Prosiding Pertemuan rlmiah Sains Materi 1996

PENAMBAHAN MULTI INKLUSI BAJA TERHADAP KEKUATAN BETON DAI~AM

TINJAUAN DUA DIMENSII

Dicky Rezady Munafl, Roby Abipralnono', Mohamad Saban Besari"

ABSTRAKPENA~IBAHAN MULTI INKLUSI BAJA TERHADAP KEKUATAN BETON DALAM TIN.JAUAN DUA

DIMENSI. Salah ~atu usaha untuk meningkatkan kekuatan beton adalah memperbaiki kekuatan ikatan pada daerah peralihanatau interlace anulra mortar dan agregat kasar. Dari peneliti,m tcrdahulu didapat, bahwa penambahan abu terbang memperbaikikondi~i di daerah interl'ace, selain itu tidak hanya peningkatan kekuatan saja tetapi ,juga diantamnya sit'at mekanikal sepertikcpadatan, l1engurangan kadar pori, ketahanan akan semakul baik, Untuk mendapatka11 pengertian yang Icbih baik men!~enairnekanisma hal-hal yang dapat meniperbaiki daerah interlace, maka pada penelitian ini dibuat studi beberapa model dua dimensiilibuat dcng,m lnatriks morulr mutu tinggi dengan ukuran 200 mm x 100 mm )( 40 mm yang ditanamkan inklusj silinder besi b;ljadiameter 20 mm pad:. bemta uji sebagai model agregat ka.'iar pada beton. Silinder baja yang digunakan adalahpernlukaan !talusdan pennUkaail ulir sebagai model darivariasi kekasaran pennukaan pada agregat kasar. Silinder baja tersebut ditempatkan palla~nda uji ~e~uai dengan pola posisi tertentu untuk memperoleh pengetahuan tentangetek dari jumlah dan distribusi agregat ka~arpawl beton. ~Iodel ~nda uji diuji kekuatan tekan menggunakan alaI UTM ( Universal Testing Machine ). Ha~il -hasil da11

pembaha~;ul di~ampaikan pada makalah ini.

ABSTRACTA 'fwO DIMENSIONAL MODEL OF STEEL INCLUSION CONCRETE STRI!:NGTHENIN(;, (>ne way of

in.:rcasing thc str.:ngth of .:oncrcte is to improv.: thc bond strength hctween mortar and coars.: aggr.:gatcs at the int.:rfacial zon.:s.It has b.:.:n found from previous investigation that addition of fly ash ilnprov.:s thc l'ondition of the interfal'e zon.:s. leading to notonly highcr strcngths hilt also othcr mechani.:al properties liki: dcnsity. im!J-:rviousncss. durability etc. To gain bctt..'runderstanding of Ihc mcchanism ,involved in improving the int.:rfacial 70nes. a numher of two dimensiollm rno(Jels were preparedof high strcngth mort.1f having dimensions of 200 mm x ]()() mm )( 40 mm. With .:ylindlical ste.:ls having diamcters of 20 mmin.:luded in specimcns to model the coarse aggregate of concrctc These strel cylinders are given smooth and finely grovedsurfal:i:,; to modcl thi: v.lfying mughncss of surfaces of natural coarsc aggregatcs Thesi: stee.! cylinders weri: then placed in thespecimcn according tn specifi.: patterns to gain knowledge of the effect of amoum and distribution of coarsc aggregates within tht:coni:rct.:. Th.:t:e mode.! spe.:imens werc thcn testt:d for their l'ompressive strengths using a UTh1 machine. Thc results and

findings are presentcd in this palJCr.

alas umur 28 hari [2]. Hal ini memungkinkan,karena abu terbang yang be.rbulir sangat halusdapat mcngisi pori-pori yang san gal k~cilschingga dapat memperbaiki daerah Icmah

