EVALUASI DENSITI LIGHTWEIGHT FOAM CONCETE MENGGUNAKAN METODA STATISTICAL PROCESS CONTROL (SPC) Ridho Bayuaji Dosen Diploma Teknik Sipil FTSP ITS Email:
[email protected] Totok R. Biyanto Dosen Teknik Fisika FTI ITS Email:
[email protected]
ABSTRAK
Densiti Ligthweight Foamed Concrete (LFC) sangat penting mengacu kepada standar ASTM C-330 dan BS EN 206-1/BS 8500 yang dipakai. Densiti ini dipengaruhi oleh komposisi semen, pasir, air dan volume foam LFC. Campuran ini dihitung sebelum LFC dibuat, sehingga pada saat LFC terbentuk terkadang densiti yang dirancang tidak sesuai dengan harapan atau target yang ditentuan. Sering berfluktuasinya density LFC disebabkan oleh campuran yang tidak sesuai dan berapa banyak foam yang pecah disebabkan lama pengadukan. Hal ini perlu dideteksi sejak awal penyebab-penyebabnya agar density yang diharapkan dapat tercapai. Untuk mengatasi hal tersebut, diperlukan monitoring untuk mengevaluasi apakah densiti yang diperoleh masih bisa digunakan atau tidak dengan menggunakan metoda SPC (Statistical Process Control) Dari hasil penelitian dapat ditarik kesimpulan bahwa bila densiti tidak terkontrol dan selalu diatas atau selalu dibawah target, hal ini disebabkan kesalahan perhitungan atau pelaksanaan komposisi material. Bila densiti tidak terkontrol dan berfluktuasi sekitar target disebabkan kurang kesempurnaan pencampuran. Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka komposisi harus dihitung dengan tepat, pencampuran yang merata dan harus diperkirakan berapa foam yang pecah saat pencampuran. Kata kunci: Statistical process control, Densiti, Ligtht Foam Concete
1. PENDAHULUAN
menggantikan beton konvensional yang mempunyai densiti sekitar 2400 kg/m3. Pembuatan beton ringan yang digunakan untuk elemen struktur umumnya mempunyai Keutamaan densiti 1440-1920 kg/m3. penggunaan beton ringan adalah; untuk mengurangi beban beton sendiri (selfwieght) yang dikategorikan sebagai beban mati pada perhitungan struktur; berikutnya akan mengurangi dimensi elemen kolom, elemen pemikul beban gravitasi dan pondasi; beton ringan dapat direncanakan untuk memenuhi kekuatan yang sama dengan beton normal.
Beton adalah material konstruksi yang luas digunakan dan mempunyai bermacam keunggulan daripada material yang lain yang sudah dikenal dengan baik, antara lain biaya produksi yang rendah, mudah dalam memproduksi dan mempunyai durable dalam lingkungan aggressive. Tinjauan ke depan oleh sekelompok peneliti beton di dunia telah diidentifikasikan bahwa kebutuhan ke depan untuk material konstruksi adalah: ringan, durable, mudah untuk digunakan, ekonomis, dan lebih mendukung kepada lingkungan.
Ada beberapa metode untuk mengurangi berat sendiri di beton ringan. Pertama, mengganti komponen aggregate kasar dengan aggregate kasar ringan (batu
Perkembangan penelitian beton ringan/lightweight concrete meningkat pesat dengan maksud secara perlahan
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-56
Evaluasi Densiti Lightweight Foam Concete Menggunakan Metoda Statistical Process Control (SPC)
volkanik/batu apung/pumice, aggregate organik(palm oil shell), aggregate sintetik (perlite, vermiculite, clay, shale, slate)). Kedua, mengkombinasikan metode pertama dan meniadakan aggregate halus yang sering disebut dengan beton non pasir (nofines concrete) Metode ketiga adalah meniadakan aggregate kasar dan memasukkan rongga udara (stable foam) di dalam beton. Pembuatan rongga udara di dalam beton menggunakan foaming agent yang disebut sebagai lightweight foamed concrete (LFC). Istilah LFC adalah kesalahan dalam penyebutannya karena komposisi dari LFC itu adalah semen, pasir, air dan stable foam, tidak terdapat aggregate kasar di dalamnya. Istilah lebih tepat untuk LFC adalah mortar foam. Kaidah utama LFC adalah mengandung minimal 25 % rongga udara yang membedakannya dengan beton normal [1].
