BAB I BAB I
PENDAHULUAN PENDAHULUAN
1.1
1.1 Latar BalakangLatar Balakang
Semen merupakan salah satu material anorganik yang banyak Semen merupakan salah satu material anorganik yang banyak dimanfaatkan karena sifat-sifatnya yang memiliki kestabilan tinggi terhadap dimanfaatkan karena sifat-sifatnya yang memiliki kestabilan tinggi terhadap pengaruh fisis.
pengaruh fisis. Semen biasa Semen biasa digunakan sebagai digunakan sebagai bahan bangunan, selbahan bangunan, sel ain itu ain itu semensemen juga
juga digunakan digunakan sebagai sebagai bahan bahan campuran campuran pembuatan pembuatan beton. beton. Semen Semen adalah adalah hasilhasil industri dari paduan bahan baku: batu kapur/gamping sebagai bahan utama dan industri dari paduan bahan baku: batu kapur/gamping sebagai bahan utama dan lempung/tanah liat atau bahan pengganti lainnya dengan hasil akhir berupa lempung/tanah liat atau bahan pengganti lainnya dengan hasil akhir berupa padatan
padatan berbentuk berbentuk bubuk/bubuk/bulk,bulk, yang mengeras atau membatu pada pencampuran yang mengeras atau membatu pada pencampuran dengan
dengan air. air. Batu Batu kapur/gamping kapur/gamping adalah adalah bahan bahan alam yalam yang ang mengandung mengandung senyawasenyawa kalsium oksida (CaO),
kalsium oksida (CaO), sedangkan lempung/tanah liat sedangkan lempung/tanah liat adalah bahan adalah bahan alam yangalam yang mengandung senyawa: silika oksida (SiO
mengandung senyawa: silika oksida (SiO22), ), aluminium aluminium oksida (Aoksida (All22OO33), besi), besi oksida (Fe
oksida (Fe22OO33) dan magnesium oksida (MgO). Untuk menghasilkan semen,) dan magnesium oksida (MgO). Untuk menghasilkan semen, bahan
bahan baku baku tersebut tersebut dibakar dibakar pada pada suhu suhu yang yang sangat sangat tinggi tinggi yaitu yaitu antara antara 1400- 1400-1600° sampai meleleh, sebagian, untuk membentuk clinkernya, yang kemudian 1600° sampai meleleh, sebagian, untuk membentuk clinkernya, yang kemudian dihancurkan dan
dihancurkan dan ditambah ditambah dengan gips dengan gips (( gypsum gypsum) ) dalam dalam jumlah yjumlah yang ang sesuai.sesuai. Hidrasi adalah proses reaksi yang berkelanjutan antara semen dan air, atau Hidrasi adalah proses reaksi yang berkelanjutan antara semen dan air, atau Iebih tepatnya disebut fase cair, yang dimulai dari permukaan partikel semen, Iebih tepatnya disebut fase cair, yang dimulai dari permukaan partikel semen, kemudian dengan berjalannya waktu reaksi bergerak secara bertahap lebih kemudian dengan berjalannya waktu reaksi bergerak secara bertahap lebih kebagian dalam dari partikel semen, air bereaksi dengan partikel semen dan kebagian dalam dari partikel semen, air bereaksi dengan partikel semen dan memisahkan diri dari partikel-partikel semen menjadi gel yang mengitari bagian memisahkan diri dari partikel-partikel semen menjadi gel yang mengitari bagian partikel semen yang tak terhidrasi ( Popovich, 1
partikel semen yang tak terhidrasi ( Popovich, 1992 ).992 ). Pada reaksi hidrasi semen, C
Pada reaksi hidrasi semen, C33S dan CS dan C22S bereaksi dengan air membentukS bereaksi dengan air membentuk Trikalsium silikat hidrat yang disebut dengan gel
Trikalsium silikat hidrat yang disebut dengan gel tobermoritetobermorite atau gelkalsium atau gelkalsium silikat hidrat (CSH
silikat hidrat (CSH gel gel ) dan Ca(OH)) dan Ca(OH)22. . Reaksi hidReaksi hidrasi rasi CC33A dengan adanya kalsiumA dengan adanya kalsium sulfat
sulfat membentuk membentuk kalsium kalsium trisulfoaluminat trisulfoaluminat hidrat hidrat (disebut (disebut dengandengan AFt atau
AFt atau ettringiteettringite), ), ataukalsium ataukalsium monosulfoaluminat monosulfoaluminat hidrat hidrat (disebut(disebut dengan AFm atau
dengan AFm atau monosulfatemonosulfate). ). Tanpa Tanpa adanya adanya kalsium kalsium sulfat, sulfat, CC33AbereaksiAbereaksi dengan
hidrat. Dan C
hidrat. Dan C44AF AF bereaksi bereaksi dengan dengan air air membentuk membentuk kalsium kalsium aluminoferritaluminoferrit hidrat (Spence, 2005).
