2.2. Bahan-Bahan Penelitian
2.2.1. Tanah Lempung
2.1.2.2. Lempung dan Mineral Penyusunnya
Mineral lempung merupakansenyawasilikat yangkompleksyang terdiri darialuminium,magnesium danbesi.Duaunitdasardariminerallempungadalah silika tetrahedradan aluminium oktahedra. Setiap unittetrahedra terdiri dari empatatom oksigenyangmengelilingisatuatom silikondanunitoktahedraterdiri darienamgugusionhidroksil(OH)yangmengelilingiatomaluminium(Das, 2008).
Satuan struktur dasar dari mineral lempung terdiri dari silika tetrahedron dan aluminium octahedron.Satuan-satuan dasar tersebut bersatu membentuk struktur lembaran dan jenis-jenis mineral lempung tersebut tergantung dari komposisi susunan satuan struktur dasar atau tumpuan lembaran serta macam ikatan antara
masing-masing lembaran.
Unit-unitsilikatetrahedraberkombinasimembentuklembaransilika(silicasheet) dan unit-unit oktahedraberkombinasi membentuk lembaran oktahedra (gibbsite sheet). Bilalembaransilikaituditumpukdiataslembaranoktahedra,atom-atomoksigen tersebut akan menggantikan posisi ion hidroksil pada oktahedra untuk memenuhi keseimbangan muatan mereka.
(a) (b)
(c) (d)
(e)
Gambar 2.13StrukturAtomMineral Lempung (a )silicatetrahedra; (b)silica sheet ; ( c )aluminium oktahedra ; (d ) lembaran oktahedra (gibbsite) ; ( e )lembaran silika –
Lempung terdiri dari berbagai mineral penyusun, antara lain mineral lempung (kaolinite, montmorillonite, dan illite group) dan mineral-mineral lain dengan ukuran sesuai dengan batasan yang ada (mika group, serpentinite group)
1. Kaolinite
Kaolinite adalahhasil pelapukan sulfat atau air yang mengandung karbonatpadatemperatursedang. Dimanakaolinitemurniumumnya berwarnaputih,putihkelabu,kekuning-kuningan ataukecoklat-coklatan. Mineralkaoliniteberwujudseperti lempengan-lempengantipisdengan diameter1000Åsampai20000Ådanketebalandari100Åsampai1000 Å denganluasanspesifikperunit massa±15m2/gr. Silikatetrahedramerupakanbagiandasar daristrukturkaoliniteyangdigabungdengansatu lembaranaluminaoktahedran(gibbsite) danmembentuksatuunitdasar dengantebalsekitar 7,2Å (1Å=10-10m)sepertiyang terlihatpada Gambar2.14a.Hubunganantarunit dasarditentukanolehikatanhidrogen dan gaya bervalensi sekunder. Kedua lembaran terikat bersama-sama, sedemikian rupa sehingga ujung dari lembaran silika dan satu dari lapisan lembaran oktahedra membentuk sebuah lapisan tunggal. Dalam kombinasi lembaran silika dan aluminium, keduanya terikat oleh ikatan hidrogen (Gambar 2.14b). Pada keadaan tertentu, partikel kaolinite mungkin lebih dari seratus tumpukan yang sukar dipisahkan. Karena itu, mineral ini stabil dan air tidak dapat masuk di antara lempengannya untuk menghasilkan pengembangan atau penyusutan pada sel satuannya. Mineral kaolinite memiliki rumus kimia sebagai berikut:
(OH)8Al4Si4O10
Gambar struktur kaolinite dapat dilihat pada Gambar 2.14
Gambar 2.14 (a) Diagram skematik struktur kaolinite (Lambe, 1953) (b) Struktur atom kaolinite (Grim, 1959)
2. Montmorillonite
Montmorillonite adalah nama yang diberikan pada mineral lempung yang ditemukan di Montmorillon, Perancis pada tahun 1847. Montrnorillonite, disebut juga dengan smectite, adalah mineral yang dibentuk oleh dua lembaran silika dan satu lembaran aluminium (gibbsite) (Gambar 2.15a). Lembaran oktahedra terletak di antara dua lembaran silika dengan ujung tetrahedra tercampur dengan hidroksil dari lembaran oktahedra untuk membentuk satu lapisan tunggal (Gambar 2.15b).
