1. Pendahuluan
Pada era industri 5.0 saat ini, pembangunan infrastruktur sipil menjadi prioritas utama dalam pengembangan suatu kawasan perkotaan besar di dunia. Semakin bertambahnya jumlah penduduk, maka semakin banyaknya kegiatan sosial ekonomi, seperti pendidikan, kesehatan, dan perdagangan (Adinegara, Iqbal and Ahmad, 2020). Adapun hal tersebut, sangat berbanding lurus terhadap kebutuhan pekerjaan
* Penulis Korespondensi: aldo.wirastana@ui.ac.id
konstruksi yang semakin tinggi di kawasan pemukiman padat penduduk. Peningkatan volume limbah padat yang dihasilkan oleh pekerjaan konstruksi, secara tidak langsung dapat menyebabkan permasalahan ekologi serius akibat kurangnya tempat pembuangan sampah (Hadavand and Imaninasab, 2019).
Dalam rangka mewujudkan Tujuan Pembangunan Berkelanjutan (TPB), industri konstruksi dapat melakukan pembangunan infrastruktur berbasis "green construction". Berdasarkan fakta, diketahui bahwa sekitar 80 % material komposit yang terkandung di dalam limbah beton (concrete waste) dapat didaur ulang, serta menguntungkan dari segi nilai ekonomis (Ahmad, 2020). Secara implementasi, proses pemisahan pada material komposit yang terkandung di dalam limbah beton, seperti besi, kaca, kayu, karet, plastik dilakukan dengan menggunakan alat magnetic separator dan vibrating screen (Batayneh, Marie and Asi, 2007). Selanjutnya, material limbah beton dihancurkan berdasarkan ukuran butirannya dengan menggunakan mesin pemecah batu (stone crusher), seperti pada lokasi penambangan batu kali (quarry).
Penelitian telah dilakukan untuk mendaur ulang kembali limbah beton sebagai "agregat buatan" yang diaplikasikan pada material konstruksi perkerasan jalan (sub-base dan base course), serta struktural bangunan (Arulrajah, Piratheepan and Disfani, 2014). Pada bidang ilmu rekayasa geoteknik (geotechnical engineering), Capillary Barrier System (CBS) telah menjadi salah satu topik utama dalam berbagai penelitian, dikarenakan keunggulannya yang bernilai ekonomis tinggi dan bersifat ramah lingkungan. CBS merupakan suatu sistem drainase horizontal yang dipasang pada bagian bawah permukaan lereng, berupa lapisan tanah non-kohesif yang berasal dari material limbah beton (Satyanaga et al., 2021). Adapun prinsip kerja pada sistem CBS, didasarkan terhadap karakteristik dari sifat hidraulik takjenuh dalam material limbah beton (Satyanaga, Rahardjo and Hua, 2019).
Sifat hidraulik menjadi tolok ukur dalam memahami setiap perilaku aliran air (flow of water) di bawah tanah pada kondisi jenuh dan takjenuh (Zhai, Rahardjo and Satyanaga, 2018). Secara garis besar, sifat hidraulik sangat bergantung terhadap fungsi permeabilitas dan kurva karakteristik tanah-air / soilwater characteristic curve (SWCC). Secara spesifik, SWCC menggambarkan perilaku dan kemampuan suatu material dalam melakukan penyimpanan ataupun pengaliran air yang direpresentasikan melalui fungsi permeabilitas. Secara detail, SWCC mendefinisikan hubungan antara kadar air dengan isapan matriks pada suatu material (Zhai, Rahardjo and Satyanaga, 2019).
Terdapat penelitian lain yang melakukan studi terhadap karakteristik material limbah beton pada kondisi jenuh (Rahardjo, Gofar and Satyanaga, 2018). Studi terhadap fungsi permeabilitas dan SWCC material limbah beton pada kondisi takjenuh, saat ini masih belum banyak dilakukan penelitian secara eksperimental. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk melakukan pengukuran secara langsung terhadap SWCC dan permeabilitas takjenuh pada material limbah beton dengan menggunakan alat Tempe Cell. Secara output, diharapkan dapat dijadikan sebagai studi lebih lanjut untuk mengetahui karakteristik dari sifat hidraulik pada material limbah beton, khususnya dalam kondisi jenuh dan takjenuh.
