Material
PENGARUH PENGGUNAAN SERAT POLYPROPYLENE DAN MICRO STEEL FIBER PADA KETAHANAN API DARI ULTRA HIGH PERFORMANCE CONCRETE (UHPC) UNTUK BANGUNAN INFRASTRUKTUR (021M) Harianto Hardjasaputra1, Vera Indrawati2, Indra Djohari3 1
Research and Community Development Center, Universitas Pelita Harapan, Lippo Karawaci, Tangerang e-mail:
[email protected], 2 Universitas Indonesia, 3 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Pelita Harapan, Lippo Karawaci, Tangerang
ABSTRAK UHPC merupakan beton dengan susunan matrix dari agregatnya menghasilkan material yang sangat padat dan mempunyai kekuatan yang sangat tinggi. Selain kekuatannya yang sangat tinggi, UHPC juga merupakan material yang daya tahannya jauh lebih tinggi dibandingkan dengan beton normal, baik terhadap pengaruh lingkungan maupun berbagai zat kimia yang berbahaya bagi beton. Sifat sifat ini sangat cocok bila UHPC digunakan sebagai material strutktur untuk bangunan tinggi maupun infrastruktur. Sebagai material struktur , UHPC harus juga memenuhi syarat tingkat ketahanan api. Dari hasil penelitian ini, didapatkan bahwa ternyata UHPC sebagai material yang sangat padat bersifat sensitip pada temperatur tinggi, dibandingkan dengan beton normal tingkat ketahanan api UHPC jauh lebih rendah. Penelitian ini difokuskan untuk meningkatkan tingkat ketahanan api dari UHPC, sampai bisa memenuhi standard peraturan yang ada, yaitu : SNI 1741-2008. Dengan penambahan polyprophylene saja atau dan micro steel fiber pada campuran UHPC, maka tingkat ketahanan api UHPC dapat ditingkatkan sampai dengan 1000 º C. Uji SEM yang dilakukan memperlihatkan retak retak mikro yang terjadi pada UHPC akibat panas pembakaran, yang membuat UHPC rentan terhadap panas tinggi. Kata kunci: Ultra High Performance Concrete (UHPC), uji ketahanan api.
1. PENDAHULUAN Beton Mutu Ultra Tinggi , yang dikenal dengan nama Ultra High Performance Concrete disingkat UHPC secara spesifik mempunyai karakteristik sebagai material konstruksi beton dengan kekuatan yang sangat tinggi (strength) dan daya tahan (durability) yang sangat baik terhadap gas dan cairan berbahaya. Di Indonesia kita perlu mengembangkan teknologi ini, karena bagi dunia industri konstruksi kita, beton adalah material yang paling banyak digunakan. UHPC menjadi sangat menarik, karena UHPC dapat meningkatkan efektifitas penggunaan semen. Pada beton normal efektivitas penggunaan semen pada peningkatan kekuatan beton yang dicapai hanya berkisar 0,12 MPa per kg semen, sedangkan dengan beton generasi baru kita dapat memperoleh peningkatan kekuatan beton sebesar 0,18 MPa – 0.20 Mpa per kg semen. Elemen elemen konstruksi seperti kolom, balok, pelat lantai bisa menjadi lebih ramping , sehingga terjadi efisiensi ruangan, berat konstruksi dan penghematan material. Pada tahun pertama penelitian 2011, Peneliti Hardjasaputra dkk [1] telah mengembangkan rancangan campuran UHPC yang menggunakan material lokal di Indonesia. Rancangan campuran UHPC berbeda dengan beton konvensional. Rahasia rancangan campurannya terdiri dari butiran-butiran sangat halus terletak pada ukuran submikroskopis, yaitu: mikro silika berukuran antara 0.05–0.8m, tepung marmer dan semen berukuran 10m– 60m, pasir halus berukuran max. 250m. Dengan mengatur distibusi kehalusan butiran dari material UHPC maka akan diperoleh tingkat packing density dari beton yang tinggi. UHPC mengandung pula jenis mikro silika yang sangat reaktip, yang bersama dengan semen membentuk tambahan zat pengikat Calsium Silikat Hydrate (CSH), yang merupakan unsur penting pada kekuatan beton , seperti terlihat pada rangkaian reaksi kimia antara semen, air dan SiO2 dibawah ini. Cement + Water
® CSH + Ca (OH)2
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
M - 17
Material
Micro silica (SiO2) yang sangat reaktip akan mengikat Ca(OH)2 sehingga terbentuk tambahan Calcium Silikat Hydrate Ca(OH)2 + SiO2 + H2O
® CSH
Sedangkan pada tahun kedua, tahun 2012, fokus Penelitian adalah : 1.
