Ultra High Performance Concrete – Beton Berbasis Teknologi Nano

Albert Valentinus Christy Wibowo - 01512009

Postgraduate Program in Civil Engineering

Petra Christian University

Surabaya

Pendahuluan• Ultra-High Performance Concrete adalah beton yang mempunyai

karakteristik sebagai material yang sangat padat dengan kuat tekannya bisa mencapai antara 150 - 250 MPa. Beton ini memungkinkan diciptakannya struktur beton yang ramping & ringan, disamping dapat menghemat energi dan bahan alam. Kepadatan UHPC yang tinggi memberikan pula keuntungan UHPC ini mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap serangan zat cair ataupun gas yang berbahaya.

• Dasar ide pembuatan UHPC adalah meningkatkan apa yang disebut dengan “Packing Density” dari matrix semen dan mengurangi secara ekstrim water cement ratio sampai dengan 0.2. Untuk itu, campuran UHPC berbeda dengan campuran beton normal, yaitu ditinggalkannya penggunaan agregat kasar dan halus berukuran makro, sebagai gantinya digunakan agregat yang sangat halus dengan rentang ukuran nanometer. Kuat tekannya yang tinggi berkorelasi dengan sifat UHPC yang getas (brittle), tetapi dengan penulangan ataupun penambahan serat baja yang tepat akan tetap dapat diperoleh struktur UHPC yang bersifat daktail dengan struktur yang ramping, tetapi dapat memikul beban sekuat baja.

Teknologi Beton UHPC• Pada dasarnya prinsip teknologi beton UHPC adalah sama seperti

pada beton normal, dimana kita mencari susunan gradasi ukuran butiran yang dapat mengisi ruang kosong pada matrix semen ini. Yang membedakannya adalah pada perencanaan campuran UHPC berbasis Teknologi Nano, dimana ukuran butiran yang digunakan dalam rentang nanometer (disingkat nm). Melalui pemilihan gradasi butiran halus ini akan diperoleh kepadatan per satuan volume (Packing Density) sangat tinggi.

Teknologi Beton UHPC• Campurannya terdiri dari butiran-butiran sangat halus terletak pada

ukuran submikroskopis, yaitu: mikrosilika berukuran antara 0.05 – 0.8 m, tepung Quartz dan semen berukuran 10 m – 60 m, pasir halus berukuran 500 m – 1250 m.

• Dalam merancang perencanaan campuran untuk UHPC yang dikembangkan oleh Prof. Schmidt ada 5 hal pokok yang membedakan antara campuran UHPC dengan beton konvensional, yaitu: – Ditinggalkanya penggunaan agregat kasar (10 mm - 35 mm) pada campuran

beton, sehingga hanya digunakan agregat halus, yaitu pasir halus (quartz sand) dengan ukuran 0.125mm/0.50mm.

– Digunakannya dalam campuran agregat yang sangat halus yaitu tepung Quartz yang berukuran dalam rentang nanometer, antara 16 – 90 μm

– Seperti halnya penggunaan tepung reaktif mikrosilika pada beton mutu tinggi, maka mikrosilica pun digunakan pada UHPC agar diperoleh CSH reaksi kedua.

– Sama seperti halnya pada teknologi beton SCC (Self Compacted Concrete), maka UHPC pun menggunakan superplatisizer terutama tipe Polycarboxylatether (PCE). UHPC yang rasio air dan semennya ekstrim kecil, memerlukan superplastisizer agar beton segar mudah dikerjakan.

– Digunakannya serat baja halus mutu tinggi agar diperoleh sifat keruntuhan yang daktail.

Bahan Campuran UHPCSemen

• Semen untuk UHPC adalah semen PC yang mempunyai kandungan C3A (Tricalcium Aluminate) paling sedikit. Hal ini dimaksudkan untuk memudahkan terjadi pembentukan kristal CSH orde kedua.