antara malriks semen pasir dengan agrcgalkasar. Sedangkan baban lambahan lain, scpertiSilica Fumc sebanY,1k 15 l'J(! dari ber,u semenpad a bcton akan meningkatkan kekualan tckanbcton. scdangkan pacta pasta semen ternyatatidal memberikan pengaruh yang hcrarti [1].Silica Fume dapat mcningkalkan cl'ckkelerikatan yang sulit unluk dipisahkan(inhcrcnl cffect), sehingga daerah peralihanalan lebih padat. Akibat dari lcrisinya secaramck.1'11is pori -pori dianlara ,1gregal kas,u'dengan mortar dan terjadinya rcaksi secarakimia ant.ara Ca dan SiO2 yang menjadikancfeklifitas agrcgal sebagai inklusi kaku dalammortar. Pcnelitian Larbi [3], mcnunjukkanbahwa dacrah interface dalam linjauanmikrostruktur yang muncul anlara pasta semendan agregal merupakan daerah yang lebih

rcndah kepadatannya dan t.erdapal scnyaw.\kimia Ca(OH)2 lebih banyak dari raJa d.1erahm.uriks pa."la semen. Kemungkinan leJ:iadiny.lrraklur dan fetal mikro diawali pada daerahinlcrrace pada mat.riks Inortar. L.1pisan daerahint.e.rfacc mempunyai t.ebal r.ua-rat.1 kira -lira

50 !.tm. Daerah interfa.<;e dapat diperbaikidengan penemp.1lan :pl;!r;icle packing' dan

PENI)AHULUANPengg\lnaan beton sebagai mate.rial

konstruksi be bas raw,tt (jj.ee maintenance) saatini makin ~an)fak liigun,tkan pada bangunanstruktur, Melalui pene!itian dikembangkanherbagai alternatif material pengganti padacampuran heron yang bertujuan antara lainuntuk : memantaatkan potensi bahan alam disek.i.tar pembangunan. usaha ~ningkaum mutukarakterishk heron yang diharapkan dalamstruktur, memantaatkan bahan yang dibuat d,lrihiola (bio-concrete), Maka herbagai sludipenelilian di!akukan untuk memilih bahan yangsitat kimiawi maupun sifat mekanis bisamenggantikan fungsi dari komponen materiald,lsar konvensiona! dalam beton,

Beberapa faktor yang memp~ngaruhipeningkatan mutu heron khususnya dalambe'tonmutu tinggi diantaranya kondisi daerahperalihan (fran.\'it;on zone) antara agregal kasardengan matriks semen pasir [1], faklor ratio airsemen, cara p;:madalan daD pengadukan saarpcngecoran, jenis dan waktu pengawetan(c:uring time), serra jenis dan prosentase bahanaddilif pada belon segar,

Studi beber,tpa basil penelitian belonmutu tinggi menunjllkkan dengan penambahanabu terbang dalam komposisi semen padacampuran akan memb,eri pengaruh positipterhadap mutu beton, Terutama untuk heron di

1. Dipresentasikan raJa Seminar I1miah Sains Materi 1996 -

2. Kcpala Laboratorium Struktur dan Material jurusan Tcknik Sipil FfSP ITB3. Mahasiswa Program S-2 bidang Rekayasa Struklur jurusan Tcknik SipillTB4. Guru Besar pada.iurusan Teknik Sipil FfSP ITB

461

melingkar) dan pem1ukaan halus, sehinggc1dapat diketc\hui pengaruhnya terhadap daerahintcr1'ace antara model inklusi baja denganmortar mutu tinggi (gambar I). Desaincampuran mortar menggunakan komposisicampuran bet on mutu tinggi denganmenghilangkan kandungan agrcgat kc\sar.Mortar mutu tinggi direncanakan dengan 'mixdesign' yang setaro dengan kuat tekan betonrencana fc : 80 MPa dan menggunakan faktorkomposisi air! semen = 0.28. Benda uji modelinklusi 2 dimensi berisi matriks mortar mututinggi berbentuk pelat bidang ukuran 100 mm x200 mm dan tebal 4() mm yang ditanamkansilinder haja dengan posisi geometri simetrisdan jumlc1h terdiri dari 0, 2, 4, 6 dan I() buah ,seperti tertcra pada gambar 2. Jenis pengujianadalah pengujian kuat tekan pelat model dengan.iumlah masing-masing 0, 2, 4. 6 clan 10 huahinklusi ba,i.1.

Tr~

TorT

T'st.

