Material
STUDI KOMPARASI PENGARUH NANOSILIKA ALAM DAN NANOSILIKA KOMERSIL TERHADAP BETON (228M) Jonbi1, Anang Kristianto2 dan A.R. Indra Tjahjani 3 1
Jurusan Teknik Sipil, Universitas Pancasila, Jl. Srengseng Sawah, Jakarta Email:
[email protected] 2 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Kristen Maranatha, Jl.Suria Sumantri No. 65 Bandung. Email:
[email protected] 3 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Pancasila, Jl. Srengseng Sawah, Jakarta Email:
[email protected]
ABSTRAK Penggunaan nanosilika untuk mortar dan beton merupakan topik yang banyak diteliti dalam beberapa tahun belakangan ini. Nanosilika komersil (NSHD) yang digunakan umumnya menggunakan bahan limbah industri semikonduktor. Namun harga nanosilika komersil relatif mahal dan sering terkendala waktu untuk pengadaannya. Adanya nanosilika alam (NS) yang merupakan hasil proses pembuatan nanosilika yang berasal dari pasir silika Bangka membuka peluang untuk melakukan penelitian ini. Studi komparasi pengaruh nanosilika alam dan nanosilika komersil yang digunakan tanpa silika fume dan dikombinasikan dengan silika fume untuk high performance concrete (HPC) dengan kuat tekan 100MPa. Pengaruh nanosilika difokuskan pada panas hidrasi melalui pengujian thermal analysis pada pasta semen dan kuat tekan pada beton. Hasil penelitian menunjukkan bahwa NSHD lebih reaktif dibandingkan dengan NS dengan urutan sebagai berikut : OPC-90-HD-10, OPC-90-NSJ-10, OPC-90-NS-10, OPC-100 dan OPC-90-SF-10. Urutan ini tetap berlaku pasca waktu hidrasi 170 jam. Sedangkan pengujian kuat tekan dihasilkan untuk HPC referensi 87,7 MPa dari target 100 MPa. Penggunaan nanosilika alam tanpa silika fume menghasilkan kuat tekan beton 93,8 MPa, jika dikombinasikan dengan silika fume menghasilkan kuat tekan 137 MPa, dengan demikian penggunaan NS lebih efektif jika digunakan bersama silika fume. Penggunaan NSHD tanpa silika fume menghasilkan kuat tekan beton 126,1 MPa, jika dikombinasikan dengan silika fume menghasilkan kuat tekan 137,3 MPa. Hasil ini menunjukkan penggunaan NSHD yang dikombinasikan dengan silika fume tidak memberikan pengaruh yang signifikan. Hasil penelitian juga dihasilkan persentase optimum penggunaan NS untuk HPC pada persentase NS 10 % dan SF 5%, dan penggunaan NSHD padapersentase NSHD 5% dan Silika fume 5%. Kata kunci: nanosilika komersi, nanosilika alam, thermal analysis, kuat tekan beton.
1. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi beton lima tahun terakhir ini, ditandai dengan penelitian penggunaan nanosilika pada mortar dan beton. Nanosilika yang digunakan umumnya berasal dari bahan limbah industri semikonduktor. Berdasarkan hasil penelitian, memperlihatkan penggunaan nanosilika akan meningkatkan kuat tekan pada mortar dan beton seperti yang dilaporkan Jo et al. (2007), Sobolev et al. (2008), Said dan Zeidan (2009). Sedangkan Khanzadi et al.(2010) melaporkan pengaruh penggunaan nanosilika terhadap sifat mekanik dan durabilitas. Hasilnya terjadi peningkatan kuat tekan dan tarik beton, hal ini diindikasikan dari reaktifitas nanosilika. Selain itu terjadi juga peningkatan kerapatan pada Interfacial Transition Zone dan permeabilitas beton dibandingkan dengan beton normal. Namun sayangnya untuk menggunakan nanosilika tersebut ada beberapa kendala, antara lain harga yang mahal dan waktu pengadaan nanosilika tersebut. Untuk itu, salah satu peluang setelah berhasilnya pembuatan nanosilika alam yang merupakan proses pengembangan nanosilika pasir silika bangka. Seiring dengan pesatnya pembangunan di Indonesia seperti gedung tinggi, jembatan bentang panjang dan infrastuktur lainnya, maka High Performance Concrete (HPC) berbasis material lokal sangat diperlukan. HPC yang ditargetkan menghasilkan kuat tekan 100 MPa dengan tujuan dapat digunakan menyongsong kebutuhan masa depan. Berdasarkan kebutuhan tersebut, maka perlu dilakukan studi komparatif pengaruh nanosilika alam (NS) dan nanosilika komersi(NSHD)terhadap sifat reaktifitas dan kuat tekan. Nanosilika komersil adalah nanosilika yang telah diperdagangkan secara komersil dapat dilihat dalam Gambar 1.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
M - 215
Material
Gambar 1. Pasir silika bangka yang diproses menjadi nanosilika dan nanosilika komersil HDKN.
2. MATERIAL DAN METODOLOGI Semen yang digunakan adalah semen tipe I merk Tiga Roda, yang memenuhi standar SNI 15-2049-2004 dan standar ASTM C150-04a. Semen tipe I memiliki kandungan C3S sebanyak 55-64 %, C2S 9-20%, C3A 7-11%, dan C4AF 9-11%. Agregat halus menggunakan pasir silika Lampung yang memiliki specific gravity (SSD) 2,59. Sedangkan agregat kasar adalah batu pecah dengan ukuran maksimum 14 mm dari Rumpin Bogor memiliki specific gravity SSD 2,60. Silika fume dan superplastisizer Sika Viscocrete 10 yang digunakan dipasok oleh PT. Sika Indonesia. Tabel I. memperlihatkan proporsi campuran pasta semen yang digunakan pada pengujian analisis thermal untuk mengetahui panas hidrasi, pasta semen yang diuji pada saat berumur 28 hari. Pengujian analisis termal material (Thermal Analysis Materials) bertujuan untuk melihat perilaku pelepasan panas selama reaksi hidrasi pada pasta semen, yang berguna untuk melihat reaktifitas campuran tersebut. Pasta semen yang diuji adalah pasta OPC100 % (OPC-100) , OPC90% + Nanosilika Komersil HD 10%(OPC-90-HD10, OPC 90% + Nanosilika alam (NS) 10 % (OPC-90-NS-10, OPC 90%+ Nanosilika komersil Jiangsu 10% (OPC-90-NJ-10) dan OPC 90% + silika fume 10% ( OPC-90-SF-10). SF. Pengujian thermal analysis di lakukan di Research Center for Materials Science, Universitas Indonesia. Tabel I. Proporsi campuran pasta semen untuk pengujian analisis thermal OPC OPC-90OPC-90OPC-90OPC-90100 HD-10 NS-10 NJ-10 SF-10 Semen type I 5 kg 5 kg 5 kg 5 kg 5 kg w/b 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 Air 2,25 lt 2,48 lt 2,48 lt 2,48 lt 2,48 Nanosilika 500 gr HDKN(10%) Nanosilika 500 gr Jiangsu (10%) Nanosilika alam 500 gr (10%) Silika fume (10%) 500 gr Material
