TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Teori Water Retention Pada Tanah
Teori water retention pada tanah sering disebut dengan suction atau hisapan. Suction sering terjadi pada tanah jenuh sebagian (unsaturated). Pada tanah jenuh, pori-pori yang terdapat didalamnya seluruhnya terisi oleh air, sedangkan pada tanah jenuh sebagian, pori-pori didalamnya terisi oleh air dan udara. Interaksi antara udara dan air akan membentuk struktur miniskus air, karena akibat fenomena tegangan permukaan (surface tension).
Menurut Fredlund (1996), pembagian tanah secara umum dibagi menjadi dua yaitu tanah jenuh dan tanah jenuh sebagian (unsaturated).Berdasarkan pada letak muka air tanah, tanah jenuh berada dibawah muka air tanah, tegangan efektif
8
atas muka air tanah, dipengaruhi oleh dua komponen tegangan, net normal stress (σ -ua) dan matric suction (ua-uw).
Menurut Fredlund dan Rahardjo (1193) surface tension (Ts)didefinisikan sebagai tegangan yang timbul antar molekul akibat kontak langsung antar muka air dan udara. Nilai Surface tention (Ts) didapat dari tangensial nilai tegangan per unit panjang permukaan kontak air dan udara (N/m). Besarnya Surface Tention dipengaruhi oleh temperature. Tabel 2.1 merupakan nilai dari surface tention berdasarkan temperature yang berbeda (Kaye dan Laby, 1973). Pada gambar 2.3 merupakan surface tention pada permukaan air-udara, dimana sifat secara umum dapat dilihat bahwa tegangan yang ada di dalam balon lebih besar daripada di luar. Jika dua dimensi membran dikenai tekanan yang berbeda pada setiap sisinya, diasumsikan membran yang mengalami tekanan yang lebih besar akan melengkung. Perbedaan tegangan sepanjang permukaan lengkung berkorelasi dengan surface tention dan jari-jari kelengkungan.
Gambar 2.4Surface tension pada muka udara. (a) interaksi antar molekul air-udara dan molekul dalam air. (b) tegangan dan surface tension pada dua dimensi permukaan (WW.Ng dkk, 2007 data diperoleh dari Fredlund dan Rahardjo, 1993) Tabel 2.1 Surface tension pada berbagai temperature
Temperature, t0 (0C) Surface Tension, Ts(Mn/M)
0 75.7
10 74.2
Molekul pada kontak muka air dan udara
Molekul dalam air
9
Tabel 2.2 Lanjutan surface tension pada berbagai temperature Temperature, t0 (0C) Surface Tension, Ts(Mn/M)
20 72.75 25 72 30 71.2 40 69.6 50 67.9 60 66.2 70 64.4 80 62.6 100 58.8 Sumber : WW.Ng dkk, 2007
Schofield (1935) memperkenalkan metode dalam menyatakan besarnya suction dalam skala pF. Penggunaan skala ini sering kali dilakukan. Jika suction pada tanah dinyatakan dalam bentuk tinggi kolom air pada tabung kapiler, maka logaritma ketinggian yang dinyatakan dalam satuan cm (centimeter) tersebut adalah ekuivalen dengan harga pF dari tanah tersebut yakni:
pF = log [-uw] (2.3)
dengan uw adalah tinggi kolom air dalam cm.
Apabila nilai pF adalah 2 maka ketinggian air kapiler mencapai 100 cm diatas muka air tanah dan ekuivalen dengan tegangan sebesar 1 kg/cm2 pada puncak kolom airnya (yudayana, 2001).
Menurut (Edlefsen dan Anderson, 1943), suction umumnya disebut sebagai suatu keadaan energi bebas dari air tanah. Pengukurannya menggunakan tekanan air dimana berdasarkan persamaan kelvin (Sposito, 1981) dapat dirumuskan sebagai berikut:
Ψ = −𝜈 𝑅𝑇
𝑊𝑂𝜔𝑉ln( uv
uvo) (2.4)
dimana :ψ adalah total suction (kPa),
R adalah konstanta gas (J/(mol.K) T adalah suhu (K)
10
νwoadalah specific volume (m3/Kg)
ωv adalah massa molekul uap air (g/mol) uv adalah tegangan air pori (kPa)
uvo adalah tegangan air pori pada permukaan air dengan suhu yang sama (kPa). Nilai (uv/uvo) disebut dengan kelembapan relatif, RH (persen).
