Konferensi Nasional Teknik Sipil 4 (KoNTekS 4) Sanur-Bali, 2-3 Juni 2010 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SERAT BAMBU TERHADAP SIFAT-SIFAT MEKANIS CAMPURAN BETON Helmy Hermawan Tjahjanto 1, Johannes Adhijoso Tjondro 2 dan Handoko Tejo 3 1 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Katolik Parahyangan Bandung Email: helmy_hermawan@hotmail.com 2 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Katolik Parahyangan Bandung Email: tjondro@home.unpar.ac.id 3 Mahasiswa S1 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Katolik Parahyangan Bandung ABSTRAK Keunggulan beton sebagai bahan konstruksi adalah memiliki kekuatan tekan yang tinggi. Namun beton juga memiliki kekurangan terutama dalam kuat tarik dan daktilitas. Salah satu usaha memperbaiki sifat-sifat material beton adalah penambahan serat yang diharapkan dapat meningkatkan kuat tarik dan daktilitas material beton. Dalam kajian ini, serat yang digunakan sebagai bahan campuran adalah serat bambu apus. Bambu sudah sejak lama digunakan sebagai bahan konstruksi, terutama di negara-negara berkembang. Keunggulan bambu sebagai bahan konstruksi adalah memiliki kekuatan tarik yang cukup tinggi namun ringan serta cepat dan mudah dalam pengerjaan. Selain itu, bambu juga merupakan material alam yang dapat tumbuh relatif cepat daripada kayu. Dalam kajian ini, dilakukan penelitian terhadap karekteristik campuran beton dengan serat bambu. Karakteristik yang dievaluasi khususnya adalah besaran-besaran mekanis yang diperoleh melalui pengujian kuat tekan, kuat tarik belah dan kuat lentur. Selain besaran-besaran mekanis tersebut, pengaruh penambahan serat bambu terhadap daktilitas dan hubungan konstitutif material beton juga akan dievaluasi. Untuk memperoleh hasil yang komprehensif, proporsi serat bambu dalam campuran divariasikan menjadi empat jenis yaitu 0%, 0.5%, 0.75%, dan 1.0%. Dari hasil pengujian yang telah dilakukan, disimpulkan bahwa penambahan serat bambu pada campuran beton meningkatkan kekuatan geser dan nilai modulus of rupture, f r, dari hasil uji kuat tarik lentur. Selain itu, penambahan serat bambu dalam proporsi tertentu (0.75%) dapat meningkatkan daktilitas yang ditunjukkan oleh perbandingan nilai regangan ultimit, ε cu, terhadap regangan puncak, ε 0. Kata kunci: beton berserat bambu, kuat tarik, kuat geser, kuat tekan, daktilitas 1. PENDAHULUAN Pembangunan infrastruktur dan kebutuhan akan tempat tinggal memacu inovasi dalam bidang rekayasa struktur, khususnya bidang teknologi bahan konstruksi. Inovasi-inovasi yang dilakukan di antaranya bertujuan untuk menghasilkan material struktur yang memiliki sifat-sifat yang baik dengan metode dan biaya yang ekonomis. Salah satu bahan konstruksi yang banyak digunakan adalah beton. Keunggulan beton sebagai bahan konstruksi adalah memiliki kekuatan yang tinggi (kuat tekan) serta kemudahan pelaksanaan dan biaya yang relatif murah dibandingkan baja. Namun beton juga memiliki kekurangan terutama dalam kuat tarik dan daktilitas. Solusi terhadap kekurangan beton tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan sistem komposit beton-baja, yaitu menggunakan baja sebagai tulangan yang mampu memikul tarik. Usaha peningkatan mutu beton juga dilakukan dengan cara mencampurkan bahan-bahan lain dalam campuran. Salah satunya adalah penambahan serat yang diharapkan dapat meningkatkan kuat tarik dan daktilitas material beton (Hadipratomo, 1991). Serat yang dicampurkan dapat berupa serat baja, polimer, maupun serat alam seperti bambu. Bambu sudah sejak lama digunakan sebagai bahan konstruksi, terutama di negara-negara berkembang. Di Indonesia, penggunaan bambu sangat luas, di antaranya dalam konstruksi rumah tinggal sederhana, rangka atap, maupun sebagai elemen struktur jembatan ringan. Keunggulan bambu sebagai bahan konstruksi adalah memiliki kekuatan yang cukup tinggi namun ringan dan cepat serta mudah dalam pengerjaan. Selain itu, bambu juga merupakan material alam yang dapat tumbuh relatif cepat daripada kayu (Ghavami, 2005). 