Variasi total = Variasi alami + Variasi sebab khusus
(1) Variasi alami didefinisikan sebagai variasi yang disebabkan penyebab acak yang sudah menjadi bawaan alami dari sistem. Variasi sebab khusus didefinisikan sebagai variasi yang dapat dihindarkan. Seringkali spesifik terhadap operator tertentu, mesin tertentu, material tertentu, dan lain-lain. Ketika variasi dalam proses mengandung variasi sebab khusus maka proses menjadi sukar untuk diprediksi. Baru sesudah variasi sebab khusus dihilangkan, variasi proses akan turun dan proses akan menjadi normal serta dapat diprediksikan. Menyelidiki dan menghilangkan variasi sebab khusus ini merupakan kunci dalam peningkatan performansi suatu proses yang menjadi tujuan SPC. Penerapan metoda SPC tidak secara langsung memberikan solusi terhadap permasalahan melainkan memberikan informasi-informasi yang berupa data-data statistik yang ada pada permasalahan yang bersangkutan. Dari informasi-informasi ini diharapkan adanya tindakan-tindakan lanjutan untuk mengatasi permasalahan yang ada. melainkan memberikan informasiinformasi yang berupa data-data statistik yang ada pada permasalahan yang bersangkutan. Dari informasi-informasi ini diharapkan adanya tindakan-tindakan lanjutan untuk mengatasi permasalahan yang ada.
LFC adalah termasuk di dalam criteria beton berongga. Beton berongga dibuat untuk maksud mendapatkan beton ringan dengan cara memasukkan gas bubble di dalam mortar (campuran semen dan pasir) dengan maksud membuat sebuah material yang berstruktur cellular menyerupai spon berongga. Dimensi pori udara berukuran 0.11 mm. Kelebihan yang menonjol dari LFC adalah selain dari berat sendiri yang ringan dan juga mempunyai variasi dalam density sesuai dengan kebutuhan (400-1600 kg/m3). Hubungan kuat tekan dan density pada LFC sangat kuat, oleh sebab itu kevariasian density sangat menentukan tingkat kekuatan LFC. Densiti LFC ditentukan dari kadar foam yang dimasukkan di dalam campuran LFC. Ketepatan pengukuran volume foam sebagai campuran LFC masih sangat relative mendakati tepat, oleh sebab itu perlu suatu metode untuk menentukan kelayakan density LFC.
2. DASAR TEORI 2.1. Hubungan densiti dengan kuat tekan LFC Pada tahun 1892, Formula Rene´ Fe´ret [3] menunjukkan aturan hubungan antara kuat tekan beton dengan volume air, semen dan udara di dalam campuran beton (Persamaan 1):
c σ y = K c + w+ a
Kualitas produk yang dihasillkan oleh suatu sistem tidak mungkin seragam, tetapi bervariasi. Penyebab variasi proses dalam SPC [2] digolongkan menjadi 2 yaitu variasi alami (common cause variation) dan variasi sebab khusus (special cause variation). Total variasi yang dapat diamati dalam suatu performansi proses dinyatakan sebagai berikut :
ISBN No. 978-979-18342-0-9
2
(1)
Pada kondisi beton yang terpadatkan (fully compacted), kekuatan beton mempunyai nilai terbalik dengan nilai air/semen (aturan Abrams) [4].
B-57
Ridho Bayuaji & Totok R. Biyanto
σy =
K1 K 2 ( w / c)
)
= rata-rata dari moving range (mR) = standard deviasi Perangkat yang digunakan dalam SPC, yaitu : a. Peta Kontrol Tujuan utama peta kontrol adalah untuk mengetahui apakah ada variasi sebab khusus didalam proses yang sedang berjalan melalui batas kontrolnya.
R α
(2)
Dimana : σy = kuat tekan beton (Mpa); c, w, a = proporsi volume dari semen, air dan udara; K, K1, K2 = konstanta pendekatan yang menyesuaikan kualitas semen, metode pengujian yang digunakan Kekuatan beton dipengaruhi oleh volume rongga udara di dalam beton (entrapped air, capillary pores, gel pores and entrained air). Hoff [3] lebih detail dalam menghubungkan density dengan kuat tekan pada LFC yang diuraikan pada persamaan 3
dc 1+ k
σ y = σ0
b
1 + 0.20 ρ c ρ cγ w
b. Histogram Digunakan untuk melihat bagaimana posisi histogram terhadap batas spesifikasi. Keadaan yang ideal adalah bahwa posisi histogram berada ditengah dari batas spesifikasi. Dan nilai rata-rata diharapkan berada pada bagian tengah histogram. c. Kurva Distribusi Normal Kurva distribusi normal berbentuk seperti lonceng terbalik dan simetris dengan persamaan mate matisnya: 2
b
(3)
Dimana : σy = kuat tekan LFC(Mpa); σ0 = kuat tekan pasta semen tanpa ada pori (Mpa); dc = density; k = factor air semen ditinjau dari berat; ρc= berat jenis semen; γw= berat jenis air; b = 2,7-3
F ( z) =
−~
−z 2 dz
(4)
Kelebihan SPC adalah : • SPC dapat digunakan secara in-line, artinya proses tidak perlu dimatikan pada saat penyamplingan (pengambilan) data dilakukan • Mudah untuk dipahami dan digunakan • Dengan SPC , sumber masalah CL = X ± 3σ X pengontrolan dapat dengan segera X diketahui sehingga keputusan yang tepat dapat diambil dengan cepat dan
(3)
X = rata-rata dari pengamatan individu
ISBN No. 978-979-18342-0-9
z
∫e
Luas daerah dibawah kurva tersebut kurva tersebut sama dengan 1. Batas kurva ini adalah dari - ~ sampai + ~, tetapi dalam penggunaannya orang sering menggunakan batas - batas µ ± 3σ yang sudah mencakup 99,73 % dari luas kurva distribusi normal. d. Kapabilitas Proses (Cp, Cpk ) Kemampuan proses berkaitan dengan layak atau tidaknya suatu proses jika dibandingkan dengan pesifikasi yang ditetapkan. Proses yang ideal adalah proses yang memiliki nilai kemampuan proses (6 σ ) yang lebih kecil dari range spesifikasi. 6 σ < USL – LSL. Proses yang baik adalah proses dengan Cp >1,33 dan Cpk ideal = 1.