Total suction mempunyai dua komponen: matric suction (ua - uw) dan osmotic suction (π)
Ψ= (ua - uw) + π (2.5)
Perubahan total suction secara umum disebabkan oleh perubahan dari RH dalam tanah. RH dapat berkurang pada kecekungan permukaan air dalam fenomena kapiler (Fredlund dan Rahardjo, 1993). Selisih anatara tekanan udara (ua) dengan tekanan air (uw) pada permukaan air disebut dengan matric suction. Osmotic suction adalah fungsi dari banyaknya garam yang terlarut dalam pori berupa cairan dan diberikan beban tekanan uap untuk memperoleh nilai suction. Osmotic suction dihasilkan dari gaya yang berada dalam molekul air sebagai hasil dari aktivitas kimia tanah.
Molenkamp dan Nazemi (2003), Li (2003) menunujukkan adanya tekanan antar partikel yang disebabkan oleh miniscus air berada dalam kesetimbangan statis dengan diterapkannya tegangan eksternal. Akan tetapi nilai tegangan eksternal tidak akan pernah sama dengan tekanan antar partikel (Wheeler,2006).
Gambar 2.5 merupakan partikel tanah unsaturated yang terdiri dari partikel tanah, tekanan atsmosfer udara dan tekanan air pori negatif dengan bidang kontak miniskus (Wheeler dan Karube, 1995).
11
Gambar 2.5 Pengaruh tegangan eksternal dan suction terhadap tekanan antar butiran tanah (WW.Ng dkk, 2007 data diperoleh dari Wheeler Karube, 1995).
Croney dan Coleman (1954) melakukan penelitian pada dua jenis kapur yang terdrainase yang disajikan dalam kurva pada Gambar 2.7 sebagai berikut.
Nσ adalah tekanan normal antar butiran yang disebabkan oleh tegangan eksternal
Tσ adalah tangensial antar butiran yang disebabkan oleh tegangan eksternal
12
Gambar 2.6 Kurva drainasedua jenisbahan kapur(Corney dan Coleman 1954)
Menurut Indarto (1991) besarnya hisapan dari grafik yang dinyatakan dalam angka pF, bila akan dinyatakan dalam tegangan air pori negatif maka nilai tersebut harus dikonversikan kedalam kPa atau kg/cm2 . misal kan untuk suatu tanah yang akan diukur hisapannyadidapat nilai hisapan pF=3 , maka nilai tersebut sama dengan tegangan air pori negatif 1 kg/cm2 atau 100 kPa. Bila akan dinyatakan dalam tinggi kapiler, maka nilai hisapan pF dapat dikalibrasikan dalam satuan cm. Misal pF = 3 senilai dengan pF = Log (1000), bila dinyatakan dalam cm maka invers log 3 atau 103= 1000.
Dari gambar 2.7 nilai-nilai pF dikalibrasikan dalam satuan m untuk memperoleh gambar grafik hubungan kadar air W (%) dengan tinggi kapilaritas (m). Hasil kalibrasi tersebut disajikan pada Gambar 2.8. Nilai water retention dapat diperoleh dari besarnya tinngi kapilaritas.
13
Gambar 2.7 Kurva drainasedua jenisbahan kapur(Corney dan Coleman 1954) yang telah dikalibrasi
2.2.1 Pengukuran Water Retention atau Suction Pada Tanah
Menurut EJ Murray dan V Sivakumar (1945), guna untuk mengetahui besarnya suction dapat dilakukan pengukuran suction dan kontrol suction. Metode yang digunakan di laboratorium dalam melakukan pengukuran dan kontrol suction disajikan dalam tabel 2.3
-50 50 150 250 350 0 10 20 30 Ti n g g i K ap il e r ( m ) W (%)
Hardsoil wetting Hardsoil drying
14
Tabel 2.3. Rentang besarnya hisapan untuk setiap alat atau metode pengukuran dan kontrol suction
Alat Ukur Komponen yang diukur Rentang Hisapan
(kPa)
Waktu Setimbang Pengukuran Suction
Pressure Plate Tensiometers and suction
probes Thermal conductivity
sensors Electrical conductivity
sensors Filter paper contact
Thermocouple psychrometers Transistor psychometer Chilled mirror psychrometer
Filter paper non-contact Electrical conductivity of
pore water Extarcted using pore fluid
squeezer Matric Matric Matric Matric Matric Total Total Total Total Osmotic 0-1500 0-1500 1-1500 50-1500 0-10000 100-8000 100-70000 1-60000 1000-10000 Beberapa jam Beberapa menit Beberapa jam Beberapa jam 2-57 hari Beberapa menit 1 jam 3-10 menit 2-14 hari Kontrol suction
Negative (or Hanging) water column technique Axis translation technique
Osmotic technique Vapour equilibrium technique Matric Matric Matric Total 0-30 0-1500 0-10000 4000-600000 Beberapa jam Beberapa jam Hingga2 bulan 1-2 bulan Sumber : Murray dkk, 2010
Indarto (1991), membagi metoda pengukuran hisapan menjadi 2 bagian,yaitu metoda pembebanan dan metoda pengukuran. Metoda tersebut adalah: a. Metoda pembebanan adalah suatu pemberian tegangan kapiler tertentu pada tanah
yang memiliki kondisi inisial tertentu, kemudian ditunggu sampai benda uji tersebut mencapai kestabilan terhadap pemberian tegangan kapiler yang diberikan.Umumnya metoda ini digunakan di laboratorium khususnya untuk riset b. Metoda pengukuran, adalah suatu pengukuran terhadap besarnya tegangan kapiler
dari suatu tanah yang memiliki tegangan kapiler tertentu.Metoda ini bisa digunakan untuk di lapangan.
