Beton dengan pemanfaatan fly ash and calcium carbide for high strength Concrete

PENGARUH PENAMBAHAN SERBUK LIMBAH KARBIT DAN FLY ASH SEBAGAI BAHAN SUBTITUSI SEMEN PADA KUAT TEKAN BETON MUTU TINGGI 1

Abdul Karim Yasin  dan Ridho Bayuaji

2

1

 Abdul Karim Yasin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Nopember, email: [email protected]  Ridho Bayuaji, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, email: [email protected] [email protected]

2

ABSTRAK Semakin pesat dan kompleks kegiatan di perkotaan membawa konsep pembangunan pembangunan infrastruktur ke arah vertikal agar dapat mempertahankan wawasan lingkungan menuju perkotaan hijau, khususnya kotakota metropolitan. Konsekuensi paradigm tersebut, diperlukan pemahaman yang baik dan sempurna untuk rekayasa pemodelan struktur bangunan tinggi dan material elemen penyusunya. Salah satu komponen pokok pendukung elemen struktur bangunan tinggi adalah kolom. Material beton, material yang tepat untuk bekerja dengan karakter gaya dalam pada kolom. Untuk meminimalkan ukuran dimensi kolom dengan beban yang tetap atau lebih akibat pembangunan vertikal, maka perlu studi menaikkan mutu beton dengan mutu tinggi. Oleh sebab itu, dalam penelitian ini diusulkan konsep low cost material   pada beton mutu tinggi  prinsipnya mensubtitusi semen (Sebagai bahan utama pengikat beton mutu tinggi) dengan material  berkarakter pozzolan, yakni limbah karbit dan  fly ash yang bernilai sangat ekonomis. Subtitusi ini mensyaratkan kekuatan beton mutu tinggi ≥41 MPa (ACI 363R -92). 363R -92). Dalam penelitian ini digunakan 4 variasi campuran: variasi 1 (85%PC:15%FA:0%LK) sebagai campuran kontrol, Variasi Variasi 2 (85%PC:11%FA:4%LK), Variasi 3 (80%PC:14%FA:6%LK), dan Variasi 4 (75%PC:17%FA:8%LK). Benda uji yang dibuat sejumlah 16 buah. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini subtitusi limbah karbit dan  fly ash  ash  dengan variasi 1 sebagai campuran control menghasilkan kuat tekan 70.18 MPa, variasi campuran optimum dihasilkan oleh variasi campuran 4 dengan kuat tekan sebesar 48.24 MPa. Untuk campuran beton mutu tinggi yang memenuhi syarat dengan batas minimum beton mutu tinggi didapatkan hasil bahwa campuran 1,2,3, dan 4 memenuhi syarat, dengan kuat tekan 70.18 MPa, 46.09 MPa, 43.71 MPa dan 48.24 MPa. . Kata kunci: limbah karbit, fly ash, pozzolan, beton mutu tinggi, kuat tekan .

1. PENDAHULUAN Salah satu elemen struktur bangunan yang perlu diperhatikan dalam konstruksi  bangunan tingkat tinggi adalah elemen struktur kolom, kolom, elemen yang memegang memegang kata kunci  (strong column weak beam)  pada konsep bangunan tahan gempa, kolom kuat balok lemah  strong (YE, MA et al. 2010) . Karakter utama gaya dalam yang terjadi kolom adalah gaya aksial tekan, tentunya terdapat kombinasi gaya dalam lainnya seperti momen dan geser. Oleh sebab itu, perlu material yang dapat memikul dengan baik terhadap gaya aksial ini yakni beton. Selain itu  beton juga mempunyai mempunyai keunggulan mudah dicetak sesuai desain arsitek, mutu material material dapat dirancang sesuai desain campuran (mix design), material penyusun relatif lebih ekonomis dibandingkan material baja, mempunyai keawetan yang sangat baik (Neville 2010). 1

 Abdul Karim Yasin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Nopember, email:  [email protected]  Ridho Bayuaji, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, email: [email protected] [email protected]

2

Di sisi yang lain, kemajuan aktifitas perekonomian di beberapa kota besar di Indonesia mempunyai dampak pada nilai ekonomis lahan menjadi meningkat drastis, maka perlu efesiensi dalam pemanfaatan ruang dengan salah satu strateginya memperkecil dimensi kolom. Dimensi kolom dapat diperkecil dan masih mampu memikul beban vertikal tinggi maka perlu meningkatkan mutu beton, dengan istilah beton mutu tinggi (Neville 2010). Semakin tinggi mutu beton maka semakin bertambah kebutuhan semen sebagai bahan  pengikat pada beton. Oleh sebab itu, penelitian beton mutu tinggi sebelumnya telah memanfaatkan konsep low cost material   di beberapa riset beton mutu tinggi baik di dalam negeri (Akhmadi 2009) maupun di luar negeri (Mehta and Aitcin 1990, Shannag 2000, Isaia, GASTALDInI et al. 2003). Penelitian ini akan membahas pengaruh pemanfaatan material berkarakter pozzolan, fly ash dan limbah karbit pada Beton Mutu Tinggi.