~~" rI~-- ~-

-1 1

-lliJi-;, I'

I~-- .-I i

rcaksi pozolan yang 1'!1cmbcrikan hasil torma."iIcbih padat dan mortar yang lcbih kuat.Schingga dcngan peningkatan kualitas daerahinterface akan lebih mempcrbaiki dan

mcningkatkan transfer tegangan dari matriks keparlikcl pasir. Pada penelitian Farahad et almcngenai pcrilaku mikrostruktural danmakrostt-uktura.\ beton, dimana agregat kasardimodclkan dengan beberapa silinder granit(inklusi) mcnunjukkan dengan jarak inklusiyang scmakin rapat, maka setiap benda uji akanmcmpcrlihatkan kurva hubungan tegangan danrcgangan makroskopik yang bervariasi. Hal inidischabkan prosentase rongga udara yang besarpad.1 .iarak sempit antar agregat kasar, sehinggatcrjadi keretakan mikrostruktura.\ yang Ichihaw.u 141. Penyelidikan j.lti"il et a.\ pada modelinklusi 2 dimensi dengan variasi diametersilindcr baja menun.jukkan nilai optimum padadi.lmcter 50 mm yang mcningkatkan kuat tekan,sc.tain itu didapat dengan penambahan abutcrhang sehcsar 15 % dari bcrat semen pada

l:.1mpuran mortar mutu tinggi tcrnyata tidakmcmbcrikan pcngaruh yang bcrarti da.\ammcningkatkan kuat tckan benda uji mortar [5].

Penelitian ini bertujuan untukmcngctahui pengaruh geometri tala let.lk,pcrmukaan interface dan distribusi agregatk.lsar yang diwakilk.m olch penambahan inklusiha.ia pad a matriks semen pasir terhadap kuatIck.m dan sit~lt-sifat mekaniknya. Disamping itujuga dari pengujian kuat tekan dapat diketahuipola kcruntuhan benda uji melalui kurvatcgangan -regangan. Masa.\ah dibatasi beberapafaktor yang dianggap tetap, yaitu pada inklusib.l.ia scbagai model agregat kasar buatan yangbcrhcntuk silinder, tidak terjadi 'absorbedwater' hanya terjadi adsorbed waterdipcrmukaan inklusi, homogenilas matriksmorl.lI', sij'al mekanis ink.\usi baja yang pasti.Scd.mgkan sebagai parameter ada.\ah variasi.iumlah dan geometri .tgregat dengan ukuranyang sarna. Tegangan yang diperhitungkanad.tJ.lh o. dan Oy yang sejajar sumbu x dan ypad a benda uji 2 dimensi. Benda uji modelinklusi yang dibual untuk dap.lt mendekatikondisi sesungguhnya, dibuat dengan ketehalanyang sesuai dengan batas ag.lI' dalampenlodelan 2 dimensi tidak dipengaruhi olehtckuk lateral d.lI'i. penguji.m kuat tekanuniaksial.

.,4=

fl

.~

.'-1 -:-1

1

1 \.;"";>1 1 I I ).,{}-I.i, 1L.:!:.==.j.~~ -I I j,JC.',..j,~~ -~"--I ~--~

(;ambar 1.IIII'itra'ii Model IlIklll'ij 2 dimen'ii denganvaria'ii jllmlah inklllsi baja daD posi'ii geometri: (a)lanpa inklusi, (b) 2 inklusi, (c) 4 inkJusi, (d) 6 inkJusi

daD (e) 10 inkJusi.

b

(~ambar 2.lnklusi silinder baja diameter 20 mm dengan( a ) pl'rmukaan ka~ar dan (b) permllkaan halus sebagai

model a~r"gat ka~ar.CARA KERJABahan yang digunakan sebagai mortar

aualah semen Portland, agregat halus. airhersih. plasticizer dan scbagai inklusi agregatkasar uimodelkan silinder baja mulu ST -37diam~t.er 20 mm. Inklusi baja dibual masing-masing 2 jenis. yait.u pcrmukaan kasar (beralur

Pengujian liar bahan dasar penyusunmortar mutu tinggi dilakukan untuk mengetahuisifat Ilsik dan mekanik dengan menggunakanstandar kriteria ASTM [6]. Pengujian mortarseb.1gai matriks. meliputi kuat tekan uni.1ksialpada silinder mortar mutu tinggi ukuran 150mm

462

x 300 mm diuji pada umur 7, 14,28.60 dan 90hall, pcngujian he saran mekanik modulusElastisitas You~g (E) dun Poisson's Ratio (v)silinder mortar deng.m alat ekstensometer danL VDT (linear vari..ble differential transducers).Pengujian Baja sebag.\i hah..n inklusi dilakukanpengujian tarik langsung uniaksial untukmendapatkan fy ( tegang.m /eleh ).

KuvaT~Tda1-~8)

_1dc2-1

---M*2,I_w

00

-..,:D

3)

~

0

0 (

, I " ,I" 02 Q3 11. 05 OS Q1 CIa (1g

~(%)

(~arnbar 4. Kurva Tegangan tekan -Regangan vertikalpad a model mortar dengan 2 inklusi permukaan kasardari hasil pen~u.iian tekan uniaksial pada pel at uknran

100 x 200 mm:!.

KIIva TegangIV1 T~ -fIe!JJ~

..".1

.".2~

'"n'

"'00E~50Z-40

~'"i'2Q

I-

10

" (\ 1 02 03 o. 05 O. 07 ". 0"R_(")

(;ambar 5. Kurva Tegangan tekan -Regangan verllikalpad a model mortar dengan 4 illklll~i permllkaan ka~ardari ha~il pengujian tekan IIniak~ial pada pelat ukuran

lOOx211O mm2.

I4.M T9tJI1 TS81- RgI"gnrJ)

-KH;.1

---K162

HASIL DAN PEMBAHASANAgregat halus menggunak.ln pasir .1sal

Oalunggung berdiameter maksimum 4.7 mill,modulus keh.uusan ( mf ) rata-raUI = 2.8,absorpsi air raJa pasir = 3.227 0/" dan specificgravity ( Os ) = 2.48. Bahan pengikat

menggunakan Semen Portland jenis I (normal)dcngan specific gravity sebesar 3.11. Airscbagai media yang menghasi.lkan reaksi kimiadan tisik dengan semen untuk mengikat semen,menggunakan air bersih dari PAM. Bahan aditifsuperplasticizer y.mg dipakai mempunyai sifatuntuk memudahkan pekeljaan selamapengecoran dan keperluan air yang optim.u.Komposisi mortar / m3 adalah semen porland876 kg, air 187 kg, pasir galunggung 1.1 87 kgdan superplasticizer 17 I. Nilai konsistensislump = 1.4 cm d.m densitas mortar = 2347

kg/m3. Sed.mgkan sifat mekanik baja inklusijuga diuji melalui uji Jarik langsung steel b.lrdcngan hasil mencapai fy = 567 N/mm2 danmodulus elastisitas b.lj.l Es = 31636 N/mm2.

Hasil iJengujian kuat lekan pelatbidang model inklusi dengan permukaan ka-c;arditampilkan dalam bentuk kurva pada gambar 3sampai dengan gamb.lr 7.

A ,

,

:\

KL6vaT~T~-~

-idOO

-idC),1

ickG4

0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 08 Q9

~(%)

(~ambar 6. Kurva Tegangan tckan .Regangan veriikalpada model mortar dcngan () illklllsi permukaan kasardari hasil pengujian tekan IIniaksial pada pelat ukuran

llJOx200 mm2.Kurva Tegangan Tekan -Regangan

:i

-00 i

~ rE;" ,z I-40 I'c

&", I} I

10 I0

09

~(")

o,k"'"'.""0-"O,

~;/

(;ambar 3. Kuna Tegangan tekan .regangan vcrtikalpada model mortar tanpa inklusi dari basil pengujian

tckan uniaksial pada pclat okuran }O<I x 200 mm2.y

0 I 1 I-' , .; I0 0" 02 0' '" os O. 07 ..o.

('. )

(;ambar 7. Kurva Tc~an~an tckall .Rc~an~an vcrtikalpada model mortar den~an 10 illklusi pcrmukaan ".asardari basil pclI~u.iian tekan uniaksial pada pelat ukurall,

lOOx211O nml.Gambar 8 sampai ganlbar 12 adalah kurva basilpcngujian kuat tckan model inklusi denganpernlukaan balus.

463

(;amhar 8. Kurva Tegangan tekan -Regangan vertikalpada model mortar tanpa inklusi hasil pengujian tekan

IIniak~ial pada pclat IIkllran lOOx200 mn)l, Bentuk kurva model. inklusi pada rase naiksebelum puncak runtuh berbentuk kurva non-tinier, kemudian setel.ah puncak runtuh kurvacenderung Lurun tidak teratur disebabkan efckpelepasan ikatan ( bond strength ) sccaraperlahan.-i,,",'.'

--.""'2-iP"'3

(;lImhar 9. Kurva Tegangan tekan -Regangan vertiklllpalla model mortar dengan 2 inklusi permnkaan halu,~dari hasil penguji.m tekan uniaksial palla pelat ukur.m

](I()x2tlO mm2.

X PHALUS -RATA PHALUS 0 PKASAR

(~ambar 13. Kurva hubungan tegangau tekau batas -jomlah inklusi baja dengan pc\VrmUkaillll kasar dan

halos basil cksperimental model inklusi.

Pada gambar 13 memperlihatkan basilpenyebaran seluruh pcngujian model inklusidalam hubungan kuat tekan mortar mutu tinggidcngan variasi jumlah inklusi baja pcrmukaankasar dan halus. Hasil rak1 -rata tiap jenispenllukaan inklusi dihubungkan mcmhemukkurva yang menunjukkan bahwa mortar mututinggi tanpa inklusi kuat tekannya lebih tinggidari kuat tekan dengan variasi jumlah inklusi.sehingga komribusi yang dibcrikan olch adanyamulti inklusi tidal meningkatkan kuat tckan.Model dengan 2 inklusi umuk pcrmukaan kasar,(= 52.55 N/mm-) maupun halus (= 50.54N/mm2) mcmberikan kU.lt tekan lebih besar daTipada kuat tekan dengan 4,6 dan 10 inklusi. Daribentuk kurva memperlihatkan pada inklusi 10buah permukaan halus kuat tekan = 45.31N/mm2 menun.jukkan peningkatan kU.lt .mmralain discbabkan distribusi transfcr tegang.ul daTimatriks mortar ke multi-inklusi baja semakinbail.

464

~ ~ T8a1- Unr r.bta' Mtu liiW

4

5

6.

Pada gambar 14 adalah hasi.l pengujian kuattekan silinder mortar menurut umur 7, .14, 28,60 dan 90 hari pengujian. Bila salingdihubungkan membentuk kurva yang dapaldidekati dengan persamaan hasil regresi nonlinier j"c = a t" dengan korelasi R2 = 0.994.Kuat lekan rata- rau} mortar mutu tinggimencapai 71.13 N/mm2 raJa umur mortar 90hari. Se.lain itu dari pengujian defoflnasi aksialdan lateral mortar pada kondisi e.lastismcmbcnluk kurva (J -f sebesar 60 % daritcgangan tekan runll1h dilampilkan pada gambar15. Hasi.l da:-i pcngujian tersebul adalahmodulus el.}tisitas mortar ( Em ) mencapai

, .29372 N/mm- raJa umur mortar 60 harl daDPoisson's ratio ( v ) mencapai 0.216 pada umur90 hari.

7.

dan jumlah tertentu mcnghasilkan kuattekan yang lehih rendah daTi pada kualtekan mortar tanpa inklusi.Jenis kckasaran pennukaart model inklusimempengaruhi et"ek lekatan an tara mm1ardan inklusi baja. sehingga denganpennukaan kasar kekuatan tekan akan naik.Kepadatan ( density) pacta interface antarpasir dan pasta semen lehih bail daripadainklusi haja dengan mortar mutu tinggi.Model multi-inklusi 2 huah denganpermukaan kasar memherikan hasil lerbaikdibandingkan dengan model inklusi 4.6,<.Ian 10 buah, dengan kuat tekan mcncapai52.55 N/mm2.Kurva hubungan kual tekan -umur (gamhar 14) silindcr uji mortar mutu tinggi<.Iapat didekati dengan fungsi rcgrcsi foc =40.6137 t 0122.\07 dengan korelasi R2 =

0.994Retak awal yang terjadi diawali padadaerah interface antara multi-inklusi bajadan matrik." mortar, sehingg.l merupakan<.Iaerah femah ( weak link) pacta beton.