2. METODE PENELITIAN Mutu beton yang diuji memiliki kuat tekan rencana, f c = 18MPa. Campuran beton dibuat menjadi empat jenis, dibedakan pada proporsi serat bambu yang digunakan terhadap berat beton. Proporsi serat divariasikan menjadi 0% Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 303
Helmy Hermawan Tjahjanto, Johannes Adhijoso Tjondro dan Handoko Tejo (tanpa serat bambu); 0.5%; 0.75%; dan 1.5%. Berdasarkan masing-masing proporsi campuran dibuat benda uji sebagaimana dijelaskan dalam Tabel 1. Tabel 1. Jenis pengujian pada beberapa proporsi campuran Jenis pengujian Dimensi Umur pengujian Uji kuat tekan Silinder (D = 15cm, H = 30cm) 7, 14 dan 28 hari Uji kuat tarik belah Silinder (D = 15cm, L = 30cm) 7, 14 dan 28 hari Uji kuat geser Balok (B = 11cm, H = 11cm, L = 20cm) 7, 14 dan 28 hari Uji kuat tarik lentur Balok (B = 15cm, H = 20cm, L = 80cm) 28 hari Selain pengujian yang dilakukan pada campuran beton, dilakukan juga uji kuat tarik batang bambu untuk mendapatkan besaran-besaran mekanis bambu yang akan digunakan dalam campuran beton. Serat bambu yang digunakan adalah serat bambu apus hasil penyerutan. Serat bambu tersebut dipotong sehingga memiliki panjang 2 cm dan lebar 1 ~ 2 mm. Contoh serat bambu dapat dilihat dalam Gambar 1. Sebelum pembuatan benda uji, dilakukan pengujian pada batang-bantang bambu untuk memperoleh besaran mekanis bambu yaitu dengan cara uji tarik. (a) Serat bambu hasil penyerutan (b) Serat bambu setelah pemotongan Gambar 1. Serat bambu untuk campuran beton 3. SIFAT-SIFAT MEKANIS BAMBU APUS Uji kuat tarik dilakukan pada sampel batang bambu dengan luas penampang 1 cm 2. Sampel yang diuji dibedakan menjadi dua jenis: tanpa sambungan ruas (sampel 1, 2 dan 3); dan dengan sambungan ruas (sampel 4, 5 dan 6). Hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 2. Hubungan tegangan-regangan bambu hasil uji tarik Berdasarkan hasi uji di atas diketahui bahwa tegangan putus bambu apus lebih besar dari 100MPa. Hubungan tegangan-regangan bambu dalam rentang tersebut bersifat linier dengan modulus elastisitas berkisar antara 13000MPa ~ 21000MPa. S - 304 Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Studi Eksperimental Pengaruh Serat Bambu Terhadap Sifat-Sifat Mekanis Campuran Beton 4. EVALUASI KEKUATAN TEKAN Uji kuat tekan pada benda uji silinder menunjukkan bahwa kekuatan tekan untuk campuran dengan serat bambu lebih rendah daripada kekuatan tekan campuran tanpa serat bambu. Di antara ketiga jenis campuran dengan serat bambu, campuran dengan proporsi 0.75% memiliki kekuatan tekan yang lebih tinggi daripada proporsi 0.5% dan 1.0%. Hasil uji kuat tekan rata-rata untuk setiap jenis campuran dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Kuat tekan benda uji (MPa) Selain kuat tekan, juga ditinjau perkembangan kekuatan tekan rata-rata pada masing-masing campuran beton pada umur 7, 14 dan 28 hari. Grafik perkembangan kuat tekan beserta formulasi faktor umur disajikan pada Gambar 3 dan Gambar 4. Estimasi faktor umur kuat tekan beton menggunakan rekomendasi ACI Committee 209 dengan formulasi sebagai berikut: t f c '( t) = f c ' (1) (28) c1 + c2 t dengan f c (t) = kuat tekan pada hari ke-t, f c (28) = kuat tekan pada hari ke-28, c 1 dan c 2 adalah koefisien yang dicari berdasarkan hasil tes, berdasarkan ACI Committee 209 berturut-turut bernilai 4 dan 0.85 (untuk campuran dengan semen tipe I dan dirawat pada suhu 21 C. (a) Tanpa serat bambu (c) Proporsi serat bambu 0.75% Gambar 3. Grafik perkembangan kuat tekan (b) Proporsi serat bambu 0.5% (d) Proporsi serat bambu 1.0 % Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 305