• Untuk melakukan optimasi kepadatan maka digunakan mikrosilica dan tepung Quartz dengan usuran butiran yang berbeda. Untuk mendapatkan penyebaran ukuran butiran tidak dapat diperoleh dengan menggunakan saringan konvensional, tetapi untuk itu digunakan alat ukur grain meter antara lain: Coulter Counter, Laser Grain Meter.

Agregat• Seperti halnya beton normal, UHPC dapat pula direncanakan untuk

berbagai variasi penggunaan agregat. UHPC saat ini dikembangkan hanya menggunakan agregat halus yaitu pasir ukuran 0.125 – 0.5 mm dengan analisa saringan.

Bahan Campuran UHPC

Superplastizer• UHPC mengandung antara 350 sampai 400 l/m3 campuran butiran

sangat halus, yang menjadikan kandungan airnya ekstrim sedikit, yaitu rasio air semen antara 0.2 sampai 0.25. Oleh sebab itu agar beton segar UHPC dapat dikerjakan diperlukan superplastisizer berbasis Polycarboxyltatehter (PCE) yang akan memberikan tingkat workability yang terbaik.

Bahan Campuran UHPCSerat Baja

• Serat baja digunakan terutama untuk meningkatkan daktilitas dari beton. Tanpa serat baja, sifat keruntuhan UHPC akan sangat getas , karena energi yang terkumpul sebelum keruntuhan sangat besar, dan dalam waktu seketika akan terlepas sebagai ledakan pada saat UHPC mengalami keruntuhan. Serat baja yang digunakan berdiameter 0.15 sampai 0.20 mm dengan panjang 40 sampai 60 mm. Penggunaan serat baja dengan panjang 60 mm menunjukkan tingkat daktilitas yang lebih baik. Serat baja yang digunakan mempunyai mutu yang sangat tinggi, dengan fy = 1500 MPa.Dengan memperhatikan orientasi serat pada saat pengecoran, penggunaan serat baja akan pula meningkatkan kuat tarik lentur UHPC sampai mencapai 25 MPa.

Packing Density• Packing Density adalah istilah yang digunakan pada rencana

campuran UHPC agar diperoleh campuran dengan kepadatan yang maksimum, yaitu dengan meminimalkan rongga kosong antara butiran / partikel.

Bahan Campuran UHPCPacking Density

• Oleh sebab itu terjadi hubungan yang erat antara gradasi ukuran partikel bahan campuran dan packing density. Untuk penyerdehanaan menurunkan persamaan matematisnya, maka diasumsikan bahwa semua partikel berbentuk bulat. Dari hasil penelitian diusulkan bahwa efek pengisian rongga kosong akan optimal bila kita menggunakan partikel-partikel halus dan partikel kasar yang memenuhi perbandingan diantara keduanya sebagai maksimal 0,315.

Bahan Campuran UHPCPacking Density

• Sebagai contoh gambar 4 menunjukkan campuran yang optimal dari 2 bahan campuran yang terdiri dari bahan dasar dengan diameter rata-rata partikel 47 μm dan bahan pengisinya dengan diameter rata rata 3,0 m. Bila hanya terdiri dari bahan campura satu macam maka hanya akan diperoleh tingkat sub optimal.

Standar Desain UHPC Sebagai Bahan Struktur• UHPC sampai saat ini belum digunakan secara umum sebagai

bahan struktur. Tetapi, diberbagai negara maju UHPC telah diterapkan sebagai material struktur untuk berbagai bangunan, terbanyak untuk struktur jembatan, walaupun untuk proyek ini masih dalam tahapan penelitian, yang pembangunannya diawasi ketat.

