PERBANDINGAN KINERJA BETON YANG MENGGUNAKAN SEMEN PORTLAND POZZOLAN DENGAN YANG MENGGUNAKAN SEMEN PORTLAND TIPE I I Made Alit Karyawan Salain 1 1 Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Jimbaran, Bali Email: imaksalain@yahoo.com 1. ABSTRAK Kinerja dari beton, meliputi kuat tekan, modulus elastisitas dan permeabilitas, yang dibuat dengan menggunakan semen Portland Pozzolan (PPC) telah dibandingkan dengan beton yang dibuat dengan menggunakan semen Portland tipe I (PCI) pada saat umur hidrasi mencapai 3, 7, 28 dan 90 hari. Beton dibuat dengan menggunakan perbandingan campuran semen : pasir : batu pecah dalam perbandingan berat 1 : 2 : 3 dan faktor air semen 0,4. Distribusi butiran pasir dan batu pecah dirancang menurut SNI T-15-1990-03; dengan ketentuan memenuhi gradasi zona 2 untuk agregat halus dan gradasi dengan diameter maksimum 40 mm untuk agregat kasar. Pengujian dilaksanakan dengan menggunakan tiga buah benda uji berupa silinder, diameter = 150 mm dan tinggi = 300 mm, untuk tiap umur uji. Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada umur awal, beton dengan PPC menghasilkan kuat tekan dan modulus elastisitas yang lebih rendah serta koefisien permeabilitas yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan beton dengan PCI. Namun demikian, pada umur hidrasi lebih panjang (90 hari), beton dengan PPC mampu menghasilkan kuat tekan dan modulus elastisitas yang relatif lebih tinggi, sekitar berturut-turut 8% dan 15%, serta koefisien permeabilitas yang lebih rendah, mencapai 50%, bila dibandingkan dengan beton dengan PCI. Fenomena ini dapat dikaitkan dengan berkurangnya porositas beton seperti ditunjukkan dari hasil pengujian permeabilitas. Hasil reaksi antara silika dan alumina reaktif pada Pozzolan dengan Kalsium Hidroksida yang dihasilkan dari proses hidrasi C 3 S dan C 2 S dari PCI memberikan kontribusi bagi peningkatan kepadatan dari matriks beton sedemikian rupa sehingga, pada umur panjang, kinerja dari beton dengan PPC menjadi lebih baik dibandingkan dengan beton dengan PCI. Kata kunci: semen Portland pozzolan, semen Portland tipe I, kuat tekan, modulus elastisitas, permeabilitas PENDAHULUAN Beton merupakan bahan bangunan yang sangat populer digunakan dalam dunia jasa konstruksi. Banyak penelitian tentang beton yang sudah dilaksanakan dan akan terus berlanjut sebagai upaya untuk menjawab tuntutan perkembangan zaman dan kondisi lingkungan. Diketahui bahwa kekuatan beton banyak dipengaruhi oleh bahan pembentuknya (air, semen dan agregat) sehingga kontrol kualitas dari bahan-bahan tersebut harus diperhatikan dengan seksama agar diperoleh beton sesuai dengan yang diinginkan. Dalam teknologi beton, semen Portland merupakan komponen utama yang berfungsi sebagai perekat hidrolik untuk mengikat dan menyatukan agregat menjadi masa padat. Berbagai jenis semen Portland, melalui pengaturan rancangan bahan dasar, telah dikembangkan sesuai dengan jenis bangunan dan persyaratan lingkungan dimana beton akan digunakan. Yang umum digunakan untuk membuat beton adalah semen Portland tipe I (PPI). Semen jenis ini dipakai untuk bangunan-bangunan yang tidak memerlukan persyaratan khusus, seperti panas dan atau waktu hidrasi serta kondisi lingkungan agresif [SNI 15-2049-2004]. Dengan perkembangan teknologi dan juga usaha yang dilakukan untuk menghemat biaya dan energi produksi serta mengatasi permasalahan lingkungan, dewasa ini telah diproduksi semen Portland Pozzolan (PPC) yang merupakan campuran dari klinker semen Portland dengan bahan yang mempunyai sifat pozzolan [SNI 15-0302-2004]. Pozzolan yang digunakan dalam pembuatan PPC dapat bersumber dari alam seperti batu apung maupun berasal dari limbah industri seperti abu terbang (residu dari pembakaran batu bara pada pembangkit listrik). Pozzolan adalah bahan mineral, terutama mengandung silika dan alumina, yang bila dihaluskan setara dengan butiran semen dan dicampur dengan air pada temperatur normal akan bereaksi dengan kapur untuk membentuk senyawa kalsium silikat hidrat C-S-H dan kalsium aluminat hidrat C-A-H, sejenis dengan senyawa yang dihasilkan pada proses hidrasi semen [Lea, 1970; Mehta, 1986]. Diketahui bahwa, reaksi mineral utama semen Portland, C 3 S dan C 2 S, dengan air akan menghasilkan C-S-H dan kapur bebas Ca(OH) 2. Kapur bebas ini tidak banyak memberikan kontribusi terhadap kekuatan dan bahkan cenderung merugikan dari sisi keawetan, bila dalam perjalanan waktu kapur tersebut bereaksi dengan unsur yang bersifat agresif seperti sulfat [Lea, 1970; Mehta, 1986; Neville and Brooks, 1998]. Dengan mencampur klinker semen Portland dan pozzolan, dalam proporsi tertentu, akan diperoleh jenis semen PPC yang mempunyai karakter yang berbeda bila dibandingkan dengan semen Portland tipe I [Lea, SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 M-97
Material 1970; Mehta, 1986; Neville and Brooks, 1998]. Perbedaan karakter ini akan mempengaruhi kinerja dari beton yang dibuat dengan menggunakan PPC atau PCI. Dalam makalah ini disampaikan hasil penelitian yang membandingkan kinerja dari beton yang dibuat dengan menggunakan semen Portland Pozzolan (PPC) dengan beton yang dibuat dengan menggunakan semen Portland tipe I (PCI) pada saat umur hidrasi mencapai 3, 7, 28 dan 90 hari. Kinerja beton yang dibandingkan meliputi kuat tekan, modulus elastisitas dan permeabilitas. 2. BAHAN DAN METODE PENGUJIAN Penelitian ini menggunakan bahan-bahan untuk campuran beton normal yang terdiri dari air, semen, agregat halus dan agregat kasar. Air untuk mencampur beton merupakan PDAM. Untuk perekat hidrolik digunakan PPC dan PC dari produsen yang sama. Sebagai agregat digunakan pasir super dan batu pecah. Distribusi butiran pasir dan batu pecah dirancang menurut SNI 03-2834-2000; dengan ketentuan memenuhi gradasi zona 2 untuk agregat halus dan gradasi dengan diameter maksimum 40 mm untuk agregat kasar. Beberapa properti fisik dari semen dan agregat yang digunakan dalam penelitian ini dicantumkan pada Tabel 1. Untuk masing-masing tipe semen dibuat benda uji beton berupa silinder dengan ukuran diameter 150 mm dan tinggi 300 mm. Beton dibuat dengan menggunakan perbandingan campuran semen : pasir : batu pecah dalam perbandingan berat 1 : 2 : 3 dan faktor air semen 0,4. Pencampuran beton dilakukan dengan mesin pencampur dimana sebelum dicampur agregat disiapkan dalam kondisi Saturated Surface Dry (SSD). Benda uji yang telah dicetak dibiarkan dalam cetakannya selama 24 jam dan setelah itu dibuka dari cetakannya untuk selanjutnya mendapatkan perawatan. Perawatan dilaksanakan dengan merendam benda uji dalam air sampai dengan waktu yang ditentukan untuk pengujian : 3, 7, 28 dan 90 hari. Tabel 1. Properti fisik dari semen, agregat halus dan agregat kasar Jenis Bahan Berat Satuan (kg/l) Berat Jenis SSD Penyerapan (%) Kadar Lumpur (%) PPC 1,19 - - - PCI 1,25 - - - Agregat Halus 1,58 2,56 3,63 3,75 Agregat Kasar 1,52 2,40 2,74 - Pengukuran kuat tekan dilaksanakan dengan menggunakan mesin tekan Controls kapasitas 2000 kn sedangkan uji permeabilitas dilakukan dengan memakai Concrete Permeability Apparatus C530. Penentuan modulus elastisitas beton dilakukan sesuai dengan ketentuan yang ada pada ASTM C 469-94. Untuk mengukur perpendekan beton, digunakan strain gauge yang dipasang pada silinder beton. Digunakan masing-masing 3 (tiga) benda uji untuk setiap pengujian. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Kuat tekan Hasil uji kuat tekan beton yang dibuat dengan menggunakan semen PPC maupun PCI pada umur uji 3, 7, 28 dan 90 hari ditampilkan pada Gambar 1. Dari gambar tersebut, secara umum dapat dilihat bahwa kuat tekan beton meningkat dengan bertambahnya umur hidrasi. Hal ini terjadi baik pada beton yang dibuat dengan menggunakan PPC maupun pada beton yang dibuat dengan menggunakan PCI. Namun demikian, terlihat juga bahwa perkembangan kuat tekan beton yang menggunakan PPC relatif lebih lambat di umur awal bila dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. Sampai dengan umur 7 hari, beton yang menggunakan PPC menghasilkan kuat tekan yang lebih rendah, sekitar 15%, dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. Dengan bertambahnya umur hidrasi, terutama setelah melampaui umur hidrasi 20 hari, beton yang menggunakan PPC mampu menghasilkan kuat tekan yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. Pada umur 28 dan 90 hari, beton yang menggunakan PPC bahkan mampu menghasilkan kuat tekan sebesar berturut-turut 41 dan 46 MPa, lebih tinggi sebesar berturut-turut 10% dan 8% bila dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. Kecenderungan perkembangan kuat tekan ini nampaknya masih berlanjut setelah umur 90 hari. M-98 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5
ModulusElastisitas(MPa) KuatTekan(MPa) Material 50 40 30 20 PPC PCI 10 0 0 20 40 60 80 100 Umur (hari) Modulus elastisitas Gambar 1. Kuat Tekan Beton Yang Menggunakan PPC Atau PCI Pada Berbagai Umur Hasil uji modulus elastisitas beton yang dibuat dengan menggunakan semen PPC maupun PCI pada berbagai umur uji ditampilkan pada Gambar 2. Fenomena yang relatif sama dengan perkembangan kuat tekan beton dapat dilihat dari gambar tersebut yaitu modulus elastisitas beton meningkat dengan bertambahnya umur hidrasi. Peningkatan ini terjadi pada kedua beton yang dibuat dengan menggunakan semen yang berbeda. Dari Gambar 2 juga dapat dilihat bahwa perkembangan modulus elastisitas beton yang menggunakan PPC relatif lebih lambat di umur awal bila dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. Sampai dengan umur 7 hari, beton yang menggunakan PPC hanya menghasilkan modulus elastisitas sebesar 95% dari modulus elastisitas beton yang menggunakan PCI. Dengan bertambahnya umur hidrasi, terutama setelah melampaui umur hidrasi 20 hari, beton yang menggunakan PPC mampu menghasilkan modulus elastisitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. 16000 12000 8000 PPC PCI 4000 0 20 40 60 80 100 Umur (hari) Gambar 2. Modulus Elastisitas Beton Yang Menggunakan PPC Atau PCI Pada Berbagai Umur Pada umur 28 dan 90 hari, beton yang menggunakan PPC mampu menghasilkan modulus elastisitas sebesar berturut-turut 11560 dan 14212 MPa, lebih tinggi sebesar berturut-turut 4% dan 15% bila dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. Dari Gambar 2 dapat dilihat juga bahwa perkembangan modulus elastisitas nampaknya masih berlanjut setelah umur 90 hari. SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 M-99