2. TINJAUAN PUSTAKA ACI mensyaratkan bahwa mutu klasifikasi beton dikategorikan sebagai BMT jika kuat tekan beton pada 28 hari lebih besar 40 MPa (363R-92 1992). Konsep dasar BMT, transformasi porositas menjadi padatan (Mindess 2014), memperkecil volume rongga udara menjadi volume padatan dalam beton. Transformasi ini menyumbang kekuatan dan keawetan beton meningkat signifikan. Faktor air semen (fas) adalah faktor utama yang mempengaruhi mutu beton menjadi tinggi atau sebaliknya. Fas rendah menyebabkan porositas rendah dan kekuatan beton meningkat begitu sebaliknya. Selain fas juga terdapat beberapa faktor yang lain untuk meningkatkan volume  padatan dalam beton pada proses hidrasi berjalan sempurna diantaranya: memperluas  permukaan butiran bahan sementisius, reaktifitas bahan pozzolan untuk menyumbang reaksi pembentuk padatan pada beton seperti fly ash, abu sekam padi, silica fume, metakaolin dan yang lainnya Limbah kapur karbit CCR (()2 )  diperoleh sisa dari reaksi 2 dan air (2 ) untuk membentuk gas asitilena (2 ). Reaksi pembentuk CCR (() 2 ) seperti persamaan (1) berikut: CaC2 +H20  C2H2 +Ca(OH)2 ………….. (1) . X-Ray Diffraction (XRD) sampel serbuk limbah karbit calcium carbide residue (CCR) ditunjukkan pada gambar 1 untuk mengetahui komposisi kimia dan fase utama kristalnya.

Gambar 1. Pola XRD pada Serbuk Limbah Karbit : (C:Carbon, Cc: Calcite, P:Portlandite) (Vichan and Rachan 2013)

Hasil scaning electron microscopy (SEM) dari serbuk limbah karbit digambarkan  pada gambar 2

Gambar 2. Scanning Electron Microscopy (SEM) pada Serbuk Limbak Karbit pada pembesaran 10.000 kali (Vichan and Rachan 2013)

Senyawa oksida serbuk limbah karbit diperoleh dari uji X-ray fluorescence (XRF) (Vichan and Rachan 2013) dan hasilnya diuraikan pada tabel 1. Tabel 1: Senyawa oksida serbuk limbah karbit

Chemical Compotition (%) SiO2  Al2O3  Fe2O3  CaO MgO SO3   Na2O K 2O LOI Spesiffic gravity (gr/cm )

Calcium Carbide Residue (CCR) 5,46 2,48 0,69 80,1 0,75 0,88 0,05 0,08 2,25

Penelitian teknologi beton terdahulu (Jaturapitakkul and Roongreung 2003) yang memanfaatkan limbah karbit yang mengandung material pozzolanic (SiO 2, Al2O3  dan Fe2O3) berkisar 12,3% pada beton normal memberi hasil lebih baik ditinjau dari segi teknik, ekonomi, dan lingkungan karena dapat mengurangi penggunaan semen juga mengurangi keberadaan limbah karbit. Fly ash,  bahan tambahan mineral yang bersifat pozzolan. Standar material internasional (ASTM-C618-03 2003) mengklasifikasi mutu pozzolan dibagi menjadi 3 (tiga) kelas yang mempunyai sifat sesuai tabel 2. Tabel 2: Tipe Fly Ash

Kandungan SiO2+Al2O3+Fe2O3 (%min) SO3 (%maks)

 N 70 4

 Fly ash Tipe C 50 5

F 70 5

Kandungan

 N 1,5 3 10

 Na2O (%maks) Kadar Kelembaban (%maks) Loss Ignition (%maks)

