DASAR TEORI
A.Beton
Beton didapat dari pencampuran bahan-bahan agregat halus dan kasar seperti pasir, batu, batu pecah, atau bahan semacam lainnya yang kemudian ditambahkan dengan bahan perekat yaitu semen yang dicampur air sebagai bahan pemicu reaksi kimia selama proses pengerasan dan perawatan beton.
1. Bahan Penyusun Beton a. Semen Portland
Semen Portland adalah semen hidrolis yang dihasilkan dengan cara menghaluskan klinker yang terdiri dari silikat-silikat yang bersifat hidrolis dengan gips sebagai bahan tambahan. (PUBI, 1982).
Walaupun volume semen hanya sekitar 10% dari volume total beton, namun semen ini merupakan bahan aktif yang sangat penting karena semen berfungsi sebagai perekat butir-butir agregat agar terjadi suatu massa yang padat (Tjokrodimuljo, 1996).
Komponen utama penyusun semen Portland adalah oksida kapur (CaO), oksida silika (SiO2), oksida alumina (Al2O3) dan oksida besi (Fe2O3).
Kandungan kombinasi keempat oksida tersebut kurang lebih 90% dari berat semen dan biasanya dinamakan oksida mayor. Sedangkan sisa 10% yang terdiri dari oksida magnesium (MgO), sulfur (SO3), dan soda/potash (Na2O
+ K2O) disebut oksida minor. Prosentase masing-masing dapat dilihat di
Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Komposisi bahan dasar semen biasa (Neville & Brooks, 1987).
Oksida Prosentase (%)
CaO (Kapur) 60 – 67
SiO2 (Silika) 17 – 25
Al2O3 (Alumina) 3 – 8
Fe2O3 (Besi oksida) 0,5 – 6,0
Na2O + K2O (Soda/Potash) 0,2 – 1,3
SO3 (Sulfur) 1,3
Keempat oksida utama semen akan melebur dan menghasilkan empat macam senyawa kimia yang besar pengaruhnya terhadap sifat ikatan dan pengerasan pada semen ketika bercampur dan bereaksi dengan air dalam proses hidrasi. Senyawa-senyawa tersebut adalah:
1) Trikalsium Silikat (C3S) atau 3CaO. SiO2
2) Dikalsium Silikat (C2S) atau 2CaO. SiO2
3) Trikalsium Aluminat (C3A) atau 3CaO. Al2O3
4) Tetrakalsium Aluminoferit (C4AF) atau 4CaO. Al2O3. Fe2O3.
Senyawa C3A berhidrasi sangat cepat disertai pelepasan
sejumlah besar panas dan memberikan kekuatan awal setelah 24 jam, namun kurang tahan terhadap agresi sulfat yang dapat menimbulkan retak beton. Hidrasi C3S akan menghasilkan pengerasan dan pelepasan
sejumlah panas dalam beberapa jam hingga sebelum umur 14 hari pertama. Sedangkan C2S reaksi hidrasinya berjalan perlahan dan
pelepasan panasnya berlangsung lambat sebihngga berpengaruh pada pengerasan setelah umur 14 hari hingga mencapai umur 28 hari sebagai kekuatan akhir, akan tetapi lebih tahan dan mengurangi pengaruh agresi kimia dan susut kering. Untuk senyawa C4AF kurang
penting keberadaannya karena tidak terlihat pengaruhnya terhadap pengerasan dan kekuatan pasta semen (Tjokrodimuljo, 1996).
b. Air
Air di dalam adukan beton mempunyai dua fungsi, yang pertama sebagai pelumas antara campuran butiran agregat dan semen agar dapat mudah dikerjakan dan dipadatkan dan yang kedua diperlukan untuk bereaksi dengan semen sehingga menyebabkan pengikatan dan berlangsungnya pengerasan. Untuk berlangsungnya proses hidrasi dibutuhkan air sekitar 25% dari berat semen (Murdock & Brook, 1991). Kriteria air (selain air minum) yang dapat dipakai sebagai bahan campuran beton adalah bila dari beton yang dihasilkan diperoleh kekuatan lebih dari 90% kekuatan beton yang menggunakan air suling.