Sedangkan proporsi campuran HPC 100 MPa untuk pengujian kuat tekan dapat dilihat dalam Tabel 2. Pengujian dilakukan pada beton berumur 1,3,7,28 hari. Tabel 2. Proporsi campuran Beton HPC Proporsi Mix desain (Kg/m3) Semen type I eks Tiga Roda 800 Silika fume eks Sika 120 Binder 920 Air/ binder 0.23 Agregat halus eks Lampung 637 Agregat kasar eks Rumpin 1091 Superplastisizier 0,6% x berat binder 5,21 lt
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
M - 216
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Material
Uji kuat tekan dilakukan terhadap beton pada umur 1, 3, 7 dan 28 hari pada specimen seperti pada Tabel 3. Pengujian sesuai standar SNI-03-1974-1990 dengan menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM) kapasitas 3000 kN di Laboratorium Struktur dan Bahan Institut Teknologi Bandung dan Sofoco Jakarta. No
Kode benda uji
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
f’c 100 R f’c 100-NS3 f’c 100-NS5 f’c 100-NS10 f’c 100-NS15 f’c 100-NS3-SF5 f’c 100-NS5-SF5 f’c 100-NS10-SF5 f’c 100-NS15-SF5 f’c 100-NSHD3 f’c 100-NSHD5 f’c 100-NSHD10 f’c 100-NSHD15 f’c 100-NSHD3SF5 f’c 100-NSHD5SF5 f’c 100-NS10-SF5 f’c 100-NS15-SF5
15 16 17
Tabel 3. Nomenklatur spesimen Nanosilika alam Nanosilika komersil NS (%) NSHD (%) 3 -
5 -
10 -
15 -
3
5 -
10 -
15 -
Silika fume (%) 5
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
3. HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Analisis Thermal Analysis of Materials Kinetika reaksi (hydration kinetics) pembentukan fasa selama proses hidrasi ditunjukkan dalam Gambar 2. Dengan berjalannya waktu fasa material, terbentuk calcium silicate hydrate atau CSH yang menentukan mikrostruktur akhir material. Dengan demikian, kinetika hidrasi pada semen menggambarkan evolusi mikrostruktur dan sekaligus kekuatan mekanik semen sebagai fungsi waktu. Kekuatan mekanik semen ditentukan oleh fraksi volume atau massa dari fasa hidrasi material yang dihasilkan selama proses hidrasi. Model kinetika hidrasi pada semen banyak dikembangkan oleh berbagai peneliti, antara lain Meinhard dan Lackner (2008). Mereka mengembangkan model kinetik hidrasi multi fasa untuk menganalisis evolusi panas terukur selama reaksi hidrasi berlangsung dalam kurun waktu hingga mencapai 7 minggu. Model hidrasi multi fasa ini pada prinsipnya menganggap bahwa kinetika hidrasi menjalani empat tahapan reaksi yang berbeda diawali oleh tahapan proses pelarutan, dikuti oleh tahapan induksi, nukleasi dan pertumbuhan serta tahapan difusi. Tahapan difusi diketahui sebagai tahapan yang memerlukan waktu relatif lama karena reaksi hidrasi yang disertai dengan pelepasan panas pada tahap ini berjalan dengan laju yang sangat lambat. Kurva laju pelepasan panas dan jumlah panas yang dilepaskan seperti terlihat dalam Gambar tersebut memperlihatkan perbedaan dan persamaan antara ke lima spesimen yang menjalani proses hidrasi. Laju pelepasan panas pada tahapan awal reaksi untuk kelima spesimen berjalan dengan percepatan yaitu kecepatan reaksi hidrasi yan meningkat dengan waktu hingga mencapai puncaknya, kemudian mengalami perlambatan yaitu kecepatan reaksi menurun dengan berjalannya waktu reaksi dan mendekati nilai tetap pasca waktu hidrasi 170 jam. Demikian juga dengan jumlah panas yang dilepas meningkat secara eksponensial sebagai fungsi waktu. Laju reaksi yang dimaksud adalah jumlah panas yang dilepas persatuan waktu untuk setiap gram material, sedangkan jumlah panas yang dimaksud adalah jumlah panas akumulatif yang dilepaskan saat reaksi hidrasi dihitung untuk setiap gram material. Jadi kelima jenis material menjalani reaksi hidrasi yang mengikuti mekanisme kinetika yang sama.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