 Fly ash Tipe C 1,5 3 6

F 1,5 3 12

3. METODOLOGI Penelitian ini dilakukan dengan metodologi eksperimen di laboratorium Prodi DIII Teknik Sipil FTSP ITS. Semen yang digunakan adalah semen Gresik tipe I dengan maksud mengetahui  perbedaan perkembangan hidrasi pada kondisi normal dibandingkan dengan  penambahan pozolan. Sifat fisik dan kimia semen diuraikan pada tabel 3. Densiti dan luas partikel semen diketahui masing-masing 3,15 dan 359 m 2/kg. Tabel 3: Properti semen sebagai bahan pengikat

Parameter Komposisi Kimia Al2O3  SiO2  Fe2O3  CaO MgO SO3 Loss on Ignition Free Lime Insoluble residue Alkali (Na2O+0,658K 20) Propoerti X-Ray Difraction Tricalcium Silicate (C 3S) Dicalcium Silicate (C2S) Tricalcium Aluminate (C3A) Tetracalcium Aluminate Ferrite (C4AF) Properti Fisik Kehalusan -Blaine specific surface (m /kg) Waktu setting, Vicat Test: - Initial set (minutes) - final set (menit) Autoclave test: -Expansion (%) Kuat Tekan: - 3 hari (kg/cm ) - 7 hari (kg/cm 2) - 28 hari (kg/cm2)  False set (%)

SNI 15-2049-2004

Max 6.00 Max 3.50 Max 5.00

Hasil Tes 6.03 20.65 3.44 65.96 2.05 2.22 3.96 1.09 2.37 0.38 56.68 11.00 7.72 8.91

Min 280

359

Min 45 Max 375

125 240

Max 0.8

0.10

Min 125 Min 200 Min 280 Min 50

255 316 411 77,36

Tabel 4 menjelaskan sifat kimia dan sifat fisika  fly ash hasil  pembakaran batubara PLTU paiton dengan uraian sebagai berikut:

Tabel 4: Sifat kimia dan sifat fisika fly ash

Sifat Kimia Silica (SiO2)% Alumina (Al2O3)% Oksida Besi (Fe2O3)% Kapur (CaO)% Oksida Magnesium (MgO)% Sulphuric Anyhydrate (SO 3)% Lain-lain %

54,5 23,0 5,3 9,5 2,0 0,5 5,2 Sifat Fisika

2

Luas Permukaan (m /kg) Berat Jenis (gram/cm 3)

287 2,49

Serbuk limbah karbit yang digunakan pada penelitian ini diperoleh dari limbah sisa  pekerjaan las karbit di Desa Suci Kabupaten Gresik Jawa Timur. Perawatan yang dilakukan sebelum serbuk limbah digunakan adalah dilakukan proses pengeringan limbah karbit dengan oven suhu 110 oC dan selanjutnya disaring ayakan no. 200 agar diperoleh dimensi diameter butiran serbuk limbah karbit mendekati butiran semen. Ketersediaan limbah karbit di bengkel ini berkisar 1 Ton per tahun. Tabel 5 menampilkan sifat kimia dan sifat fisik limbah karbit. Menurut Makaratat pada tahun 2010, perbandingan komposisi campuran beton dengan limbah karbit dan fly ash ialah 30 : 70. Tabel 5: Sifat kimia dan sifat fisika limbah karbit

Sifat Kimia Silica (SiO2)% Alumina (Al2O3)% Oksida Besi (Fe2O3)% Kapur (CaO)% Oksida Magnesium (MgO)% Sulphuric Anyhydrate (SO 3)% Lain-lain %

2,31 8,95 0,11 58,0 0,10 0,21 30,32 Sifat Fisika

Berat Jenis (gram/cm )

2,02

Agregat halus yang digunakan berasal dari daerah lumajang. Pengujian terhadap  pasir berupa uji fisik yang dilakukan di Laboratorium Uji Material Prodi Diploma Teknik Sipil yang ditampilkan pada tabel 6. Tabel 6: Spesifikasi Pasir 

Jenis Pengujian

Hasil uji

Kapasitas absorpsi (%)

0,200

Kadar air resapan (%)

4,167

Berat jenis (Kering Oven ) (g/cm3) Berat Volume isi (kering oven) (Kg/dm3) Kadar organic

2,77 1,330 No.3

Jenis Pengujian

Hasil uji

Kadar lumpur (%)

1,639

Analisa ayakan

Zona 3 (Fm=2,017)