hidrat (Spence, 2005).
1.2
1.2 Rumusan MasalahRumusan Masalah
Adapun perumusan masalah makalah ini adalah sebagai berikut: Adapun perumusan masalah makalah ini adalah sebagai berikut: 1.
1. Bagaimana sejarah dari semen ?Bagaimana sejarah dari semen ? 2.
2. Bagaimana proses hidrasi pada semen portland ?Bagaimana proses hidrasi pada semen portland ? 3.
3. Bagaimana Mekanisme proses hidrasi ?Bagaimana Mekanisme proses hidrasi ?
1.3
1.3 Tujuan PenulisanTujuan Penulisan 1.
1. Mengetahui sejarah dari semen.Mengetahui sejarah dari semen. 2.
2. Mempelajari atau mengetahui bagaimana proses hidrasi pada semenMempelajari atau mengetahui bagaimana proses hidrasi pada semen Portland.
Portland. 3.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sejarah Penemuan Semen
Semen pada awalnya merupakan hasil percampuran batu kapur dan abu vulkanis. Pertama kali ditemukan di zaman kerajaan Romawi, tepatnya di Pozzuoli, dekat teluk Napoli, Italia. Bubuk itu dinamai pozzuolana. Sedangkan kata semen sendiri berasal dari caementum (bahasa Latin), yang artinya kira-kira "memotong menjadi bagian-bagian kecil tak beraturan ". Meski sempat populer di zamannya, nenek moyang semen made in Napoli ini tak berumur panjang. Menyusul runtuhnya Kerajaan Romawi, sekitar abad pertengahan (tahun 1100 -1500 M) resep ramuan pozzuolana sempat menghilang dari sejarah.
Kemudian pada abad ke-18 (atau sekitar tahun 1700-an M), John Smeaton insinyur asal Inggris, menemukan kembali ramuan kuno berkhasiat luar biasa ini. Dia membuat adonan dengan memanfaatkan campuran batu kapur dan tanah liat saat membangun menara suar Eddystone di lepas pantai Cornwall, Inggris.
Tetapi, bukan Smeaton yang akhirnya mematenkan proses pembuatan cikal bakal semen ini. Joseph Aspdin, juga insinyur berkebangsaan Inggris, pada 1824 mengurus hak paten ramuan, yang kemudian dia sebut semen portland. Dinamai begitu karena warna hasil akhir olahannya mirip tanah liat Pulau Portland, Inggris.
Hasil rekayasa Aspdin inilah yang sekarang banyak terdapat di toko-toko bangunan.
Sebenarnya, adonan Aspdin tak beda jauh dengan Smeaton. Dia tetap mengandalkan dua bahan utama, batu kapur (kaya akan kalsium karbonat) dan tanah lempung yang banyak mengandung silika (sejenis mineral berbentuk pasir), aluminium oksida (alumina) serta oksida besi. Bahan-bahan itu kemudian dihaluskan dan dipanaskan pada suhu tinggi sampai terbentuk campuran baru. Selama proses pemanasan inilah terbentuk campuran padat yang mengandung zat besi dan agar tidak mengeras seperti batu, ramuan diberi bubuk gips dan
2.2 Pengertian Semen
Semen (cement ) adalah hasil industri dari paduan bahan baku: batu kapur/gamping sebagai bahan utama dan lempung/tanah liat atau bahan pengganti lainnya dengan hasil akhir berupa padatan berbentuk bubuk/ bulk, tanpa memandang proses pembuatannya, yang mengeras atau membatu pada pencampuran dengan air. Batu kapur/gamping adalah bahan alam yang mengandung senyawa kalsium oksida (CaO), sedangkan lempung/tanah liat adalah bahan alam yang mengandung senyawa: silika oksida (SiO2), aluminium oksida (Al2O3), besi oksida (Fe2O3) dan magnesium oksida (MgO). Untuk menghasilkan semen, bahan baku tersebut dibakar sampai meleleh, sebagian untuk membentuk clinker nya, yang kemudian dihancurkan dan ditambah dengan gips ( gypsum) dalam jumlah yang sesuai. Hasil akhir dari proses produksi dikemas dalam kantong/sak dengan berat rata-rata 40 kg atau 50 kg.