2. Teori Aplikasi
2.1 Kurva best fit SWCC
Adapun kurva best fit SWCC, terdiri atas tiga kondisi yang merepresentasikan zona desaturasi pada suatu jenis tanah, meliputi kondisi batas, kondisi peralihan, serta kondisi residu (Fredlund, Rahardjo and Fredlund, 2012). Secara spesifik, nilai masuknya udara (AEV) didefinisikan sebagai suatu titik terjadinya perbedaan tekanan yang cukup besar antara udara dengan air, sehingga molekul air dapat dipindahkan oleh udara dari ruang pori tanah. Sedangkan, hisapan residu (residual suction) didefinisikan sebagai suatu titik terjadinya peningkatan hisap matriks secara lanjut yang telah gagal melakukan pemindahan sejumlah besar air. Untuk melakukan best fit pada kurva SWCC secara unimodal yang berdasarkan penetapan nilai awal terhadap keenam parameter, dengan menggunakan fungsi regresi non – linier, maka dapat dianalisis dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Satyanaga, Rahardjo and Zhai, 2017) :
\[\text{[rumus tidak dapat ditampilkan dengan baik — lihat PDF asli]}\] \[\text{[rumus tidak dapat ditampilkan dengan baik — lihat PDF asli]}\] \[(1)\]
Dimana :
θw= Kadar Air Volumetrik Tanah
Ψ = Hisapan Matriks Pada Tanah (kPa)
s = Parameter Yang Mewakili Standar Deviasi Geometrik
θs = Parameter Yang Mewakili Kadar Air Volumetrik Jenuh
ψaev = Parameter Yang Mewakili Nilai Masuknya Udara (kPa)
θr = Parameter Yang Mewakili Kadar Air Volumetrik Residu
ψm = Parameter Yang Mewakili Hisapan Matriks Di Titik Belok (kPa)
ψr= Parameter Yang Mewakili Hisapan Matriks Di Titik Residu (kPa)
Dengan Nilai :
β(0) = Pada Saat Kondisi ψ ≤ ψaev β(1) = Pada Saat Kondisi ψ > ψaev
2.2 Estimasi terhadap fungsi permeabilitas tanah
Pada mekanika tanah tak jenuh (unsaturated soil), fungsi permeabilitas tanah dapat direpresentasikan melalui kurva SWCC (Fredlund and Xing, 1994).
SWCC menggambarkan perilaku dan kemampuan tanah dalam menyimpan ataupun mengalirkan air, sangat bergantung terhadap distribusi ukuran butir pada jenis tanah. Adapun fungsi permeabilitas tanah (kw), merefleksikan hubungan antara koefisien permeabilitas tanah jenuh (k<sub>sat</sub>) ataupun koefisien permeabilitas tanah tak jenuh (\(k_{unsat}\)) dengan hisapan tanah (\(\psi_s\)). Secara statistik, estimasi terhadap fungsi permeabilitas tanah dilakukan berdasarkan prosedur yang telah dijelaskan dalam Fredlund, Rahardjo and Fredlund (2012). Untuk melakukan estimasi terhadap fungsi permeabilitas tanah yang berdasarkan tiga parameter pada kurva best fit SWCC, maka dapat dianalisis dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Fredlund and Xing, 1994):
persamaan sebagai berikut (Fredlund and Xing, 1994): \[k_{w} = k_{sat} \cdot \frac{\int_{\ln (\psi_{r})}^{\ln (\psi_{r})} \frac{\theta_{s} (e^{y}) - \theta_{s} (\psi)}{e^{y}} \theta_{s}^{'} (e^{y}) \cdot dy}{\int_{\ln (\psi_{aev})}^{\ln (\psi_{r})} \frac{\theta_{s} (e^{y}) - \theta_{s} (\psi_{aev})}{e^{y}} \theta_{s}^{'} (e^{y}) \cdot dy}\] (2)
Dimana:
e = Bilangan Euler (2.718)
\(\psi\) = Hisapan Matriks Pada Tanah (kPa)
k<sub>w</sub> = Fungsi Permeabilitas Pada Tanah (m/s)
k<sub>sat</sub> = Koefisien Permeabilitas Pada Tanah Jenuh (m/s)
\(\theta_{s'}\) = Turunan Fungsi Dari Kadar Air Volumetrik
\(\theta_s\) = Parameter Yang Mewakili Kadar Air Volumetrik
ψ<sub>aev</sub>= Parameter Yang Mewakili Nilai Masuknya Udara
\(\psi_r\) = Parameter Yang Mewakili Hisapan Matriks Di Titik Residu (kPa)
y = Integrasi Pada Variabel Dummy Yang Mewakili Logaritma Kadar Air Volumetrik
3. Metode Penelitian
3.1 Pengujian laboratorium dan sifat mekanis tanah jenuh