Gambar 2.15 (a) Diagram skematik struktur montmorrilonite (Lambe, 1953) (b) Struktur atom montmorrilonite (Grim, 1959)
Mineral montmorillonite memiliki rumus kimia sebagai berikut: (OH)4Si8Al4O20 . nH2O
Dimana:
nH2O adalah banyaknya lembaran yang terabsorbsi air. Mineral montmorillonite juga disebut mineral dua banding satu (2:1) karena satuan susunan kristalnya terbentuk dari susunan dua lempeng silika tetrahedra mengapit satu lempeng aluminium oktahedral ditengahnya.
Dalam lembaran oktahedra terdapat substitusi parsial aluminium oleh magnesium. Karena adanya gaya ikatan van der Waals yang lemah di antara ujung lembaran silika dan terdapat kekurangan muatan negatif dalam lembaran oktahedra, air dan ion-ion yang berpindah-pindah dapat masuk dan memisahkan lapisannya. Jadi, kristal montmorillonite sangat kecil, tapi pada waktu tertentu mempunyai gaya tarik yang kuat terhadap air. Tanah-tanah yangmengandung montmorillonite sangat
mudah mengembang oleh tambahan kadar air, yang selanjutnya tekanan pengembangannya dapat merusak struktur ringan dan perkerasan jalan raya.
3. Illite
Illite adalah bentuk mineral lempung yang terdiri dari mineral-mineral kelompok illite.Bentuk susunan dasarnya terdiri dari sebuah lembaran aluminium oktahedra yang terikat di antara dua lembaran silika tetrahedra.Dalam lembaran oktahedra, terdapat substitusi parsial aluminium oleh magnesium dan besi, dan dalam lembaran tetrahedra terdapat pula substitusi silikon oleh aluminium (Gambar 2.16).Lembaran-lembaran terikat besama-sama oleh ikatan lemah ion-ion kalium yang terdapat di antara lembaran-lembarannya. Ikatan-ikatan dengan ion kalium (K+) lebih lemah daripada ikatan hidrogen yang mengikat satuan kristal kaolinite, tapi lebih kuat daripada ikatan ionik yang membentuk kristal montmorillonite. Susunan Illite tidak mengembang oleh gerakan air di antara lembaran-lembarannya.
Mineral illite memiliki rumus kimia sebagai berikut:
(OH)4Ky(Si8-y . Aly)(Al4. Mg6 .Fe4 . Fe6)O20
Dimana y adalah antara 1 dan 1,5. Illite memiliki formasi struktur satuan kristal, tebal dan komposisi yang hampir sama dengan montmorillonite. Perbedaannya ada pada :
Kalium (K) berfungsi sebagai pengikat antar unit kristal sekaligus sebagai penyeimbang muatan.
Terdapat ± 20% pergantian silikon (Si) oleh aluminium(Al) pada lempeng tetrahedral.
Gambar struktur kaolinite dapat dilihat pada Gambar 2.16
Gambar 2.16 Diagram Skematik Struktur Illite ( Lambe, 1953 ) 2.2.1.3. Sifat Umum Lempung
Bowles (1984) menyatakan beberapa sifat umum mineral lempung antara lain: 1. Hidrasi.
