1. Pendahuluan
Semen sebagai salah satu komponen penyusun beton memiliki sifat adesive dan kohesive, artinya semen mampu mengikat benda-benda lain selain dirinya sendiri. Empat unsur utama yang menentukan sifatsifat semen secara keseluruhan adalah C3S, C2S, C3A dan C4AF. Secara umum reaksi hidrasi pada semen dituliskan sebagai berikut:
\[C_3S + H_2O\] \(C-S-H_{(I)} + Ca(OH)_2\) (1)
\[C_2S + H_2O\] \(C-S-H_{(I)} + Ca(OH)_2\) (2)
C-S-HI berikatan secara kovalen dan Ca(OH)2 atau portlandite berikatan secara ionik. Reaksi ini merupakan awal mula dipahaminya pembentukan kekuatan semen danbeton yang dihasilkan dalam reaksi ini dikenal dengan nama beton normal.Kekuatan yang dapat dicapai oleh beton normal adalah 35 MPa (Mindess 1981).
Perkembangan teknologi dalam bidang konstruksi, menuntut kebutuhan material beton yang semakin kuat.Oeh karena itu dilakukan penelitian dalam bidang teknologi beton, guna meningkatkan kekuatan serta sifat-sifat lainnya. Hasil yang dicapai pada penelitian teknologi beton adalah penggunaan material pozolanik dalam campuran beton, sehingga dapat menghasilkan beton yang semakin kuat. Pozolanik merupakan material yang mengandung SiO2 aktif seperti abu
terbang, silica fume dan sebagainya. Material pozolanik pada umumnya mempunyai ukuran butiran jauh lebih kecil dari pada ukuran butiran semen (Taylor, 1997). Persamaan reaksi pozolanik dituliskan sebagai berikut:
\[Ca(OH)_2 + SiO_2 \qquad C-S-H_{II}\] (3)
Teknologi paling akhir dalam pembuatan beton adalah beton yang memiliki kinerja ultra tinggi atau sering disebut sebagai reactive powder concrete (RPC). Reactive powder concrete diketahui memiliki kinerja lebih baik bila dibandingkan dengan beton mutu tinggi (Cwirzen et al, 2008). Hingga saat ini belum ada penjelasan cukup memadai terhadap penggunaan quartz powder dalam RPC. Pada berbagai penelitian yang telah dilakukan, quartz powder digunakan dalam jumlah yang cukup besar. Penambahan quartz powder dapat meningkatkan kuat tekan hingga 20% (Khadiranaikar and Muranal, 2012). Ada beberapa hal yang patut dipahami terhadap faktor-faktor yang mempengaruhi terbentuknya kekuatan pada reaktive powder concrete, pemahaman ini nantinya diperlukan guna mendapatkan sebuah penjelasan yang lengkap terhadap peranan quartz powder dalam reactive powder concrete.
2. Tujuan Penelitian
Penelitian ini memiliki tujuan untuk memperoleh penjelasan fungsi quartz poder, terutama dalam mekanisme pembentukan kalsium-silikat-hidrat. Secara khusus, tujuan yang ingin dicapai adalah untuk mengetahui:
- 1. Pengaruh temperatur curing terhadap struktur mikro reactive powder concrete.
- 2. Pengaruh quartz powder terhadap kuat tekan reactive powder concrete.
3. Prosedur Penelitian
Untuk mencapai tujuan penelitian, metode penelitian yang digunakan dalam pengumpulan data adalah penelitian eksperimental. Pembuatan benda uji, curing, pengamatan struktur mikro danpengujian kuat tekan, dikerjakan untuk mengetahui pengaruh penggunaan quartz powder pada reactive powder concrete.
Bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan benda uji berupa semen tipe I, silica fume, pasir, quartz powder dengan ukuran butiran 40mm, superplasticizer dari jenis polycarboxylate, dengan rencana campuran seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Curing dilakukan dengan teknik perendaman pada temperatur 20°C selama 28 hari, penguapan pada temperatur 90°C selama 24 jam dan penguapan bertekanan tinggipada temperatur 200°C, 250°C, selama 12 jam. Pengamatan struktur mikro dilakukan menggunakan X-ray difractometer (XRD) dan scaning electron microscopy (SEMP). Campuran diaduk menggunakan mixer berkecepatan 1800 rpm selama kurang lebih 10 menit, supaya penggunaan super plasticizer menjadi optimal dan adukan dapat tercampur secara homogen.
4. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Pada pembuatan reactive powder concrete, diperlukan semen sebanyak 700 – 900 kg/m³, penggunaan semen yang sangat banyak tersebut berdampak pada jumlah pelepasan panas selama proses hidrasi berlangsung menjadi sangat besar, terutama pada menit-menit awal proses pencampuran. Artinya bila seluruh semen terhidrasi dengan sempurna akan mengakibatkan peningkatan temperatur yang sangat besar dalam adukan. Kenaikan temperatur yang sangat tinggi dalam adukan dapat mengakibatkan terjadinya keretakan, penyusutan serta menurunkan tingkat workabilitas (Gaitero et al, 2008). Efek negatif vang muncul pada penggunaan semen dalam jumlah besar, dapat teratasi karena seluruh material penyusun berupa powder dengan ukuran butiran yang sangat halus berkisar antara 15mm – 450 mm. Ukuran butiran yang sangat halus dan rasio air-semen (f<sub>a/s</sub>) rendah menyebabkan volume rongga yang terbentuk dalam RPC sangat kecil sehingga menghambat terjadinya penyusutan (Uygunog'lu, 2008).
Penurunan panas hidrasi terjadi disebabkan reaksi antara SiO<sub>2</sub> silica fume dengan salah satu produk hidrasi berupa porlandite atau kalsium hidroksida (Ca(OH)<sub>2</sub>) (Yazici et al, 2008), dengan adanya pelepasan sejumlah panas dari reaksi hidrasi semen, maka reaksi antara SiO<sub>2</sub> dengan Ca(OH)<sub>2</sub> dapat berlangsung lebih cepat. reaksi ini dikenal sebagai reaksi pozolanik seperti yang ditunjukkan dalam persamaan reaksi-3. Penambahan
Tabel 1. Perancangan campuran contoh uji RPC
| Campuran | \[\mathbf{f}_{\mathbf{a}/\mathbf{s}}\] | \[\mathbf{f}_{sf/s}\] | \[\mathbf{f}_{\mathbf{qp/s}}\] | \[f_{p/s}\] | \[\mathbf{f}_{\mathrm{sp/s}}\] | Temperature Curring | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20°C | 90°C | 200°C | 250°C | ||||||
| Semen + air + QP + Pasir + SP | 0.2 | 0,0 | 0,3 | 1,5 | 0,03 | ||||
| Semen + air + SF + QP + Pasir + SP | 0,2 | 0,3 | 0,3 | 1,5 | 0,03 | ||||
keterangan: \(f_{a/s}\) = perbandingan massa air (a) terhadap semen (s)
\(f_{sf/s}\) = perbandingan massa silica fume (sf) terhadap semen (s)
\(f_{sp/s} = \ perbanding an \ massa \ super \ plasticizer \ (sp) \ terhadap \ semen \ (s)\)
\(f_{p/s} = perbandingan massa pasir (p) terhadap semen (s)\)
f<sub>qp/s</sub>= perbandingan massa quartz powder (qp) terhadap semen (s)
silica fume dalam campuran RPC menyebabkan panas hidrasi yang dilepaskan oleh semen diserap kembali untuk berlangsungnya reaksi pozolanik, sehingga dalam setiap pembuatan RPC penggunaan semen yang tinggi bukan merupakan masalah bagi muculnya penyusutan ataupun tegangan termal karena selalu diikuti oleh penambahan jumlah silica fume yang tinggi pula (Banja et al 2003), (Gaitero et al, 2008).
Penambahan quartz powder dalam campuran RPC mengakibatkan penurunan workabilitas secara signifikan, semakin banyak jumlah quartz powder yang ditambahkan maka semakin menurunkan workabilitas campuran. Berdasarkan contoh uji yang telah dibuat. Penurunan tingkat workabilitas campuran ini disebabkan kondisi butiran quartz powder yang kasar, kondisi ini menimbulkan gesekan yang terjadi antar butiran menjadi sangat tinggi, tingginya gaya gesekan antar butiran ini menyebabkan penurunan tingkat workabilitas campuran.
