TESIS SIFAT FISIK DAN MEKANIK BETON RINGAN (LIGHT WEIGHT CONCRETE) MEMAKAI STYROFOAM DAN PULVERISED FLY ASH YULIAWAN SUCIARSA 3104 202 001 PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN STRUKTUR JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2006
SIFAT FISIK DAN MEKANIK BETON RINGAN MEMAKAI STYROFOAM DAN PULVERISED FLY ASH ABSTRAK Oleh Dosen Pembimbing : Yuliawan Suciarsa : 1. Prof. Dr. Ir. Triwulan 2. Ir Mudji Irmawan, MS. Penelitian ini dimaksudkan untuk memanfatkan kembali limbah Styrofoam dan limbah pembakaran batu bara pada PLTU yaitu Pulverised Fly Ash (PFA) yang dicampur dengan semen untuk pembuatan beton ringan nonstruktur sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan dinding partisi sebagai pengganti batu bata konvensional. Pemilihan bahan Styrofoam pada pembuatan beton ringan adalah karena berat jenis ringan. Penelitian ini diawali dengan pengujian pasta semen dan PFA dengan kadar PFA mulai dari 30%, 40%, dan 50% dari berat semen. PFA yang digunakan ada dua tipe yaitu tipe I tidak disaring dan tipe II disaring dengan saringan no. 200. Styrofoam yang digunakan ada dua macam: Styrofoam Parut (styrofoam dari limbah pembungkus barang elektronik yang diparut menjadi butiran kecil) dan Styrofoam Toko (styrofoam yang dibeli di toko). Adapun untuk komposisi campuran beton ringan untuk Styrofoam Parut adalah 3%, 3.5% dan 4% dan untuk Styrofoam Toko adalah 2%, 2.5%, dan 3% dari berat semen dan PFA. Berdasarkan pengujian pasta, didapatkan hasil bahwa kuat tekan pasta semakin menurun, sedangkan kuat tarik dan kuat lenturnya semakin meningkat. Pengujian pasta juga menunjukkan pasta dengan PFA tipe I mempunyai kuat tekan yang lebih tinggi dari pasta PFA tipe II, tetapi kuat tarik dan kuat lenturnya lebih rendah. Berdasarkan pengujian pasta ini untuk campuran beton digunakan PFA sebesar 50% sebagai pengganti semen pada beton dengan mempertimbangkan kuat tekan, kuat tarik, dan kuat lentur yang mencukupi untuk beton ringan nonstruktur. Hasil pengujian beton ringan dengan Styrofoam Parut komposisi 3%, 3.5% dan 4% dari berat semen dan PFA, diperoleh berat volume beton sebesar 0.87 t/m 3, 0.76 t/m 3, 0.71 t/m 3, kuat tekan beton sebesar 3 MPa, 2.3 MPa, dan 1.7 MPa, kuat tarik beton sebesar 0.30 MPa, 0.20 MPa, dan 0.12 MPa, kuat lentur sebesar 1.05 MPa, 0.97 MPa, dan 0.94 MPa. Adapun untuk beton ringan dengan Styrofoam Toko komposisi 2%, 2.5% dan 3% dari berat semen dan PFA, diperoleh berat volume beton sebesar 0.86 t/m 3, 0.74 t/m 3, 0.68 t/m 3, kuat tekan beton sebesar 2.82 MPa, 2.16 MPa, dan 1.10 MPa, kuat tarik beton sebesar 0.29 MPa, 0.18 MPa, 0.13 MPa, kuat lentur beton sebesar 0.80 MPa, 0.70 MPa dan 0.65 MPa. Berdasarkan hasil pengujian beton, maka beton ringan dengan menggunakan komposisi Styrofoam Parut 3% dan Styrofoam Toko 2% dapat dikategorikan sebagai beton ringan nonstruktur dan bisa dimanfaatkan sebagai bahan dinding panel. Kata-kata kunci: beton ringan nonstruktur, pulverized fly ash, styrofoam parut, styrofoam toko. iii
PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF LIGHWEIGT CONCRETE USING STYROFOAM AND PULVERISED FLY ASH ABSTRACT By : Yuliawan Suciarsa Under the supervision : 1. Prof. Dr. Ir. Triwulan 2. Ir Mudji Irmawan, MS. This research is meant to reuse Styrofoam waste and waste of furnaces of coal power that is Pulverised Fly Ash (PFA) mixed with cement for the making of non structure light weight concrete so that can be used as panel wall to substitute conventional brick. The election of materials of Styrofoam in making of light weight concrete is because of light specific gravity. This research is started with examination of cement and PFA paste with the composition of PFA start from 30%, 40%, and 50% from cement weight. There is two type of PFA, the type I is PFA which is not be filtered and the type II which is be filtered with filter of No. 200. For the Styrofoam there is two kinds: Waste Styrofoam (styrofoam from electronical s tool wrapping which grated become small grain) and Fabricated Styrofoam (styrofoam which can buy in shop). As for the composition of light weight concrete mixture for Waste Styrofoam is 3%, 3.5% and 4% and for the Fabricated Styrofoam are 2%, 2.5%, and 3% from weight cement and PFA. According to paste testing, it can be concluded that compressive strength become lower, while on contrary the tensile strength and flexure strength become higher. The test of paste also show that paste with PFA type of I have higher compressive strength than paste with PFA type of II, but tension and flexure strength have smaller. Based on the examination of paste, for the concrete mixture is used 50% PFA for replacing cement in concrete, considered on the sufficient of compressive, tensile, and flexure strength for the non structural lightweight concrete. The result of examination of lightweight concrete with Waste Styrofoam composition 3%, 3.5% and 4% from weight cement and PFA, obtained volume weight of concrete equal to 0.87 t/m 3, 0.76 t/m 3 and 0.71 t/m 3, compressive strength of concrete equal to 3 MPa, 2.3 MPa, and 1.7 MPa, tensile strength of concrete equal to 0.30 MPa, 0.20 MPa, and 0.12 MPa, and flexure strength of concrete equal to 1.05 MPa, 0.97 MPa, and 0.94 MPa. As for light weight concrete with Fabricated Styrofoam composition 2%, 2.5% and 4% from weight cement and PFA, obtained volume weight equal to 0.86 t/m 3, 0.74 t/m 3, 0.68 t/m 3, compressive strength of concrete equal to 2.82 MPa, 2.16 MPa, and 1.10 MPa, tensile strength of concrete equal to 0.29 MPa, 0.18 MPa, 0.13 MPa, and flexure strength of concrete equal to 0.80 MPa, 0.70 MPa and 0.65 MPa. Based on the result of concrete testing, the light weight concrete with the composition for Waste Styrofoam 3% and for the Fabricated Styrofoam 2% can be categorized as non structural light weight concrete and can be used for panel wall. Key words: non structural lightweight concrete, pulverized fly ash, waste styrofoam, fabricated styrofoam. iv