M - 217
Material
Gambar 2. Laju pelepasan panas (Q’) dan jumlah panas (Q) yang dilepaskan selama proses hidrasi dalam durasi 170 jam Terdapat dua jenis kurva yang masing-masing mewakili plot antara rate of heat hydration, Q’ atau dQ/dt”, dan heat of hydration , Q sebagai fungsi waktu. Kurva heat flow vs waktu diperoleh langsung dari pengujian dengan thermal analyzer yang mengukur akumulasi panas hidrasi dari waktu ke waktu, sedangkan kurva rate of heat flow diperoleh melalui diferensial kurva heat flow. Meskipun kelima jenis material terlihat memiliki laju pelepasan panas yang hampir sama pasca reaksi hidrasi sekitar 30 jam, namun jumlah panas yang dilepas kelimanya berbeda. Secara berurutan, spesimen kode berikut memiliki ranking jumlah panas yang dilepas dari nilai terbesar berturut-turut sebagai berikut OPC-90-HD-10, OPC-90-NSJ-10, OPC-90-NS-10, OPC-100 dan OPC-90-SF-10. Urutan ini tetap berlaku pasca waktu hidrasi 170 jam. Bila jumlah panas yang dilepas merepresentasikan fraksi volume atau fraksi massa fasa CSH yang terbentuk dalam material selama proses hidrasi, maka jelaslah bahwa spesimen dengan kode OPC-90-NSHD-10 menghasilkan fasa CSH dengan fraksi yang paling besar dibanding spesimen lainnya. Dilain pihak, spesimen dengan kode OPC-90SF-10 memiliki fraksi volume fasa CSH terendah. Secara teoritik, nilai panas eksothermik untuk pembentukan fasa CSH adalah 400 J/gram. Diketahui bahwa untuk OPC nilai CSH untuk pencapaian kekuatan maksimal hanya 280 J/gr. Jadi, dengan memperhatikan nilai heat flow, spesimen dengan kode OPC-90-NSHD-10 merupakan yang terbaik dari ke lima spesimen uji yang ada, dan ternyata juga memiliki perilaku heat flow mirip dengan OPC Hasil uji Kuat tekan Dari tabel terlihat kuat tekan beton relatif dicapai pada umur relatif muda. Selain itu, kuat tekan beton pada umur 28 hari relatif tinggi, terutama pada tipe f’c 100-NS10-SF5 yang memiliki kandungan nanosilika alam 10% dan SF5%, dibandingkan nanosilika komersil f’c 100-NSHD5-SF5.
Tabel 4. Hasil uji kuat tekan spesimen No
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Type
f”c 100 R f’c 100-NS3 f’c 100-NS5 f’c 100-NS10 f’c 100-NS15 f’c 100-NS3-SF5 f’c 100-NS5-SF5 f’c 100-NS10-SF5 f’c 100-NS15-SF5
1 56,5 55,9 54,6 31,1 22,1 37,7 55,9 53,3 29,9
Kuat tekan dalam MPa Umur beton 3 7 65 77,9 64,9 68,9 68,2 70,1 33,1 52,6 23,4 30,5 59,7 68,9 66,2 71,4 60,4 77,9 31,2 44,8
28 87,7 87,7 93,8 89,6 48,1 84,4 91,6 131,7 57,8
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
M - 218
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Material
10 f’c 100-NSHD3 42,9 59,7 60,4 64,6 11 f’c 100-NSHD 5 41,6 48,7 109,3 126,1 12 f’c 100-NSHD10 33,1 33,8 35,2 36,4 13 f’c 100-NSHD15 25,9 28,5 29,2 30,5 14 f’c 100-NSHD3-SF5 37,7 54,5 56,5 61 15 f’c 100-NSHD5-SF5 66,2 67,5 114,9 137,3 16 f’c 100-NSHD10-SF5 28,6 29,9 33,7 34,4 17 fc 100-NSHD15-SF5 24,6 25,9 30,5 33,7 Gambar 3. memperlihatkan perubahan kuat tekan pada berbagai umur beton hingga 28 hari sebagai akibat penggunaan NS dan NSHD. Berdasarkan gambar tersebut kuat tekan beton referensi 87,7 MPa, dengan penggunaan NS 5% meningkatkan kuat tekan menjadi 93,8 MPa (7% ), dan NS 10% meningkatkan kuat tekan 89,6 MPa (2%), sedangkan pada NS 3% tidak meningkatkan kuat tekan. Pada kasus penggunaan NS 15% justru terjadi penurunan kuat tekan menjadi 48,1 MPa (45%), hal ini diakibatkan karena terjadinya aglomerasi.
