KAPASITAS LENTUR, TOUGHNESS, DAN STIFFNESS BALOK BETON BERSERAT POLYETHYLENE Wibowo Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126. Telp:0271 643524 E-mail: wibowo@uns.ac.id Abstract The common problems of concrete are brittle failure and low of tension. Fiber reinforced plastic concrete is one of the alternatives to solve the problems. This research aim is to demonstrate a contribution of Polyethylene to revise the weakness of its properties. An experiment has been conducted to observe compressive strength, toughness, modulus of rupture and stiffness of fiber-polyethylene-reinforced concrete. The results show that by adding Polyethylene as a fiber in concrete material, compressive strength increases to 120.36%, moment capacity of beam increases to 115.79% and toughness increases to 318.6% compared with normal concrete. Hence, it can be stated that the addition of Polyethylene fiber has a significant contribution to increase the concrete performances. Keywords: concrete, fiber, polyethylene, stiffness, toughness. PENDAHULUAN Salah satu sifat beton yang merugikan adalah sifat keruntuhan getasnya terhadap beban tarik-aksial, beban tarik-fleksural, dan beban tarik-geser. Banyak studi telah dilakukan untuk mengatasi kelemahan sifat beton di atas, antara lain dengan menambahkan campuran serat-serat pada campuran beton yang bermaksud agar serat-serat tersebut dapat berfungsi sebagai tulangan mikro yang tersebar secara acak dalam beton. Elemen struktur yang terbuat dari bahan beton yang mengalami lenturan misalnya akan sangat membutuhkan perkuatan dalam menahan tarik. Serat untuk campuran beton dengan bahan non fabrikasi (bahan yang diproduksi bukan untuk difungsikan sebagai serat) terbukti dapat difungsikan sebagai pengganti bahan serat untuk beton, sebagai contoh penggunaan kawat bendrat seperti penelitian yang dilakukan Suhendro (1991). Penelitian serupa dengan bahan serat plastik pada beton juga menunjukkan peningkatan kuat tarik hal ini mengacu penelitian Mediyanto (Thesis,2001) yang menyatakan bahwa penambahan serat polyester dapat menambah kapasitas momen ultimit dan geser berturut-turut sebesar tidak kurang dari 127,31 % dan 43,17% dan Wibowo (PDM, 2002). Berdasarkan hasil-hasil penelitian tersebut, dicoba dikembangkan kajian penggunaan serat yang berorientasi ramahlingkungan dan appropriate technology. Dalam penelitian ini dipilih serat polyethylene. Dengan merujuk pada hasil penelitian sebelumnya tentang penggunaan serat plastik (Alsayed, 1998, Mediyanto,2001, dan Wibowo, 2002), diharapkan akan dihasilkan perkuatan beton yang lebih baik sehingga memunculkan jenis beton serat tipe baru, yang berkualitas tinggi, dapat diprabrikasi secara mudah dan tidak kalah penting adalah bahan bakunya murah dan mudah didapatkannya. Dengan penggunaan serat polyethylene dalam beton, diharapkan antara lain akan memperbaiki daktilitas (ductility), yang berhubungan dengan kemampuan beton untuk menyerap energi (energy absorption), dan akan meningkatkan kemampuan beton untuk menahan tarik dan kapasitas lentur serta kapasitas gesernya. Untuk itulah penelitian ini akan mengangkat permasalahan mengenai kontribusi penggunaan serat polyethylene terhadap sifat dan kualitas beton, berapa besar pengaruhnya terhadap kapasitas lentur, toughness, dan stiffness balok beton serta perbandingan terhadap hasil penelitian sejenis sebelumnya (Mediyanto, 2001 dan Wibowo, 2002). Tujuan penelitian ini adalah: untuk mengetahui seberapa besar kontribusi serat polyethylene terhadap kuat tarik beton dan untuk mengetahui besarnya peningkatan kapasitas lentur, toughness, dan stiffness balok beton tak bertulang dengan penambah serat polyethylene dalam campuran beton. Beton serat didefinisikan sebagai beton yang dibuat dari campuran semen, agregat, air dan sejumlah MEDIA TEKNIK SIPIL/Januari 2006/17