• Sifat fisik yang terpenting pada UHPC adalah kuat tekannya yang bisa mencapai sekuat baja sebesar 200 - 250 Mpa. Dari berbagai penelitian , secara umum disepakati UHPC perlu ditambahkan serat baja mutu tinggi sebesar 2 – 2,5 % volume, agar diperoleh sifat keruntuhan yang daktail. Hubungan tegangan regangan UHPC tersebut adalah hampir linear sampai mencapai tegangan maksimumnya, dengan Young Modulus 55 Gpa. Dengan penambahan serat baja, maka hubungan tegangan regangan akan mempunyai grafik menurun setelah UHPC mencapai kuat maksimum sebelum dia runtuh, menandakan terjadinya deformasi.

• Beberapa sifat fisik lainnya adalah: – Kuat tarik terletak antara 12 Mpa sampai 17 Mpa – Kuat Tarik lentur antara 35 Mpa sampai 40 Mpa.

Standar Desain UHPC Sebagai Bahan Struktur• Selain mempunyai kekuatan tinggi, UHPC sebagai material tanpa

pori-pori kapiler akan memberikan kinerja yang jauh lebih baik daripada beton konvensional. Tingginya packing density menyebabkan UHPC mengalami proses karbonisasi yang minimal, daya tahan terhadap abrasi zat-zat kimia berbahaya sangat baik, memberi perlindungan terhadap korosi tulangan di dalam kontruksi juga lebih baik.

Tantangan Pengembangan UHPC Di Indonesia• Seperti halnya di berbagai negara maju, UHPC masih terus diteliti

agar pada saat nya dapat digunakan secara umum untuk berbagai struktur. Berbagai penelitian dasar seperti kuat lentur, kuat geser , daktilitas, confinement dll masih perlu dilanjutkan, agar UHPC dapat segera dicantumkan dalam standard peraturan desain ( design code). Sedangkan di Indonesia kita harus mengembangkan rencana campuran yang menggunakan bahan lokal yang ada. Beberapa hal yang perlu dilakukan adalah antara lain tersedianya semen yang kandungan C3A nya rendah, industri yang dapat menghasilkan tepung Quarz, peralatan untuk mengukur gradasi partikel berukuran nano meter. Dengan tersedianya rencana campuran UHPC berbahan lokal, maka pembuatan benda uji untuk penelitian selanjutnya dapat dibuat oleh peneliti.

TERIMA KASIH

Ultra High Performance & Volume Fly Ash Concrete

• Ultra-High Performance Concrete– Material yang sangat padat dengan kuat tekan mencapai antara 150 - 250 MPa.– Beton ini memungkinkan diciptakannya struktur beton yang ramping dan ringan ,

tetapi dapat memikul beban sekuat baja, disamping dapat menghemat energi dan bahan alam.

– Kepadatan UHPC yang tinggi memberikan pula keuntungan UHPC ini mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap serangan zat cair ataupun gas yang berbahaya.

• High Volume Fly Ash Concrete– Dgn. memasukkan sekitar 50 - 60% bahan pengganti semen (Fly Ash or Ground

Granulated Blast Furnace Slag) dapat mengurangi emisi CO2 hingga 20 – 40 % sehingga menjadi strategi desain jangka pendek dan jangka panjang yang dibutuhkan untuk mengurangi dampak lingkungan.

– Meningkatkan kualitas dan daya tahan beton dengan menggabungkan workability, permeabilitas yang rendah, mengurangi kecenderungan untuk retak dan kuat tekan sebanding dengan portland semen beton konvensional.

Ultra High Performance & Volume Fly Ash Concrete

• High Volume Fly Ash Concrete

The typical characteristic properties of HVFA concrete would be :– A minimum of 50 to 60% ASTM Class F fly ash by mass of

cementitious materials.– Low water content, generally less than 130 kg/m3 of concrete.– Cement content not more than 200 kg/m3 of concrete, but

generally about 150 kg/m3.– Very low dosage of a superplasticizer, if needed to achieve

slumps ranging from 150 to 200 mm.– Air entraining admixtures should be used in hot climates to make

concrete more impervious and drastically reduces bleeding.– Low water-cementitious ratio, w/cm , generally less than 0.35.