PENGARUH PENAMBAHAN KOMPOSISI BAHAN KIMIA (FLY ASH, KAPUR DAN BIO-BAKTERI) TERHADAP PARAMETER FISIK, MEKANIK DAN DINAMIK AKIBAT SIKLUS PEMBASAHAN-PENGERINGAN PADA TANAH RESIDUAL DI DAERAH LERENG
Oleh: Dewinta Maharani P. Agusti Nilasari Bebby Idhiani Nikita
(3109100004) (3109100041) (3109100075)
Dosen Pembimbing: Dr. Ir. Ria Asih Aryani Soemitro, M.Eng. Musta’in Arif, S.T., M.T.
Dalam penelitian ini, untuk meningkatkan daya dukung tanah, digunakan metode perbaikan tanah dengan cara kimiawi berupa penambahan bahan kimia yaitu kapur aktif atau Hydrated Lime (Ca(OH)2), Fly Ash dan juga dengan proses mikrobiologi yang menggunakan Bio-bakteri. Pengujian sifat fisik dalam penenilitian ini meliputi pengujian gravimetri dan volumetri yang dilanjutkan dengan menentukan batas-batas Atterberg yang meliputi penentuan kadar air (wc), batas cair (liquid limit, LL), batas plastis (plasticity limit, PL) dan batas susut (shrinkage limit, SL). Pengujian sifat mekanik yang meliputi penentuan kohesi (cu) dan sudut geser dalam (ϕ). Pengujian sifat dinamik yang meliputi penentuan nilai modulus geser dengan menggunakan alat uji Elemen Bender. Pengujian terakhir yaitu pengujian suction untuk penentuan nilai tegangan air pori negatif (-Uw)
Tanah Residual • Brand & Philipson (1985) Tanah residual merupakan tanah yang dibentuk oleh pelapukan batuan di tempatnya, tetapi dengan kondisi batuan asli telah terlapuk dengan sempurna • Sowers (1985) Tanah residual sebagai produk pelapukan batu yang tertinggal di tempatnya akibat proses pembasahan-pengeringan batuan induk • Wesley (1997) Tanah residual adalah tanah yang terjadi dari pelapukan batu asal yang masih berada di atas batuan asalnya
Tanah Residual • Wesley (1998, 2000) Sifat-sifat tanah residual dapat dianggap bergantung pada dua faktor utama, yaitu komposisi serta struktur. Komposisi meliputi sifat-sifat butir sendiri, yaitu ukuran, bentuk, serta jenis mineral dan struktur meliputi keadaan asli tanah setempat seperti kepadatan dan gaya tarik menarik yang kuat antara butir (interparticle bonds). Tanah residual memiliki rentang sifat fisik dan sifat mekanik yang besar tergantung pada mineral pembentuk batuan induk, intensitas pelapukan, jumlah curah hujan dan suhu.
Tanah Residual di Jember • Muntaha (2012) dari “Penelitian Karakteristik Tanah Residual di Jember” Perubahan kadar air, kadar lempung dan angka pori (kepadatan) berpengaruh terhadap modulus geser tanah. Perubahan kadar air dari kondisi kering udara ke kondisi jenuh, tanah yang mempunyai kadar lempung lebih dari 15% dan kepadatan yang lebih tinggi mempunyai rentang modulus geser yang lebih tinggi daripada tanah yang mempunyai kadar lempung kurang dari 15%. Penurunan kohesi dan sudut geser tanah akibat perubahan musin berulang, berdasarkan hasil penelitian rata-rata penurunan nilai kohesi dan sudut geser dalam adalah 10%.
Stabilisator Tanah Residual
• Bio-bakteri • Fly Ash • Kapur Aktif
Langkah-langkah Penelitian
Langkah-langkah Penelitian
Pengujian Sifat Fisik • Indeks Konsistensi Parameter utama yang digunakan untuk mengetahui karakteristik tanah adalah Indeks Plastis (Plasticity Index). Pengujian yang harus dilakukan terlebih dahulu adalah: Kadar air (water content, wc), digunakan standar uji ASTM D 2216-71 Batas cair (liquid limit, LL), digunakan standar uji ASTM D 432-66 Batas plastis (plastic limit, PL), digunakan standar uji ASTM D 424-74 Batas susut (shrinkage limit, SL), digunakan standar uji ASTM D 427-74 Secara empiris, nilai indeks plastis merupakan selisih antara batas cair dan batas plastis (IP = LL – PL). Batas cair, batas plastis, batas susut dan indeks plastis biasanya lebih dikenal dengan batas Atterberg (Atterberg Limits).