Peningkatan teknik dan metoda untuk produksi UHPC yang lebih baik dan memadai, sehingga dapat memproduksi benda uji dengan volume yang besar (40 liter) dengan melakukan pembuatan mesin mixer lokal khusus untuk UHPC.
2.
Melakukan uji ketahanan api (fire rating) UHPC, untuk meningkatkan ketahanan api dari UHPC sampai dapat memenuhi standard Ketahanan Api SNI 1741-2008. sehingga dapat digunakan sebagai material struktur pada bangunan Infrastruktur
Paparan pada paper ini berfokus pada hasil yang diperoleh dari kedua hal tersebut diatas.
2. RANCANGAN CAMPURAN UHPC. Peneliti telah mengembangkan rancangan campuran yang menggunakan material lokal yang ada di Jakarta dan sekitarnya. Rancangan campuran ini telah dilaporkan pada paper terdahulu [2] sebagai hasil penelitian tahun pertama 2011. Material yang digunakan pada pembuatan UHPC ini terdiri dari semen Portland putih, sebagai Ordinary Portland Cement SNI tipe I, abu silika yang reaktip, pasir kwarsa dan tepung marmer, sebagai pengganti tepung kuarsa. Untuk mendapatkan kekuatan yang tinggi, UHPC mempunyai rasio perbandingan air dan semen yang rendah, yaitu antara 0.20 – 0.22. Untuk menjamin workability dari beton segarnya maka perlu diperhatikan pemakaian superplastisizer yang berkinerja tinggi. Superplastisizer yang memenuhi syarat adalah dari tipe Polycarboxylether. Dengan mengatur distibusi kehalusan butiran dari material UHPC maka akan diperoleh tingkat packing density dari beton yang tinggi, sehingga tercipta beton yang hampir tidak mempunyai pori pori seukuran kapiler. Material UHPC terdiri dari butiran-butiran sangat halus terletak pada ukuran submikroskopis, yaitu: mikro silika berukuran antara 0.05–0.8m, tepung marmer dan semen berukuran 10m–60m, pasir halus berukuran max. 250m. Hasil uji Particle Size Analyzer (PSA) dari masing-masing material dicantumkan dalam grafik dengan sumbu x sebagai log dari ukuran butiran dalam m. dan sumbu y sebagai persen lolos butiran dalam %, seperti terlihat pada gambar 1.
Particle
m. Gambar 1: Distribusi ukuran semua partikel UHPC (Note: * measured by Chemistry Laboratory of Kassel University, others by Indocement Laboratory) Dari grafik tersebut terlihat gradasi butiran material UHPC, terbagi dalam 3 daerah gradasi dari rentang yang sangat sangat halus, yaitu silica fume sampai butiran halus pasir kwarsa. Terlihat bahwa rentang kehalusan dari tepung marmer yang digunakan hampir serupa dengan semen. Untuk membuat benda uji yang diujikan pada penelitian tahun kedua yang berfokus pada uji Ketahanan Api, peneliti membuatnya dengan rancangan campuran yang berkode TM 7, seperti terlihat pada tabel 1, dengan kuat tekan antara 120 MPa – 130 MPa. TM 7 adalah rancangan campuran yang telah Peneliti kembangkan sebagai UHPC tanpa serat.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
M - 18
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Material
Tabel 1: Rancangan Campuran UHPC [2] Material White Cement Type 1 Quartz Sand Silica Fume Superplastisizer (Sp) Water Marble Powder (w / b*) w/c
3.