Adapun pengujian laboratorium pada mekanika tanah jenuh (saturated soil), dilakukan sebanyak satu sampel untuk kondisi tanah terganggu (disturbed sample) yang diperoleh dari material limbah beton (CW). Tujuan dari pengujian ini, ialah guna mengetahui sifat mekanis (mechanical properties) pada jenis tanah non-kohesif dengan menggunakan material CW. Standar ASTM (American Society for Testing and Materials) D 2434 -19, dipergunakan dalam pelaksanaan pengujian sifat mekanis pada sampel CW (ASTM, 2019). Untuk mengetahui besaran dari koefisien permeabilitas jenuh pada sampel CW yang tertahan ayakan No. 30 (diameter 0.60 mm), maka dilakukan pengujian sifat mekanis dengan menggunakan alat constant head. Alat constant head, terdiri dari spesimen benda uji, batu berpori, sumbatan karet, besi pegas, wadah penampungan air, corong besar, dudukan, timbangan, penjepit, serta beberapa tabung plastik (Das, 2004). Adapun dimensi spesimen dari benda uji yang dibentuk, memiliki diameter sebesar 2.49 inci (63.2 mm), serta panjang sebesar 5.51 inci (140 mm).
Tabel 1. Rekapitulasi Data Hasil Pengujian Sifat Mekanis Tanah Jenuh
| Sifat Mekanis Tanah Jenuh | CW - NO. 30 |
|---|---|
| Uji Permeabilitas Jenuh (Constant Head) | |
| Koefisien Permeabilitas Jenuh, ksat (cm/s) | 0.00112 |
| Koefisien Permeabilitas Jenuh, ksat (m/s) | 1.12 x 10-5 |
Berdasarkan data hasil pengujian untuk sifat mekanis tanah jenuh, dapat diketahui bahwa sampel CW memiliki besaran koefisien permeabilitas jenuh (k<sub>sat</sub>) yang relatif cukup tinggi, yaitu sebesar 1.12 x 10<sup>-5</sup> m/s, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
3.2 Pengujian laboratorium mekanika tanah takjenuh
Adapun pengujian laboratorium pada mekanika tanah takjenuh, dilakukan sebanyak satu sampel untuk kondisi tanah terganggu yang diperoleh dari material limbah beton (CW). Untuk mengetahui karakteristik takjenuh pada sampel CW – No. 30 yang direpresentasikan melalui SWCC dan fungsi permeabilitas, maka dilakukan pengukuran secara langsung dengan menggunakan alat Tempe Cell. Istilah "Tempe Cell", secara awal mengacu pada alat "Pressure Plate" yang diciptakan oleh Reginato dan Van Bavel di Laboratorium Konservasi Air, Tempe - Arizona (Reginato and Van Bavel, 1962). Alat Tempe Cell tersusun atas empat komponen utama, meliputi penutup dasar (base cap), piringan batu berpori (porous ceramic disk), silinder spesimen (brass cylinder), serta penutup atas (top cap). Pada tahap persiapan dalam Gambar 1 (a), sampel CW dibentuk dengan menggunakan silinder spesimen yang memiliki diameter sebesar 2.12 inci (5.38 cm) dan tinggi sebesar 2.36 inci (6.00 cm). Standar ASTM D 698 - 12, dipergunakan saat tahap persiapan pengujian untuk mengetahui besaran densitas (density) sampel CW pada kondisi kering dan jenuh sepenuhnya (ASTM, 2012), seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2. Selanjutnya, dilakukan proses saturasi pada sampel CW hingga mencapai kondisi jenuh
Gambar 1. Tahapan persiapan pada pengukuran secara langsung
(Sumber: Dokumentasi peneliti, 2024)
pada sampel CW
Tabel 2. Perhitungan kadar air sampel CW pada kondisi kering dan jenuh
| Data Perhitungan Kadar Air | Kering | Jenuh |
|---|---|---|
| Volume Silinder Spesimen | 136.33 cm3 | 136.33 cm3 |
| Berat Sampel CW | 169.65 gr | 212.57 gr |
| Densitas Sampel CW | 1.24 gr/cm3 | 1.56 gr/cm3 |
| Berat Air (Mass of Water) | 24.95 gr | 67.87 gr |
| Kadar Air (Water Content) | 17.24 % | 46.90 % |
(Sumber: Hasil perolehan data, 2024)
sepenuhnya, secara akhir tercapai dalam waktu ± 7 hari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(b).