Pengamatan spektrum difraksi XRD contoh uji tanpa penambahan quartz powder dengan teknik curing perendaman ataupun penguapan, masih menunjukkan ditemukannnya pola difraksi C3S dan C2S. Penemuan C3S dan C2S pada contoh uji menunjukkan semen
tidak dapat terhidrasi semuanya dengan sempurna. Gambar 1 menunjukkan pola difraksi semen, silica fume dan contoh uji RPC tanpa quartz powder pada temperatur curing 20, 90, 200, 250oC.
Gambar 1a dan 1b merupakan gambar pola difraksi semen dan silica fume murni, pola difraksi yang ditunjukkan oleh silica fume merupakan pola difraksi material SiO2amorphus. Gambar 1c dan 1d memperlihatkan berbedaan intensitassilica fume pada RPC karena pengaruh temperatur curing, ini berarti pada temperatur curing 200 dan 250oC jumlah silica fume yang bereaksi dengan Ca(OH)2 lebih banyak bila dibandingan dengan temperatur curing 20 dan 90 oC.
Analisis ini diperkuat dengan pengukuran kadar portlandite Ca(OH)2 dalam RPC pada berbagai temperatur curing, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2. Pada Gambar 2 menunjukkan gradasi jumlah Ca(OH)2 yang terukur akibat perubahan temperatur curing. Semakin tinggi temperatur curing maka jumlah portlandite terukur semakin kecil, pengukuran ini dilakukan dengan teknik titrasi atau volumetrik. Pengukuran kandungan portlandite dengan metode titrasi, memperkuat dugaan terjadinya rekasi pozolanik seperti yang ditunjukkan dalam persamaan reaksi-3.
Gambar 1. Spektrum pola difraksi XRD a) semen b) silica fume c) RPC curing 20, 90oC d) 200, 250oC
Gambar 2. Pengaruh temperatur curing terhadap produksi portlandite Ca(OH)2 tiap gram semen (S = semen; A = air; SF = silica fume; QP = quartz powder)
Pada contoh uji RPC dengan campuran silica fume dan quartz powder, pola difraksi quartz powder sangat dominan, hal ini menjadi jelas karena struktur kristal pada quartz powder memiliki pola spektrum yang sangat kuat seperti ditunjukkan pada Gambar 3d.
Gambar 3d merupakan spektrum pola difraksi untuk material SiO2 kristal dari quartz powder.Pengamatan pola spektrum XRD pada contoh uji RPC dengan penambahan quartz powder seperti diperlihatkan pada Gambar 3 tersebut diatas, tidak mengindikasikan adanya mineral baru yang terbentuk pada berbagai temperatur curing.
Gambar 3. Pola spektrum XRD RPC pada berbagi temperatur curing a) 20, 90 oC, b) 200oC, c) 250oC, d) quartz powder
Pengamatan menggunakan SEM menghasilkan gambar hitam putih. Gambar 4 sampai Gambar 9 semua contoh uji masih menunjukkan adanya gumpalangumpalan warna putih yang diindikasikan sebagi semen, gambar ini cocok dengan atau bersesuaian dengan spektrum pola difraksi XRD Gambar 1 dan Gambar 3. Gambar 9 memiliki perbesaran yang tidak sama dengan yang lainnya, disebabkan struktur mikro yang teramati sangat halus sehingga perlu perbesaran yang lebih untuk memperjelas gambar yang dihasilkan. Pada Gambar 5 struktur mikro yang teramati tampak jelas pada perbesaran yang lebih kecil, bila dibandingkan dengan gambar lainnya.
Pada temperatur curing 20, 90, 200 dan 250°C seluruh contoh uji menunjukkan beberapa gambar yang sama, yaitu terdeteksi adanya semen dan ettringite seperti diperlihatkan dalam Gambar 5. Ca(OH)2 terdeteksi hanya pada temperatur curing 20 dan 90°C, artinya pada temperatur 200 dan 250°C Ca(OH)2 telah bereaksi dengan SiO2 dalam reaksi pozolanik. Analisis ini cocok dengan hasil pengujian kadungan Ca(OH)2 pada Gambar 3. Tobermorite muncul pada temperatur pemeliharaan 90 dan 200°C.