serat yang disebar secara random. Prinsip penambahan serat adalah memberi tulangan pada beton yang disebar merata ke dalam adukan beton dengan orientasi random untuk mencegah terjadinya retakan-retakan beton yang terlalu dini di daerah tarik akibat panas hidrasi maupun akibat pembebanan (Soroushian dan Bayasi, 1987, Mediyanto, 2001). Teori penulangan dalam mekanika retak berdasarkan pada kekuatan dari serat mencakup: (1) menitik beratkan lekatan dan penjangkaran, (2) memerlukan serat yang kuat dan kaku, (3) retak sepanjang serat, dan (4) banyaknya kerusakan matrik beton. Zollo (1997) menyatakan bahwa penggunaan serat pada beton bertulang dapat meningkatkan penyerapan energi, daktilitas, mengendalikan retak, dan meningkatkan sifat deformasi. Penelitian yang dilakukan oleh Suhendro (1991) membuktikan bahwa sifat-sifat kurang baik dari beton, yaitu getas, praktis tidak mampu menahan tegangan tarik dan momen lentur dapat diperbaiki dengan menambahkan fiber lokal yang terbuat dari potongan-potongan kawat pada adukan beton. Selain itu dibuktikan pula bahwa tingkat perbaikan yang diperoleh dengan menggunakan fiber lokal tidak kalah dengan hasil-hasil yang dilaporkan di luar negeri dengan menggunakan steel fiber yang asli. Analisis kapasitas tampang untuk beton berserat telah diusulkan oleh bebarapa peneliti diantaranya Henager dan Doherty (1976), Swamy dan Al Taan (1981), Jindall (1983), Lorentsen (1985) dan yang terakhir Suhendro (1991). Masing-masing usulan perhitungan kapasitas balok didukung oleh hasil pengujian empiris. Dimungkinkan dalam penelitian ini akan dimunculkan model perhitungan kapasitas balok yang berbeda yang tentunya didasarkan pada type serat dan hasil pengujian. Dasar perhitungan kapasitas momen, akan didekati dengan model yang diusulkan Suhendro seperti pada Gambar 1. sebagai berikut : fc c Dc 3/8 cd d h-c T c 0,85 (h-c) T s 0,85f tf Gambar 1. Diagram tegangan beton serat yang diusulkan Suhendro (1991) D c = 0,67. f c.c.b...[1] T c = 0,85 (h-c). 0,85 f tf. b...[2] T s = A s. f Y...[3] Persyaratan kesetimbangan gaya-gaya dalam, memberi hubungan : D c T c T s = 0...[4] Sehingga momen ultimate dihitung dengan formulasi : h c + 3 M n = T c h c T s d c 8 2 8 5...[5] dimana: c = jarak garis netral ke serat tekan terluar b = lebar balok h = tinggi balok f c = kuat desak beton (MPa) f y = tegangan leleh baja tulangan (MPa) A s = luas tulangan (mm 2 ) M n = momen kapasitas balok (Nmm) f tf = kuat tarik beton serat (MPa) Toughness suatu penampang dari elemen balok adalah energi yang dapat diserap dan dihitung dari luas dibawah diagram beban-lendutan dari sebuah uji lentur. (Wahyono,1996). Stiffness balok beton didefinisikan sebagai hasil bagi antara beban dan lendutan dari uji lentur dan diformulasikan sebagai berikut : 18/MEDIA TEKNIK SIPIL/Januari 2006
P K =...[6] δ dimana : K = stiffness P = beban δ = lendutan Berdasarkan formulasi di atas dan didasarkan hasil pengujian atas sampel penelitian, dihitung kapasitas lentur, toughness, dan stiffness balok beton tak bertulang dengan memperhitungkan kontribusi serat polyethylene. METODE Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Pengujian balok dengan empat titik pembebanan (two points loading) dengan bentang geser 15 mm. Panjang, ukuran penampang dan jumlah benda uji disajikan pada Tabel 1 dan Tabel 2. Setting-up alat dan benda uji disajikan pada Gambar 2. Bahan yang digunakan adalah semen, pasir, kerikil, air, serat polyethylene, superplasticizer, dan air. Tabel 2. Jumlah dan ukuran penampang benda uji balok Kode Pan jang balok Penam pang (mm 2 ) Volume Serat (%) Jumlah BN.1 600 150x150 0,00 3 (uji lentur) BF.2 600 150x150 0,30 3 (uji lentur) BF.3 600 150x150 0,75 3 (uji lentur) BF.4 1000 150x150 1,00 3 (uji lentur) Berat serat dalam 1 meter kubik beton dihitung dengan rumus : W = kadar serat x berat jenis serat HASIL DAN PEMBAHASAN Pasir dengan kandungan lumpur sebesar 2,0%. Pasir ini termasuk dalam golongan daerah II dan dalam tabel gradasi dengan modulus halus pasir sebesar 3,04. Berat jenis dalam kondisi jenuh kering muka (Saturated Surface Dry, SSD) adalah 2,57 t/m 3. Sementara itu serapan air sebesar 