Setelah melewati proses saturasi, maka besaran kadar air (water content) sampel CW pada kondisi kering (batas minimum) dan jenuh (batas maksimum) dapat diketahui secara detail, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2. Secara teknis, besaran kadar air pada sampel CW dapat dianalisis berdasarkan prosedur yang telah dijelaskan dalam ASTM D 2216 – 10 (2019). Adapun batas kadar air pada kondisi minimum dan maksimum, dijadikan sebagai tolok ukur merepresentasikan data hasil pengukuran SWCC secara langsung.
Dalam studi ini, pengukuran SWCC berdasarkan alat Tempe Cell dilakukan secara bertahap, yaitu dengan mengaplikasikan tekanan udara sebesar 0.5, 1, 3, 5, 10, 20, serta 40 kPa. Tujuan dari pengaplikasian tekanan udara secara bertahap ini, ialah guna mengetahui karakteristik takjenuh pada sampel CW yang ditandai dengan nilai masuknya udara saat pengukuran SWCC berlangsung. Secara spesifik, nilai masuknya udara merepresentasikan terjadinya penurunan kadar dan massa air yang cukup signifikan akibat perpindahan sejumlah besar molekul air oleh udara dari ruang pori berukuran besar, sehingga cenderung menyulitkan kemampuan suatu material dalam melakukan penyimpanan ataupun pengaliran air. Secara teknis, pengukuran SWCC dengan menggunakan alat Tempe Cell dilakukan berdasarkan prosedur yang telah dijelaskan dalam ASTM D 6836 - 02 (2003). Hubungan antara penurunan massa air dengan pertambahan waktu tunggu pada sampel CW, secara eksperimental telah ditunjukkan dalam Gambar 2(a).
Saat diaplikasikannya tekanan udara sebesar 0.5 kPa, massa air pada sampel CW menunjukkan nilai yang sangat konstan, yaitu sebesar 67.84 gr. Adapun pengaplikasian tekanan udara sebesar 1 kPa, menunjukkan penurunan massa air yang cukup signifikan, yaitu sebesar 14.16 gr. Sementara itu, pengaplikasian tekanan udara sebesar 3 kPa, menunjukkan penurunan massa air yang sangat signifikan, yaitu sebesar 19.76 gr. Secara detail, nilai masuknya udara (ψ<sub>aev</sub>) terjadi pada waktu awal di saat pengaplikasian tekanan udara sebesar 1 kPa, dengan massa air sebesar 65.80 gr. Gambar 2(b) menunjukkan hubungan antara peningkatan isapan matriks dengan penurunan kadar air pada sampel CW yang telah dilakukan pengolahan data untuk hasil pengukuran SWCC secara langsung, selanjutnya direpresentasikan dalam suatu grafik.