Dalam pemakaian air untuk beton, sebaiknya air memenuhi syarat sebagai berikut:
1).Tidak mengandung lumpur (benda melayang lainnya) lebih dari 2 gram/liter
2).Tidak mengandung garam-garam yang dapat merusak beton (asam, zat organik, dan sebagainya) lebih dari 15 gram/liter
3).Tidak mengandung klorida (Cl) lebih dari 0,5 gram/liter 4).Tidak mengandung senyawa sulfat lebih dari 1 gram/liter.
Untuk air perawatan terutama dalam jangka waktu lama tidak boleh terkandung zat organik karena dapat menimbulkan noda-noda dan perubahan warna pada permukaan betonnya (Tjokrodimuljo, 1996).
c. Agregat
Agregat adalah butiran mineral alami yang berfungsi sebagai bahan pengisi dalam campuran adukan beton atau mortar. Agregat tersebut kira-kira menempati 70% dari volume total beton (Tjokrodimuljo, 1996). Oleh karena itu sifat dan mutu agregat yang digunakan sangat berpengaruh terhadap sifat dan mutu beton yang dihasilkan. Sifat penting agregat adalah kekuatan hancur dan kekuatan terhadap benturan yang dapat berpengaruh terhadap ikatan dengan semen, porositas, karakteristik terhadap penyerapan air yang berpengaruh terhadap perubahan cuaca, ketahanan terhadap zat kimia, dan ketahanan terhadap penyusutan.
Berdasarkan ukuran butirannya, agregat dapat dibedakan menjadi agregat kasar (coarse aggregate) dan agregat halus (fine aggregate).
1. Agregat kasar
Agregat kasar adalah agregat dengan butiran lebih besar dari 4,80 mm. Agregat kasar untuk beton dapat berupa kerikil sebagai hasil disintegrasi alami dari batu-batuan atau berupa batu pecah yang diperoleh dari pemecahan batu.
2. Agregat halus
disintegrasi alami dari batuan-batuan atau berupa pasir buatan yang dihasilkan oleh alat-alat pemecah batu.
d. Bahan tambah
Bahan tambah ialah bahan selain unsur pokok beton (air, semen, dan agregat) yang ditambahkan pada adukan beton, sebelum, segera, atau selama pengadukan beton. Tujuannya adalah untuk mengubah satu atau lebih sifat-sifat beton sewaktu masih dalam keadaan segar atau setelah mengeras.
2. Beton Densitas Tinggi
Untuk perisai radiasi umumnya digunakan beton, karena sifat menyerap radiasi dan sifat mekanisnya yang bagus, selain itu juga karena durabilitas (keawetan) yang tinggi dan lebih ekonomis. Beton yang digunakan sebagai perisai radiasi biasanya adalah beton normal, tetapi penggunaan beton berdensitas tinggi penting untuk mengurangi ketebalan perisai sehingga tidak banyak membutuhkan tempat. Untuk menambah kepadatan beton, agregat biasa diganti dengan agregat berat yang mempunyai berat jenis tinggi.
Batu slag atau steel slag merupakan limbah dari pembuatan baja. Batu slag didapat dari dapur listrik dengan temperatur 16000C dan tidak dapat dilebur lagi menjadi baja. Batu slag mempunyai permukaan kasar, berlubang-lubang, bentuk tak sejenis antara kubikal dan bentuk tak beraturan seperti batu kerikil. Warna batu slag adalah hitam keabu-abuan (hitam kotor), dan batu slag melekat pada magnet (Fardin, 1999)
Dalam SK SNI T-15-1990-03 dinyatakan bahwa berat jenis beton normal antara 2200 kg/m3 sampai 2500 kg/m3. Dilihat dari berat jenisnya, beton yang menggunakan batu slag sebagai agregatnya tidak termasuk kategori beton normal karena mempunyai berat jenis yang lebih besar dari berat jenis beton normal. Maka bisa dikategorikan beton berat atau beton berdensitas tinggi. Batu slag merupakan agregat berat yang tidak memerlukan perlakuan khusus dalam proporsi campuran beton, namun perlu penanganan hati-hati selama pengerjaan (pengadukan, pengangkutan, pengecoran, dan pemadatan) beton segarnya dari bahaya segregasi dan degradasi butiran.
beton akan menjadi berat juga, sehingga beton densitas tinggi yang tahan radiasi akan tercipta dari bahan limbah paku dan bersi tulangan.
