1. Pendahuluan
Clay shale adalah batuan lempung dimana jenis batuan sedimen yang sering dijumpai dalam struktur tanah di Indonesia khususnya di Hambalang, Kabupaten Bogor, Jawa Barat, serta pada jalur Jalan Toll Semarang-Bawen Jawa Tengah dan daerah lain di Indonesia (Sadisun, et al., 2010; Irsyam, dkk., 2011). Tanah jenis ini memiliki kekuatan geser yang tinggi, akan tetapi kekuatan gesernya akan cepat menurun apabila berhubungan dengan atmosfer atau hidrosfer yang banyak mengandung Oksigen serta Hidrogen. Kekuatan geser tanah didapati menurun secara drastik apabila tanah tersebut terganggu, terpelapukan (Gartung, 1986), dan kehilangan tegangan akibat pekerjaan galian
(Irsyam, dkk., 2011). Jika diuji di laboratorium, nilai kekuatan gesernya berubah dengan signifikan bila dibandingkan dengan keadaan asalnya di dalam tanah. Ini sangat berbeda dengan jenis lempung yang lain di mana pengeringan dan pembasahan tanah tidak memberikan pengaruh penurunan kekuatan geser yang signifikan.
Secara umumnya pelapukan dapat didefinisikan sebagai proses perubahan batuan yang berlaku di bawah pengaruh atmosfer dan hidrosfer. Perubahan tersebut terjadi dalam bentuk penyepaian fisik dan penguraian kimia. Di kawasan iklim tropika, proses ini lebih sering terjadi bila dibandingkan pada keadaan iklim lainnya. Gambar 1 di bawah ini adalah suatu
ilustrasi proses kehancuran clay shale akibat pelapukan (Sadisun, et al., 2010).
Gambar 1. Ilustrasi perubahan batu lempung terhadap waktu akibat proses pelapukan (Sadisun, et al., 2010)
Terdapat parameter dari dua pengujian yang seharusnya diketahui untuk jenis tanah ini, yang tidak diperlukan bagi tanah lempung lain yaitu:
- 1. Slake Durability Index (ASTM D 4644-87, 1989).
- 2. Rasio disintegritas/ Disintegrasion ratio, menggunakan pengujian distribusi butiran ASTM D 422-72, 1989).
Di dalam penelitian ini yang digunakan adalah rasio disintegritas (DR), karena dengan rasio disintegritas dapat diukur perubahan fisik clay shale akibat terjadinya proses pelapukan.
2. Rasio Disintegritas (DR)
Untuk mendapatkan pengaruh dari proses pelapukan, maka proses pelapukan clay shale di Laboratorium dibuat dengan proses pengeringan serta proses siklus pembasahan dan pengeringan. Pada proses pengeringan, clay shale ditempatkan di dalam suatu ruangan pengeringan yang dapat terkontak dengan atmosfera, akan tetapi terlindung dari hidrosfera. Pada siklus pembasahan dan pengeringan, clay shale dibasahi dengan cara merendam didalam air selama 5 menit, kemudian dikeringkan di udara terbuka. Frekuensi perendaman dibuat bervariasi, dimulai dari 1x, 2x dan 3x dalam interval waktu 8 hari. Ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh kerapatan pembasahan terhadap percepatan pelapukan clay shale.Rasio Disintegritas (DR) dilakukan dengan ujian analisis saringan. Cara penentuan rasio disintegritas (DR) diperoleh dari grafik
Gambar 2. Penentuan rasio disintegritas (DR) dengan hasil uji analisis ayakan (Erguler, et al., 2009)
78 Jurnal Teknik Sipil
persentase tertahan dan diamater butiran, seperti yang sampaikan pada Shakoor, et al. (2011) pada Gambar 2. Nilai DR berkisar antara 0 hingga 1. DR = 1, artinya pada clay shale sebelum terjadi pelapukan tidak tersegmentasi menjadi butiran yang lebih kecil (completely durable). Sedangkan bila DR= 0 artinya clay shale telah seluruhnya tersegmentasi menjadi partikel –partikel yang kecil completely non durable (Shakoor, et al., 2011).
3. Proses Pengeringan dan Siklus Pembasahan Pengeringan
Metodologi pengeringan clay shale dilakukan dalam pengeringan yang transparan dan dapat ditembus sinar matahari, namun terproteksi terhadap air hujan. Ruangan pengeringan clay shale dapat dilihat ada Gambar 3(b). Manakala pengujian perubahan volume clay shale dilakukan dengan menempatkan sampel clay shale pada alat ukur perubahan volume berupa sel transparan yang dapat diisi oleh air serta dapat dikeringkan dengan membuka katup saluran pembuangan. Perubahan sampel akibat proses pengeringan dan pembasahan dalam arah vertikal, ditempatkan 1 buah dial indikator untuk menentukan perubahan tinggi sampel.Sedangkan perubahan dalam arah horizontal ditempatkan 3 buah dial indikator untuk menentukan perubahan diameter sampel. Penempatan dial indikator pada alat ukur perubahan volume dapat dilihat pada Gambar 3(a).