15
Metoda pembebanan umumnya di gunakan untuk kepentingan riset dilaboratorium. Benda uji yang dikenai tegangan kapiler, ini disesuaikan dengan kebutuhan. Benda uji bisa dalam kondisi jenuh sekali (atau likid) maupun kering sekali, bisa juga dari kondisi lapangan yang memiliki kondisi tertentu kemudian dikenai tegangan kapiler tertentu sampai memperoleh kestabilan terhadap pembebanan kapiler tertentu.
Macam-macam peralatan yang digunakan dalam metoda pembebanan ini adalah tensiometric plate, membrane air pressure, osmotic , pembebanan dengan menggunakan garam jenuh dalam dessicator .Penggunaan setiap alat dibatasi oleh besarnya pembebanan suction yang diberikan pada benda uji. Tabel 2.4 memberikan rentang suction atau tegangan air pori negatif (-Uw) yang dapat diberikan pada benda uji dari setiap alat atau metode yang diberikan.
Tabel 2.4. Rentang besarnya hisapan atau tegangan air pori negatif untuk setiap alat/metode
Metoda Rentang hisapanatau –Uw (kPa)
Tensiometric plate 1- 30
Membrane air pressure 30 -50
Osmotic 50 -1500
Garam jenuh dalam dessicator 1500 – 400000
Sumber : Indarto 1991 b. Metode pengukuran
Metoda pengukuran adalah pengukuran besarnya hisapan atau tegangan air pori negatif terhadap benda uji yang memilkihisapan atau tegangan air pori negatif tertentu. Macam-macam peralatan yang digunakan dalam metode pengukuran ini adalah tensiometer, kertas filter dan psychrometer dan axis translation.
Metode kertas Filter
Penggunaan metoda tensiometrik sangat terbatas, sebagaimana terlihat dalam metoda pembebanan bahwa rentang hisapan yang dapat diukur sangat kecil karena dibatasai oleh tekanan atmosfer . Disisi lain penggunaan psychrometer sangat sulit karena kepekaannya terhadap kelembaban. Dilihat dari sisi rentang dan kemudahan penggunaan maka metoda kertas filter dapat dijadikan pilihan.
Metoda kertas filter adalah metoda tidak langsung yang didasarkan pada hypothesa bahwa, saat terjadi keseimbangan, tegangan air pori negatif dalam suatu
16
tanah atau benda uji dan suatu kertas filter yang memiliki kontak dengan tanah atau benda uji tersebut adalah sama.
Metoda kertas filter diusulkan pertama kali oleh Gardner (1937). Sedang Fawcett dan Collis George (1967), menyederhanakan penggunaan kertas filter dengan menggunakan kertas filter Whatman No. 42.
Kalibrasi dengan metode kertas filter Whatman No. 42 ini dilakukan oleh Fawcett dan Collis George (1967) dan Zerhouni (1991) pada alur pembasahan. Sedang Parcevoux (1980) dan Indarto (1991) melakukan kalibrasi pada jenis kertas filter yang sama tetapi pada alur pengeringan. Gambar 2.8 adalah hasil 4 kalibrasi metoda kertas filter dari para peneliti diatas.
Besarnya hisapan dari grafik pada Gambar 2.8 dinyatakan dalam angka pF, sehingga bila akan dinyatakan dalam tegangan air pori negatif maka nilai tersebut harus dikonversikan kedalam kPa atau kg/cm2 . misal kan untuk suatu tanah yang akan diukur hisapannyadidapat nilai hisapan pF=3 , maka nilai tersebut sama dengan tegangan air pori negatif 1 kg/cm2 atau 100 kPa
Gambar 2.8 Kalibrasi metode kertas filter dari beberapa peneliti (Sumber Indarto 1991 dan Indarto 2012) 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 pF
Kadar air kertas filter w (%) Fawcett-C.George (wetting)
17
2.3 Teori Water Retention Pada Beton