4. Hasil dan Diskusi
4.1 Kurva best fit SWCC
Adapun kurva best fit SWCC secara unimodal, direpresentasikan setelah melakukan penetapan nilai awal yang sesuai terhadap keenam parameter, dengan menggunakan fungsi regresi non-linier Persamaan (1). Secara spesifik, keenam parameter pada kurva best fit SWCC, meliputi kadar air volumetrik jenuh (\(\theta_s\)), nilai masuknya udara (\(\psi_{aev}\)), titik belok isapan matriks (ψ<sub>m</sub>), standar deviasi geometrik \((\sigma)\), isapan residu \((\psi_r)\), serta kadar air volumetrik residu \((\theta_r)\). Secara prosedur, pengaplikasian pada fungsi regresi non-linier dilakukan dengan menggunakan software Microsoft Excel (Dodge, 2003). Gambar 3 menunjukkan hasil representasi dari kurva best fit SWCC yang telah dilakukan pengolahan data secara berulang (trial and error), melalui penggunaan add-in solver dalam Microsoft Excel. Terjadinya perpindahan sejumlah besar molekul air oleh udara dari ruang pori berukuran besar pada sampel CW, dapat dinyatakan sebagai nilai masuknya udara (ψaev) yang memiliki nilai sebesar 0.485 kPa. Terlihat jelas, bahwa isapan matriks dalam sampel CW memiliki besaran peningkatan secara singkat pada kondisi peralihan yang berkorelasi dengan kecepatan desaturasi \((\delta_s)\),
Diterima 08 Juli 2024, Direvisi 20 Desember 2024, Diterima untuk dipublikasikan 27 April 2025 Copyright 2025 Diterbitkan oleh Jurnal Teknik Sipil ITB, ISSN 0853-2982, DOI: 10.5614/jts.2024.32.1.4
(a) Hubungan antara massa air dan waktu tunggu
Gambar 2. Komponen dan aksesoris pada alat tempe cell
Gambar 3. Hasil representasi data pada kurva best fit SWCC (Sumber: Hasil perolehan data, 2024)
Tabel 3. Parameter hasil pengolahan data pada kurva best fit
| Parameter Kurva Best Fit | Sampel CW - No. 30 | |
|---|---|---|
| SWCC | Kadar Air Volumetrik (θw) | |
| σ | 1.181 | |
| \(R^2\) | 1.000 | |
| \(\theta_{\textsf{s}}\) | 0.498 | |
| \(\Theta_{r}\) | 0.186 | |
| ψaev (kPa) | 0.485 | |
| Ψm (kPa) | 1.221 | |
| Ψr (kPa) | 40.00 | |
(Sumber: Hasil perolehan data, 2024)
serta dinyatakan sebagai titik belok isapan matriks \((\psi_m)\) yang memiliki nilai sebesar 1.221 kPa. Terjadinya peningkatan tekanan udara secara lebih lanjut yang diakibatkan oleh kegagalan perpindahan pada sejumlah besar molekul air di dalam sampel CW, dapat dinyatakan sebagai isapan residu \((\psi_r)\) yang memiliki nilai sebesar 40.00 kPa. Secara eksperimental, kadar air volumetrik jenuh \((\theta_s)\) yang terkandung di dalam sampel CW memiliki nilai sebesar 0.498 atau 50 %. Sementara itu, kadar air volumetrik residu \((\theta_r)\) yang terkandung di dalam sampel CW memiliki nilai sebesar 0.186 atau 19 %. Untuk standar deviasi geometrik \((\sigma)\) pada kurva best fit SWCC memiliki nilai sebesar 1.181, dengan koefisien determinasi \((R^2)\) sebesar 1.000.
Adapun keenam parameter dari hasil pengolahan data pada kurva best fit SWCC untuk sampel CW, secara ringkas dapat ditunjukkan dalam Tabel 3.