Partikel mineral selalu mengalami hidrasi, hal ini dikarenakan lempung biasanya bermuatan negatif, yaitu partikel dikelilingi oleh lapisan-lapisan molekul air yang disebut sebagai air terabsorbsi. Lapisan ini umumnya memiliki tebal dua molekul.Oleh karena itu disebut sebagai lapisan difusi ganda atau lapisan ganda. 2. Aktivitas
Hasil pengujianindex properties dapat digunakan untuk mengidentifikasi tanahekspansif.Hardiyatmo(2006) merujukpadaSkempton(1953)
mendefinisikanaktivitastanah lempungsebagaiperbandinganantaraIndeks Plastisitas(IP)denganprosentase butiranyanglebihkecildari0,002mmyangdinotasikandenganhurufC,disederhanakandal ampersamaan: A = PI fraksitanahlempung (2.15)
Dimana untuknilai A >1,25 tanah digolongkan aktif dan bersifat ekspansif. Pada nilai1,25<A <0,75 tanah digolongkan normalsedangkan tanahdengannilaiA <0,75 digolongkantidak aktif.
Nilai- nilai khas dari aktivitas dapat dilihat pada Tabel 2.5 Tabel 2.5 Aktivitas Tanah Lempung
Minerologi Tanah Lempung Nilai Aktivitas
Kaolinite 0,4–0,5
Illite 0,5–1,0
Montmorillonite 1,0–7,0
(Sumber: Sifat-Sifat Fisis dan Geoteknis Tanah (Mekanika Tanah), Bowles, 1984) 3. Flokulasi dan Disperse
Flokulasimerupakanperistiwa penggumpalanpartikellempung didalam larutanair akibatminerallempung umumnyamempunyaipH>7. Flokulasilarutandapat dinetralisir denganmenambahkanbahan-bahan yangmengandungasam (ionH+), sedangkan penambahanbahan-bahanalkaliakanmempercepatflokulasi.Untuk menghindari flokulasi larutan air dapat ditambahkan zatasam. Lempung yang baru saja terflokulasi dapat dengan mudah didispersikan kembali ke dalam larutan dengan
menggoncangnya, menandakan bahwa tarikan antar partikel jauh lebih kecil dari gaya goncangan. Apabila lempung tersebut telah didiamkan beberapa waktu dispersi tidak dapat tercapai dengan mudah, yang menunjukkan adanya gejala tiksotropik, dimana kekuatan didapatkan dari lamanya waktu. Sebagai contoh, tiang pancang yang dipancang ke dalam lempung lunak yang jenuh akan membentuk kembali struktur tanah di dalam suatu zona di sekitar tiang tersebut. Kapasitas beban awal biasanya sangat rendah, tetapi sesudah 30 hari atau lebih, beban desain akan dapat terbentuk akibat adanya adhesi antara lempung dan tiang (R.F.Craig, Mekanika Tanah).
4. Pengaruh Zat Cair
Faseairyang beradadi dalamstrukturtanah lempungadalahairyang tidak murnisecarakimiawi.Pada pengujiandilaboratoriumuntuk batasAtterberg, ASTMmenentukanbahwa airsuling ditambahkansesuaidengankeperluan. Pemakaianairsulingyang relatifbebasiondapatmembuathasilyangcukup berbedadariapayangdidapatkandari tanahdi lapangandenganairyang telah terkontaminasi.Air yangberfungsi sebagai penentu sifat plastisitas dari lempung. Satu molekulair memilikimuatan positif danmuatannegatifpada ujungyang berbeda(dipolar).Fenomenahanyaterjadipadaairyangmolekulnyadipolar
dantidakterjadipadacairanyangtidakdipolarsepertikarbontetrakolrida
(Ccl4)yangjikadicampurlempungtidakakanterjadiapapun. Sifat dipolar air dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut
Terdapat 3 mekanisme yang menyebabkan molekul air dipolar dapat tertarik oleh permukaan partikel lempung secara elektrik:
1. Tarikan antar permukaan negatif dan partikel lempung dengan ujung positif dipolar.
2. Tarikan antara kation-kation dalam lapisan ganda dengan muatan negatif dari ujung dipolar. Kation-kation ini tertarik oleh permukaan partikel lempung yang bermuatan negatif.
3. Andil atom-atom hidrogen dalam molekul air,yaitu ikatan hidrogen antara atom oksigen dalam partikel lempung dan atom oksigen dalam molekul-molekul air (hydrogen bonding).