2.2. Statistical Process Control Statistical Process Control merupakan metoda yang menggunakan statistik sebagai tools untuk menggambarkan kondisi proses dengan data-data yang ada pada permasalahan yang bersangkutan. Dari gambaran tersebut dapat dijadikan dasar dalam menganalisis dan meningkatkan performansi kinerja proses. Peningkatan performansi kinerja proses pada akhirnya meningkatkan kualitas produk dari sistem kontrol tersebut. Alat statistika yang ampuh untuk mendeteksi variasi adalah peta kontrol Shewhart. Pada peta kontrol terdapat limit kontrol atas (UCL) dan limit kontrol bawah (LCL) yang berfungsi sebagai filter variasi sebab khusus dari variasi alami. Batas kontrol tersebut diturunkan secara empirik dari pengukuran variasi dalam performansi proses terhadap waktu. Secara umum, persamaan untuk limit kontrol atas dan bawah adalah :
CL R = R ± 3σ R dimana :
1 2π
B-58
Evaluasi Densiti Lightweight Foam Concete Menggunakan Metoda Statistical Process Control (SPC)
tepat sebagi solusi dari permasalahan tersebut
dalam pembuatan mortar adalah 5 menit [6], kemudian ditambahkan stable foam seperti pada gambar 2. Perataan campuran foam dengan mortar memerlukan waktu kurang lebih 2 menit untuk memastikan homogenitas campuran
3. PROSEDUR PENGUJIAN 3.1. Komposisi LFC Kriteria material penyusun LFC yang dilakukan di laboratorium adalah: (i) Portland cement [5] (ii) Pasir dengan 60-95 % lolos ayakan 1.18 mm (iii) Air/semen = 0.4 dan 0.3 (iv) Superplasticizer dengan komposisi 1-2 % dari berat sement (v) Surfactant (foaming agent) yang berbahan dasar dari palm oil LCM dengatn ratio terhadap air adalah 1:30 (perbandingan volume) Desain proporsi campuran LFC dengan densiti basah 1400, 1600 and 1800 kg/m3 dirangkum pada table 1
Gambar 2. Penambahan foam di campuran mortar
TABEL 1 PROPORSI CAMPURAN LFC
No 1 2 3 4 5 6
water/ plactic binder density 0.3 1400 0.3 1600 0.3 1800 0.4 1400 0.4 1600 0.4 1800
cement kg/m3 780.00 790.00 790.00 750.00 780.00 750.00
sand kg/m3 393.72 584.46 788.46 371.28 561.00 765.00
water kg/m3 217.65 218.69 216.44 281.04 283.11 280.86
Sebelum LFC dimasukkan cetakan, data densiti basah didapatkan dengan alat volumetrik 3 liter dan ditimbang seperti pada gambar 3.
foam liter 386.16 309.97 235.24 340.76 257.57 192.37
3.2. Prosedur Pengujian Pembuatan Foam menggunakan peralatan porta-foam LWC production, Kuantan Malaysia seperti pada gambar 1
Gambar 3. Pengukuran densiti basah dengan volumetrik dan timbangan digital
Workability dari LFC sangat tinggi sehingga tidak memerlukan pemadatan pada waktu penuangan pada cetakan kubus 100x100x100 mm. Pada usia 24 jam dari proses pencampuran, LFC dibuka dari cetakan dan kemudian dilakukan pendataan “densiti cetakan”, densiti pada kondisi LFC dibuka dari cetakan. Densiti cetakan adalah dasar untuk melakukan proses perhitungan selanjutnya,
Gambar 1. Peralatan untuk membuat foam (Koh Heng boon dkk, 2008)
Semen, pasir dan air dicampur dengan mixer untuk menghasilkan campuran mortar yang homogen. Waktu yang diperlukan
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-59
Ridho Bayuaji & Totok R. Biyanto
)
maka dilakukan statistical proces kontrol untuk menganalisa proses pencampuran LFC.