TM7 Weight (Kg/m3) 850 935.146 230 32.89 177,1 160.455 0,182 0.208
MESIN MIXER UHPC
Pada awalnya semua benda uji dibuat dengan menggunakan mixer mini, dengan volume yang hanya mampu memproduksi 2 benda uji silinder 10 x 20 cm. Untuk meningkatkan produksi dari UHPC sehingga bisa dibuat satu seri benda uji, maka diperlukan mixer dengan volume yang besar yaitu 50 liter. Untuk itu Peneliti merancang satu unit mixer khusus untuk produksi UHPC yang mempunyai kinerja tinggi, dengan memasang 2 unit mesin pemutar, yaitu mesin untuk memutar pisau mixer utama dan mesin untuk memutar drum yang berputar berlawanan dengan arah putar dari pisau mixer. Terdapat pula pisau statis yang dipasang ditepi dinding drum, untuk menyapu material yang tertumpuk pada tepi drum. Mixer ini dibuat secara lokal pada bengkel bubut di Tangerang, seperti terlihat pada gambar 2. Benda uji untuk keperluan uji ketahanan api diproduksi dengan menggunakan mixer ini.
Gambar 2: Mesin mixer UHPC dengan 2 mesin pengaduk.
4.
UJI KETAHANAN API PADA TUNGKU PEMBAKARAN KERAMIK (TPK) UPH
Untuk selanjutnya, uji ketahanan api dilakukan pada TPK Laboratorium Produk Desain Universitas Pelita Harapan, yang telah didesain untuk temperatur sampai 1200 °C. Peneliti melengkapi tungku ini dengan Thermo Couple type K untuk max temp 1200 °C, dilengkapi dengan Thermo controller type TZN4S-14R Autonics, sehingga Peneliti dapat mengatur tingkat kenaikan temperatur di Tungku.
Gambar 3: Tungku Pembakar keramik yang dilengkapi Thermo Couple dan Thermo controller.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
M - 19
Material
5. BENDA UJI UNTUK TEST KETAHANAN API Peneliti telah membuat satu seri benda uji silinder yang terbuat dari rancangan campuran UHPC TM 7 . Adapun komposisi dari TM 7 dibagi dalam 2 kelompok yaitu grup pertama adalah UHPC tanpa serat dan grup kedua adalah UHPC dengan serat, seperti terlihat pada tabel 2. Serat yang digunakan adalah serat Polyprophylene (PP) dan micro steel fiber (MSF), dengan kombinasi dan variasi kandungan serat yang berbeda. Melalui penelitian ini, peneliti dapat membandingkan tingkat tahan api dari beton normal (fc = 30 Mpa) dengan beton UHPC, baik yang tanpa serat maupun dengan berserat. Demikian juga dapat diperoleh pengaruh penggunaan serat untuk meningkatkan ketahanan api dari UHPC. Adapun Uji Ketahanan Api yang ditargetkan adalah sesuai dengan pengujian ketahanan api mengikuti grafik temperatur standard SNI 1741-2008. Tabel 2: Tipe benda uji UHPC dan kandungan seratnya Mix Design TM7 I II
Fiber (Volume-%) Polypropylene
Micro Steel
1.8 1.3 1
1 1.5
TM7 TM7 X TM7 A TM7B TM7 C
6. HASIL PENGUJIAN KETAHANAN API 6.1 Pengujian TM7 dan TM7 X (Tanpa Serat) TM7 dan TM7X adalah benda uji UHPC dari kelompok UHPC tanpa serat. Yang membedakan antara TM7 dan TM7X adalah pada TM7X peneliti tidak menggunakan tepung marmer pada campuran betonnya. Hal ini untuk menyelidiki apakah penggunaan tepung marmer dapat mempengaruhi dari ketahanan api UHPC.
TM7
TM7
Gambar 4: Benda uji TM7 sebelum dan sesudah pembakaran Bersamaan dengan pembakaran TM7X, juga dibakar benda uji beton normal (fc= 30 MPa) agar dapat diperoleh perbedaan kinerja ketahanan api antara beton normal dan UHPC.