SIFAT FISIK DAN MEKANIK BETON RINGAN (LIGHTWEIGHT CONCRETE) MEMAKAI STYROFOAM DAN PULVERISED FLY ASH Tesis ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Magister Teknik (M.T.) di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Oleh : YULIAWAN SUCIARSA NRP : 3104202001 Disetujui oleh Tim Penguji Tesis : Tanggal Ujian : 24 Juli 2006 Periode Wisuda : September 2006 1. Prof. Dr. Ir. Triwulan NIP.130 520 315 2. Ir. Mudji Irmawan, M.S. NIP. 131 790 588 3. Ir. Ananta Sigit S., M.Sc., Ph.D. NIP. 130 532 001 4. Ir. Iman Wimbadi, M.S. Direktur Program Pascasarjana NIP. 130 676 234 5. Ir. Isdarmanu, M.Sc. Prof. Ir. Happy Ratna S., M.Sc., Ph.D. NIP. 130 532 043 NIP. 130 541 829
Persembahan Untuk Orang Tua tercinta : yang penuh Kasih Sayang Untuk Isteri Tercinta : Siti Sa idah yang penuh Sabar dan Syukur Untuk Ananda tersayang : Siti Aminah, Siti Mukhlisoh dan Muhammad Nur anak yang sholeh yang selalu berdoa untuk kebaikan orang tua dan umat Rasulullah
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur ke hadirat Allah Subhanaahuh Wa Ta ala atas rahmat dan pertolongannya, sehingga Tesis ini dapat diselesaikan sebagaimana mestinya. Tesis ini merupakan salah satu persyaratan akademik dalam menyelesaikan pendidikan program Magister di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Penulisannya didasarkan atas kajian literatur dan eksperimental yang telah dilakukan di Laboratorium Beton dan Bahan Bangunan Jurusan Teknik Sipil Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, dengan judul Sifat Fisik dan Mekanik Beton Ringan Memakai Styrofoam dan Pulverised Fly Ash. Melalui kesempatan ini, ijinkan penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Ibu Prof. Dr. Ir. Triwulan, selaku Pembimbing I yang telah banyak meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, saran serta masukan selama penulisan dan pelaksanaan penelitian ini. 2. Bapak Ir. Mudji Irmawan, MS., selaku Pembimbing II yang telah banyak meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, saran serta masukan selama penulisan dan pelaksanaan penelitian ini. 3. Bapak Ir. Kurdian Suprapto, MS., yang telah memberikan motivasi dan dukungan selama pelaksanaan penelitian ini. 4. Seluruf staff dan teknisi Laboratorium Beton dan Bahan Bangunan Jurusan Teknik Sipil Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. 5. Teman-teman mahasiswa S2 yang telah memberikan motivasi dan dukungan selama pelaksanaan penelitian ini. 6. Orang tua tercinta yang telah memberikan perhatian, bimbingan, motivasi dan dukungan baik moril maupun materiil. 7. Semua pihak yang tidak dapat disebut satu persatu. Penulis menyadari bahwa tulisan ini jauh dari kesempurnaan, oleh sebab itu kritik dan saran yang sifatnya konstruktif dari pembaca sangat kami harapkan. v
Semoga apa yang penulis lakukan dapat memberi manfaat bagi pembaca dan kemajuan ilmu pengetahuan di masa mendatang. Surabaya, Juli 2006 Penulis vi