Gambar 3. Metodologi pelapukan clay shale dengan proses pengeringan di laboratorium
Jadwal perendaman dalam siklus pembasahan dan pengeringan clay shale disusun berdasarkan Tabel 1, 2 dan 3, dimana siklus tersebut dilakukan selama 80 hari.
Untuk menentukan rasio disintegritas (DR), maka dilakukan pengujian analisis saringan dari waktu yang telah ditentukan atas sampel clay shale yang telah melalui proses pelapukan pengeringan maupun siklus pembasahan dsan pengeringan. Pengujian ini dilakukan pada sampel yang sama seberat 1000 grm dan dilakulan terus menerus pada waktu yang ditentukan. Sementara untuk mengetahui perubahan fisik clay shale akibat proses pelapukan disiapkan sampel lainnya yang terpisah untuk dilihat perubahan fisiknya, seperti pada Gambar 4 dan Gambar 8.
Table 1. Jadwal ujian dilaboratorium sampel terganggu pada proses siklus pembasahan dan pengeringan (1 kali rendam/8 hari, hingga Waktu 80 hari)
| Ujian | Waktu (Hari) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Laboratorium | 0 | 4 | 8 | 12 | 16 | diteruskan | 72 | 76 | 80 | |||||
| Kadar Air (w) | | | | diteruskan | | | ||||||||
| Analisis Saringan | | | | diteruskan | | | ||||||||
| Pengukuran perubahan volume | | | | diteruskan | | | ||||||||
Table 2. Jadwal ujian dilaboratorium sampel terganggu pada proses siklus pembasahan dan pengeringan (2 kali rendam/8 hari, hingga Waktu 80 hari)
| Waktu (Hari) | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ujian Laboratorium | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | diteruskan | 72 | 74 | 76 | 78 | 80 |
| Kadar Air (w) | | | | diteruskan | | | |||||||||
| Grained size distribution (GSD) | | | | diteruskan | | | |||||||||
| Pengukuran perubahan volume | | | | diteruskan | | | |||||||||
Table 3. Jadwal ujian dilaboratorium sampel terganggu pada proses siklus pembasahan dan pengeringan (3 kali rendam/8 hari, hingga Waktu 80 hari)
| Ujian Laboratorium | Waktu (Hari) | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | diteruskan | 72 | 74 | 76 | 78 | 80 | |
| Kadar Air (w) | | | | diteruskan | | | |||||||||
| Grained size distribution (GSD) | | | | diteruskan | | | |||||||||
| Pengukuran perubahan volume | | | | diteruskan | | | |||||||||
4. Analisis dan Pembahasan
Perubahan sifat fisik clay shale Semarang-Bawen dan clay shale Hambalang akibat proses pengeringan dalam waktu 80 hari hasilnya seperti pada Gambar 4. Secara kwantitatif perubahan fisik tersebut digambarkan dalam distribusi butiran akibat proses pengeringan seperti Gambar 5. Dari Gambar 5 tersebut dapat dilihat terjadinya sedikit perbedaan perilaku pada kedua clay shale tersebut didalam pelapukan akibat proses pengeringan. Clay shale Semarang-Bawen di dalam Gambar 5(a) sudah terjadi perubahan yang signifikan dimulai dari hari ke-24 dari waktu pengeringan. Sedangkan pada clay shale Hambalang di dalam Gambar 5(b) hal serupa mula terjadi pada waktu 48 hari proses pengeringan.
Gambar 4. Perubahan bentuk butiran clay shale Semarang-Bawen dan Hambalang akibat proses pengeringan hingga waktu 80 hari
Gambar 5. Perubahan gradasi butitan clay shale akibat proses pengeringan (a) clay shale Semarang-Bawen (b) clay shale Hambalang
Hasil penelitian yang telah dilakukan pada clay shale Semarang-Bawen pada Gambar 6 memperlihatkan bahwa semakin banyak jumlah pembasahan yang terjadi dalam setiap 8 hari akan menyebabkan pelapukan semakin lebih besar. Hal tersebut terlihat dari perubahan gradasi butiran, dengan dilakukan 3 kali pembasahan dalam 8 hari akan lebih cepat terjadi pelapukan bila dibandingkan dengan 2 kali pembasahan dalam 8 hari. Seterusnya pembasahan 2 kali dalam 8 hari, akan lebih cepat terjadi pelapukan bila dibandingkan dengan 1 kali pembasahan dalam 8 hari.