4.2 Estimasi terhadap fungsi permeabilitas
Adapun estimasi terhadap fungsi permeabilitas pada sampel CW, dilakukan berdasarkan ketiga parameter dari hasil representasi data dalam kurva best fit SWCC, secara statistik dapat dianalisis dengan menggunakan Persamaan (2). Tidak luput dari perhatian juga, data hasil pengujian sifat mekanis tanah jenuh yang berdasarkan alat constant head dalam Tabel 1, digunakan pada estimasi terhadap fungsi permeabilitas untuk sampel CW. Gambar 4 menunjukkan hubungan antara fungsi permeabilitas dengan isapan matriks pada sampel CW yang telah dilakukan estimasi dan pengolahan data secara statistik, serta direpresentasikan dalam suatu grafik. Saat mencapai kondisi batas,
Gambar 4. Hubungan antara fungsi permeabilitas dan isapan matriks
(Sumber: Hasil perolehan data, 2024)
koefisien permeabilitas jenuh (\(k_{sat}\)) yang terkandung di dalam sampel CW memiliki nilai sebesar \(1.12 \times 10^{-5}\) m/s. Sementara itu, nilai masuknya udara (\(\psi_{aev}\)) yang terjadi pada sampel CW saat mencapai kondisi batas, memiliki nilai sebesar 0.485 kPa. Adapun titik belok isapan matriks (\(\psi_{m}\)) pada kondisi peralihan, memiliki besaran koefisien permeabilitas takjenuh (\(k_{unsat}\)) sebesar \(1.22 \times 10^{-6}\) m/s, dengan nilai isapan matriks dalam sampel CW sebesar 1.221 kPa. Saat mencapai kondisi residu, koefisien permeabilitas takjenuh (\(k_{unsat}\)) yang terkandung di dalam sampel CW memiliki nilai sebesar \(3.76 \times 10^{-16}\) m/s. Secara akhir, nilai isapan residu (\(\psi_{r}\)) yang terjadi pada sampel CW saat mencapai kondisi residu, memiliki nilai sebesar 40.00 kPa.
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil pengukuran secara langsung terhadap SWCC dan permeabilitas takjenuh pada material limbah beton dengan menggunakan alat Tempe Cell, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut:
- 1. Adapun besaran kadar air pada material limbah beton cenderung mengalami penurunan yang cukup signifikan, seiring dengan terjadinya peningkatan nilai isapan matriks secara bertahap. Secara eksperimental, kadar air volumetrik jenuh (\(\theta_s\)) yang terkandung di dalam material limbah beton memiliki nilai sebesar 0.498 atau 50 %, dengan nilai masuknya udara (\(\psi_{aev}\)) sebesar 0.485 kPa. Sementara itu, kadar air volumetrik residu (\(\theta_r\)) yang terkandung di dalam material limbah beton memiliki nilai sebesar 0.186 atau 19 %, dengan nilai isapan residu (\(\psi_r\)) sebesar 40.00 kPa. Sehingga, dapat diketahui bahwa karakteristik dari sifat hidraulik pada material limbah beton memiliki kemampuan untuk melakukan penyimpanan air sebesar 0.312 atau 31 %.
- Adapun besaran koefisien permeabilitas pada material limbah beton cenderung mengalami penurunan yang cukup signifikan, seiring dengan terjadinya peningkatan nilai isapan matriks secara
bertahap. Secara grafis, koefisien permeabilitas jenuh (\(k_{sat}\)) yang terkandung di dalam material limbah beton memiliki nilai sebesar \(1.12 \times 10^{-5}\) m/s, dengan nilai masuknya udara (\(\psi_{aev}\)) sebesar 0.485 kPa. Sementara itu, koefisien permeabilitas takjenuh (\(k_{unsat}\)) yang terkandung di dalam material limbah beton memiliki nilai sebesar \(3.76 \times 10^{-16}\) m/s, dengan nilai isapan residu (\(\psi_r\)) sebesar 40.00 kPa. Sehingga, dapat diketahui bahwa karakteristik dari sifat hidraulik pada material limbah beton dalam kondisi jenuh dan takjenuh, masing-masing memiliki kemampuan untuk melakukan pengaliran air sebesar \(1.12 \times 10^{-5}\) m/s dan \(3.76 \times 10^{-16}\) m/s.
Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini didanai oleh Direktorat Penelitian dan Pengembangan, Universitas Indonesia melalui Hibah PUTI 2024 (Nomor Hibah NKB-457/UN2.RST/ HKP.05.00/2024).