3. Beton Perisai Radiasi
Beton perisai radiasi adalah komponen struktur beton yang merupakan bagian dari sistem pengamanan yang diperlukan pada kegiatan yang berhubungan dengan radiasi pengion dan radiasi neutron untuk melindungi kesehatan manusia dari penyinaran lebih yang membahayakan (SK SNI S-17-1990-3).
Jenis radiasi yang membahayakan adalah radiasi neutron, radiasi gamma, dan radiasi sinar X. Sebab ketiga jenis radiasi tersebut mempunyai jangkauan yang panjang, daya tembus tinggi, dan bersifat radiasi pengion (Dwiatmoko, 1998).
Radiasi gamma merupakan faktor yang amat menentukan dalam pembuatan perisai, oleh karena itu perlu unsur dengan berat atom yang tinggi dalam perisai untukku menahan pancaran radiasi gamma tersebut.
Menurut Suhaemi (1982) spesifikasi umum bahan perisai radiasi neutron cepat adalah sebagai berikut:
1. Kandungan hidrogen hendaklah sebanyak mungkin 2. Berat perisai dibuat seminimum mungkin
3. Bahan harus tahan panas
4. Bahan tidak beracun atau dapat menimbulkan gas racun bila dipanaskan 5. Bahan tidak berbau
6. Bahan harus tahan sinar dan tahan terhadap air 7. Permukaan bahan harus licin
8. Bahan perisai tidak membuat efek korosi terhadap zat mineral reaktor di sekelilingnya
9. Bahan harus stabil struktur mikronya
10. Perisai sebaiknya mudah dipindahkan dan mudah direparasi 11. Bahan sebaiknya mudah dibuat horizontal maupun vertikal
12. Bahan harus mempunyai sifat ketahanan yang tinggi terhadap bahaya radiasi
13. Bahan-bahan harus mempunyai sifat-sifat nuklir yang baik, yaitu mempunyai tampang lintang serapan yang tinggi, koefisien atenuasi gamma yang tinggi dan energi produk gamma sebagai hasil tangkapan dan hamburan lenting neutron yang rendah.
Sebagai perisai radiasi densitas yang tinggi mutlak dimiliki beton, sebab semakin tinggi densitas beton berarti susunan atom unsur di dalam beton semakin rapat maka tidak mudah ditembus radiasi. Oleh karena itu Dwiatmoko (1998) mengadakan penelitian tentang beton berdensitas tinggi sebagai perisai radiasi. Usaha untuk mendapatkan beton berdensitas tinggi dilakukan dengan penggunaan agregat batu barit dan pemberian bahan kimia tambahan
daya serap radiasi diketahui bahwa bertambahnya umur beton (7 – 28 hari) tidak berpengaruh terhadap kemampuan serapan beton radiasi neutron.
Beton berbahan tambah meskipun terbukti meningkat sifat fisis dan mekaniknya, namun kemampuan serapan terhadap radiasi neutron tidak beda dengan beton tanpa bahan tambah. Beton dengan agregat batu barit dan beton dengan agregat normal mempunyai daya serap lebih besar terhadap neutron termal dan campuran daripada neutron cepat. Beton beragregat batu barit meskipun mempunyai densitas tinggi sekitar 2800 – 3000 kg/m3 namun kemampuannya menangkal radiasi neutron tidak lebih baik dibanding beton beragregat normal yang hanya berdensitas sekitar 2400 kg/m3.