DAFTAR ISI Hal ABSTRAK.... iii KATA PENGANTAR.. v DAFTAR ISI... vii DAFTAR GAMBAR ix DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR NOTASI.. xv BAB I PENDAHULUAN.... 1 1.1. Latar Belakang Masalah..... 1 1.2. Permasalahan 4 1.3. Tujuan Penelitian... 4 1.4. Kegunaan Penelitian..... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1. Material Komposit... 6 2.1.1. Deskripsi Umum 6 2.1.2. Beton Komposit. 8 2.2. Beton Ringan (Lightweight Concrete)... 8 2.3. Semen Portland (Portland Cement)... 12 2.4. Pulverised Fly Ash..... 13 2.4.1. Macam-Macam Pulverised Fly Ash...... 13 2.4.2. Manfaat Pulverised Fly Ash.......... 15 2.4.3. Referensi tentang Penggunaan Pulverised Fly Ash pada Beton... 19 2.4. Styrofoam (Expanded Polystyrene)... 20 BAB III METODE PENELITIAN 22 3.1. Rancangan Penelitian...... 22 3.2. Standar Penelitian... 23 3.3. Benda Uji 25 3.2.1. Material.. 25 3.2.2. Perencanaan Campuran Beton Ringan... 26 vii
3.2.2. Pembuatan Benda Uji.... 29 3.3. Pelaksanaan Pengujian...... 31 3.3.1. Pengujian Pasta..... 31 3.3.2. Pengujian Beton..... 38 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN.. 45 4.1. Analisa Data Pengujian Material... 45 4.1.1. Semen Portland.. 45 4.1.2. Pulverised Fly Ash. 46 4.1.3. Styrofoam... 48 4.2. Analisa Data Pengujian Pasta 48 4.2.1. Konsistensi Normal 48 4.2.2. Setting Time... 52 4.2.3. Porositas Pasta 57 4.2.4. Kuat Tekan Pasta 58 4.2.5. Kuat Tarik Pasta. 62 4.2.6. Kuat Lentur Pasta... 63 4.2.7. X-Ray Diffraction... 66 4.3. Analisa Data Pengujian Beton Ringan Styrofoam.. 69 4.3.1. Berat Jenis Beton Ringan Styrofoam.. 69 4.3.2. Slump Beton Ringan Styrofoam. 72 4.3.3. Porositas Beton Ringan Styrofoam. 72 4.3.4. Kuat Tekan Beton Ringan Styrofoam. 75 4.3.5. Kuat Tarik Beton Ringan Styrofoam... 79 4.3.6. Kuat Lentur Beton Ringan Styrofoam. 82 4.3.7. Modulus Elastisitas Beton Ringan Styrofoam. 88 4.3.8. Hubungan antara Kuat Tekan, Kuat Tarik, Kuat Lentur, dan Modulus Elastisitas Beton Ringan Styrofoam... 92 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 96 DAFTAR PUSTAKA....... 98 LAMPIRAN.. 100 viii
DAFTAR GAMBAR Hal Gambar 2.1. Model dari Empat Macam Komposit 7 Gambar 2.2. Tampak Pulverised Fly Ash.. 13 Gambar 2.3. Proses Pengendapan Pulverised Fly Ash dengan Electrostatic Precipitator (sumber: ACI 232.2R-96).. 14 Gambar 2.4. Pulverised Fly Ash dengan Pembesaran 4000 kali 17 Gambar 2.5. Reaksi kimia Semen Portland + Pulverised Fly Ash. 17 Gambar 2.6. Grafik Perkembangan Kuat Tekan yang Mengandung Pulverised Fly Ash Tipe C dan BetonTanpa Fly Ash.. 19 Gambar 2.7. Formula Senyawa Kimia dan Tampak Styrofoam.. 21 Gambar 3.1. (a) Styrofoam Parut dan (b) Styrofoam Toko. 26 Gambar 3.2. Tes Tekan Pasta... 33 Gambar 3.3. Sketsa Pembebanan Tes Lentur Pasta... 34 Gambar 3.4. Tes Lentur Pasta. 35 Gambar 3.5. Benda Uji Tes Kuat Tarik Pasta. 36 Gambar 3.6. Pengujian Kuat Tarik Pasta 36 Gambar 3.7. Tes Kuat Tekan Beton... 