Ordinary Concrete
TM7 X TM7 X
Gambar 5 : Benda uji TM7X dan beton normal sebelum dan sesudah pembakaran
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
M - 20
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Material
Dari hasil uji pembakaran TM7 dan TM7X , diperoleh bahwa benda uji TM7 dan TM7X dengan durasi pembakaran yang cepat setelah 20 menit pembakaran mulai mengalami kerusakan, yaitu pecahnya benda uji pada temperatur sekitar 500 ºC. Proses pembakaran dihentikan pada saat temperature 532 ºC, dan hasil pengujian memperlihatkan bahwa benda uji TM7 dan TM7X mengalami kehancuran, sedangkan benda uji beton normal tidak mengalami kerusakan apapun. Jadi dapat disimpulkan bahwa temperatur kritis dari benda uji UHPC tanpa serat adalah hanya sekitar 530 º C.
6.2 Pengujian TM7A , TM7 B dan TM7 C (UHPC dengan serat) TM7A , TM7 B dan TM7 C adalah kelompok dari benda uji UHPC dengan serat polyprophylene dan micro steel fiber, dengan kombinasi dan variasi kandungan serat yang berbeda beda. Dalam proses pembakaran, peneliti selain memantau kenaikan temperatur tungku juga memperhatikan bila ada suara ledakan dalam tungku, yang menandakan bahwa benda uji mulai mengalami pecah (spalling). Benda uji TM7A adalah benda uji UHPC dengan serat polyprophylene saja, sebanyak 1.8 % volume. Berbeda dengan pembakaran yang pertama, ternyata sampai suhu mencapai 900ºC, selama proses pembakaran tidak terdengar suara ledakan sekecil apapun, menanda bahwa benda uji tidak mengalami kerusakan. Ini menandakan bahwa suhu kritis dari benda uji ini adalah lebih dari 900 ºC. Hasil dari pengujian menunjukkan bahwa benda uji dapat tetap mempertahankan bentuknya, tidak ada pecahan beton, walaupun terlihat retak retak rambut pada permukaan benda uji.
TM7 A
TM7 A Gambar 6 : Benda uji TM7A sebelum dan sesudah pembakaran. Temperatur maks 900º C. TM7B merupakan benda uji UHPC dengan serat polyprophylene dan micro steel fiber, dengan kandungan masing masing 1.3 % dan 1 % volume. Pada uji ini, peneliti meletakkan dua buah benda uji dalam tungku, dimana pada salah atu benda uji ditanamkan thermo couple didalam benda uji pada pusatnya. Thermo couple ini akan merekam temperatur dalam beton selama proses pembakaran. Proses pembakaran berlangsung dengan baik, tanpa ada tanda tanda suara ledakan, sehingga suhu tungku dapat peneliti tingkatkan mencapai temperatur 1000 ºC. Seperti halnya TM7A hasil dari pengujian menunjukkan bahwa benda uji dapat tetap mempertahankan bentuknya, tidak ada pecahan beton, walaupun terlihat retak retak rambut pada permukaan benda uji. Terdapat juga perbedaan temperatur yang cukup tinggi antara suhu didalam dan diluar benda uji, yaitu 733 ºC didalam beton dan 1000 ºC diluar beton.
TM7B
TM7B
Gambar 7 : Benda uji TM7B sebelum dan sesudah pembakaran. Temperatur maks 1000º C
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
M - 21
Material
TM7C TM7C adalah benda uji UHPC dengan serat Polyprophylene (1 volume-%) dan micro steel fiber (1,5 volume-%), merupakan benda uji yang kandungan serat Polyprophylene yang terkecil dari rangkaian test ini. Setelah melihat hasil test TM7A dan TM7B bahwa UHPC dengan serat ini dapat menunjukan kinerja ketahanan api sampai mencapai suhu 1000 ºC, maka peneliti memutuskan untuk melakukan test pada benda uji terakhir ini dimana temperatur tungku akan diatur sesuai dengan grafik temperatur standard SNI 1741-2008. Setelah mencapai suhu maksimum 1000 ºC, maka temperatur ini akan dipertahankan sampai menit ke 180. Seperti halnya dua benda uji terdahulu, TM7C menunjukkan bahwa benda uji dapat tetap mempertahankan bentuknya setelah dibakar selama 3 jam, tidak ada pecahan beton (spalling), walaupun terlihat retak retak rambut pada permukaan benda uji. Warna benda uji berubah secara jelas dari abu abu menjadi putih. Perkembangan grafik temperatur pada tungku menunjukkan pula bahwa temperatur tungku sedikit lebih tinggi (1075 ºC) dari temperatur standard maksimum SNI 1741-2008 (lihat gambar 9).