Pada Gambar 6, sifat fisik clay shale Semarang-Bawen yang dilakukan perendaman 1 kali dengan waktu 5 menit dalam setiap 8 hari, di hari ke-24 ukuran
butiran 2 mm yang tertahan adalah 29,9%. Pada hari yang sama dengan perendaman 2 kali dalam setiap 8 hari ukuran butiran 2 mm yang tertahan sebanyak 3,8%, dan dengan perendaman 3 kali dalam setiap 8 hari adalah 1,3%. Pada waktu siklus pembasahan dan pengeringan lebih lama dari 24 hari dengan pembasahan 3 kali dalam setiap 8 hari menunjukkan ukuran butiran 2 mm yang terlahan lebih kecil daripada 3,8% (antara 0% hingga 3,8%).
Akibat siklus pembasahan dan pengeringan, perilaku sifat fisik clay shale Hambalang berbeda secara kuantitatif didalam perubahan gradasi butiran bila dibandingkan dengan clay shale Semarang-Bawen. Pada Gambar 7 sifat fisik clay shale Hambalang yang dilakukan perendaman 1 kali dalam setiap 8 hari, di hari ke-24 ukuran butiran 2 mm yang tertahan adalah 84,6%. Pada hari yang sama dengan perendaman 2 kali dalam setiap 8 hari ukuran butiran 2 mm yang tertahan adalah 82%, dan dengan perendaman 3 kali dalam setiap 8 hari adalah 60,8%. Pada waktu siklus pembasahan dan pengeringan lebih lama dari 24 hari dengan pembasahan 3 kali dalam setiap 8 hari menunjukkan ukuran butiran 2 mm yang terlahan lebih kecil daripada 60,8% (antara 41,2% hingga 60,8%). Perubahan fisik clay shale Semarang-Bawen dan Hambalang akibat siklus pembasahan dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Perubahan bentuk fisik clay shale Semarang-Bawen dan Hambalang akibat siklus pembasahana pengeringan dengan 2 kali pembasahan setiap 8 hari
Gambar 6. Perubahan distribusi ukuran butiran clay shale Semarang-Bawen akibat siklus pembasahan pengeringan (a) 1 kali pembasahan dalam 8 hari (b) 2 kali pembasahan dalam 8 hari dan (c) 3 kali pembasahan dalam 8 hari
Gambar 7. Perubahan distribusi ukuran butiran clay shale Hambalang akibat siklus pembasahan pengeringan (a) 1 kali pembasahan dalam 8 hari (b) 2 kali pembasahan dalam 8 hari dan (c) 3 kali pembasahan dalam 8 hari
Perubahan rasio disintegritas (D<sub>R</sub>) akibat proses waktu pengeringan hingga hari ke-80 waktu pengeringan clav shale Semarang-Bawen mencapai 0,9152 manakala pada clay shale Hambalang 0,9162. Akibat proses pengeringan hingga waktu 80 hari, kedua clay shale tersebut memiliki perilaku perubahan durability dengan nilai rasio disintegritas D<sub>R</sub> yang tidak terlalu berbeda. Tanpa pengaruh terkontak dengan hidrosfer, clay shale masih memiliki durability yang cukup baik sehingga masih memiliki D<sub>R</sub>yang hasilnya mendekati 1.00. Hasil pengaruh waktu pengeringan hingga 80 hari terhadap penurunan D<sub>R</sub> dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Perubahan rasio disintegritas (D<sub>R</sub>) clay shale akibat proses waktu pengeringan (a) clay shale Semarang-Bawen (b) clay shale Hambalang
Pengujian clay shale akibat siklus pembasahan dan pengeringan selama waktu 80 hari dilakukan dengan melakukan variasi jumlah rendaman dalam pada waktu 8 hari. Variasi jumlah rendaman tersebut adalah 1 kali rendaman, 2 kali rendaman dan 3 kali rendaman pada waktu 8 hari. Pada setiap waktu 8 hari dilakukan pengujian analisis ayakan. Dari pengujian ini diperoleh hubungan antara kumulatif tertahan (%) dan diamater (mm), yang selanjutkan dihitung D<sub>R</sub> seperti pada Gambar 2. Perhitungan D<sub>R</sub> ini dilakukan pada tiaptiap waktu pengeringan dan waktu siklus pembasahan dan pengeringan.