KoefisienPermeabilitas(cm/dt) Material Permeabilitas Gambar 3 berikut menampilkan hasil uji permeabilitas beton yang dibuat dengan menggunakan masing-masing jenis semen pada berbagai umur uji. Terlihat pada gambar bahwa koefisien permeabilitas beton, k p, berkurang dengan bertambahnya umur hidrasi. Penurunan nilai k p yang tajam terutama terjadi dari umur 3 ke 7 hari, selanjutnya penurunan cenderung lebih landai. Gejala ini terjadi pada kedua beton yang menggunakan jenis semen yang berbeda. 5.E-09 4.E-09 3.E-09 2.E-09 PPC PCI 1.E-09 0.E+00 0 20 40 60 80 100 Umur (hari) Gambar 3 Koefisien Permeabilitas Beton Yang Menggunakan PPC Atau PCI Pada Berbagai Umur Dari Gambar 3 tersebut terlihat juga bahwa pada umur awal koefisien permeabilitas, k p, beton yang menggunakan PPC relatif lebih besar dibandingkan dengan beton yang menggunakan PCI. Pada umur 7 hari, nilai k p beton yang menggunakan PPC mencapai 30 % lebih besar bila dibandingkan dengan nilai k p beton yang menggunakan PCI. Namun demikian, setelah umur hidrasi lebih dari 20 hari nilai k p beton yang menggunakan PPC menjadi lebih rendah dibandingkan dengan nilai k p beton yang menggunakan PCI. Saat umur hidrasi mencapai 28 dan 90 hari, nilai k p beton yang menggunakan PPC adalah berturut-turut 6,07 E-10 dan 9,36 E-11 cm/detik. Nilai tersebut berturut-turut hanyalah 80% dan 50% dari nilai k p beton yang menggunakan PCI pada umur hidrasi yang sama. Pembahasan Hasil pengukuran kuat tekan, modulus elastisitas dan permeabilitas pada beton yang dibuat dengan menggunakan perekat hidrolik berupa PPC maupun PCI menunjukkan kecenderungan yang sama dimana kuat tekan dan modulus elastisitas meningkat serta koefisien permeabilitas menurun dengan bertambahnya umur hidrasi. Perkembangan kinerja dari beton ini dapat dihubungkan dengan perkembangan jumlah produk hidrasi yang dihasilkan semen dengan berlalunya waktu. Diketahui bahwa dengan bertambahnya waktu dan dalam kondisi perawatan yang memadai, kuantitas dari produk hidrasi, terutama C-S-H yang dihasilkan dari reaksi tricalcium silikat (C 3 S) dan dicalcium silikat (C 2 S) yang ada dalam semen dengan air (H 2 O) semakin meningkat. Meningkatnya kuantitas C-S-H, senyawa utama yang bertanggung jawab terhadap perkembangan properti semen, mengakibatkan ikatan yang dihasilkan oleh semen dengan agregat semakin kuat dan ruang-ruang kosong yang awalnya terisi oleh air dan partikel-partikel semen larut diganti dengan C-S-H sehingga porositas beton berkurang. Peristiwa inilah yang akhirnya memberikan kontribusi utama bagi peningkatan kuat tekan dan modulus elastisitas sejalan dengan berkurangnya permeabilitas beton dengan bertambahnya umur hidrasi [Lea, 1970; Mehta, 1986; Neville and Brooks, 1998]. Dari hasil pengukuran juga diperoleh bahwa beton yang menggunakan PPC pada awalnya menghasilkan kuat tekan dan modulus elastisitas lebih rendah serta koefisien permeabilitas lebih tinggi bila dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. Hal ini berhubungan erat dengan terdapatnya pozzolan pada perekat hidrolik jenis PPC. Seperti diketahui bahwa reaktivitas dari pozzolan memang secara umum lebih rendah jika dibandingkan dengan klinker semen Portland. Dengan demikian pencampuran pozzolan dengan klinker semen Portland pada PPC mempengaruhi reaktivitas dari jenis semen tersebut dengan air dan tentunya terhadap perkembangan kinerjanya. Dengan bertambahnya waktu, terlihat bahwa beton yang menggunakan PPC mampu memberikan kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan yang menggunakan PCI, terutama pada saat umur hidrasi telah melewati 20 hari. M-100 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5