Perbedan temperatur curing menunjukkan perbedaan strukturmikro RPC dengan quartz powder didalamnya. curing dengan temperature 90, 200, 250°C memuncul-
Gambar 4. Struktur mikro contoh uji pasta semen temperatur curing 20, 90, °C dengan \(f_{sf/s} = 0.0\) dan \(f_{qp/s} = 0.0\)
Gambar 5. Struktur mikrocontoh uji temperatur curing 20, 90, 200, 250°C denganfsf/s = 0,3 dan fqp/s = 0.0
Gambar 6. Struktur mikro contoh uji temperatur curing \(90^{\circ}\)C dengan fsf/s = 0.3 dan fgp/s = 0.3.
Gambar 7. Struktur mikro contoh uji temperatur curing 90, 200, 250°C dengan fsf/s = 0,3 dan fqp/s = 0,3
Gambar 8. Struktur mikro contoh uji temperatur pemeliharaan 200°C dengan fsf/s = 0,3 dan fqp/s =
Gambar 9. Struktur mikro contoh uji temperatur pemeliharaan 250°C dengan fsf/s = 0,3 dan fqp/s = 0,3.
kan tobermorite seperti diperlihatkan pada Gambar 7, curing pada temperatur 200°C selain memunculkan tobermorit juga memunculkan jennite seperti ditunjukkan pada Gambar 8 dan curing pada temperatur 250°C muncul C-S-H<sub>IV</sub> yang tidak ditemukan pada temperatur curing lainnya. Ini menunjukkan bahwa quartz powder memicu terbentuknya C-S-H<sub>IV</sub> pada temperatur perawatan 250°C. Meskipun quartz powder merupakan SiO<sub>2</sub> kristal vang tidak reaktif, namun pada ukuran yang sangat kecil 10 mm dam temperatur curing 250°C, quartz powder dapat memicu terjadinya reaksi sekunder membentuk C-S-H<sub>IV</sub>. Secara kuantitatif C-S-H<sub>IV</sub> memang belum dapat dibuktikan dengan jelas, namun secara kualitatif keberadaan C-S-H<sub>IV</sub> ini dibuktikan dengan nilai kuat tekan contoh uji seperti diperlihatkan pada Gambar 10.
Analisis ini diperkuat dengan jumlah Ca(OH) yang terbentuk akibat pengaruh temperatur curing seperti ditunjukkan dalam Gambar 2 tersebut di atas, bahwa penambahan quartz powder dalam pembuatan RPC, jumlah Ca(OH) yang terbentuk semakin sedikit bila dibandingkan dengan tanpa menggunakan quartz powder.
RPC dengan penambahan quartz powder semakin meningkat kuat tekannya bila temperatur curing semakin bertambah tinggi seperti di perlihatkan pada Gambar 10. Salah satu komponen yang memberi kontribusi terhadap kekuatan sebuah beton adalah kandungan C-S-Hyang terbentuk selama proses curing. Semakin banyak C-S-H terbentuk maka akan semakin tinggi pula kekuatan yang mampu dicapai. Jumlah kandungan kalsium silikat hidrat dapat ditingkatkan bila curing beton menggunakan teknik steam curing atau menggunakan autoclave sebagai high pressure steam curing. Teknik ini dianjurkan untuk dapat menghasilkan temperatur yang tinggi (Ju Yang et al, 2009).