Agregat kasar yang digunakan jenis batu pecah dengan ukuran maksimum 15 mm dan berasal dari daerah Mojokerto. Tabel 7 menjelaskan spesifikasi agregat kasar yang digunakan Tabel 7. Spesifikasi batu pecah quarry mojokerto Jenis Pengujian Kapasitas absorpsi (%) Kadar air resapan (%) Berat jenis (Kering Oven) (g/cm 3) Berat Volume isi (kering oven) (Kg/dm 3) Kadar lumpur (%) Analisa ayakan

Hasil uji 0,334 4,53 2,691 1,341 0,54

Bahan tambahan yang digunakan dengan tujuan meningkatkan workability beton, konsep utama BMT meminimalkan faktor air semen. Pada penelitian ini menggunakan superplasticizer merek Master SIKA VISCOCRETE 3115D dengan spesifikasi: jenis kandungan kimia polycarboxylic, warna cairan putih keruh, dosis pemakaian 0,3-0,8 liter/100 kg binder Penelitian ini menggunakan 4 variasi desain campuran (1 variabel campuran kontrol, dan 3 variabel campuran bebas yang diubah-ubah kadar limbah karbit dan  fly ash nya) , yang nantinya 3 campuran variabel bebas tersebut di analisa kadar optimum nya berdasarkan hasil uji kuat tekan beton tersebut dan di kontrol dengan variabel kontrol dan keseluruhan campuran juga dikontrol dengan syarat beton mutu tinggi ≥41 MPa (ACI 363R-92). Table 8 menampilkan prosentase perbandingan binder (bahan  pengikat) Tabel 8: Desain campuran variabel kontrol dan variabel bebas (Portland Cement : Pozzolanic Material)

Pozzolanic Material (limbah karbit : Fly Ash)

(Portland cement : limbah karbit : fly ash)

Variasi 1

( 85 : 15 )

(0 : 100)

( 85 : 0 : 15 )

Variasi 2

(85 : 15)

(30 : 70)

( 85 : 4 : 11 )

Variasi 3

( 80 : 20 )

(30 : 70)

( 80 : 6 : 14 )

Variasi 4

( 75 : 25 )

(30 : 70)

( 75 : 8 : 17 )

Kode Variasi Campuran

Dari tabel diatas, menunjukkan bahwa variasi 1 tidak mengikuti komposisi  perbandingan (30 : 70) karena tidak memakai limbah karbit, namun memakai fly ash saja, sehingga ditetapkan perbandingan PC dengan material pozzolan fly ash ialah (85:15) sesuai dengan standar material internasional ASTM bahwa  fly ash  tipe F kadar optimum dapat mereduksi semen berkisar 15-25%. Variasi 2,3, dan 4 menggunakan komposisi

 perbandingan  Portland cement dengan  pozzolanic material (limbah karbit dan fly ash) dan sebagai variabel bebas yang menjadi inti dari penelitian ini.

4. HASIL Sesuai dengan metode penlitian yang kami rancang, kami melakukan pengujian  benda uji silinder diameter 15 cm dan tinggi 30 cm pada umur 14 dan 28 hari, dengan masing-masing jumlah benda uji sebanyak 2 buah dan kemudian di rata-rata. Berikut hasil analisa kuat tekan benda uji tersebut : Tabel 9: Hasil Kuat tekan benda uji 14 dan 28 hari  N o

Variasi Campuran

Umur Benda uji (Hari) 14

Tekanan Ultimate rata-rata 2 benda uji P (Ton) 96.45

Kuat Tekan rata-rata 2 benda uji σ (Mpa) 54.61

1

(Variasi 1)

2

Variasi 2

14

66.9

37.88

3

Variasi 3

14

61.3

34.71

4

Variasi 4

14

70.85

40.11

5

(Variasi 1)

28

123.95

70.18

6

Variasi 2

28

81.405

46.09

7

Variasi 3

28

77.20

43.71

8

Variasi 4

28

85.2

48.24

Keteranagn : P = Pressure (tekanan ultimate) ; σ = Kuat t ekan (P/A) ; A = luas penampang silinder 2 (176,625 cm )

Untuk menganalisis variasi benda uji apakah memenuhi syarat kuat tekan beton mutu tinggi ≥41 MPa (ACI 363R -92) dan mendapatkan kadar optimum campuran  beton dengan limbah karbit dan  fly ash maka untuk lebih mudahnya kita lihat pada diagram berikut : Diagram hubungan variasi campuran beton dengan kuat tekan umur 14 dan 28 hari

    )    a    P    M     (      σ

   n    a     k    e    T    t    a    u    K

80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00

Kontrol (Variasi 1)