Pengujian Sifat Fisik • Ukuran Butiran dan Analisis Hidrometer Pengukuran butiran tanah (analisis ayakan) dilakukan dengan menggunakan standar uji ASTM D 422-63 dan analisis hidrometer menggunakan standar uji ASTM 1140-54. Kedua pengujian ini dilakukan untuk mendapatkan gradasi butiran terutama fraksi lanau dan lempungnya (fraksi ≤ 0,002 mm). • Pengujian Specific Gravity Pengujian specific gravity (berat jenis) dilakukan dengan menggunakan standar uji ASTM D 854-72. Nilai berat jenis (Gs) yang diperoleh akan membantu dalam klasifikasi jenis tanah yang diuji.
Pengujian Proctor Standard Uji pemadatan dengan pengujian Proctor Standard dilakukan dengan menggunakan standar uji ASTM D 698-70. Hasil data dari pengujian ini nantinya untuk menggambarkan kurva hubungan antara kepadatan kering dengan kadar air. Berdasarkan kurva pemadatan tersebut, harga kepadatan kering maksimum (maximum dry density, MDD) dan kadar air optimum (optimum moisture content, OMC) dapat ditentukan.
Proses Pembasahan-Pengeringan Proses pembasahan dan pengeringan dilakukan secara bertahap berdasarkan persentase pengurangan dan penambahan kadar air. Penelitian ini menggunakan siklus pengeringan-pembasahan 1x dan 2x, kemudian proses pengeringan 4x dan 6x. Perlakuan tersebut diterapkan pada benda uji yang digunakan untuk pengujian gravimetri-volumteri, Elemen Bender dan pengukuran tegangan air pori negatif. Pengukuran tegangan air pori negatif, kertas filter Whatman no. 42, dihimpit pada dua benda uji gravimetrivolumetri dan Elemen Bender sehingga satu pasang benda uji terdapat satu buah kertas filter.
Proses Pembasahan-Pengeringan Tahapan siklus pada tanah natural
Proses Pembasahan-Pengeringan Tahapan siklus pada tanah natural+7% bio-bakteri
Proses Pembasahan-Pengeringan Tahapan siklus pada tanah natural+5% fly ash
Proses Pembasahan-Pengeringan Tahapan siklus pada tanah natural+6% kapur
Pengujian Sifat Mekanik •
•
Pengujian Triaksial Unconsolidated Undrained (UU) Pengujian Triaksial Unconsolidated Undrained ini dilakukan menggunakan alat uji Triaxial Unconsolidated Undrained Test untuk mendapatkan hasil sifat mekanik tanah, yakni kohesi (cu) dan sudut geser dalam (ϕ). Hasil yang didapat berasal dari benda uji yang telah diuji untuk kemudian diolah ke dalam grafik Mohr. Acuan yang digunakan dalam pengujian ini sesuai dengan peraturan pada ASTM D 698-70. Pengujian Unconfined Compression Strength (UCS) Pengujian ini dilakuakn menggunakan alat UCS untuk mendapatkan hasil kohesi (cu). Acuan pengujian ini sesuai dengan peraturan ASTM D2166-00.
Pengujian Sifat Dinamik Pengujian dinamik dilakukan dengan pengujian menggunakan alat Elemen Bender. Alat uji Elemen Bender yang digunakan untuk pengukuran adalah secara manual dan digital. Pengukuran secara manual dilakukan menggunakan osiloskop yang pemancar (transmitter) dan penerimanya (receiver) dihubungkan dengan komputer untuk kemudian dilakukan pembacaan secara digital. Alat yang terpasang sebagai pembaca digital dinamakan Ultrasonic Time Analyzer (UTA).
Pengukuran Tegangan Air Pori Negatif Nilai tegangan air pori negatif diperoleh dari grafik korelasi antara kadar air kertas filter tipe Whatman no. 42 dengan nilai suction setelah diberikan kalibrasi.
(Fredlund dan Rahardjo, 1993)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Pengujian Sifat Kimia Material Uji Komposisi sifat kimia fly ash No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Senyawa Kimia SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O SO3 MgO TiO2 K2O Mn3O4 P2O5 Loss on ignition
Kandungan (%) 37,21 17,91 15,25 10,16 7,53 4,30 3,69 1,14 0,87 0,11 0,06 1,50
(Sumber: Sucofindo, 1999)
Jenis Pengujian
Tidak disebutkan
Hasil Pengujian Sifat Kimia Material Uji Komposisi sifat kimia kapur aktif No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Senyawa Kimia SiO Al2O3 Fe2O3 CaO CO2 H2O MgO K2 O P2O5 Loss on ignition
Kandungan (%) 0,23 – 18,12 0,20 – 4,33 0,10 – 1,36 40 – 50 35,74 – 42,78 0,10 – 0,85 0,05 – 4,26 0,18 0,072 – 0,109
Jenis Pengujian
Tidak disebutkan
40,06
(Sumber: Madiadipoera T. dkk, 1999)
Hasil Pengujian Sifat Fisik Tanah Natural Pengujian Analisa Saringan dan Hidrometer - Fraksi kerikil (gravel) - Fraksi pasir (sand) - Fraksi lanau-lempung (silt-clay) Indeks Konsistensi - Batas cair (LL) - Batas plastis (PL) - Indeks plastis (PI) - Batas susut (SL) Activity (A) Specific Gravity (Gs) Klasifikasi Tanah - USCS - AASHTO Triaksial Unconsolidated Undrained Test - Kohesi, cu (kPa) - Sudut geser dalam, ϕ
Tanah Residual Natural
0% 25,28% 74,72%
39,124% 29,177% 9,947% 6,546% 0,271 2,532 CL (Lempung berpasir) A-7-6
34,5 18,9˚
(Sumber: Hasil penelitian)
Hasil Pengujian Proctor Standard Tanah Natural Dari hasil pengujian Proctor Standard untuk tanah residual natural Kemuning Lor, Jember ini didapat nilai kepadatan kering maksimum sebesar 13,016 kN/m3 dengan nilai kadar air optimum sebesar 37,701%. Kepadatan Kering, γd Zero Air Void (γZAV), kN/m3
18.00 17.00 16.00
Zav line
15.00 14.00 13.00 12.00 11.00 10.00 9.00 20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
Wc (%)
Hasil grafik pemadatan Proctor Standard pada tanah residual natural (Sumber: Hasil penelitian)
Hasil Pengujian Proctor Standard Tanah Natural dengan Bio-bakteri Hasil pengujian Proctor Standard tanah natural yang dicampur dengan 3%, 5% dan 7% bio-bakteri. Hasil keseluruhan pengujian Proctor Standard pada tanah natural yang dicampur dengan 3%, 5% dan 7% bio-bakteri dalam keadaan optimum akan ditunjukkan pada tabel di bawah ini. Kadar Biobakteri 3% 5% 7%
γd maksimum (kN/m3) 12,281 12,706 13,269
(Sumber: Hasil penelitian)
wc optimum (%) 28,09 33,397 34,761
Hasil Pengujian Proctor Standard Tanah Natural dengan Bio-bakteri Berdasarkan hasil pada tabel menunjukkan bahwa nilai kepadatan maksimum optimum adalah tanah natural yang dicampur dengan 7% bio-bakteri. Dengan demikian, kadar bio-bakteri yang digunakan untuk campuran tanah pada siklus pengeringan-pembasahan adalah 7%. Berat Volume Kering, γd Zero Air Void (γZAV), kN/m3
18.00 17.00 16.00
Zav line
15.00 14.00 13.00 12.00 11.00 15.00
20.00
25.00
30.00 35.00 Wc (%)
40.00
45.00
50.00
Hasil grafik pemadatan Proctor Standard pada tanah residual natural +7% bio-bakteri (Sumber: Hasil penelitian)
Hasil Pengujian Proctor Standard Tanah Natural dengan Fly Ash Hasil pengujian Proctor Standard tanah natural yang dicampur dengan 5%, 10%, 15%, 20% dan 25% fly ash. Hasil keseluruhan pengujian Proctor Standard pada tanah natural yang dicampur dengan 5%, 10%, 15%, 20% dan 25% fly ash dalam keadaan optimum akan ditunjukkan pada tabel di bawah ini. Kadar γd maksimum Fly Ash (kN/m3) 5% 13,528 10% 13,349 15% 12,844 20% 13,068 25% 12,996 (Sumber: Hasil penelitian)
wc optimum (%) 32,26 31,014 28,667 34,646 32,864
Hasil Pengujian Proctor Standard Tanah Natural dengan Fly Ash Berdasarkan hasil pada tabel menunjukkan bahwa nilai kepadatan maksimum optimum adalah tanah natural yang dicampur dengan 5% fly ash. Dengan demikian, kadar fly ash yang digunakan untuk campuran tanah pada siklus pengeringan-pembasahan adalah 5%. Kepadatan Kering, γd Zero Air Void (γZAV), kN/m3
16.00
Zav line
15.00 14.00 13.00 12.00 11.00 10.00 22.00
24.00
26.00
28.00
30.00
32.00
34.00
Wc (%)
Hasil grafik pemadatan Proctor Standard pada tanah residual natural +5% fly ash (Sumber: Hasil penelitian)
Hasil Pengujian Proctor Standard Tanah Natural dengan Kapur Hasil pengujian Proctor Standard tanah natural yang dicampur dengan 2%, 4%, 6%, 8% dan 10% kapur. Hasil keseluruhan pengujian Proctor Standard pada tanah natural yang dicampur dengan 2%, 4%, 6%, 8% dan 10% kapur dalam keadaan optimum akan ditunjukkan pada tabel di bawah ini. Kadar γd maksimum Kapur (kN/m3) 2% 12,628 4% 12,539 6% 12,435 8% 11,357 10% 11,549 (Sumber: Hasil penelitian)
wc optimum (%) 32,96 35,343 28,548 35,717 30,706
Hasil Pengujian Proctor Standard Tanah Natural dengan Kapur
Berat Volume Kering, γd Zero Air Void (γZAV), kN/m3
Berdasarkan hasil pada tabel digunakan nilai kepadatan maksimum yang terbesar adalah tanah natural yang dicampur dengan 6% kapur. Dengan demikian, kadar kapur yang digunakan untuk campuran tanah pada siklus pengeringan-pembasahan adalah 6%. 19.00 18.00
Zav line
17.00 16.00 15.00 14.00 13.00 12.00 11.00 15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
Wc (%)
Hasil grafik pemadatan Proctor Standard pada tanah residual natural +6% kapur (Sumber: Hasil penelitian)
Hasil Pengujian Sifat Fisik Tanah yang Distabilisasi Pengujian Analisa Saringan dan Hidrometer - Fraksi kerikil (gravel) - Fraksi pasir (sand) - Fraksi lanau-lempung (silt-clay) Indeks Konsistensi - Batas cair (LL) - Batas plastis (PL) - Indeks plastis (PI) - Batas susut (SL) Activity (A) Specific Gravity (Gs) Klasifikasi Tanah - USCS
- AASHTO Triaksial Unconsolidated Undrained Test - Kohesi, cu (kPa) - Sudut geser dalam, ϕ
Tanah Natural + 7% Bio-bakteri
Jenis Tanah Tanah Natural + 5% Fly Ash
Tanah Natural + 6% Kapur Aktif
0%
0%
0%
21,48%
18,36%
32,64%
78,52%
82,63%
68,36%
49,018% 26,891% 22,127% 6,478% 0,522 2,702
42,509% 27,69% 14,819% 7,985% 0,333 2,562
45,914% 34,762% 11,152% 5,501% 0,319 2,549
CL (Lempung berpasir) A-7-6
CL (Lempung berpasir) A-7-6
CL (Lempung berpasir) A-7-5
1,8 31,7˚
24,6 33,4˚
74,7 21,6˚
(Sumber: Hasil penelitian)
Hasil Pengujian Sifat Mekanik • Analisis Hasil Uji Proctor Standard pada Benda Uji Natural dan Benda Uji Natural + Stabilisator • Analisis Terhadap Benda Uji yang Mengalami Proses Pengeringan-Pembasahan pada Siklus Pertama dan Kedua • Analisis Terhadap Benda Uji yang Mengalami Proses Pengeringan pada Siklus 1, 2, 4 dan 6
Analisis Terhadap Benda Uji yang Mengalami Proses Pengeringan-Pembasahan pada Siklus Pertama dan Kedua Seluruhnya dengan nilai kadar optimum 37,701% untuk tanah residual natural; 34,761% untuk tanah residual natural + 7% biobakteri; 32,26% untuk tanah residual natural + 5% fly ash dan 28,548% untuk tanah residual natural + 6% kapur aktif akan diterapkan pada siklus pembasahan-pengeringan. Proses pengeringan-pembasahan tersebut dilakukan untuk siklus pertama dan kedua seperti pada grafik yang akan diberikan berikut ini.
Hasil Pengujian Sifat Dinamik • Modulus Geser Maksimum Pengujian properti dinamik untuk memperoleh modulus geser maksimum (Gmaks) dilkukan di Laboratorium Mekanika Tanah dan Batuan, Jurusan Teknik Sipil, FTSP ITS. Penentuan nilai modulus geser maksimum tidak dapat terhindar dari faktor subyektivitas karena dipengaruhi oleh banyak faktor. Hasil (output) dari alat Elemen Bender yang digunakan adalah waktu tempuh axis (t) dalam satuan μs dan kecepatan rambat axis (Vs) dalam satuan m/s. Waktu tempuh axis dan kecepatan rambat axis dapat dicatat dari tampilan dalam software Ultrasonic Time Analyzer (UTA).
Hasil Pengujian Sifat Dinamik • Perubahan Sifat Dinamik Akibat Siklus Pembasahan-Pengeringan Pertama dan Kedua • Perubahan Sifat Dinamik Akibat Pengeringan 1x, 2x, 4x dan 6x