Helmy Hermawan Tjahjanto, Johannes Adhijoso Tjondro dan Handoko Tejo Gambar 3 (lanjutan). Grafik perkembangan kuat tekan Gambar 4. Faktor umur perkembangan kuat tekan Berdasarkan grafik pada Gambar 4 di atas, kekuatan tekan campuran dengan serat bambu pada umur awal lebih tinggi daripada campuran tanpa serat. Nilai c 1 dan c 2 pada Persamaan 1 yang menghasilkan grafik sesuai Gambar 3 berturut-turut sebesar: 6.7 dan 0.761 (0%); 2.5 dan 0.911 (0.5%); 5.0 dan 0.821 (0.75%); serta 2.9 dan 0.896 (1.0%). 5. EVALUASI KEKUATAN TARIK BELAH Uji kuat tarik belah pada benda uji silinder menunjukkan bahwa campuran dengan proporsi serat bambu 0.75% memiliki kekuatan tarik belah paling tinggi daripada benda uji lainnya. Hasil uji kuat tarik belah rata-rata untuk setiap jenis campuran dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Kuat tarik belah benda uji (MPa) 6. EVALUASI KEKUATAN GESER Pengujian kuat geser dilakukan pada benda uji berbentuk balok yang diberi beban tegak lurus penampang. Berdasarkan nilai beban maksimum, ditentukan nilai kuat geser yaitu tegangan geser rata-rata pada penampang (Tabel 4). Nilai kuat geser benda uji campuran beton dengan serat bambu pada umumnya lebih tinggi daripada tanpa serat bambu. Benda uji campuran beton dengan serat bambu 0.5% memiliki kuat geser yang paling tinggi dibandingkan benda uji lainnya. Tabel 4. Kuat geser benda uji (MPa) S - 306 Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Studi Eksperimental Pengaruh Serat Bambu Terhadap Sifat-Sifat Mekanis Campuran Beton 7. EVALUASI KEKUATAN TARIK LENTUR Uji kuat tarik lentur dilakukan pada benda uji balok dengan dimensi sesuai Tabel 1. Pada balok diberikan beban terpusat di tengah bentang dengan jarak antar tumpuan 600mm. Hasil uji kuat tarik lentur berupa nilai modulus of rupture, f r, sebagai tegangan tarik pada sisi terluar penampang akibat beban maksimum untuk setiap pengujian. Beberapa literatur menunjukkan adanya korelasi antara nilai f r dengan kuat tekan silinder, f c. ACI Section 9.5.2.3 memberikan suatu hubungan empiris antara kedua besaran tersebut yaitu: f r =.7 f ' (2) 0 c Berdasarkan hasil uji kuat tarik lentur, dicari juga korelasi antara nilai f r dengan f c pada masing-masing jenis proporsi campuran. Hasil uji kuat terik lentur dapat dilihat pada Tabel 5. Kuat tarik lentur Tabel 5. Kuat tarik lentur benda uji Proporsi serat bambu 0% 0.5% 0.75% 1.0% f r (MPa) 3.024 3.273 3.799 4.020 f r / f c 0.707 0.996 0.977 1.160 Berdasarkan nilai pada Tabel 5, dapat disimpulkan bahwa kuat tarik lentur beton meningkat dengan penambahan serat bambu pada campuran. 8. HUBUNGAN TEGANGAN-REGANGAN Salah satu parameter penting dalam analisis dan desain struktur beton adalah hubungan tegangan-regangan. Beberapa besaran yang terkait dengan hubungan tegangan-regangan adalah modulus elastisitas, E c, regangan pada saat tegangan maksimum, ε 0, serta regangan ultimit, ε cu. Pada umumnya, beton normal memiliki nilai tertentu dari besaran-besaran di atas, misalnya modulus elastisitas, E c, dapat diambil sebesar 4700 f c MPa (SNI 03-2847-2002). Selain itu, hubungan tegangan-regangan beton dapat direpresentasikan oleh suatu persamaan analitis, tegangan, f c, sebagai fungsi dari regangan, ε. Persamaan-persamaan yang sederhana dan umum digunakan dikembangkan oleh Hognestad (1951) dan Todeschini, et. al. (1964) sebagaimana terlihat pada Gambar 5. (a) Modified Hognestad (b) Todeschini Gambar 5. Persamaan analitis kurva hubungan tegangan-regangan material beton tehadap tekan (MacGregor & Wight, 2006) Dengan menggunakan kedua persamaan analitis di atas, dilakukan analisis pada hubungan tegangan-regangan hasil uji kuat tekan untuk semua proporsi campuran (Gambar 6). Dari analisis tersebut diperoleh besaran-besaran mekanis yang terkait dengan perilaku material beton terhadap beban aksial tekan (Tabel 6). Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 307
