Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

8
 Tugas Komposit 3 Polypropylene fibre reinforcement of lightweight cementitious matrices Rhidiyan Waroko 0806331935 Departemen Teknik Metalurgi dan Material Program Studi Teknik Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia Depok 2012 

Transcript of Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

Page 1: Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

5/14/2018 Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices - sli...

http://slidepdf.com/reader/full/polypropylene-fibre-reinforcement-of-lightweight-cementitio

Tugas Komposit 3

Polypropylene fibre reinforcement of lightweight cementitious matrices

Rhidiyan Waroko

0806331935

Departemen Teknik Metalurgi dan Material

Program Studi Teknik Material

Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Depok 2012 

Page 2: Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

5/14/2018 Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices - sli...

http://slidepdf.com/reader/full/polypropylene-fibre-reinforcement-of-lightweight-cementitio

Polypropylene fibre reinforcement of 

lightweight cementitious matrices

PendahuluanConcrete telah banyak digunakan sebagai bahan rekayasa struktur karena kekuatan tekan yang tinggi,

harga murah dan bahan mentah yang tersebar. Tetapi, concrete memiliki masalah yang umum.

Seperti penyusutan dan adanya crack , low tensile kekuatan flexural yang rendah, ketangguhan yang

buruk, ketahanan impak yang buruk, dll, hal tersebut tentu sangat menganggu dalam aplikasinya.

Secara umum, penyebab terjadinya crack adalah sebagai berikut[2-5]

:

1.  Penyusutan plastis : karena kehilangan sejumlah air akibat evaporasi.

2.   Autogeneous shrinkage: penyusutan kimia (volume hidrat yang lebih rendah daripada semen

dan air) + autodessication (pengurangan volume air akibat hidrasi).

3.  Penyusutan termal : terjadi akibat turunnya temperatur lingkungan.

4.  Penyusutan kering : kehilangan air ke lingkungan.

5.  Penyusutan karbonasi : reduksi volume karena reaksi hydrated cement paste dengan CO2.

Untuk mengatasi masalah crack  tersebut, maka para peneliti melakukan pencampuran concrete

dengan fiber. Fiber-reinforced concrete (FRC) telah berhasil digunakan untuk aplikasi struktural

karena flexural-tensile strength yang sangat bagus, ketahanan terhadap pecah, ketahanan terhadap

impak,  permeability yang baik dan ketahanan terhadap suhu dingin. Desain material ini juga tepat

untuk meningkatkan keyangguhan, ketahanan impak dan ketahanan terhadap penyusutan plastis

[1,5]

.

Beberapa jenis fiber, yang sintetis dan alami telah dicoba untuk digunakan pada concrete. Propertis

dari FRC, seperti ketahanan terhadap crack, penguatan dan ketangguhan tergantung terhadap dari

propertis mekanik dari fiber, propertis ikatan antara fiber dengan matriks serta jumlah dan distribusi

fiber didalam matriks[7-9]

. Dalam hubungannya dengan modulus elastic, fiber dibagi kedalam dua tipe,

yaitu fiber yang memiliki modulus elastis lebih rendah daripada matriksnya (polipropilene (PP),

poliacrilonitril (PAN)) dan fiber yang memiliki modulus elastis yang lebih besar dari matriksnya (fiber

asbes, fiber glass, fiber baja, fiber karbon, fiber aramid, dst). Uji kelayakan penggunaan fiber

tersebut didalam matriks telah banyak dilakukan. Fiber dengan modulus elastis yang lebih rendah,

digunakan untuk mengontrol crack  dan membatasi lebar crack . Untuk mengurangi fenomenapenyusutan dan cracking, kombinasi antara fiber dengan modulus elastis yang rendah dengan

modulus elastis yang lebih tinggi memberi hasil yang bagus[10]

. Alhozaimy dkk meneliti tentang

penambahan 0,1% fiber PP kedalam concrete dapat meningkatkan sekitar 44% ketahanan  flexural 

dari concrete[9]