1,58%. Kerikil dengan kandungan lumpur sebesar 0,60%. Kerikil ini mempunyai modulus halus sebesar 5,70. Berat jenis dalam kondisi jenuh kering muka (Saturated Surface Dry, SSD) adalah 2,70 t/m 3. Sementara itu serapan air sebesar 0,81%. Serat polyethylene mempunyai berat jenis sebesar 0,96 t/m 3 dengan perpanjangan 40 %. Serat polyethyelene yang dipakai dalam penelitian ini berupa potongan-potongan kecil yang rata-rata berukuran 0,2 cm x 5 cm. Gambar 2. Skema pengujian model elemen balok beton tak bertulang berserat polyethylene. Adapun data benda uji disajikan dalam tabel berikut: Tabel 1. Jumlah dan ukuran penampang benda uji silinder Kode Tinggi Diameter Volume Serat (%) Jumlah SN.1 300 150 0,00 3 (uji desak) SF.2 300 150 0,30 3 (uji desak) SF.3 300 150 0,75 3 (uji desak) SF.4 300 150 1,00 3 (uji desak) Pengujian slump menggunakan kerucut Abrams dan bertujuan untuk mengetahui workabilitas adukan beton. Nilai slump yang diperoleh pada pengujian disajikan dalam Tabel 3 Tabel 3. Hasil Pengujian Nilai Slump Nilai Slump (cm) 0% 16 0.30% 10,5 0.75% 7 1% 5 Hal ini menunjukkan bahwa workabilitas adukan beton normal berada pada tingkat tinggi, sedangkan beton seratnya pada kondisi baik sampai dengan sedang. Sebelumnya pada campuran adukan ini ditambahkan super plasticizer agar diperoleh kemudahan dalam pengerjaannya. Kuat desak rata-rata beton disajikan dalam Tabel 4 MEDIA TEKNIK SIPIL/Januari 2006/19
Tabel 4. Data Hasil Pengujian Kuat Desak Nilai kuat desak (Mpa) 0% 20,38 0.30% 24,53 0.75% 13,02 1% 11,89 Hubungan antara peningkatan kuat desak dan kadar serat polyethylene dapat dilihat pada Gambar 3 dengan peningkatan kuat desak sebagai ordinat (sumbu y) dan kadar serat polyethylene sebagai absis (sumbu x). 30 25 a ) P ( M 20 N O T E B 15 K A S E 10 D T A U 5 K 0 KUAT DESAK KADAR POLYETELENE (%) Gambar 3. Hubungan Antara Kuat Desak Beton dengan Kadar Serat Polyetelene Pada waktu pengujian dilakukan, diamati perilaku yang terjadi pada benda uji terutama pada tampang pecah dan tampang retaknya. Pada pemeriksaan tampang pecah beton berserat ditemukan adanya serat yang terputus, hal ini menunjukkan serat telah bekerja maksimal. Meningkatnya kuat desak dapat dipahami yaitu serat yang ada masih memungkinkan untuk mendapatkan posisinya dengan baik di dalam adukan,meskipun ada kecenderungan meningkatnya gesekan antara agregat. Kondisi demikian membuat adukan masih relatif baik dan pemadatan masih dapat dilakukan secara memadai. Dalam keadaan ini serat dapat memberikan kontribusi terhadap kualitas komposit yang dihasilkan, dimana beton seolah-olah memperoleh tulangan. Adanya pengaruh tulangan ini membuat meningkatnya sifat beton yang dihasilkan. Tulangan membantu beton dalam menahan beban yang bekerja padanya. Hal ini menyebabkan beton mampu menahan beban yang lebih besar jika dibandingkan dengan beton tanpa serat. Data yang diperoleh menunjukkan dengan jelas bahwa penggunaan kadar serat polyethylene dapat menaikkan nilai kuat desak beton sebesar 20,36% (dibandingkan dengan beton tanpa serat). Setelah mencapai kadar polyethylene yang optimal, beton mulai mengalami penurunan kuat desak. Sebagaimana yang telah diketahui bahwa penambahan serat dapat menurunkan kelecakan adukan sehingga beton akan cenderung menjadi tidak padat dan tidak pampat lagi. Kuat belah rata-rata beton disajikan dalam Tabel 5 Tabel 5. Data Hasil Pengujian Kuat Belah Nilai Kuat Belah (Mpa) 0% 2,45 0.30% 2,50 0.75% 1,84 1% 1,75 Hasil penelitian (Tabel 6.) memperlihatkan bahwa penggunaan kadar serat polyethylene hanya dapat menaikkan nilai kuat belah beton sebesar 2,05%. Kemudian setelah mencapai kadar polyethylene yang optimal, beton mulai mengalami penurunan kuat belah. Fenomena ini masih berkaitan dengan teori bahwa penambahan serat dapat menurunkan kelecakan adukan sehingga beton akan cenderung menjadi tidak padat dan tidak pampat lagi. Kapasitas momen rata-ratabeton disajikan dalam Tabel 6 Tabel 6. Data Hasil Kapasitas Momen Kapasitas momen (knmm) 0% 2375,25 0.30% 2750,25 0.75% 2100,00 1% 1700,25 Penggunaan kadar serat polyethylene dapat menaikkan nilai kapasitas momen balok beton sebesar 15,79% dibanding beton normal (tanpa serat). Namun setelah mencapai kadar penambahan polyethylene yang optimal, beton mulai mengalami penurunan kuat desak. Kecenderungan ini sesuai pada hasil pengujian sebelumnya yaitu uji desak dan kuat belah beton, parameter di atas berpengaruh langsung terhadap kapasitas momen balok. Hasil Pengujian Stiffness disajikan dalam Tabel 7 20/MEDIA TEKNIK SIPIL/Januari 2006