Semen Portland, merupakan salah satu jenis semen yang sering digunakan untuk membuat bangunan. Semen ini memiliki komposisi yang khas, sebagaimana tercantum dalam tabel 2.1 Dari tabel tersebut tampak bahwa senyawa oksida kalsium (CaO) menduduki peringkat pertama sebagai komponen dominan yang menyusun semen. Sedang komposisi fasa terbesarnya adalah CaS (Ca3SiO5). Dalam semen Portland, terdapat dua macam fasa yang penting, yaitu beta dicalcium silikat, β-Ca2SiO4 dan trikalsium silikat, Ca3SiO5. Adapun fasa-fasa lainnya antara lain trikalsium aluminat, Ca3Al2O6 dan senyawaan ferit, Ca3Al2Fe2O4.
Tabel 2.1 Komposisi oksida dan fasa semen Portland Komposisi oksida (%) Komposisi fasa (%)
CaO 63 C3A(Ca3Al2O6) 5-12
SiO2 20 C3A(Ca3SiO5) 50-70
Al2O3 6 β- C2S(Ca2SiO4) 20-30
Fe2O3 3 C3AF(Ca3Al2Fe2O10) 5-12
MgO 2 K 2O dan Na2O 1
Lainnya 3
(West, 1984) Tabel 2.2 Rumus kimia dan penamaan semen untuk zat-zat penyusun utama dari semen Portland.
Mineral Rumus
Kimia
Komposisi dalam
bentuk oksida Singkatan trikalsium silikat Ca3SiO5 3CaO.SiO2 C3S
dikalsium silikat Ca2SiO4 2CaO.SiO2 C2S
trikalsium aluminat Ca3Al2O5 3CaO.Al2O3 C3A Tetrakalsium aluminoferit Ca4AlnFe2
-nO7 4CaO.AlnFe2-nO3 C4AF
Keberadaan senyawa-senyawa silikat dan aluminat dalam semen menyebabkan terjadinya reaksi dengan air jika semen dicampur dengan air. Akibatnya terbentuk suatu senyawa hidrat sebagai produk dari proses hidrasi yang selanjutnya akan terjadi pengerasan massa. Reaksinya sangat kompleks, tetapi secara umum dapat dituliskan sebagai berikut (Van Vlack, 1985):
Ca3Al2O6 + 6 H2O Ca3Al2(OH)12 + 200 J/g Ca2SiO4 + x H2O Ca2SiO x H2O + 500 J/g
Ca3SiO5 + (x+1) H2O Ca2SiO4 x H2O + Ca(OH)2 + 865 J/g
Reaksi di atas hanya berlaku untuk semen Porltland yang banyak digunakan oleh masyarakat. Untuk semen-semen dengan penggunaan khusus, reaksi tentunya berbeda karena komposisi dan jenis penyusunnya tidak sama dengan semen Portland. Dari reaksi hidrasi diatas juga tampak bahwa, semua reaksi bersifat eksotermis. Panas yang dilepas memang relatif kecil sehingga tidak menjadi masalah pada saat penguapan. Panas ini menjadi masalah, jika semen digunakan untuk membangun bendungan besar. Pada kasus seperti ini harus dicarikan cara mendinginkan semen agar penguapan air tidak terlalu cepat akibat pemanasan dari dalam (Bogue dan Lerch dalam West, 1984).
Perbedaan fasa-fasa anhidrat sebagai hasil proses penguapan fasa hidrat, menyebabkan timbulnya sifat semen (beton) yang berbeda, sebagaimana
diberikan pada gambar 2. Dari gambar tersebut tampak bahwa fasa C3S terhidrasi cepat dan mengembang kuat lebih awal sementara β- C2S mengeras lebih lambat. Produk hidrasi C3A dan C4AF amat kecil kekuatannya. Komponen C3S ini bertanggung jawab terhadap perkerasan awal, sedangkan C3S dan β- C2S
memberikan kekuatan semen ataupun beton yang lebih lama.