. Hughes dan Fattuhi melaporkan bahwa penambahan jumlah fiber akan menurunkan

kekuatan tekan namun meningkatkan ketahanan  flexural [11]

. Tetapi ada penelitian yang melaporkan

bahwa pada material komposit nylon FRC ketahanan tekan, kekuatan splitting tensile, dan modulus

of rupture (MOR) meningkat seiring penambahan 6,3%, 6,7% dan 4,3% dari fiber PP[5]

. Sebaliknya,

beberapa peneliti telah menyampaikan bahwa fiber PP sangat bagus digunakan untuk meningkatkan

ketahanan terhadap unsur alkali, dibanding dengan fiber polimer yang lainnya[3,12]

. Pakraven dkk,

menyampaikan hasil penelitiannya bahwa tidak ada perubahan kekuatan terhadap fiber PP setelah

direndam didalam alkali selama 28 dan 56 hari. Hal tersebut menyakinkan bahwa pada lingkungan

Page 3: Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

5/14/2018 Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices - sli...

http://slidepdf.com/reader/full/polypropylene-fibre-reinforcement-of-lightweight-cementitio

alkali, concrete dengan fiber PP baik untuk digunakan[4]

. Pakraven dkk, juga melaporkan bahwa

dibandingkan dengan fiber lain (glass, PAN, dan high srtength nylon 66), fiber PP lebih memiliki sifat

hidofobik, pembasahan yang kurang terhadap cement paste dan memiliki ikatan yang lebih bagus

daripada yang lain[3]

.

Hasil Pengujian dan DiskusiPenggunaan material PP sebagai fiber pada matriks concrete telah dijelaskan sebelumnya. Pengaruh

panjang fiber dan diameter fiber yang digunakan, serta variabel fraksi volume terhadap propertis

mekanik dan fisik FRC diteliti oleh Roohollah dkk[2]

. Material yang digunakan pada penelitian

tersebut adalah fiber PP yang diproduksi opeh PP fiber Production Company. Spesifikasi fiber

dijelaskan pada Tabel 1. Semen portland IS 12269 digunakan sebagai campuran concrete. Pasir

dengan spsific gravity 2.65 g/cm3

dan sprit dengan 2.64 g/cm3

digunakan sebagai campuran concrete.

Pencampuran dilakukan dengan target kekuatan 40 MPa. Komposisi campuran akhirnyanya adalah

350 Kg/m

3

, semen 184 Kg/m

3

, air 0.40 berbanding persen semen dan 1,35% napthtalene-based superpasticizer . Total fiber PP dipertahanankan pada komposisi 0,1-0,3% (Tabel 2).

Tabel 1. Propertis mekanik dan fisik dari fiber-fiber yang digunakan pada penelitian Roohollah dkk

Tabel 2. Komposisi campuran concrete pada penelitian Roohollah dkk.

Pengujian yang dilakukan untuk mengetahui propertis meknaik dan fisik dari material komposit yang

telah dibuat tersebut adalah pengujian kekuatan tekan,  flexural strength, uji tarik, uji permeabilitas

air dan udara dan shrinkage cracking.

Hasil dari pengujian tersebut ditampilkan pada Tabel 3. Hasil dari masing-masing pengujian

merupakan nilai rata-rata dari tiga spesimen uji, dan untuk masing-masing uji, nilai yang didapat

dianalisa secara statistik dengan bantuan software ANOVA.

Page 4: Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

5/14/2018 Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices - sli...

http://slidepdf.com/reader/full/polypropylene-fibre-reinforcement-of-lightweight-cementitio

Pada Tabel 3, dapat disimpulkan penggunaan fiber tidak memberi efek yang signifikan terhadap

kekuatan tekannya pada hari ke-7 dan hari ke-28. Tetapi penggunaan fiber ini memberikan efek yang

lebih efisien terhadap pembebanan setelah collapse[6]

.

Hasil uji flexural strength ditampilkan pada Tabel 3, menunjukkan hasil yang baik. Penambahan fraksi

volume fiber dapat meningkatkan nilai  flexural strength dari FRC. Spesimen dengan komposisi fiber

yang tinggi(P3 dan P4) memberikan hasil yang maksimum. Hal tersebut dikarenakan kontribusi dari

fiber yang lebih banyak selama pembebanan tarik sebelum sampel mengalami patahan. Selain itu,

dari pengujian ini juga dapat disimpulkan penggunaan fiber PP fibrillated lebih baik daripada fiber PP

monofilament. Hal tersebut dikarenakan, ketahanan terhadap slip yang lebih baik pada fiber PP

 fibrillated  pada spesimen P4, mampu memberikan penguatan yang tinggi dan connectivity index 

pada saat ditekan dibanding monofilament yang mudah untuk mengalami slip.

Tabel 3. Hasil dari pengujian propertis mekanik dan fisik dari spesimen

Gambar 1. Skematik pengujian split tensile strength.

Page 5: Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

5/14/2018 Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices - sli...

http://slidepdf.com/reader/full/polypropylene-fibre-reinforcement-of-lightweight-cementitio

Pada pengujian split tensile strength dari fiber PP dalam concrete (Tabel 3), memiliki nilai yang lebih

tinggi daripada concrete tanpa fiber. Split tensile strength pada sampel P2 dan P3 meningkat 7,36%

dan 15, 79% dibanding dengan unreinforcement concrete dalam perbandingan pada penelitian Song

dkk[5]

. Dapat disimpulkan jiga bahwa sampel dengan aspect ratio yang tinggi (P2) dan fraksi volume

yang tinggi (P3) memiliki ketahanan terhadap slip yang lebih baik.

Gambar 2. Cross section dari fiber PP

Gambar 3. Slipping dari fiber PP monofilament setelah uji flexural strength .

Ketangguhan adalah total energi yang diserap sebelum terjadinya patahan.Dapat disimpulkan,

penggunaan fiber PP dalam concrete dapat meningkatkan ketangguhan secara signifikan sehingga

lebar crack yang terbentuk dapat terkontrol akibat peningkatan ketangguhan.

Page 6: Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

5/14/2018 Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices - sli...

http://slidepdf.com/reader/full/polypropylene-fibre-reinforcement-of-lightweight-cementitio

Dengan penambahan fiber PP, durability parameter  (permeabilitas air dan udara) pada concrete

menunjukkan adanya peningkatan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Hal tersebut jelas terlihat

karena adanya penguarangan nilai dari water infusion dan permeabilitas udara. Durability yang lebih

lama ditunjukkan pada fiber PP monofilament daripada concrete dengan fiber PP fibrillated .

Gambar 4. Tensile Load vs Deformasi dari concrete dan FRC

Efek dari fiber aspect ratio dan crack controlDengan penambahan fiber PP pada matriks semen, penyusutan berkurang. Pengurangan tersebut

sangat signifikan, terutama pada awal-awal pencetakan, seperti terlihat pada Gambar 5. Pada saat

pembentukkan crack di FRC, fiber akan mencegah dengan menghalangi pembukaan crack berikutnya.

Pada pengurangan penyusutan, fiber akan membawa tekanan melewati crack  dan membawanyamengelilingi fiber sehingga energi seduah terserap untuk mengelilingi fiber dan jika energi tersebut

melewati crack, maka tidak dapat menambah panjang crack karena energi yang kurang. Jika semakin

banyak penambahan fiber, maka akan semakin banyak terbentuk crack  dengan lebar yang kecil.

Crack yang paling lebar dan jumlah crack terlihat pada tabel 4.

Gambar 5. Perubahan lebar crack (mm)

Page 7: Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

5/14/2018 Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices - sli...

http://slidepdf.com/reader/full/polypropylene-fibre-reinforcement-of-lightweight-cementitio

Tabel 4. Maksimum lebar crack dan jumlah crack per area dari masing-masing sampel

Salah satu hal yang penting dalam FRC adalah aspect ratio. Pada tabel 4, pada sampel P1 dan P2,

dapat disimpulkan penambahan panjang fiber atau pengurangan lebar diameter crack  fiber, akan

mengurangi aspect ratio secara signifikan (Tabel 1). Hal tersebut dikarenakan, dengan penambahan

aspect ratio pada concrete, maka akan meningkatkan specific area dari fiber, sehingga akan

meningkatkan propertis mekanik fiber dalam concrete. Jika dibandingkan dengan sampel P3 denganP1 dan P2, maka akan jelas terlihat, peningkatan fraksi volume dari fiber akan mengurangi lebar

crack yang terbentuk. dan terakhir, fiber monofilament lebih efektif digunakan untuk mengontrol

shrinkage crack daripada fiber fibrillated.

Kesimpulan1.  Penambahan fiber PP dengan fraksi yang rendah (0,1-0,3%) sangat membantu untuk

meningkatkan mikrostruktur, ketahanan dari pembentukkan dan perambatan microcrack  di

dalam concrete.

2.  Fiber dengan aspek ratio yang besar dapat memberi kontrol yang lebih baik terhadap lebarcrack .

3.   Aspect ratio yang baik adalah 86.36 dengan diameter dan panjang fiber adalah 22m dan 19mm.

4.  Maksimum lebar crack  dalam FRC dapat diprediksi dengan menggunakan metode fiber

parameter (permeabilitas air dan udara)

Page 8: Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices

5/14/2018 Polypropylene Fibre Reinforcement of Lightweight Cementitious Matrices - sli...

http://slidepdf.com/reader/full/polypropylene-fibre-reinforcement-of-lightweight-cementitio

Referensi1.  Bagherzadeh, Roohollah., Sadeghi, Abdol-Hossein., Latifi, Massoud. “Utilizing polypropylene

fibers to improve Physical and mechanical properties of concrete”. Textile Research Journal 82

(1) 88 –96. 2011.

2. 

ACI-Committee-544. State-of-the-art report on fiber reinforced concrete. Michigan : FarmingtonHills, 1996.

3.  Brandt AM. Cement-based composites : Materials ,mechanical properties and performance.

Taylor & Francis: Abingdon, 2009.

4.  Pakravan HR, Jamshidi Mand Latifi M. Performance of fibers embedded in a cementitious

matrix . Jappl PolymSci 2010; 116: 1247 –1253.

5.  Song PS, Hwang Sand Sheu BC .Strength properties of nylon and polypropylene-fiber-reinforced

concretes. Cement Concrete Res 2005 ;35: 1546 –1550.

6.  Brown R, Shukla Aand Natarajan KR. Fiber reinforcement of concrete structures Kingston :

University of Rhode Island Transportation Center,2002.

7.  Alhozaimy AM, Soroushian Pand Mirza F . Mechanical properties of polypropylene fiber

reinforced concrete and the effects of pozzolanic materials. Cement Concrete Composites 1996;

18 : 85 –92.

8.  Kim DJ, Naaman AE and El-Tawi lS. Comparative flexural behavior off our fiber reinforced

cementitious composites. Cement Concrete Composites 2008; 30:917 –928.

9.  Mindess Sand Vondran G. Properties of concrete reinforced with fibrillated polypropylene

fibres unde rimpact loading. Cement Concrete Res 1988;18:109 –115.

10.  Qian CX and Stroeven P. Development of hybrid polypropylene steel fibre-reinforced

concrete.Cement Concrete Res 2000;30:63 –69.

11.  Akkaya Y,Ouyang Cand Shah SP. Effect of supplementary cementitious materials on shrinkage

and crack deveopment in concrete. Cement Concrete Composites 2007;29:117 –123.

12.  Balaguru Pand Slattum K. Test methods for durability of polymeric fibers in concrete and UV

light exposure. Am Concrete Inst, Special Publication 1995;155:115 –136.