40 Gambar 3.8. Tes Kuat Tarik Beton... 41 Gambar 3.9. Sketsa Pembebanan Tes Kuat Lentur Beton.. 42 Gambar 3.10. Tes Kuat Lentur Beton. 42 Gambar 3.11. Tes Modulus Elastisitas Beton. 44 Gambar 4.1. Grafik Konsistensi Normal Pasta Normal... 49 Gambar 4.2. Grafik Konsistensi Normal Pasta PFA I 30%... 50 Gambar 4.3. Grafik Konsistensi Normal Pasta PFA I 40%... 50 Gambar 4.4. Grafik Konsistensi Normal Pasta PFA I 50%... 50 Gambar 4.5. Grafik Konsistensi Normal Pasta PFA II 30%... 51 Gambar 4.6. Grafik Konsistensi Normal Pasta PFA II 40%... 51 Gambar 4.7. Grafik Konsistensi Normal Pasta PFA II 50%... 51 Gambar 4.8. Grafik Konsistensi Normal Pasta... 52 ix
Gambar 4.9. Grafik Waktu Penetrasi Pasta Normal... 54 Gambar 4.10. Grafik Waktu Penetrasi Pasta PFA I 30%... 54 Gambar 4.11. Grafik Waktu Penetrasi Pasta PFA I 40%... 54 Gambar 4.12. Grafik Waktu Penetrasi Pasta PFA I 50%... 55 Gambar 4.13. Grafik Waktu Penetrasi Pasta PFA II 30%... 55 Gambar 4.14. Grafik Waktu Penetrasi Pasta PFA II 40%... 55 Gambar 4.15. Grafik Waktu Penetrasi Pasta PFA II 50%... 56 Gambar 4.16. Grafik Waktu Penetrasi Pasta... 56 Gambar 4.17. Grafik Porositas Pasta... 58 Gambar 4.18. Grafik Kuat Tekan Pasta Semen-PFA... 60 Gambar 4.19. Grafik Kuat Tekan Pasta Semen-PFA Tipe I 60 Gambar 4.20. Grafik Kuat Tekan Pasta Semen-PFA Tipe II.. 61 Gambar 4.21. Grafik Kuat Tarik Pasta Semen-PFA 63 Gambar 4.22. Grafik Kuat Lentur Pasta Semen-PFA.. 65 Gambar 4.23. Grafik Hasil XRD Pasta Normal... 66 Gambar 4.24. Grafik Hasil XRD Pasta Semen-PFA I 30%. 67 Gambar 4.25. Grafik Hasil XRD Pasta Semen-PFA I 50%. 67 Gambar 4.26. Grafik Hasil XRD Pasta Semen-PFA II 30%... 68 Gambar 4.27. Grafik Berat Volume Beton Ringan Styrofoam Parut dengan PFA 50%... 70 Gambar 4.28. Grafik Berat Volume Beton Ringan Styrofoam Toko dengan PFA 50%... 71 Gambar 4.29. Grafik Porositas Beton Ringan Styrofoam Parut dengan PFA 50% 73 Gambar 4.30. Grafik Porositas Beton Ringan Styrofoam Toko dengan PFA 50% 74 Gambar 4.31. Grafik Kuat Tekan Beton Ringan Styrofoam Parut dengan PFA 50% 76 Gambar 4.32. Grafik Kuat Tekan Beton Ringan Styrofoam Toko dengan PFA 50% 76 x
Gambar 4.33. Grafik Hubungan Kuat Tekan dan Berat Jenis Beton Ringan Styrofoam Parut. 78 Gambar 4.34. Grafik Hubungan Kuat Tekan dan Berat Jenis Beton Ringan StyrofoamToko 78 Gambar 4.35. Grafik Kuat Tarik Beton Ringan Styrofoam Parut dengan PFA 50% 80 Gambar 4.36. Grafik Kuat Tarik Beton Ringan Styrofoam Toko dengan PFA 50%. 80 Gambar 4.37. Grafik Kuat Lentur Beton Ringan Styrofoam Parut dengan PFA 50%. 83 Gambar 4.38. Grafik Kuat Lentur Beton Ringan Styrofoam Toko dengan PFA 50%. 83 Gambar 4.39. Grafik Hubungan Kuat Lentur dan Lendutan Beton Ringan Styrofoam Parut 3%.. 84 Gambar 4.40. Grafik Hubungan Kuat Lentur dan Lendutan Beton Ringan Styrofoam Parut 3.5% 84 Gambar 4.41. Grafik Hubungan Kuat Lentur dan Lendutan Beton Ringan Styrofoam Parut 4%... 