Helmy Hermawan Tjahjanto, Johannes Adhijoso Tjondro dan Handoko Tejo (a) Tanpa serat bambu (c) Proporsi serat bambu 0.75% (b) Proporsi serat bambu 0. 5% (d) Proporsi serat bambu 1.0% Gambar 6. Analisis hubungan tegangan-regangan hasil uji kuat tekan Tabel 6. Parameter-parameter hubungan tegangan-regangan Proporsi serat beton Modified Hognestad (1951) Todeschini (1964) ε 0 ε cu ε 0 Tanpa serat (0%) 0.002 0.0025 0.0017 0.5% 0.0015 0.0017 0.0012 0.75% 0.0026 0.0042 0.0026 1.0% 0.0017 0.0023 0.0016 9. KESIMPULAN Penambahan serat bambu pada campuran beton menghasilkan kekuatan tekan yang lebih rendah daripada kuat tekan rencana beton tanpa serat bambu. Oleh karena itu, penambahan serat bambu dalam campuran beton tidak direkomendasikan untuk elemen struktur yang memerlukan kekuatan tekan yang tinggi sepert elemen kolom. Selain pada kekuatan tekan, pengaruh penambahan serat bambu pada kekuatan tarik belah juga tidak signifikan. Perbaikan sifat mekanis material beton yang dihasilkan dari penambahan serat bambu adalah peningkatan kekuatan geser dan nilai modulus of rupture, f r, dari hasil uji kuat tarik lentur. Selain itu, penambahan serat bambu dalam proporsi tertentu (0.75%) dapat meningkatkan daktilitas yang ditunjukkan oleh perbandingan nilai regangan ultimit, ε cu, terhadap regangan puncak, ε 0. Kondisi ini dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan kinerja elemen struktur yang menahan momen lentur. Karakteristik lain yang diperoleh dari hasil uji kuat tekan adalah campuran beton dengan serat bambu cenderung memiliki faktor umur yang lebih tinggi pada umur-umur awal dibandingkan campuran beton tanpa penambahan serat. Dari semua hasil pengujian diperoleh bahwa sifat-sifat mekanis pada campuran beton dengan proporsi serat yang lebih banyak tidak selalu menghasilkan nilai yang lebih tinggi. Oleh karena itu, disimpulkan bahwa penambahan S - 308 Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Studi Eksperimental Pengaruh Serat Bambu Terhadap Sifat-Sifat Mekanis Campuran Beton serat bambu hanya dapat dilakukan sampai proporsi tertentu. Sebagai rekomendasi, dapat dilakukan kajian lebih lanjut mengenai proporsi serat yang optimal serta variasi jenis dan ukuran serat bambu dalam campuran. DAFTAR PUSTAKA American Concrete Institute, (1991), Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete, ACI 211.1-91. American Society for Testing and Materials, (1993), 1993 Annual Book of ASTM Standards, Volume 04.02. Ghavami, K., (2005), Bamboo as Reinforcement in Structural Concrete Elements, Elsevier Journals - Cement & Concrete Composites, vol. 27, 637 649 Hadipratomo, W., (1991), Experimental Study of Steel Fibre Reinforced Concrete Simply Supported Beam, Joint Unpar ASCE Seminar on The State of The Art of Civil Engineering Practice in Indonesia. MacGregor, J. G., Wight, J. K., (2006), Reinforced Concrete Mechanics and Design, 4th Edition, Prentice Hall. Badan Standardisasi Nasional (2002). Tatacara Perhitungan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung SNI 03-2847-2002. Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 309
Helmy Hermawan Tjahjanto, Johannes Adhijoso Tjondro dan Handoko Tejo S - 310 Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta