PERILAKU MEKANIK BETON AGREGAT DAUR ULANG : ASPEK MATERIAL - STRUKTURAL
DISERTASI
Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
SUHARWANTO NIM. 35098019
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2004
ABSTRAK PERILAKU MEKANIK BETON AGREGAT DAUR ULANG : ASPEK MATERIAL - STRUKTURAL Oleh : SUHARWANTO NIM. 35098019 Beton merupakan material konstruksi yang memiliki banyak keuntungan, diantaranya adalah bahan-bahan pembentuknya mudah diperoleh, mudah dibentuk, harga lebih murah, tidak memerlukan perawatan khusus, dan lebih tahan terhadap lingkungan, bila dibandingkan dengan material baja dan kayu. Hal ini menjadikan beton banyak digunakan untuk konstruksi bangunan gedung, jembatan, dermaga, dan lain-lain. Banyaknya jumlah penggunaan beton dalam konstruksi tersebut mengakibatkan peningkatan kebutuhan material beton, sehingga memicu penambangan batuan sebagai salah satu bahan pembentuk beton secara besarbesaran. Hal ini menyebabkan turunnya jumlah sumber alam yang tersedia untuk keperluan pembetonan. Di sisi lain, ada beberapa bangunan tua yang terpaksa harus dibongkar, karena bangunan tersebut perlu diperbaharui, mengalami kerusakan, atau tidak layak untuk dihuni. Hasil bongkaran tersebut perlu dibuang, sehingga menimbulkan limbah padat. Pembuangan limbah tersebut memerlukan biaya dan membutuhkan tempat pembuangan. Pembuangan limbah padat seperti ini pada dasarnya dapat mengurangi kesuburan tanah. Disamping itu, pada saat ini beton siap pakai (ready mix) sedang marak digunakan untuk membuat konstruksi bangunan, namun pada penerapannya sering terjadi kelebihan supply dan sisanya terkadang dibuang di sembarang tempat, sehingga dapat mengurangi kesuburan tanah dan merusak keseimbangan ekosistem.
Permasalahan kerusakan alam yang diakibatkan oleh penambangan batuan yang berlebihan dan pembuangan limbah beton tersebut mendorong peneliti untuk memanfaatkan atau mendaur ulang limbah beton, yang dihasilkan dari suatu aktivitas pembongkaran atau pengadaan konstruksi sebagai agregat alternatif, yang dapat menggantikan sebagian atau seluruh agregat alam di dalam campuran beton. Namun, pemanfaatan limbah sebagai agregat daur ulang tersebut perlu dikaji lebih mendalam, dengan melakukan pengujian eksperimental dan analisis terhadap karakteristik yang dimiliki. Kajian eksperimental yang dilakukan meliputi evaluasi sifat-sifat fisik dan kimia yang kemudian hasilnya dianalisis untuk mengetahui perbedaan antara agregat alam dan daur ulang. Metoda dan prosedur pelaksanaan pengujian agregat daur ulang tersebut dilakukan dengan mengacu pada standar ASTM. Berdasarkan hasil studi eksperimental, agregat daur ulang mengandung mortar sebesar 25 hingga 45% untuk agregat kasar, dan 70 hingga 100% untuk agregat halus. Kandungan mortar tersebut mengakibatkan berat jenis agregat menjadi lebih kecil, lebih poros atau berpori, sehingga kekerasannya berkurang, bidang temu (interface) yang bertambah, dan unsur-unsur kimia agresif (seperti Na2SO4 dan MgSO4) lebih mudah masuk dan merusak. Disamping itu, pada agregat daur ulang juga terdapat retak mikro, dimana retak tersebut dapat ditimbulkan oleh tumbukan mesin pemecah batu (stone crusher) pada saat proses produksi agregat daur ulang, yang tidak dapat membelah daerah lempengan atau patahan pada agregat alam. Retak tersebut tertahan oleh kekangan mortar yang menyelimuti agregat alam. Selain itu, hasil dari pengujian eksperimental dengan sinar X (X-ray) terdapat perbedaan kandungan unsur-unsur kimia di dalam agregat daur ulang, yaitu unsur silika (Si) dan kalsium (Ca). Hal ini dikarenakan agregat daur ulang sebelumnya merupakan beton yang telah mengalami reaksi hidrasi, dimana unsur Si dan Ca yang terdapat pada agregat daur ulang diperoleh dari senyawa kalsium silika hidrat (C-S-H), ettringite (C-A- S -H), dan Ca(OH)2 pada pasta semen yang masih menempel pada agregat alam. Oleh karena itu, unsur Ca pada agregat daur ulang lebih banyak dari pada unsur Si.