Sebagaiman telah dijelaskan diatas bahwa hidrasi pada semen merupakan proses yang kompleks. Hal ini karena produk hidrasinya ada diantara gel dan kristal tak sempurna sehingga sukar dianalisis dengan sinar-x. Produk utama dan paling penting dari semen yang telah mengeras dan memberi kekuatan tinggi adalah kristal kalsium silikat anhidrat. Senyawa ini jumlahnya dalam semen sedikit. Komposisi senyawa ini tidak tentu dan mungkin berubah-ubah tergantung rasio kapur-silika maupun rasio silika-air. Ada kemungkinan juga mengandung ion-ion Al3+, Fe2+ dan SO42-.
Proses hidrasi pada semen sebenarnya berlangsung melalui dua tahap yaitu pertama, proses pelapisan gel C-S-H (kalsium silika hidrat) yang cepat pada permukaan partikel semen anhidrat. Kedua, proses penebalan lapisan baik oleh pertumbuhan keluar maupun pertumbuhan kedalam partikel semen anhidrat.
Lapisan-lapisan kemudian mulai bergabung setelah beberapa jam kemudian.
Rasio air terhadap semen sangat mempengaruhi sifat-sifat semen. Pasta semen memiliki volume tinggi yang konstan. Volume ini akan bertambah besar dengan meningkatnya rasio air terhadap semen dalam campuran mula-mula. Suatu set semen bersifat porus dan mengandung lubang-lubang air yang amat kecil (10-20 Angstrom) maupun lubang-lubang dengan ukuran amat besar (1 mikrometer). Hubungan antar kapiler-kaplier yang terdapat di dalamnya sangat mempengaruhi permeabilitas (kemudahtembusan oleh air) dan vulnerabilitas (ketahanrusakan)
semen. Adanya interkoneksi antar pori-pori kapiler tentunya harus dihindari, karena melemahkan kekuatan semen. Keadaan ini bisa tercapai apabila ada waktu yang cukup bagi pasta semen yang cukup rendah. Untuk rasio air-semen sebesar 0,4 biasanya perlu waktu 3 hari, sedang untuk rasio air-semen 0,7 waktu yang diperlukan sekitar 1 tahun (West, 1984).
Masalah semen yang cepat mudah mengeras ( flash set ) disebabkan oleh adanya reaksi yang cepat antara air dengan C3A. Senyawa ini mudah larut dalam air yang kemudian diikuti dengan proses pengendapan kalsium aluminat hidrat sambil melepas panas. Meskipun reaksinya cepat, sifat-sifat mekanis semen yang mengalami flash set sangat jelek. Secara praktis, falsh set bisa dihindari dengan menambahkan 1-2 % gipsum ke dalam klinker semen pada saat memproduksi semen. Melalui reaksi yang rumit, gips bersama Ca(OH)2 akan bekerja memperlambat proses hidrasi C3A. Bahkan fasa aluminat sulfat, etringite Ca6Al2(OH)12(SO4)3.26 H2O ataupun monosulfat Ca4Al2(OH)12SO4.6 H2O yang terbentuk, mungkin bisa sebagai pelindung lapisan pada permukaan kristal C3A.
2.3 Bahan Baku Semen 2.3.1 Bahan Baku Utama
Semen dibuat dengan menggunakan bahan baku utama, antara lain:
1. Batu kapur
Batu kapur merupakan komponen yang banyak mengandung CaCO3 dengan sedikit tanah liat, Magnesium Karbonat, Alumina Silikat dan senyawa oksida lainnya. Senyawa besi dan organik menyebabkan batu kapur berwarna abu-abu hingga kuning. Kebutuhanya sekitar
81%.
2. Batu Silika
Materil ini merupakan sumber silika Oksida (SiO2) dan Aluminium Oksida (Al2O3). Material ini ditambang di Bukit Ngalau. Penambangannya dilakukan tanpa bahan peledak tetapi diruntuhkan dengan excavator dan dibawa
ke crusher dengan wheel loader atau dump truck dan kebutuhannya sekitar 10% dari kebutuhan bahan mentah.