Material Pozzolan yang dicampur di dalam PPC mengandung terutama silika dan alumina reaktif. Tujuan dari dicampurnya sejumlah tertentu pozzolan dengan klinker semen Portland dalam pembuatan PPC adalah untuk mereduksi kapur bebas (Ca(OH) 2 ) hasil hidrasi C 3 S dan C 2 S dan sekaligus menghasilkan produk hidrasi tambahan bersifat perekat, khususnya C-S-H. Kapur bebas yang dihasilkan dari hidrasi C 3 S dan C 2 S ini, tidak banyak memberikan kontribusi dalam perkembangan kinerja beton, akan bereaksi secara bertahap dengan silika dan alumina reaktif dari pozzolan untuk membentuk C-S-H dan C-A-H tambahan. Proses pembentukan ini akan mereduksi ukuran kristal-kristal besar seperti Ca(OH) 2 dan selanjutnya C-S-H dan C-A-H tambahan akan mengisi rongga-rongga kapiler besar yang terbentuk pada proses hidrasi semen Portland umum. Hal ini mengakibatkan porositas dari pasta semen hidrat maupun daerah transisi antara pasta semen hidrat dan agregat akan berkurang secara signifikan. Konsekuensinya, secara simultan kekuatan dan modulus elastisitas beton meningkat serta permeabilitasnya turun [Lea, 1970; Mehta, 1986]. Namun demikian, nampaknya setelah periode hidrasi 20 harilah, kontribusi dari reaksi pozzolanik terhadap kinerja beton yang menggunakan PPC baru dapat terlihat sehingga dapat melampaui kinerja yang ditunjukkan oleh beton yang menggunakan PCI. 4. PENUTUP Dari penelitian yang telah dilaksanakan terhadap beton dengan PPC dan beton dengan PCI menyangkut kuat tekan, modulus elastisitas dan permeabilitasnya, dapat disampaikan beberapa hal sebagai berikut : Peningkatan kuat tekan dan modulus elastisitas sejalan dengan berkurangnya permeabilitas dari beton yang menggunakan PPC lebih lambat di umur awal bila dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. Beton yang menggunakan PPC baru dapat menunjukkan kinerja yang lebih baik bila dibandingkan dengan yang menggunakan PCI setelah umur hidrasi lebih dari 20 hari. Pada umur 90 hari, beton yang menggunakan PPC mampu menghasilkan kuat tekan dan modulus elastisitas serta koefisien permeabilitas berturut-turut 8% dan 15% lebih tinggi serta 50% lebih rendah bila dibandingkan dengan yang menggunakan PCI. 5. UCAPAN TERIMA KASIH Dalam kesempatan ini, penulis menyampaikan apresiasi dan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan dukungan dan kontribusi dalam pelaksanaan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Badan Standardisasi Nasional (2004). Standar Nasional Indonesia Semen Portland (SNI 15-2049-2004). Badan Standardisasi Nasional (2004). Standar Nasional Indonesia Semen Portland Pozzolan (SNI 15-0302-2004). Badan Standardisasi Nasional (2000). Tata Cara Pembuatan Rencana Campuran Beton Normal (SNI 03-2834-2000). Lea F.M. (1970). The Chemistry of Cement and Concrete. Third edition, Edward Arnold Ltd, London. Mehta, P.K. (1986). Concrete Structure Properties, and Materials. Englewood Cliffs, New Jersey. Neville, A.M. and Brooks J.J. (1998). Concrete Technology. Longman, Singapore. SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 M-101
Material M-102 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5