1. Pendahuluan
Otimisasi bubuk slag nikel dengan pendekatan diagram fase sistem ternary C-A-S (CaO-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>) adalah merupakan konsep meminimalisasikan senyawa kimia kalsium hidroksida di dalam material beton. Hal ini dilakukan melalui penerapan sistem persamaan keseimbangan reaksi kimiawi dengan tiga fase utama, yaitu:
- Fase pembentukan senyawa kalsium silika hidrat (CSH) hasil reaksi antara trikalsium silikat (C<sub>3</sub>S) dan dikalsium silikat (C<sub>2</sub>S) semen dengan air (H<sub>2</sub>O).
- Fase pembentukan senyawa kalsium silika hidrat (CSH) sekunder hasil reaksi senyawa kimia silika oksida (SiO<sub>2</sub>) bubuk slag nikel dengan kalsium hidroksida (CH) hasil sampingan reaksi kimia phase pertama dengan air.
- Fase hidrogarnet atau fase pembentukan ettringite sebagai produk reaksi antara senyawa kimia silika oksida (SiO<sub>2</sub>) dan aluminium oksida (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) bubuk slag nikel dengan kalsium hidroksida (CH) hasil sampingan reaksi kimia phase pertama.
Ketiga phase tersebut di atas merepresentasikan reaksi hidrasi cementitous dengan tiga komponen produk reaksi yaitu kalsium silikat hidrat (CSH), kalsium hidroksida (CH), dan kalsium sulfoaluminat hidrat (CASH).
2. Reaksi Hidrasi Cementitous
Ketiga phase tersebut di atas dapat dituliskan dalam persamaan reaksi kimiawi sebagai berikut :
1. Fase pembentukan senyawa kalsium silikat hidrat primer:
\[3\text{CaO.SiO}_2 + z_1 \text{H}_2\text{O} \Rightarrow\]
\[Ca_x.Si(OH)_{v1}.nH_2O+(3-x)Ca(OH)_2\] (1.a)
\[2\text{CaO.SiO}_2 + z_2 \text{ H}_2\text{O} \Rightarrow\]
\[Ca_x.Si(OH)_{v_2}.nH_2O+(2-x)Ca(OH)_2\] (1.b)
2. Fase pembentukan senyawa kalsium silikat sekunder:
\[SiO_4^{4-} + x Ca(OH)_2 + (y_3 - 2x)OH^- + nH_2O \Rightarrow\]
\(Ca_x.Si(OH)_{y_3}.nH_2O\) (2)
3. Fase hydrogarnet:
\[2\text{Al}(\text{OH})_{4}^{-} + 3\text{Ca}^{2+} + \text{SiO}_{4}^{4-} \Rightarrow\] \[\underbrace{\text{Ca}_{3} \text{Al}_{2} \text{Si}(\text{OH})_{8} \text{O}_{4}}_{\text{hydrogarnet}}\] (3)
Harga x pada persamaan tersebut di atas adalah rasio C/S, dimana nilainya berbeda-beda antara satu referensi dengan referensi lainnya. Taylor (1997) menetapkan harga C/S = 1,65. Siddique (2000) menetapkan harga C/S = 1,60, sedangkan Mindess dan Young (1981) adalah 1,5-2,0. Harga x tersebut dapat pula ditentukan dengan metode X-Ray Diffraction (XRD).
3. Persamaan keseimbangan senyawa kimia CaO-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> –SiO<sub>2</sub>
Menggunakan data hasil X-Ray Diffraction (XRD), produk reaksi senyawa kimia kalsium silikat hidrat (CSH) pada Persamaan 1.a, 1.b, dan 2, memiliki rasio C/S sebesar 1,50. Dengan demikian Persamaan 1 dan 2 dapat dituliskan secara lengkap sebagai berikut:
\[3\text{CaO.SiO}_2 + 7\text{H}_2\text{O} \Rightarrow\]
\[Ca_{1.5}.Si(OH)_{8.5}.2H_2O+1.5Ca(OH)_2\] (4.a)
\[2\text{CaO.SiO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \Rightarrow\]
\[Ca_{1.5}.Si(OH)_7.2H_2O+0.5Ca(OH)_2\] (4.b)
\[SiO_4^{4-} + 1.5Ca(OH)_2 + OH^- + 2H_2O \Rightarrow\] \(Ca_{1.5}.Si(OH)_4.2H_2O\) (5)
Komponen CSH pada fase (1) dan (2), memiliki rasio C/S = 1.5, sedangkan pada fase (3) rasio C/S = 3 dan A/S = 1.0. Terlihat pula pada komponen CH, rasio C/S dan A/S adalah nol.