3. Tanah liat
Komponen utama pembentuk tanah liat adalah senyawa Alumina Silikat Hidrat. Tanah liat merupakan sumber Aluminium Oksida dan Iron Oksida. Ditambang dengan excavator dan ditranportasikan ke pabrik dengan dump truck dan kebutuhannya adalah sekitar 9-10% dari total bahan mentah.
4. Pasir Besi
Pasir besi mempunyai oksida utama berupa Fe2O3 (Oksida Besi), yang kebutuhannya hanyalah 1-2% dari bahan mentah. PT. Semen Padang tidak menambang pasir besi melainkan membeli dari PT. Aneka Tambang Cilacap.
2.3.2 Bahan Tambahan yang Digunakan
1. Gypsum ( CaSO4. 2H2O )
Berfungsi sebagai retarder atau memperlambat proses pengerasan dari semen. Hilangnya kristal air pada gipsum menyebabkan hilangnya atau berkurangnya sifat gipsum sebagai retarder.
2. Batu bara
Di dalam pembuatan semen, batu bara digunakan sebagai bahan bakar pada kiln mill, baik pada pemanasan awal (preheater) maupun pada proses kiln itu sendiri. Batu bara yang digunakan diperoleh dari kabupaten Sawah
2.3 Jenis-jenis Semen
Jenis semen menurut Standar Nasional Indonesia (SNI), sebagai berikut : Tabel 2.2 Jenis-Jenis Semen
No.SNI Nama
SNI 15-0129-2004 Semen Portland Putih
SNI 15-0302-2004 Semen Portland Pozolan / Portland Pozzolan Cement (PPC)
SNI 15-2049-2004 Semen Portland / Ordinary Portland Cement (OPC)
SNI 15-3500-2004 Semen Portland Campur SNI 15-3758-2004 Semen Masonry
SNI 15-7064-2004 Semen Portland Komposit
Sedangkan jenis semen menurut Biro Pusat Statistik (BPS), yaitu sebagai berikut:
1. Semen abu atau semen Portland
Adalah bubuk/bulk berwarna abu kebiru-biruan, dibentuk dari bahan utama batu kapur/gamping berkadar kalsium tinggi yang diolah dalam tanur yang bersuhu dan bertekanan tinggi. Semen ini biasa digunakan sebagai perekat untuk
memplester. Semen ini berdasarkan presentase kandungan penyusunannya terdiri dari 5 (lima) tipe, yaitu tipe I s.d V.
Tabel 2.4. Komposisi campuran semen tipe I s.d V
C3S (%) C2S (%) C3A (%) C4AF (%) Tipe I 55 19 10 7 Tipe II 51 24 6 11 Tipe III 56 19 10 7 Tipe IV 28 49 4 12 Tipe V 38 43 4 9
2. Semen putih (Gray cement )
Adalah semen yang lebih murni dari semen abu dan digunakan untuk pekerjaan penyelesaian ( finishing ), seperti sebagai filler atau pengisi. Semen jenis
ini dibuat dari bahan utama kalsit (calcite) limestone murni. 3. Oil well cement atau semen sumur minyak
Adalah semen khusus yang digunakan dalam proses pengeboran minyak bumi atau gas alam, baik di darat maupun di lepas pantai.
4. Mixed & fly ash cement
Adalah campuran semen abu dengan Pozzolan buatan ( fly ash). Pozzolan buatan ( fly ash) merupakan hasil sampingan dari pembakaran batubara yang mengandung amorphous silika, aluminium oksida, besi oksida dan oksida lainnya dalam berbagai variasi jumlah. Semen ini digunakan sebagai campuran untuk membuat beton, sehingga menjadi lebih keras.
2.3 Proses Pembuatan Semen
Proses pembuatan semen dapat dibedakan menurut: 1. Proses basah
Semua bahan baku yang ada dicampur dengan air, dihancurkan dan diuapkan kemudian dibakar dengan menggunakan bahan bakar minyak, bakar (bunker crude oil ). Proses ini jarang digunakan karena masalah
keterbatasan energi BBM. 2. Proses kering
Menggunakan teknik penggilingan dan blending kemudian dibakar dengan bahan bakar batubara. Proses ini meliputi lima tahap pengelolaan yaitu: 1. Proses pengeringan dan penggilingan bahan baku di rotary dryer dan
roller meal .