Beberapa perbedaan kualitas, sifat-sifat fisik dan kimia agregat daur ulang tersebut menyebabkan perbedaan sifat-sifat (properties) material beton yang dihasilkan. Perbedaan yang diamati diantaranya adalah menurunnya kuat tekan, kuat tarik, dan modulus elastisitasnya. Selain itu juga diamati perbedaan kemiringan kurva hubungan teganganregangan uniaksial dan multiaksial, yang menjadi landai pada saat sebelum beban puncak dan menjadi curam setelah beban puncak. Hal ini diakibatkan oleh lemahnya ketegaran retak dan bertambahnya jumlah bidang temu, yang memperlemah ikatan antara agregat kasar dan mortar. Disamping itu, hubungan tegangan-regangan puncak multiaksial juga menjadi menurun. Perbedaan sifat-sifat material beton agregat daur ulang tersebut mengakibatkan beberapa perbedaan persamaan yang menggambarkan hubungan antara kuat tarik dan kuat tekan, modulus elastisitas dan kuat tekan, dan model konstitutif tegangan-regangan beton uniaksial, tegangan-regangan puncak multiaksial. Beberapa persamaan dan model konstitutif telah diperoleh dari hasil studi eksperimental untuk menggambarkan perbedaan sifat-sifat dan perilaku mekanik beton agregat daur ulang. Perbedaan sifat-sifat dan perilaku mekanik material beton agregat daur ulang juga berpengaruh pada kinerja dan perilaku mekanik elemen struktur yang dibentuknya. Perbedaan kinerja dan perilaku mekanik elemen struktur tersebut diantaranya adalah kemampuan deformabilitas, nilai daktilitas, nilai kekakuan, dan pola retak. Deformabilitas elemen struktur beton agregat daur ulang menjadi lebih besar pada saat beban yang sama, nilai daktilitas dan kekakuan menjadi kecil, dan pola retak menjadi lebih banyak hingga ke daerah momen dan geser (antara perletakan dan titik beban), bila dibandingkan dengan kinerja dan perilaku beton agregat alam. Kata kunci : agregat alam, agregat daur ulang, beton agregat alam, beton agregat daur ulang, bidang temu, daktilitas, deformabilitas, kekakuan, ketegaran retak, mortar, pola retak, dan retak mikro.
ABSTRACT THE MECHANICAL BEHAVIOR OF RECYCLED AGGREGATE CONCRETE: MATERIAL - STRUCTURAL ASPECT By: SUHARWANTO NIM. 35098019 Concrete is one of the most widely used materials for construction because it is very advantageous, for instance cheap, easily to be molded, no need for special treatment, more resistant to the environment, and especially its aggregates are easily available compared to other materials such as steel or timber. Therefore, concrete has been extensively used for buildings, bridges, piers and other structures. A lot of usage of concrete for construction works causes increasing demand for concrete materials, consequently the exploration and exploitation of rock as concrete materials have been done on a large scale. These cause to decrease the amount of natural resources to provide aggregate in concrete works. On the other side, there are some old buildings that have to be demolished because of the need of renovation, structural damages or no more suitable to be used. The debris resulted from the demolition have to be disposed away as solid waste. This disposal works also require cost and quarries. It basically could damage the land fertility. In addition, quite often for ready mix companies that need to dispose their excessive concrete from projects and could also spoil the soil fertility and imbalance the ecosystem. The-problems of natural destruction due to rock exploitation and concrete waste disposal urge the researcher to recycle the concrete waste as recycled aggregates, to replace parts or the whole natural aggregates in concrete mix. However, the use of concrete waste as recycled aggregates needs to be examined thoroughly by experimental tests, in order to understand the characteristics of recycled aggregates. The experimental results have been done to evaluate the physical and
chemical properties of the materials and then to be analyzed to understand the difference between natural and recycled aggregates. The method and procedure for testing of the recycled aggregate materials are in accordance with the ASTM standard. Based on the experimental works, recycled aggregates contain mortar in the range of 25 to 45 % for coarse aggregates, and 70 to 100 % for fine aggregates. The existence of mortar content in recycled aggregates affects to the decrease of density of aggregate, more porous, less hardness, increasing interface, also some aggressive chemical elements (e.g. Na2SO4 and MgSO4) tend to enter and damage the concrete. Moreover, recycled aggregates contain micro cracks resulted from the impact of stone crushers in the crushing process that cannot split the plate or breaking regions on natural aggregates. Confining of mortar in covering natural aggregates will retain those cracks. Furthermore, the result of X-ray test is difference of chemical contents, i.e. Silica (Si) and Calcium (Ca) elements. The reason is that recycled aggregates were concrete materials which have been hydrated already, where Si and Ca elements in recycled aggregate are resulted from Calcium Silica Hydrate compounds (C-S-H), ettringites (C-A- S - H), and Ca( OH)2 in the cement paste which still attached on the natural aggregate. As a result, the quantity of Ca element in the recycled aggregates is higher than Si element. Some of the difference of qualities, physical and chemical properties of recycled aggregates cause the difference of properties of the resulted concrete materials. The difference properties consist of the reduction of compressive strength, tensile strength and modulus of elasticity. Besides that, the changes of tangent moduli of the uniaxial and multiaxial stressstrain relationships are perceived, that tends to be less steep before peak and become steep after peak. These are caused by the weakness of crack rigidity and bond between coarse aggregate and mortar, and the increased interface zone between coarse aggregate and mortar. Besides that, the multiaxial peak stress-strain relationships also decrease. Those changes result in different equations or constitutive model of relationships
between compressive and tensile strength, modulus of elasticity and compressive strength, uniaxial stress-strain of concrete, and multiaxial peak stress-strain in recycled aggregates compared to natural aggregates. Some of the constitutive models have been found from the experiment study to describe the characteristics and mechanical behaviors. The difference of properties and behavior on recycled aggregates concrete also influences to the performances and mechanical behaviors of the resulted concrete structural elements. They consist of deformability, ductility, stiffness and crack patterns. Deformability of structural elements using recycled aggregates tends to higher at the same load level, lower ductility and stiffness, and larger crack patterns up to the moment and shear regions between support and the applied load, compared to structural elements using natural concrete aggregate.
Keywords: crack pattern, crack rigidity, deformability, ductility, interface, micro crack, mortar, natural aggregates, natural aggregates concrete, recycled aggregates, recycled aggregates concrete, stiffness.