Gambar 2.18 Tarik Menarik Molekul Dipolar Pada Lapisan Ganda
Air biasanya tidak banyak mempengaruhi kekuatan tanah kohesif. Sebagai contoh, kuat geser tanah pasir mendekati sama pada kondisi kering maupun jenuh air. Tetapi, jika air berada pada lapisan pasir yang tidak padat, beban dinamis seperti gempa bumi dan getaran lainnya sangat mempengaruhi kuat gesernya. Sebaliknya, tanah butiran halus khususnya tanah lempung akan banyak dipengaruhi oleh air. Karena pada tanah berbutir halus, luas permukaan spesifik menjadi lebih besar, variasi kadar air akan mempengaruhi plastisitas tanahnya.
Mekanisme 1
Mekanisme 2
2.2.2. Semen
2.2.2.1. Umum
Semen(cement) adalahhasilindustridaripaduanbahanbaku:batu kapur/gampingsebagaibahanutamadanlempung/tanah liatataubahan pengganti lainnyadenganhasil akhirberupa padatanberbentuk bubuk/bulk,tanpa memandang prosespembuatannya,yang mengerasatau membatu pada pencampurandenganair. Dalam pengertianumum,semenadalahsuatu binder (perekat),suatuzatyangdapat menetapkandanmengeraskandenganbebas,dandapatmengikatmateriallain.
Semenyangdigunakandalam konstruksi digolongkankedalamsemen hidrolik dan semennon-hidrolik.Semenhidrolik adalahsemenyangmemilikikemampuanuntukmengikat
danmengerasdidalamair.Contoh semenhidrolik antaralainsemen portland,semenpozzolan,semenalumina,sementerak,semenalam dan lain-lain. Sedangkan semennonhidrolikadalahsemenyangtidak memilikikemampuan untuk mengikatdanmengerasdidalam air, akantetapidapatmengerasdiudara. Contoh utama dari semen non hidrolik adalah kapur.
Penguatan danpengerasan semen hidrolik disebabkan adanya pembentukan airyang mengandung senyawa-senyawa, pembentukan sebagaihasil reaksi antarakomponensemendenganair.Reaksidanhasil reaksi mengarah kepadahidrasidanhidratsecaraberturut-turut. Sebagaihasildarireaksiawal dengansegera,suatupengerasandapatdiamati padaawalnya dengansangatkecil danakanbertambahseiringberjalannyawaktu.Setelahmencapaitahap tertentu, titik inidiarahkanpada permulaantahap pengerasan.Penggabunganlebihlanjut disebut penguatan setelahmulai tahap pengerasan.
Jenis-jenis semen:
1. SemenAbuatausemenPortlandadalahbubuk/bulkberwarnaabukebiru- biruan, dibentukdaribahanutama batu kapur/gamping berkadar kalsium tinggiyangdiolahdalam tanuryangbersuhudanbertekanantinggi Semenini biasadigunakansebagaiperekatuntukmemplester.Semeniniberdasarkan
prosentasekandunganpenyusunannyaterdiridari5tipe,yaitutipeIsampai tipe V. 2. SemenPutih(graycement)adalahsemenyanglebihmurnidarisemenabu dan
digunakanuntuk pekerjaan penyelesaian(finishing), seperti sebagaifiller ataupengisi. Semenjenisinidibuatdaribahanutamakalsit(calcite) limestone murni.
3. OilWell Cementatausemensumurminyakadalahsemenkhususyang digunakandalam prosespengeboranminyakbumiataugasalam,baikdidarat maupun di lepas pantai.
4. Mixed&FlyAshCementadalahcampuransemenabudenganPozzolan buatan(fly ash).Pozzolanbuatan(flyash)merupakanhasilsampingandari
pembakaranbatubarayangmengandungamorphoussilica,aluminium oksida, besioksida danoksidalainnyadalam variasijumlah.Semeninidigunakan sebagaicampuran untukmembuat beton, sehingga menjadi lebih keras.
