersebut sebanding dengan konsentrasi klorida sebesar 0.4 % dari berat semen jika klorida dicetak bersama beton dan sebesar 0.2 % jika klorida menyebar masuk ke dalam beton. Korosi dapat dilihat pada tingkat klorida 0.2 % dari berat semen jika kualitas beton jelek dan air dan oksigen tersedia. Beberapa penelitian lain yang dilakukan di laboratorium dan di lapangan menghasilkan batasan klorida antara 2 % sampai dengan 3 % dari berat semen. Perbedaan nilai konsentrasi klorida ini tergantung pada homogenitas beton di sekitar tulangan dan iklim. 2.2 Properti Dielektrik Dielektrik adalah bahan atau material yang menghambat arus listrik, namun dapat menghantarkan gelombang elektromagnetik. Material yang menghambat arus listrik dipengaruhi oleh konduktifitas material tersebut. Konduktifitas yang tinggi 9

5 dapat menyebabkan atenuasi gelombang elektromagnetik sehingga kedalaman penetrasinya menjadi berkurang. Material yang dielektrik memiliki properti yang menyertai permitivitas dielektrik kompleks material tersebut. Properti tersebut adalah bagian ril (real part) dan bagian imajiner (imaginary part). Bagian ril berhubungan dengan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam material (medium). Bagian imajiner berhubungan dengan konduktifitas material yang menyebabkan gelombang elektromagnetik mengalami atenuasi. Bagian imajiner permitivitas dielektrik suatu material juga menyatakan loss factor material tersebut. Permitivitas dielektrik kompleks material yang terdiri dari bagian ril dan imajiner secara umum diekspresikan sebagai berikut: dimana = ' + i" (2.8) ' " = menyatakan bagian ril = menyatakan bagian imajiner i = akar dari Model Properti Dielektrik Air Garam Properti dielektrik air sangat dipengaruhi oleh kehadiran garam yang berada dalam keadaan larut. Kehadiran garam yang larut tersebut mengurangi bagian ril permitifitas dielektrik kompleks air (memperbesar kecepatan gelombang) dan menambah bagian imajiner (meningkatkan atenuasi gelombang elektromagnetik). Berdasarkan persamaan (2.8) permitifitas dielektrik kompleks relatif air garam,, dinyatakan dalam bagian ril ( ' ) dan bagian imajiner ( " ) sebagai berikut: dimana 0 σ = ' + i " = ' + i (2.9) ω 0 = permitifitas dielektrik vakum (8.854x10-12 farad/m) 10

6 ω = frekuensi angular gelombang elektromagnetik σ = ω" 0 merepresentasikan konduktifitas air Ekspresi untuk ', ", dan σ sebagai fungsi dari salinitas air, temperatur, dan frekuensi rambatan gelombang elektromagnetik telah dikembangkan oleh Stogryn dan dimodifikasi oleh Klein dan Swift, juga turunkan ulang oleh Ulaby, Moore, dan Fung. Kurva hubungan variasi ' dan " dengan frekuensi diperlihatkan secara berturut-turut pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4 untuk air murni dan air garam dengan salinitas S = ppt, yang merupakan salinitas air laut rata-rata. Gambar 2.3 Bagian ril konstanta dielektrik kompleks air 11

7 Gambar 2.4 Bagian imajiner konstanta dielektrik kompleks air Kehadiran garam yang larut memberikan pengaruh yang signifikan terhadap penambahan bagian imajiner (loss factor, " ) dibandingkan dengan air murni terutama pada frekuensi di bawah 10 GHz seperti yang terlihat pada gambar. Sementara itu kehadiran garam yang larut mengurangi permitifitas dielektrik air pada frekuensi di bawah 10 GHz Model Properti Dielektrik Beton Unsur-unsur pembentuk beton adalah agregat kasar, agregat halus, pasta semen, udara, air, dan garam. Untuk memodelkan properti dielektrik, beton dianggap sebagai campuran dari partikel solid, udara, dan air garam (saline water), sedangkan pasta semen tidak diperhitungkan. Agregat kasar dan halus pada beton memiliki konstanta dielektrik relatif antara 4 sampai 7. Porositas agregat kasar yang digunakan biasanya sangat rendah, sehingga air yang dapat diserap juga kecil. Hal ini menyebabkan permitifitas dielektrik agregat memiliki bagian imajiner (loss factor) yang sangat kecil dan dapat diabaikan. Matrix mortar memiliki porositas yang sangat tinggi sehingga air garam yang diserap merupakan unsur utama yang memberikan kontribusi terhadap bagian imajiner pada beton. Dengan demikian beton dapat 12