Tabel 7. Data Hasil Stiffness Stiffness (P/δ) (kn/mm) 0% 58,70 0.30% 55,56 0.75% 46,67 1% 43,33 Pasta beton akan semakin kokoh/stabil dalam menahan beban karena aksi serat (fiber bridging) yang saling mengikat di sekelilingnya. Berdasar tabel diatas terlihat bahwa penggunaan kadar serat polyethylene tidak dapat menaikkan nilai stiffness. Selain stiffness pengujian ini menghasilkan diagram beban lendutan. Dari grafik beban - lendutan dapat dihitung luas dibawah grafik tesebut yang menunjukkan toughness. Selanjutnya pengujian toughness secara lengkap disajikan dalam Tabel 8 Tabel 8. Data Hasil Toughness Kadar Polyetelene (%) Toughness (knmm) 0% 1,6125 0.30% 6,7500 0.75% 5,8125 1% 1,8000 Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa penggunaan kadar serat polyethylene dapat menaikkan nilai toughness beton sebesar 318,61% dibanding beton normal (tanpa serat). Setelah mencapai kadar polyethylene yang optimal, beton mulai mengalami penurunan toughness. Beton serat rata-rata mempunyai kemampuan menyerap energi lebih baik dibanding beton biasa, sehingga hasil tersebut sesuai dengan hasil-hasil penelitian tentang penggunaan serat dalam material beton. Peningkatan mutu beton serat setelah mengeras juga dipengaruhi mekanisme kerja serat dalam adukan beton secara bersama-sama, yang dapat dijelaskan sebagai berikut : Serat bersama pasta beton akan membentuk matrik komposit, dimana serat akan menahan beban yang ada sesuai dengan modulus elastisitasnya. Gambar 4. Serat di Dalam Beton Gambar 5. Aksi Serat Bersama Pasta Semen Serat akan melakukan dowel action (aksi pasak) sehingga pasta yang sudah retak tetap stabil/kokoh menahan beban yang ada. Gambar 6. Aksi Pasak di Dalam Beton SIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan merujuk pada penelitian terdahulu serta referensi yang berkaitan dengan materi penelitian ini, dapat diambil beberapa simpulan sebagai berikut: Penambahan serat polyethylene ke dalam campuran beton dengan kadar 0,3%, meningkatkan kuat tekan sebesar 20,36%, meningkatkan kuat belah sebesar 2,05%, meningkatkan nilai kapasitas momen balok beton sebesar 15,79%. dan meningkatkan nilai toughness beton sebesar 318,61%. UCAPAN TERIMA KASIH Penghargaan dan ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada semua pihak yang telah ikut memberikan kontribusi dalam penelitian ini, utamanya adalah P3M Dikti DEPDIKNAS yang telah memberikan dana untuk pelaksanaan penelitian ini lewat Program Penelitian Dosen Muda tahun 2005 dan juga LPPM UNS. REFERENSI Mediyanto, A., 2001, Perkuatan balok beton dengan beton serat polyester dan bentuk sengkang yang berbeda, Thesis S-2 UGM. MEDIA TEKNIK SIPIL/Januari 2006/21
Soroushian,P., and Bayasi,Z., 1987, Consept of Fiber Reinforced Concrete, Michigan State University, Michigan. Suhendro, B., 1991, Pengaruh Pemakaian Fiber Secara Parsial pada Perilaku dan Kapasitas Balok Beton Bertulang, Seminar Mekanika Bahan Untuk Meningkatkan Potensi Bahan Lokal, PAU UGM. Wahyono, A.,1996, Pengaruh fiber bendrat terhadap kuat geser balok beton bertulang, Thesis, Program Pasca Sarjana, UGM, Yogyakarta. Wibowo, 2002, Kapasitas Lentur Balok Beton Bertulang Dengan Penambahan Serat Plastik Hasil Pemanfaatan Botol Bekas, Penelitian Dosen Muda, Universitas Sebelas Maret Surakarta. Zollo,R.F., 1997, Fiber Reinforced Concrete: an overview after 30 years of development, Cemen and Concrete Composite, Vol.19,107-122. 22/MEDIA TEKNIK SIPIL/Januari 2006