Dengan rasio-rasio tersebut di atas, jumlah senyawasenyawa kimia CaO (C), Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (A), dan SiO<sub>2</sub> (S) yang terdapat pada komponen kalsium silikat hidrat (CSH), kalsium sulfoaluminat hidrat (CASH), dan kalsium hidroksida (CH) dapat ditentukan sebagai berikut :
\[C = 1.5S_{CSH} + 3.0S_{CASH} + 0S_{CH}\] (6)
\[A = 0S_{CSH} + 1.0S_{CASH} + 0S_{CH}\] (7)
\[S = 1.0S_{CSH} + 1.0S_{CASH} + 0S_{CH}\] (8)
Dalam diagram phase sistem ternary C-A-S, keseimbangan senyawa kimia CaO-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub> adalah merupakan jumlah senyawa-senyawa kimia C, A, dan S pada Persamaan 6, 7, dan 8 yaitu :
\[C + S + A = 1 \tag{9}\]
Memasukkan Persamaan 6, 7, dan 8 ke dalam Persamaan 9, maka diperoleh persamaan keseimbangan gabungan mineral sebagai berikut :
\[A = \frac{(1 - 2,5S)}{2,5} \tag{10}\]
Selanjutnya persamaan keseimbangan gabungan mineral tersebut di atas (Persamaan 8), diplot ke dalam diagram fase sistem ternary C-A-S (CaO-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>), seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1.
4. Pembentukan garis pencampuran material semen dan bubuk slag nikel
Garis pencampuran antara material semen dan bubuk slag nikel ditentukan berdasarkan senyawa-senyawa kimia; CaO, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, dan SiO<sub>2</sub> pada berbagai data komposisi campuran kedua bahan tersebut. Prosentase senyawa-senyawa kimia tersebut pada berbagai data komposisi campuran, diperlihatkan seperti pada Tabel
Prosentase senyawa kimia CaO, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, SiO<sub>2</sub> di dalam Tabel 1, diplot ke dalam diagram fase sistem ternary C-A-S seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 hingga Gambar 9.
Tabel 1. Prosentase senyawa kimia C-A-S pada berbagai komposisi campuran
| Kode | Prosentase C-A-S (%) | |||
|---|---|---|---|---|
| CaO | Al2O3 | SiO2 | ||
| C100-0 | 64,90 | 6,96 | 21,20 | |
| C90-10 | 57,41 | 6,86 | 25,37 | |
| C85-15 | 51,10 | 6,39 | 27,94 | |
| C80-20 | 46,58 | 6,06 | 29,12 | |
| C70-30 | 40,06 | 5,79 | 31,34 | |
| C60-40 | 32,12 | 5,42 | 34,78 | |
| C50-50 | 25,23 | 5,03 | 37,26 | |
| C0-100 | 6,86 | 3,67 | 42,57 | |
Gambar 1. Posisi garis keseimbangan CaO-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>
Gambar 2. Posisi C100-0 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S
Gambar 3. Posisi C90-10 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S
Gambar 4. Posisi C85-15 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S
Gambar 5. Posisi C80-20 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S
Gambar 6. Posisi C70-30 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S
Gambar 7. Posisi C60-40 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S
Gambar 8. Posisi C50-50 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S
Gambar 10. Detail koordinat CaO, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, SiO<sub>2</sub> bahan C100-0
Gambar 9. Posisi C0-100 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S
Titik pusat area bahan yang diperlihatkan pada Gambar 2 hingga 9 tersebut di atas dapat ditentukan secara geometri, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10. Panjang sisi segitiga bahan dapat dihitung dengan cara sebagai berikut:
\[a = 100 - (CaO + Al_2O_3)\] (11)
\[b = SiO_2\] (12)
c = a - b
\[=100 - (CaO + Al_2O_3 + SiO_2)\] (13)
Karena sisi-sisi segitiga diagram fase ternary C-A-S sama besar, sehingga panjang sisi (c) area segitiga bahan tersebut juga sama besar dengan sudut \(\alpha\) sebesar \(60^{\circ}\).