8 divisualisasikan sebagai campuran tiga fase yang terdiri atas; partikel solid dan udara yang memiliki permitifitas dielektrik ril, dan air garam yang memiliki permitifitas dielektrik kompleks. Model yang dapat diterapkan untuk menggambarkan properti dielektrik beton antara lain CRIM (complex refractive index methode), continuous grain size distribution dan discrete grain size distribution. Ketiga model ini merupakan model teoritis yang telah dikembangkan dan diuji pada bebatuan yang jenuh parsial. 1. CRIM (complex refractive index methode) CRIM merupakan model yang digunakan secara luas karena sederhana dan memiliki basis teoritis yang sedikit. CRIM menyatakan bahwa indeks refraktif kompleks efektif (effective complex refractive index) untuk campuran beton diberikan oleh rata-rata volume dari indeks refraktif kompleks unsur-unsurnya sebagai berikut: r ( φ ) m + ( S) φ A φs = (2.10) dimana φ S m a = porositas beton = (volume void)/(volume total agregat) = derajat kejenuhan = (volume air)/(volume void) = permitifitas dielektrik relatif agregat 5.0 (ril) = permitifitas dielektrik relatif udara 1.0 (ril) = permitifitas dielektrik kompleks relatif air r = permitifitas dielektrik relatif campuran beton 2. Continuous grain size distribution Model continuous grain size distribution mengasumsikan butiran-butiran (grain) solid dan molekul-molekul udara di dalam campuran beton memiliki bentuk seperti bola (spherical shape) dan distribusi ukuran yang kontiniu. Model ini berdasarkan pada teori medium efektif (effective medium theory), yang 13

9 menyatakan bahwa konstanta dielektrik kompleks efektif,, dari suatu campuran diperoleh dari persamaan: i vi = 0 (2.11) i 2 + i dimana i melambangkan permitifitas dielektrik kandungan individu dan v i adalah fraksi volume komponen yang berhubungan. Nilai diperoleh melalui prosedur sistematis yang dimulai dengan matrix dasar air dimana sejumlah kecil partikel solid dan molekul udara ditambahkan dalam sejumlah langkah-langkah. Partikel yang paling kecil ditambahkan terlebih dahulu diikuti oleh partikel yang lebih besar. Penambahan dilakukan hingga campuran akhir memiliki kandungan material dengan proporsi yang diinginkan. Konektifitas molekul air ditentukan pada setiap langkah karena sangat penting untuk memprediksi konduktifitas dielektrik. 3. Discrete grain size distribution Model discrete grain size distribution menggunakan teori ekuivalen medium. Model ini memberikan perbedaan antara agregat kasar dan agregat halus sehingga lebih realistis untuk memodelkan beton. Seperti model continuous grain size distribution, model discrete grain size distribution juga mengikuti prosedur sejumlah langkah-langkah. Partikel yang paling kecil ditambahkan terlebih dahulu, diikuti dengan partikel yang lebih besar. Air menggambarkan ukuran partikel yang paling kecil dan membentuk matrix dasar pertama, dan prosedur iterasi dilakukan untuk menghitung kembali properti dielektrik setelah setiap penambahan sejumlah kecil partikel. Konektifitas molekul air ditentukan pada setiap langkah karena sangat penting untuk memprediksi konduktifitas dielektrik Konstanta Dielektrik Relatif Permitivitas dielektrik kompleks material selalu dinyatakan dalam bentuk tanpa dimensi dengan membaginya dengan permitivitas dielektrik ruang hampa (vacuum) 0. Bentuk tanpa dimensi ini disebut konstanta dielektrik relatif ( r ), yang ditulis sebagai berikut: 14

10 r = (2.12) 0 dimana 0 = permitivitas dielektrik material (farad/meter) = permitivitas dielektrik ruang hampa (8.854 x farad/meter) Konstanta dielektrik relatif suatu material hanya dinyatakan oleh bagian ril permitivitas dielektrik (persamaan 2.12) karena secara langsung mempengaruhi kecepatan rambat gelombang elektromagnetik, sedangkan bagian imajiner dapat diabaikan karena nilainya sangat kecil dan hanya mempengaruhi konduktifitas. Konstanta dielektrik relatif (bagian ril) dari beberapa material diperlihatkan dalam Tabel 2.1 berikut. Tabel 2.1 Konstanta Dielektrik Relatif Material (sumber ACI 2282R-98) Material Konstanta dieletrik relatif r Air 1 Portland Cement Concrete* 6-11 Bituminous Concrete* 3-5 Gravel* 5-9 Sand* 2-6 Rock* 6-12 Water 80 *ASTM D 4748 Air memiliki permitivitas dielektrik kompleks yang paling tinggi dibandingkan material lain yang terdapat pada beton. Hal ini menyebabkan air memiliki kontribusi pada beton yang sangat signifikan meskipun volumenya kecil dibandingkan volume agregat. 15