Gambar 3. Pengaruh penggunaan NS dan NSHD terhadap kuat tekan Efek aglomerasi mengakibatkan nanopartikel tidak dapat terdispersi dengan matrik semen yang menyebabkan terjadi pori, sehingga beton tidak homogen. Hal ini telah dilaporkan oleh Arefi at al. (2001), Nili et al.(2010) dan Elkady et al. (2013). Gambar 4. menyajikan pengaruh penggunaan NSdan NSHD pada berbagai persentase terhadap peningkatan kuat tekan. Selain itu juga akan dilakukan perbandingan dengan penggunaan SF terhadap kuat tekan. Berdasarkan hasil penelitian yang diplot pada gambar tersebut terlihat bahwa penggunaan nanosilika hingga 15% tidak memberikan hasil yang signifikan untuk meningkatkan kuat tekan beton, bahkan dapat dikatakan bahwa pada persentase yang berlebih (15%) terjadi penurunan kuat tekan beton bila dibandingkan tanpa campuran nanosilika.
Gambar 4. Perbedaan nilai optimum campuran nanosilika dan nanosilika ditambahkan silick fume 5% Kombinasi NS pada persentase tertentu dan SF5% memberikan hasil yang cukup signifikan untuk meningkatkan kuat tekan beton. Pada penelitian ini didapatkan hasil bahwa penggunaan NS 10% dan SF 5% menghasilkan peningkatan kuat tekan beton yang signifikan, kuat tekan meningkat 131,7 MPa (50,2%) dibandingkan beton dengan campuran NS 10% saja. Berdasarkan hasil penelitian ini, penggunaan NS sebesar 10% dan SF 5% merupakan nilai yang optimum untuk mendapatkan peningkatan kuat tekan yang signifikan. Kombinasi penggunaan NS dan SF lebih efektif karena terjadi penggabungan sebagai filler dan reaktifitas pozolan. Hasil ini sesuai dengan laporan penelitian yang dilakukan oleh Ghasemi et al.(2010) Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
M - 219
Material
Dilihat dari gambar tersebut, maka dapat dikatakan bahwa penggunaan SF5% tidak memberikan kontribusi yang cukup signifikan untuk meningkatkan kuat tekan beton. Penggunaan NSHD5 menghasilkan kuat tekan pada umur 28 hari sebesar 126,1 MPa dan pada penggunaan NSHD5 dan SF5% menghasilkan kuat tekan 137,3 MPa, jadi hanya memberikan peningkatan kekuatan sebesar 8.9%. Berdasarkan hasil penelitian ini dapat dikatakan bahwa penggunaan NSHD saja tanpa tambahan SF sudah memberikan peningkatan kuat tekan yang cukup signifikan karena penggunaan NSHD lebih efisien dibandingkan penggunaan silika fume, seperti telah dilaporkan oleh Jo et al.(2005) dan Qing et al. (2006) Perbedaan persentase optimum antara campuran nanosilika NS dan NSHD dalam konteks peningkatan kuat tekan yang signifikan. NSHD hanya memerlukan 5% dalam campuran agar menghasilkan peningkatan kuat tekan yang signifikan sementara NS memerlukan 10%. Hal ini dikarenakan partikel NS lebih besar 36-80 nm dibandingkan dengan partikel NSHD 20-40 nm dan hal ini berpengaruh pada reaktifitas pozzolan dan pada kuat tekan beton seperti dilaporkan oleh Tobon et al. (2010).