TM7 C
TM7 C
Gambar 8 : Benda uji TM7C sebelum dan sesudah pembakaran. Temperatur maks 1075 ºC 1200
T e m p e r a t u r e
1000
800
600
400
( o C )
200
0
Gambar 9 : Grafik perkembangan temperatur ( º C) vs waktu (menit) seuai SNI 1741-2008 (garis biru) dan pengujian TM7C (garis merah).
7.
KESIMPULAN
Melalui serangkaian benda uji ini, peneliti dapat menyimpulkan hasil penelitian ini sebagai berikut: 1.
Dibandingkan dengan beton normal, ternyata UHPC merupakan beton yang sangat sensitip terhadap temperatur tinggi atau dapat dikatakan ketahanan api UHPC jauh lebih rendah daripada beton normal. Pada temperatur 550º C benda uji sudah mulai mengalami kerusakan berat (spalling).
2.
Agar UHPC dapat dipakai sebagai material konstruksi untuk gedung maupun infrastruktur, maka kinerja ketahanan api UHPC harus ditingkatkan sesuai dengan standard ketahanan api untuk bangunan.
3.
Dari test pada serangkaian benda uji UHPC dengan serat TM7A, TM7B DAN TM7C, Peneliti telah dapat meningkatkan kinerja ketahanan api dari benda uji UHPC yang mempunyai ketahanan api sampai mencapai
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
M - 22
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Material
temperatur 1075 C dan bertahan pada proses pengujian sesuai dengan temperatur maksimum yang disyaratkan pada uji ketahanan api sesuai SNI 1741-2008. 4.
Peningkatan kinerja ketahanan api ini dapat tercapai bila pada rancangan campuran UHPC kita tambahkan serat Polyprophylene yang prosentasenya 1 – 1,5 % vol.
UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini didanai oleh Direktorat Jenderal Perguruan Tinggi (DIKTI) melalui Penelitian Hibah Bersaing (multi tahun) No.023/K3.KU/2012, 5 Maret 2012. Pembuatan mixer UHPC yang dipakai pada penelitian ini merupakan bantuan dari divisi R&D PT. Indocement Tbk.
DAFTAR PUSTAKA H. Hardjasaputra, Indrawati, V. I. Djohari, (2012) Laporan Penelitian Hibah Bersaing : Aplikasi Teknologi Nano Dalam Rekayasa Beton Mutu Ultra Tinggi (BMUT) Tahan Api, Surat Perjanjian Pelaksanaan Pekerjaan Penelitian Hibah Bersaing No: 023/K#.KU/2012, tanggal 5 Maret 2012. H. Hardjasaputra, Indrawati, V.,Tirtawijaya J., Dewi P., Tandaju G. S.,(2012) Experience in Producing and Development of Ultra High Performance Concrete (UHPC) in Indonesia using ordinary, white and Composite Portland cement, International Analytical Review Alitinform, Russia. Roland Bornermann, Michael Schmidt, Carsten Velimer.,(2007) Brandverhalten ultra hochfester Beton, UHPC 10 Jahre Forschung und Entwicklung an der Universitaet Kassel. Heinz, D., Dehn, F., Urbonas, L., Fire Resistance of Ultra High Perfoemance Concrete (UHPC) – Testing of Laboratory Samples and Column under Load, International symposium on Ultra High Performance Concrete, University of Kassel, Germany, September 13-15, 2004. Michael Schmidt, Ekkehard Fehling. Grundlagen der Betontechnologie von Hoch- und Ultra Hochleistungsbeton und Anwendung von UHPC im Bruckenbau, UHPC 10 Jahre Forschung und Entwicklung an der Universitaet Kassel, 2007 Teichmann, T., and Schmidt, M. Influence of Packing Density, International symposium on Ultra High Performance Concrete, University of Kassel, Germany, September 13-15, 2004.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
M - 23