B.Radiasi
Radiasi adalah sinar yang dihasilkan oleh sumber radiasi. Tipe radiasi yang dipancarkan oleh suatu sumber radiasi adalah sinar –X, α, , , neutron thermal, neutron cepat dan partikel-partikel lainya. Partikel α mempunyai daya ionisasi yang kuat, sehingga mempunyai range yang sangat kecil. Partikel tidak mempunyai range yang pasti. Range untuk bertenaga 5MeV di dalam air kira -kira β,6cm. Timbal yang tebalnya 0,5cm dapat menahan hampir semua partikel yang energinya sampai 7 atau 8 MeV. Neutron thermal adalah neutron yang mengalami pengurangan tenaga sehingga neutron thermal mudah diserap. Plat cadmium atau boron yang tebalnya 1mm sudah cukup untuk menahan neutron thermal. Sinar –X, , dan neutron cepat mempunyai daya tembus yang besar. Oleh karena itu standar perencanaan perisai radiasi adalah bahan yang dapat menahan neutron cepat dan , karena perisai ini dapat menahan partikel-prtikel lainya. 1. Reaksi Inti
Reaksi inti adalah proses yang terjadi antara inti dengan inti atau antara inti dengan nukleon sehingga menyebabkan perubahan di dalam inti. Apabila inti x ditimbuk oleh partikel p akan terjadi beberapa kemungkinan :
Z + r ; reaksi inti X=Z, p=r
P + X X + p ; hamburan elastik, X dan p tetap
X* + p ; hamburan tak elastik, p tetap X tereksitasi
Secara umum reaksi inti dapata ditulis sebagai berikut :
P + X M Z + r ...(2.1) 2. Interaksi Radiasi Neutron Dengan Materi
Neutron adalah partikel penyusun inti (nukleon) yang tak bermuatan dan memiliki massa hampir sama dengan proton. Oleh karena partikel tersebut tidak bermuatan maka dalam gerakanya tidak terpengaruh oleh gaya coulomb orbital maupun gaya coulomb inti, dan dapat dikatakan bahwa neutron hanya terinteraksi dengan inti atom dari bahan yang dilaluinya.
Sumber neutron yang umum dipakai diklasifikasikan menjadi 4 kelompok berdasarkan reaksi yang terjadi (Nasirudin, 1994) yaitu :
a. Neutron dari reaksi fisi spontan
Reaksi spontan terjadi pada unsur-unsur transuranium, dengan pemancaran neutron cepat. Reaksi ini paling sering terjadi pada unsur Cf (Californium dengan nomor atom 98 dan massa atom 252), yang mempunyai umur paruh 2,65 tahun dan dengan fluks neutron sebesar 2,3 x 106 n/cm2.s untuk setiap mikrogram sampel.
b. Neutron dari sumber-sumber radioisotop
c. Neutron dari sumber fotoneutron
Prinsip pemancaran fotoneutron ini adalah reasi tangkapan radiasi oleh inti target, yang diikuti oleh pemancaran neutron.
d. Neutron dari reaksi partikel bermuatan yang dipercepat
Reaksi yang umum diguakan untuk menghasilkan berkas neutron jenis ini adalah sebagai berikut ini.
2
1H+21H 32He+01n ; Q = 3,25 MeV 2
1H+31H 42He+01n ; Q = 17,6 MeV
Ada beberapa mekanisme yang terjadi apabila neutron melewati suatu bahan diantaranya adalah hamburan lenting, hamburn tak lenting, reaksi tangkapan dan reaksi fisi.
a. Hamburan lenting/elastis (Elastic Scattering)
Pada peristiwa ini neutron menumbuk inti atom-atom bahan dengan cara yang sama seperti bola kelereng yang bertumbukan satu sama lainnya. Dalam peristiwa ini berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik yaitu jumlah energi kinetik neutron dan inti atom sasaran sebelum tumbukan sama dengan jumlah jumlah energi kinetik setelah tumbukan. Sesudah tumbukan neutron kehilangan sebagian energinya yang berpindah dari inti sasaran. Seluruh energi pindah ini menjadi energi kinetik inti sasaran dan walaupun inti mendapat tambahan energi dari luar, tapi tambahan energi tersebut tidak mampu mebuat inti tereksitasi. Proses hamburan lenting ini mengakibatkan energi neutron setelah proses tumbukan menjadi berkurang.
b. Hamburan tak lenting/tak elastis (Inelastic Scattering)
Energi kinetik neutron dan inti atom sasaran sesudah tumbukan lebih kecil dibanding sebelum tumbukan, sehingga dalam peristiwa hamburan tak lenting tidak berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik. Dalam proses ini neutron memberikan sebagian energinya pada bahan yang ditembusnya dengan mengeksitasi inti sasaran ke tingkat energi yang lebih tinggi. Inti atom kemudian kembali ke tingkat dasar (keadaan stabil) dengan memancarkan sinar gamma.
Yang membedakan antara hamburan elastis dengan hamburan tak elastis adalah pada hamburan elastis meskipun inti medapatkan energi tambahan dari neutron tapi inti atom tidak tereksitasi, sedangkan pada hamburan tak elastis inti atom yang menerima sebagian energi kinetik dari neutron menjadi tereksitasi dan akan kembali ke tingkat dasar dengan memancarkan radiasi- (Ekn > Ekn’ > Ekinti).
c. Reaksi tangkapan
Reaksi tangkapan adalah reaksi dimana neutron memberikan seluruh energinya sehingga neutron diserap oleh inti atom. Inti akan mengalami transmutasi inti dalam bentuk inti baru dengan nomor atom dan nomor massa yang berbeda dengan inti semula dan mengakibatkan terpancarnya radiasi lain seperti sinar gamma, proton, deuteron, alpha, atau radiasi lainya. Reaksi ini terjadi pada hampir semua reaksi neutron thermal (neutron dengan energi = 0,025 eV) (Suhaemi, 1982). Salah satu contoh treaksi tangkapan neutron adalah : 10B(n,α)7Li. Masuknya neutronn kedalam inti baru yaitu litium dengan memancarkan kelebihan energi sebagai radiasi sinar-α.
d. Reaksi fisi
3. Tampang Lintang Materi (Neutron Cross Section)
Tampang lintang neutron adalah besaran yang mendeskripsikan interaksi neutron dengan bahan. Pada saat neutron menembus bahan, akan mengalami hambburan dan serapan dengan 4 prinsip mekanisme seperti hamburan lenting, hamb uran tak lenting, tangkapan neutron dan reaksi fisi. Untuk memeriksa jenis dan kemungkinan interaksi tersebut digunakan pengertian tampang lintang (cross section). Tampang lintang neutron dari satu atom saja disebut tampang lintang mikroskopik dengan simbol ‘σ’ (sigma).
Tampang lintang sebuah materi ada dua jenis, yaitu : a. Tampang lintang removal (σr)
b. Tampang lintang removal makroskopik (∑r)
4. Atenuasi Neutron
Pengurangan energi neutron pada saat melewati bahan terjadi karena neutron berenergi tinggi akan mengalami perlambatan (slowing down) oleh hamburan lenting maupun hamburan tak lenting, sehingga energinya turun sampai ke daerah thermal. Setelah energi neutron menjadi rendah, maka neutron diserap bahan dalam mekanisme tangkapan neutron. Pada energi sangat rendah, hampir semua atom unsur memounyai tampang lintang serapan yang besar sehingga daya tembus neutron thermal didalam bahan lebih kecil daripada neutron berenergi tinggi (neutron cepat). Proses perlambatan neutron cepat sampai ke daerah thermal disebut moderasi dan bahan yang digunakan untuk memperlambat laju neutron disebut moderator. Bahan yang umum dipakai sebagai moderator adalam bahan yang banyak mengandung hidrogen seperti air dan parafin, sebab tumbukan elastis dari unsur ringan terutama hidrogen sangat efektif dalam mengurangi energi neutron. Sehingga bahan untuk moderator dikehendaki mempunyai tampang lintang hamburan sebesar-besarnya, namun mempunyai tampang lintang serapan sekecil-kecilnya karena suatu moderator tidak dapat menyerap neutron dalam jumlah banyak.
energi neutron dan nomor atom bahan perisai. Materi yang ringan seperti hidrogen tidak dapat menghasilkan hamburan tak lenting karena hidrogen tidak memiliki tingkat eksitasi.
5. Analisa Pengaktifan Neutron Cepat
Berkat dikembangkanya teknik analisa unsur-unsur kelumit (unsur-unsur dalam kadaar yang sangat rendah) yang sering disebut analisis pengaktifan neutron (APN) maka penggunaan spektometri-γ dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi pada saat ini sudah sangat luas, misalnya penggunaan dibidang industri, bidang pertanian bidang kedokteran dan bidang penelitian. Teknik analisis ini ditemukan oleh seorang ahli hongaria bernama George Havesy pada tahun 1936 ketika ia mencoba mementukan impuritas disprosium dalam cuplikan vtrium dengan cara menembaki cuplikan tersebut dengan neutron (Sugiyanto, 1996).
Dalam analisis pengaktifan neutron, cuplikan yang akan di analisis diiradiasi dengan menggunakan sumber neutron. Akibat iradiasi, inti atom unsur-unsur yang berada dalam cuplikan tersebut akan menangkap neutron dan berubah menjadi besifat radioaktif. Setelah paparan radiasi neutron dianggap cukup, iradiasi dihentikan dan cuplikan dikeluarkan dari ruang iradiasi. Cuplikan tersebut sekarang bersifat radioaktif. Sinar gamma yang dipancarkan oleh berbagai unsur dalam cuplikan dapat dianalisis secara spektometri-γ. Analisis kualitatif didasarkan pada energi gamma yang dipancarkan dan dapat digunakan untuk mengidentifikasi unsur yang terkandung dalam cuplikan, sedangkan analisis kuantitatif dilakukan dengan menentukan intensitas sinar gamma. Dari kedua analisa didapatkan berbagai informasi cuplikan.
6. Interaksi Radiasi Gamma dengan Materi
Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik sehingga mempunyai daya tembus yang besar. Sinar gamma akan diserap oleh bahan sebagai fungsi tenaga awal foton, nomor atom dan kerapatan bahan penyerap. Ada 3 proses yang penting bila foton gamma berinteraksi dengan materi yaitu efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi pasangan.
a. Efek fotolistrik
energi kinetik sebesar selisih antara energi foton gamma dengan energi ikat elektron.
b. Hamburan Compton
Hamburan compton merupakan interaksi antara foton gamma dengan elektron bebas atau elektron yang terikat paling lemah. Bila foton gamma menumbuk elektron jenis ini maka foton gamma akan memberikan sebagian energinya kepada elektron itu lalu terhambur dengan sudut tertentu terhadap arah gerak foton mula-mula. Energi foton gamma yang terhambur setelah terjadi tumbukan merupaka fungsi dari energi gamma mula-mula dengan sudut hamburan.
c. Produksi Pasangan
Apabila foton gamma yang berenergi cukup tinggi melewati medan inti maka akan terjadi interaksi antara medan positif dari inti atom dengan foton tersebut, maka foton gamma akan lenyap dan berubah menjadi pasangan elektron-positron.
7. Atenuasi Gamma
Kehilangan energi sinar gamma pada saat melewati suatu bahan terjadi karena 3 proses utama yaitu efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi pasangan.
Apabila Io adalah intensitas sinar gamma yang datang pada permukaan
bahan dan Ix adalah intensitras sinar gamma yang berhasil menembus lapisan
setebal x bahan tersebut, maka akan terjadi pengurangan intensitas. Hubungan antara Io dan Ix adalah
Ix = Io e-μx ...(2.2)
Dengan μ adalah koefisien atenuasi linier (cm-1
). Seringkali x digantikan dengan ρx yang menyatakan massa dari lapisan setebal x dengan penampang 1cm2 (gr/cm2) dan μ digantikan oleh μ/ρ yang merupakan koefisien absorbsi massa (cm2/gr).
Rumus diatas banyak digunakan dalam perhitungan perencanaan perisai radiasi. Apabila tebal x dipilih sedemikian rupa sehingga Ix = ½ Io, maka x =
x1/2 dan disebut tebal paro atau half value layer (HVL). Tebal paro dapat
⁄ ...(2.3)
Apabila x = 2 x1/2 maka,
Ix = ½ (Io/2) = Io/4 ...(2.4)
Oleh karena penyerapan energi sinar gamma ditentukan oleh 3 proses utama, yaitu efek fotolistrik, hamburan compton, dan produksi pasangan, maka koefisien arbsorbsi linier μ juga ditentukan oleh ketiga proses diatas.
μt = μfl+ μc+ μpp ...(2.5)
Dengan μt adalah koefisien arbsorbsi total dan μfl, μc, μpp masing-masing
adalah koefisien arbsorbsi yang disebabkan oleh efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi pasangan.