4. KESIMPULAN Hasil uji thermal analysis of materials memperlihatkan reaktifitas nanosilika alam masih lebih rendah dibandingkan dengan nanosilika komersil. Hal ini dapat dilihat dari jumlah panas yang dilepas selama 170 jam. Salah satu penyebabnya adalah nanosilika alam memiliki ukuran partikel relatif besar yakni 36-80 nm dibandingkan nanosilika komersil yang berukuran 20-40 nm. Kombinasi pemakaian nanosilika alam dengan silika fume lebih efektif dibandingkan dengan nanosilika alam tanpa silika fume, sedangkan pada nanosilika komersil, kombinasi pemakaian tidak menunjukkan pengaruh yang signifikan. Persentase optimum penggunaan nanosilika untuk HPC adalah pada nanosilika alam (NS) 10% dan SF 5%, sedangkan pada nanosilika komersil persentase optimum pada (NSHD) 5% dan SF 5%.
DAFTAR PUSTAKA A.M. Raiess Ghasemi, T. Parhizkar, dan A.A. Ramezanianpour,(2010),” Influence of Colloidal Nano-SiO2 Addition as Silica Fume Replacement Material in Properties of Concrete “ Second International conference on Sustainable Construction Materials and Technologies, June, Universita Politenica delle Marche, Ancona, Italy. Hala Elkady, Mohemed I. Serang, Muhammad S. Elfeky, (2013). ” Effect of Nanosilica De-Agglomeration, and Methods of Adding Superpalsticizer on the Compressive Strength, and Workability of Nano silica Concrete “, Civil and Environmental Research Vol 3, No. 2 pp. 21-34. Klaus Meinhard, Roman Lackner. (2008). “ Multiphase Hydrationmodel for Prediction of Hydration Heat Release of Blended Cement “, Cement and Concrete Research 38. pp. 794-802 Jonbi; Ivindra Pane; Binsar Hariandja; Iswandi Imran;(2012), “The Use of Nanosilica for Improving of Concrete Compressive Strength and Durability”. Applied Mechanics and Materials (AMM) Vols. 204- 208 pp. 40594062 “ Progress in Industrial and Civil Engineering ”. Mostafa Khanzadi, Mohsen Tadayon, Hamed.Sepehri, dan Mohammad.Sepehri, (2010), “Second International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies, June, Universita Politenica delle Marche, Ancona, Italy M.R. Arefi, M.R.Javaheri, E. Mollahmadi, H.Zare, B. Abdollahi Nejand, M. Eskandari, ( 2011). “ Silica Nanoparticle Size Effect on Mechanical Properties and Microstructure of Cement Mortar “, Journal of American Science,7 (10) pp. 231-238. M.Nili, A. Ehsani, dan K. Shabani (2010), Influence of Nano-SiO2 and Microsilica on Concrete Performance”, Second International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies, June, Universita Politenica delle Marche, Ancona, Italy Said, A.M. dan Zeidan, M.S., (2009), ”Enhancing the Reactivity of Normal and Fly Ash Concrete Using Colloidal Nano-Silica” ACI-Special Publication (SP 267-7. Sobolev, K.G. dan Soboleva, S.V., (1998), “High–Performance Concrete Mixture Proportioning”, ACI Special Publication (SP179-26 ). Tobon, J.I; Restrepo,O.J; Paya, J, (2010), “ Comparative Analysis of Performance of Portland Cement Blended with Nanosilica and Silica Fume, DYNA, 163, pp. 37-46. Wan, J.B., Kim, C.H., dan Lim, J.H., (2007). “Characteristic of Cement Mortar with Nano-SiO2 Particles, ACI Materials Journal, Vol. 104, No. 4, pp. 404-407. Ye.Qing, Zhang.zenan, dan Kong.Deyu, (2007), “ Influence of Nano-SiO2 Addition on Properties of Hardened Cement Paste as Compared with Silica Fume, Construction and Buiding Materials 21, pp. 539-545
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
M - 220
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