8.

~Te!JI"'9Il-~8~s

9)

'*' I -1R71T---"'71T

---3) 1R141T""~ "'141T

"""""""--'. ~ 3J 1R21T-'-, ---"':BIT

-"'-'~ -lJ!6J1T"'..",.\j;6)1T

I" .~ ---t --+-t~-~1T

,,2; ~ "2 "'75 .QIS .Q1:5 '" -'1015 .Q<E~ o QQ:5 Q~!'

~I8tiBN ~L*8N

(;ambar 15. Kurva Tegangan Tekan .Regangan basilpengujian modulus Elastisitas dan Poisson's ratio

denl:an berbagai umur nlortar( ket: LR = reganganlateral, VR = rc~an~an aksial /vertikal).

~

1zcm~I-cmC1c

~..

"'-.""

'"

KESIMPULANI. Untuk model inklusi dengan permukaan

halus. jumlah inklusi 1.0 silinder baja

menunjukkan adanya perbaikan tingkatkuat tekan dibandingkan dengan inklusi 4

d.m 6silinder baj.l.2. Keruntuhan mau-iks mortar yang tiba-tiba

umumny.l bersif.lt getas dan membentukkeruntuhan columnar.

3. Multi-inklusi pada matriks mort.'\r untukinklusi silinder baja ukuran diameter 20mm dengan posisi geometri y.mg simetris

DAFTAR PUSTAKAI BENTUR, A. .GOLDMAN, A. , AND

COHEN, M.D. -'The Contibution of ThcTransition Zone of The Strength of HighQuality Silica Fume Concrete', Mat, Res.Soc. Symp. Proc. Vol.114, 19R8, MaterialResearch Society. pp 97-105.

2 BESARl, M.S., MUNAF , D.R..HANAFIAH .'The Effect Of Fly Ash AndStrength Of Aggregate to Mechanic,\!Properties Of High Strength Concrete',Conference of Concrete and Structures.Singapore, 25-27 August 1992.

3 LARBI, J.A, 'Microstructure of thcInterl',\cial Zone around AggregatcParticles in Concrete'. HERON Vol. 38No.I,Delft University of Technology,1993.

4 FARAHAD, A. M.. .KAWAKAMI, M.,AND TANABE, T. ' Experimental

Observation of MicrostTuctural Behaviourof Concrete " Journal of Material in Civil

Eng.. May 1995, pp 87-95.5 JAFR1L, T. 'A Finite Element Model For

A Two Dimensional Inclusion Problem',Proc. of the3 rd Regional Conference OnComputer Applications In CivilEngineering, Kuala Lumpur, Malaysia.2nd -4t11 August 1994.

6 Annual Book of ASTM Standards, Volume04.02,'Conerete and Aggreg,lIes' ,1993,

7 SHAH.S.P.. AHMAD,S.H, .' HighPerf()rmanee Concrete ': Properties andApplications', Edward Arnold. 1994.

465

ANG. H.S. AND TANG, W.H.,

'Probability Concept In EngineeringPlanning and Design " Vol I, John Wiley

and Sons Inc. Ncw York, 1975.DARWIN, D. AND ZHENJIA, S. ,.' SilicaFume, Bond Strength and The

Compressive Strength Of Mortar', Mat.Res. Soc, Symp, Proc, vol. 1 14, MaterialResearch Society, pp 105 -110,1988.

10 NEVILLE, A. M. 'Properties ofConcrete', Third Edition, ELBS, Singaporc,1990.

9

'"

~,o~..~i "~

~i~ '0

.Dosis Pereduk,-; Air (cdkg p.c.)

Gambar Rcduksi Kadar Air

466

-:a-~~ .,r~

j '"!~~ "~

~...e:~~.: .,..~~~ 4.

..

'5

Gambar 3. Pengaruh dosis pada ku.u tekan

..Do.i. Pereduk..i Air (cJ:iIcg p.c.)

467

Gambar 4. Kuat. lckan maksimum

468

-

~J.

~S~ "~~ 10"10,

'

'.."

'","";

6. Pengaruh dosis

optimum

':-,.

50

'~,~

.,

"

Gam

bar 5. P

eningkatan K

uat Tckan