Dari hitungan rasio disintegrasion D<sub>R</sub> seperti dilihat pada Gambar 10 menunjukkan pengaruh dari kekerapan rendaman dalam waktu 8 hari sangat mempengaruhi perubahan D<sub>R</sub>. Semakin kerap jumlah rendaman dalam waktu 8 hari, maka semakin besar penurunan D<sub>R</sub> yang terjadi. Hal ini terjadi pada clay shale Semarang-Bawen dan Hambalang. Pada Gambar 10 juga terlihat bahwa dua proses terjadinya luluhawa yaitu proses pengeringan dan siklus pembasahan pengeringan memberikan akibat yang sangat berbeda terhadap \(D_R\). Sehingga pada waktu pengeringan 80 hari, D<sub>R</sub> untuk clay shale Semarang-Bawen sebanyak 0,9152. dan untuk clay shale Hambalang 0,9162. Sedangkan pada waktu yang sama akibat rendaman 1 kali dalam 8 hari, D<sub>R</sub> clay shale Semarang-Bawen D<sub>R</sub>= 0,000 (completely non durable) dan clay shale Hambalang \(D_R = 0.1467\). Manakala pada clay shale Semarang-Bawen D<sub>R</sub>= 0,000 telah terjadi pada waktu 32 hari dengan 3 kali rendaman pada waktu 8 hari.
Gambar 10. Perbandingan perubahan D<sub>R</sub> clay shale akibat waktu pengeringan dan waktu siklus pembasahan pengeringan (a) clay shale Semarang-Bawen (b) clay shale Hambalang
Untuk mengetahui keadaan yang lebih detail dari clay shale Semarang-Bawen dan Hambalang, maka dilakukan uji mineralogi dengan X-Ray Defraction serta SEM (Scanning Electron Mikroscope). Pengujian mineralogi dari kedua sampel clay shale menunjukan jenis serta prosentase mineralogi yang berbeda. Clay shale Semarang-Bawen mineral lempung yang utama adalah Smectite sejumlah 50%, sedangkan Hambalang mineral lempung yang utama adalah Kaolinite 30% dan Chlorite20%. Mineral karbonat yang utama pada clay shale Semarang-Bawen adalah Calsitesebesar 30%, sedangkan pada clav shale Hambalang adalah Siderite 6%. Hasil uji XRD kedua clay shale dapat dilihat pada Gambar 11 dan Gambar 12.
Gambar 11. Hasil X Ray Defraksi clay shale Semarang-Bawen (LEMIGAS, 2015)
Gambar 12. Hasil X Ray Defraksi clay shale Hambalang (LEMIGAS, 2015)
5. Kesimpulan
Dari pembahasan diatas dapat disimpukan sebagai berikut:
- Hingga hari ke-80 masa pengeringan, rasio disintegritas (D<sub>R</sub>) clay shale Semarang-Bawen mencapai 0,9152 manakala pada clay shale Hambalang D<sub>R</sub> sebesar 0,9162. Kedua clay shale tersebut akibat proses pengeringan tidak signifikan terhadap perubahan D<sub>R</sub>. Tanpa pengaruh reaksi dengan hidrosfer, clay shale masih memiliki durability yang cukup baik.
- 2. Pengaruh dari kekerapan rendaman sangat mempengaruhi perubahan rasio disintegritas (D<sub>R</sub>). Semakin kerap jumlah rendaman, atau semakin sering clay shale terkena air, maka makin besar penurunan D<sub>R</sub> yang terjadi. Hal ini terjadi pada clay shale Semarang-Bawen dan Hambalang. Pada hari ke-80 akibat rendaman 1 kali dalam 8 hari, rasio disintegritas clay shaleSemarang-Bawen D<sub>R</sub>=0,000 (completely non-durable) dan Hambalang D<sub>R</sub>=0,1467. Pada clay shale Semarang-Bawen D<sub>R</sub>=0,000 telah terjadi pada hari ke 32 dengan 3 kali rendaman pada masa 8 hari.
- 3. Pelapukan clay shale Semarang-Bawen yang didominasi mineral Smectite (50%) akibat proses siklus pembasahan pengeringan lebih cepat terjadi bila dibandingkan clay shale Hambalang yang didominasi mineral Kaolinite dan Illite (50%).
6. Ucapan Terima Kasih
Kami sampaikan ucapan terimakasih yang sebesarbesarnya kepada Prof. Dr. Ir. Masyhur Irsyam MSE dari Institut Teknologi Badung (ITB) atas konsultasi dan diskusi yang telah dilakukan selama penelitian ini dilakukan.