85 Gambar 4.42. Grafik Hubungan Kuat Lentur dan Lendutan Beton Ringan Styrofoam Toko 2% 85 Gambar 4.43. Grafik Hubungan Kuat Lentur dan Lendutan Beton Ringan Styrofoam Toko 2.5%. 86 Gambar 4.44. Grafik Hubungan Kuat Lentur dan Lendutan Beton Ringan Styrofoam Toko 3%.... 86 Gambar 4.45. Mekanisme Interaksi antara Styrofoam Parut dan Styrofoam Toko dengan Pasta... 87 Gambar 4.46. Grafik Modulus Elastisitas Beton Ringan Styrofoam Parut... 89 Gambar 4.47. Grafik Modulus Elastisitas Beton Ringan Styrofoam Toko. 89 Gambar 4.48. Grafik Hubungan Tegangan Regangan Beton Ringan Styrofoam Parut. 90 xi
Gambar 4.49. Grafik Hubungan Tegangan Regangan Beton Ringan Styrofoam Toko. 90 xii
DAFTAR TABEL Hal Tabel 2.1. Pembagian Beton Ringan Menurut Penggunaan dan Persyaratannya. 10 Tabel 2.2. Spesifikasi Kimia dan Fisika Pulverised Fly Ash Menurut ASTM C618-92a.. 15 Tabel 2.3. Perbandingan Kandungan Senyawa Kimia pada Pulverised Fly Ash dan Semen (berdasar % berat). 16 Tabel 3.1. Standar yang dipakai dalam penelitian material.. 24 Tabel 3.2. Standar yang dipakai dalam penelitian pasta dan beton.. 24 Tabel 3.3. Perencanaan Kebutuhan Bahan Beton per m 3.. 28 Tabel 3.4. Hasil Penelitian Awal Beton Ringan Styrofoam.. 28 Tabel 3.5. Pengujian Pasta (Semen + PFA)... 29 Tabel 3.6. Pengujian Beton (Semen + PFA + Styrofoam). 30 Tabel 4.1. Hasil Pengujian Semen Portland Tipe I... 46 Tabel 4.2. Hasil Pengujian Pulverised Fly Ash. 47 Tabel 4.3. Hasil Pengujian Berat Jenis Styrofoam 48 Tabel 4.4. Hasil Pengujian Konsistensi Normal... 49 Tabel 4.5. Hasil Pengujian Setting Time... 53 Tabel 4.6. Penentuan Setting Time 53 Tabel 4.7. Hasil Pengujian Porositas Pasta 57 Tabel 4.8. Hasil Pengujian Kuat Tekan Pasta 59 Tabel 4.9. Hasil Pengujian Kuat Tarik Pasta. 62 Tabel 4.10. Hasil Pengujian Kuat Lentur Pasta... 64 Tabel 4.11. Hasil Pengujian Berat Volume Beton Ringan Styrofoam.. 70 Tabel 4.12. Hasil Uji Tes Slump Beton Ringan Styrofoam.. 72 Tabel 4.13. Hasil Pengujian Porositas Beton Ringan Styrofoam. 73 Tabel 4.14. Hasil Pengujian Kuat Tekan Beton Ringan Styrofoam. 75 Tabel 4.15. Hasil Pengujian Kuat Tarik Beton Ringan Styrofoam.. 79 Tabel 4.16. Hasil Pengujian Kuat Lentur Beton Ringan Styrofoam. 82 xiii
Tabel 4.17. Hasil Perhitungan Modulus Elastisitas Beton Ringan Styrofoam.. 88 Tabel 4.18. Hubungan Rumus Kuat Tarik dengan Hasil Eksperimen 93 Tabel 4.19. Hubungan Rumus Kuat Lentur dengan Hasil Eksperimen... 93 Tabel 4.20. Hubungan Rumus Modulus Elastisitas dengan Hasil Eksperimen... 94 Tabel 4.21. Hubungan Rumus Modulus Elastisitas (Usulan) dengan Hasil Eksperimen... 95 xiv
DAFTAR NOTASI b = lebar penampang, mm d = tinggi efektif penampang, mm E c = modulus elastisitas beton, MPa f c = kuat tekan beton, MPa f r = kuat lentur beton, MPa f t = kuat tarik beton MPa L = lebar balok, cm P = beban, kg S 2 S 1 L = tegangan 40% dari tegangan hancur, MPa = tegangan untuk regangan 50x10-6, MPa = perubahan panjang arah longitudinal, mm 2 = regangan yang menghasilkan S 2 xv