Bila komposisi material pencampuran dihitung dengan seksama dan dilakukan dengan proses yang sesuai, maka akan diperoleh LFC yang mempunyai spesifikasi yang hampir seragam, dengan kata lain semua data eksperimen dalam range terkontrol, seperti pada Gambar 6.
4. HASIL DAN ANALISA Dari Gambar 4 menunjukan bahwa hasil eksperimen dengan target densiti 1800 selalu berada diatas dan dibawah target, hal ini menunjukkan bahwa perhitungan campuran material ada kesalahan.
DATA-SIMCA.DS1 DATA-SIMCA Shewhart (Subgroup 1): Variable(1399) 1800 3S(DS1)
Data total2.DS1 Data total2
1700
Shewhart (Subgroup 1): Variable(D1800-0.3) 2S(DS1) 1600
2100 1500
Target
D1800-0.3
2000
1400
1300
1900
3S(DS1) 2S(DS1) 1200
1800
2S(DS1)
Target 1100
3S(DS1) 1
2
3
4
5
2S(DS1)
6
7
S(DS1) = 108.9
8
9
10
11
12
13
14
15
Target(DS1) = 1449
1700 SIMCA-P 11 - 6/12/2008 11:29:15 AM
3S(DS1) 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Gambar 6 Densiti yang terkontrol
Num S(DS1) = 36.44
Target(UE) = 1800 SIMCA-P 11 - 4/15/2008 8:55:18 AM
5. KESIMPULAN
Data total.M1 (PCA-X) Shewhart (Subgroup 1): XVar(D1800-0.4)
Dari hasil penelitian dapat ditarik kesimpulan bahwa bila densiti tidak terkontrol dan selalu diatas atau selalu dibawah target, hal ini disebabkan kesalahan perhitungan atau pelaksanaan komposisi material. Bila densiti tidak terkontrol dan berfluktuasi sekitar target disebabkan kurang kesempurnaan pencampuran. Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka komposisi harus dihitung dengan tepat, pencampuran yang merata dan harus diperkirakan berapa foam yang pecah saat pencampuran.
3S(M1)
XVar(D1800-0.4)
1900
1800
2S(M1)
Target
1700 2S(M1)
1600
3S(M1)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Num S(M1) = 59.18
Target(UE) = 1800 SIMCA-P 11 - 4/15/2008 8:51:12 AM
Gambar 4. Densiti 1800 dengan kesalahan perhitungan
Untuk Gambar 5, diperoleh hasil yang kurang seragam dalam satu pencampuran dengan target densiti yang sama. Hal ini menunjukkan bahwa kehomogenan campuran perlu ditingkatkan, misal dengan waktu pengadukan yang sesuai dan besar komponen yang lebih serupa dan merata.
6. REFERENSI
Data total3.DS1 Data total3
1.
D Aldridge (2005) Introduction to foamed concrete what, why, how?, in: Proceeding from the int. Conference ‘Global Construction: Ultimate concrete opportunities’, Dundee. 5-7 July 2005, Thomas Telford.2005: 1-14.
2.
John S. Oakland (2003), Statistical Process Control, ButterworthHeinemann, Linacre House, Jordan Hi I. Odler (1991) Materials and Structure Vol. 24, pp. 143–157
Shewhart (Subgroup 1): Variable(D1600-0.3)
3S(DS1) 1800 2S(DS1)
D1600-0.3
1700
1600
Target
1500
2S(DS1) 1400
3S(DS1) 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
3.
16
Num S(DS1) = 82.37
Target(UE) = 1600 SIMCA-P 11 - 4/15/2008 8:56:32 AM
Gambar 5. Pencampuran kurang sempurna
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-60
Evaluasi Densiti Lightweight Foam Concete Menggunakan Metoda Statistical Process Control (SPC)
4.
Hoff, G. C.(1972)Porosity-Strength Considerations for Cellular Concrete, Paper C-72-1, U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station, Vicksburg, Miss., Apr. 11 pp
5.
British Standards Institution (2000) BS EN 197-1 Cement Concrete Composition, Specification and Conformity Criteria for Concrete Cements. British Standards Institution, London.
6.
A.M. Neville (2002) Properties of Concrete, 4th ed, Longman, Essex, England.
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-61