Variasi 2

Variasi 3

Variasi 4

umur 14 hari

54.61

37.88

34.71

40.11

umur 28 hari

70.18

46.09

43.71

48.24

Gambar 3. Diagram Hasil Pengujian benda uji

Hasil yang diperoleh dari penelitian ini subtitusi limbah karbit dan  fly ash dengan variasi 1 sebagai campuran Kontrol menghasilkan kuat tekan beton umur 28

hari sebesar 70.18 MPa, sedangkan variasi campuran optimum dihasilkan oleh variasi campuran 4 dengan kuat tekan beton umur 28 hari sebesar 48.24 MPa dikarenakan mendekati kuat tekan yang dihasilkan oleh campuran kontrol. Campuran beton mutu tinggi yang memenuhi syarat beton mutu tinggi ≥41 MPa (ACI 363R-92) didapatkan hasil bahwa campuran 1,2,3, dan 4 memenuhi syarat, dengan kuat tekan masing-masing sebesar : 70.18 MPa, 46.09 MPa, 43.71 MPa dan 48.24 MPa.

5. KESIMPULAN Dari penjabaran penelitian yang sudah kami laksanakan, dapat ditarik kesimpulan  bahwa : 1. Kadar optimum limbah karbit dan fly ash dalam campuran beton mutu tinggi ialah 75%PC : 8%LK : 17%FA (campuran 4) dengan kuat tekan beton umur 28 hari sebesar 48.24 MPa mendekati kuat tekan yang dihasilkan oleh Variabel control (campuran 1) pada umur 28 hari yaitu 70.18 MPa. Treatment pada limbah karbit untuk mendapatkan hasil mutu yang optimal dengan cara menghilangkan kadar air limbah karbit dengan oven bersuhu ±100  , kemudian limbah karbit yang kering di ayak dengan saringan no.200 sehingga diperoleh berntuk fisik serbuk limbah karbit yang menyerupai kehalusan butiran semen. 2. Untuk campuran beton mutu tinggi yang memenuhi syarat dengan batas minimum  beton mutu tinggi ≥41 MPa (ACI 363R -92) didapatkan hasil bahwa campuran 1,2,3, dan 4 memenuhi syarat, dengan kuat tekan masing-masing benda uji variasi campuran sebesar : 70.18 MPa, 46.09 MPa, 43.71 MPa dan 48.24 MPa. DAFTAR PUSTAKA

1. 363R-92, A. (1992). State of the Art Report on High Strength Concrete. 2. Akhmadi, A. (2009). Kajian Beton Mutu Tinggi Menggunakan Slag Sebagai Agregat Halus dan Agregat Kasar Dengan Aplikasi Superplasticizer dan Silicafume, Diponegoro University. 3. ASTM-C618-03 (2003). Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete. Philadelphia,USA. 4. Isaia, G. C., A. L. G. GASTALDInI and R. Moraes (2003). "Physical and  pozzolanic action of mineral additions on the mechanical strength of high performance concrete." Cement and concrete composites 25(1): 69-76. 5. Jaturapitakkul, C. and B. Roongreung (2003). "Cementing material from calcium carbide residue-rice husk ash." Journal of Materials in Civil Engineering 15(5): 470475. 6. Makaratat, N., C. Jaturapitakkul and T. Laosamathikul (2010). "Effects of calcium carbide residue – fly ash binder on mechanical properties of concrete." Journal of Materials in Civil Engineering 22(11): 1164-1170. 7. Mehta, P. and P. Aitcin (1990). "Microstructural basis of selection of materials and mix proportions for high-strength concrete." ACI Special Publication 121. 8. Mindess, S. (2014). Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete, Elsevier Science. 9.  Neville, A. M. (2010). Properties of Concrete (4th edn). Longman, London, Pearson. 10. Shannag, M. (2000). "High strength concrete containing natural pozzolan and silica fume." Cement and Concrete Composites 22(6): 399-406.

11. SNI-03-6468 (2000). Tata Cara Perencanaan Campuran Beton Berkekuatan Tinggi dengan Semen Portland dan Abu Terbang. 12. Vichan, S. and R. Rachan (2013). "Chemical stabilization of soft Bangkok clay using the blend of calcium carbide residue and biomass ash." Soils and Foundations 53(2): 272-281. 13. YE, L.-p., Q.-l. MA and Z.-w. MIAO (2010). "Study on weak beam-strong column design method of RC frame structures." Engineering Mechanics 12: 019.