Pemahaman kekuatan yang terbentuk dalam beton dimulai dari terjadinya proses hidrasi pada semen, reaksi hidrasi yang terjadi pada semen menurut persamaan reaksi-1 dan persamaan reaksi-2 secara lengkap ditulis sebagai berikut :
\(\begin{array}{lll} 2(3CaOSiO_2) + 6H_2O \rightarrow & 3CaO.2SiO_2.3H_2O + 3Ca(OH)_2 \\ (C_3S)~(H) & (CSH_I) & (CH) & (4) \\ Tri~kalsium~silikat~Air~Kalsium~silikat~hidrat~Portlandite \\ \end{array}\)
\(2(2CaOSiO_2)+4H_2O\rightarrow 3CaO.2SiO_2.3H_2O+Ca(OH)_2\) (5) Di kalsium silikat Air Kalsium silikat hidrat Portlandite
Pada persamaan reaksi-1 dan reaksi -2 tersebut di atas terbentuk produk hidrasi adalah C-S-HIdan CH, C-S-HI merupakan material dengan nama amorphous atau non kristalin sedangkan CH merupakan kristal. C-S-H non Kristal ini merupakan produk utama dari reaksi hidrasi, C-S-HI dari C3S terbentuk jauh lebih cepat dari yang terbentuk dari C<sub>2</sub>S (An Ming-zhe et al. 2008). Menurut Taylor, 1997 produksi C-S-H hanya sebesar 30% pada usia 28 hari dan 90% pada usia satu tahun dari seluruh iumlah C<sub>3</sub>S dan C<sub>2</sub>S vang ada.C-S-H pada persamaan reaksi-4 dan reaksi-5 tersebut diatas akan bertambah jumlahnya dengan adanya silica reaktif yang berasal silica fume,jumlah C-S-H tersebut akan semakin banyak dan padat pada temperatur curing tinggi. Reaksi sekunder membentuk C-S-H dengan struktur yang berbeda dari CSH pertama, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan reaksi-3 secara lengkap ditulis sebagai berikut.
\[5\text{Ca}(\text{OH})_2 + 6\text{SiO} \rightarrow 5\text{CaO}. 6\text{SiO}_2. 5\text{H}_2\text{O}\] (6)
Tobermorite/ (CSHII)
\(9\text{Ca}(\text{OH})_2 + 6\text{SiO}_2 \rightarrow 9\text{CaO}. 6\text{SiO}_2. 11\text{H}_2\text{O}\)
\(\text{Jennite} / (\text{CSH}_{\text{III}})\)
\(6\text{Ca}(\text{OH})_2 + 6\text{SiO}_2 \rightarrow 6\text{CaO}. 6\text{SiO}_2.\text{H}_2\text{O}\)
(CSHIV)
Jenis C-S-H terbentuk pada reaksi sekunder berupa mineral dengan struktur semi Kristal tergantung pada perbandingan molar Ca/Si, temperature curing. Pada temperature curing antara 50°C – 90°C jenis mineral yang terbentuk adalah tobermorit dengan perbandingan Ca/Si 1,2 pada temperature 200 °C terbentuk jennite, dan pada temperature 250°C dan tekanan lebih besar tidak terlihat adanya C-S-H<sub>IV</sub>, beberapa kemungkinan mineral C-S-H terbentuk adalah truscottite (C<sub>7</sub>S<sub>12</sub>H<sub>3</sub>),
Gambar 10. Grafik pengaruh temperatur curing terhadap kuat tekan RPC
gyrolite (C2S3H2), xonolite (C6S6H), hillebrandite (C2SH) dan Jaffeite (C4S3H3) (Taylor, 1997) terlihat dengan jelas bahwa densitas dan kekerasan mineral CSH dengan curing 250oC jauh lebih besar dibandingkan yang dipelihara pada temperatur rendah, karena CH muncul di sela-sela C-S-H maka C-S-H yang terbentuk dari CH akan membuat struktur C-S-H semakin padat sehingga kekuatan beton yang dihasilkan juga akan lebih besar.
5. Kesimpulan
Berdasarkan temuan hasil penelitian dan analisis yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan bahwa:
- 1. Penggunaan quartz powder pada RPC dapat menurunkan workabilitas campuran, mengingat permukaan quartz powder yang tidak rata. Semakin banyak jumlah quartz powder yang digunakan maka semakin berkurang tingkat workabilitas campuran.
- 2. Penambahan quatz powder pada RPC akan menurunkan jumlah portlandite Ca(OH)2, semakin tinggi temperatur curing maka jumlah portlandite yang dihasilkan juga semakin sedikit.
- 3. Penambahan quartz powder pada RPC dengan temperatur curing 250oC dapat memicu terbentuknya CSHIV.
- 4. Dalam berbagai temperatur curing, penambahan quartz powder akan meningkatkan kuat tekan RPC. Pada temperatur curing 250oC penambahan quartz powder, meningkatkan kuat tekan RPC hingga mencapai 154,0 MPa.