\(y = c \sin \alpha\)
atau:
\[y = \{100 - (CaO + Al_2O_3 + SiO_2)\}\sin\alpha\] (14)
Memperhatikan segitiga OPQ dan OQR, maka:
\[PQ = \frac{y/3}{\tan \alpha}\] \[= \frac{\{100 - (CaO + Al_2O_3 + SiO_2)\}\cos\alpha}{3}\]
\[QR = PQ (16)\]
\[OP = OR = \frac{y/3}{\sin \alpha}\] (17)
\[= \frac{\{100 - (CaO + Al_2O_3 + SiO_2)\}}{3}\]
Dengan sudut \(\alpha = 60^{\circ}\), maka :
\[AP = \frac{c}{2} - PQ\] \[= \frac{\{100 - (CaO + Al_2O_3 + SiO_2)\}}{3}\] (18)
\[CR = \frac{c}{2} - QR = AP\] \[= \frac{\{100 - (CaO + Al_2O_3 + SiO_2)\}}{3}\] (19)
Dengan demikian koordinat bahan C100-0 dalam diagram fase sistem ternary C-A-S (CaO, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, SiO<sub>2</sub>) adalah sebagai berikut :
\[C = CaO_{bahan} + CR\] \[= CaO_{bahan} + \frac{\{100(CaO + Al_2O_3 + SiO_2)\}}{3}\] (20)
\[A = Al_{2}O_{3\,bahan} + AP\] \[= Al_{2}O_{3\,bahan} + \frac{\{100 - (CaO + Al_{2}O_{3} + SiO_{2})\}}{3}\] (21)
\[S = SiO_{2 \text{ bahan}} + OR\] \[= SiO_{2 \text{ bahan}} + \frac{\{100 - (CaO + Al_{2}O_{3} + SiO_{2})\}}{3}\] (22)
(15)
Gambar 11. Garis pencampuran bahan semen dan bubuk slag nikel
Dengan memasukkan data prosentase senyawa kimia vang terdapat pada Tabel 1 ke dalam Persamaan 20, 21, dan 22, koordinat setiap campuran bahan dapat ditentukan seperti pada Tabel 2.
Tabel 2. Koordinat campuran dalam bahan diagram fase sistem ternary C-A-S
| Kode | Koordinat C-A-S (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| CaO | \(Al_2O_3\) | SiO2 | Jumlah | ||
| C100-0 | 67,21 | 9,27 | 23,51 | 100 | |
| C90-10 | 60,86 | 10,31 | 28,82 | 100 | |
| C85-15 | 55,96 | 11,25 | 32,80 | 100 | |
| C80-20 | 52,66 | 12,14 | 35,20 | 100 | |
| C70-30 | 47,66 | 13,39 | 38,94 | 100 | |
| C60-40 | 41,35 | 14,65 | 44,01 | 100 | |
| C50-50 | 36,06 | 15,86 | 48,09 | 100 | |
| C0-100 | 22,49 | 19,30 | 58,20 | 100 | |
Titik-titik koordinat dalam Tabel 2 tersebut di atas digambarkan dalam diagram fase sistem ternary C-A-S, sehingga terbentuk garis lurus sebagai garis pencampuran bahan dengan titik awal C100-0 (100% semen) dan titik akhir C0-100 (100% bubuk slag nikel), seperti yang diperlihatkan pada Gambar 11.
Dengan regresi linier, garis pencampuran pada Gambar 11 dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:
\[A = 0.2926 S + 0.0195 \tag{23}\]
dimana:
\(A = \text{senyawa kimia } Al_2O_3\) (%)
\(S = \text{senyawa kimia SiO}_2\) (%)
5. Proporsi Optimum Campuran Semen dan Bubuk Slag Nikel
Proporsi optimum ditentukan dari titik perpotongan antara garis keseimbangan mineral (Persamaan 10) dengan garis pencampuran (Persamaan 23). Titik perpotongan tersebut terletak pada posisi dengan senyawa kimiawi S (SiO<sub>2</sub>) sebesar 0,3234 atau 32,34%.
Selanjutnya dibuat hubungan antara kandungan senyawa SiO2 dengan persentase bubuk slag nikel berdasarkan data hasil pemeriksaan sesuai Tabel 2. Hubungan ini ditunjukkan pada Gambar 13 dengan persamaan sebagai berikut:
\[y = 0.343 x + 27.335 \tag{24}\]
hal mana y adalah kandungan senyawa SiO<sub>2</sub> dan x adalah persentase bubuk slag nikel.
Memasukkan harga y atau SiO<sub>2</sub> ke dalam Persamaan (24), maka didapatkan persentase bubuk slag nikel sebagai berikut:
\[x = \frac{32,34 - 27,335}{0,343}\] \[= 14,59\%\] (25)
Gambar 12. Titik perpotongan antara garis keseimbangan mineral dengan garis pencampuran material semen dan bubuk slag nikel
Gambar 13. Grafik hubungan antara senyawa silika oksida (SiO2) versus prosentase bubuk slag nikel
6. Kesimpulan
Berdasarkan uraian-uraian tersebut di atas, dapat dikemukakan beberapa kesimpulan sebagai berikut :
- 1. Optimisasi dengan sistem ternary C-A-S merupakan metode pendekatan yang dapat digunakan untuk menentukan proporsi optimum campuran antara semen dengan bahan pozzolanik.
- 2. Proporsi campuran optimum tersebut memberikan indikasi pencapaian sifat-sifat fisik dan mekanik beton secara optimal karena konsep yang digunakan adalah mengeliminasi senyawa kalsium hidroksida melalui reaksi pozzolanik.
- 3. Optimisasi sistem ternary C-A-S juga dapat dikembangkan di dalam pencampuran lebih dari dua jenis bahan.