2. Proses pencampuran (homogenizing raw meal ) untuk mendapatkan campuran yang homogen.
3. Proses pembakaran raw meal untuk menghasilkan terak (clinker : bahan setengah jadi yang dibutuhkan untuk pembuatan semen).
5. Proses penggilingan akhir di mana clinker dan gypsum digiling dengan cement mill .
Dari proses pembuatan semen di atas akan terjadi penguapan karena pembakaran dengan suhu mencapai 900 0C sehingga menghasilkan: residu (sisa) yang tak larut, sulfur trioksida, silika yang larut, besi dan alumunium oksida, oksida besi, kalsium, magnesium, alkali, fosfor, dan kapur bebas.
BAB III
MEKANISME HIDRASI PADA SEMEN
Air merupakan reaktan kunci dalam hidrasi semen.Penggabungan air menjadi zat yang dikenal sebagai hidrasi.Air dan semen awalnya membentuk pasta semen yang mulai bereaksi dan mengeras (ditetapkan). Pasta ini mengikat partikel agregat melalui proses kimia hidrasi. Dalam hidrasi semen, perubahan kimia terjadi perlahan-lahan, pada akhirnya menciptakan produk kristal baru, evolusi panas, dan tanda-tanda terukur lainnya.
semen + air = pasta mengeras semen.
Sifat-sifat ini pasta semen mengeras, yang disebut pengikat, mengendalikan sifat-sifat beton. Ini adalah masuknya air (hidrasi) ke dalam produk yang menyebabkan beton untuk mengatur, kaku, dan menjadi keras. Setelah ditetapkan, beton terus mengeras (obat) dan menjadi lebih kuat untuk jangka waktu yang panjang, sering sampai beberapa tahun.
3.2 Semen Portland
Semen Portland semen sudah umum digunakan paling tidak sejak dua ribu tahun yang lalu oleh Bangsa Romawi sudah banyak menggunakan bahan ini pada proyek konstruksi mereka bahkan banyak diantaranya masih berdiri. Semen yang
mereka gunakan adalah semen alami dan semen pozzolan, dibuat dari campuran batu gamping dan lempung serta dari campuran kapur mati dengan abu vulkanik
yang mengandung silica. Semen Portland modern dibuat dari beberapa bahan yang mempunyai proporsi yang tepat antara batu kapur, silica, allumina dan besi serta sebagian kecil magnesia dan sulfur trioksida ( Smith and Andres, 1989).
Semen Portland adalah semen hidrolis yang dihasilkan dengan cara membakar bersama-sarna: kapur, silica dan alumina pada suhu ± 1500 0 C yang menjadi klinker. Kemudian klinke -kliker ini didinginkan dan dihaluskan sampai menjadi bubuk. Biasanya lalu ditambahkan gips atau kalsium sulfat sebagai bahan pengontrol waktu ikat. Bahan tambang lain kadang -kadang ditambahkan untuk
membentuk semen khusus, misalnya kalsium klorida untuk menjadikan semen cepat mengeras (Tjokrodimulyo, 1995 ).
Semen Portland dibuat dengan melalui beberapa langkah,sehingga menjadikan semen sangat halus dan memiliki sifat adhesifmaupun kohesif.
Di Indonesia semen dibagi menjadi 5 jenis ( PUBI -1982 ), yaitu :
1. Jenis I yaitu semen Portland untuk penggunaan umum yang tidak memerlukan pcrsyaratan -persyaratan khllsus seperti yang disyaratkan pada jenis lain.
2. Jenis II yaitu semen Portland yang dalam penggunaannya memerlukan ketahanan terhadap sulfat dan panas hidrasi sedang.
3. Jenis III yaitu semen Portland yang dalam penggunaannya menuntut persyaratan kekuatan awal tinggi.
4. Jenis IV yaitu semen Portland yang dalam penggunaannya menuntut pcrsyaratan panas hidrasi rendah.
5. Jenis V yaitu semen Portland yang dalam penggunaannya menuntut pcrsyaratan sangat tahan sulfat.
Efek dari komposisi penyusun semen terhadap peningkatan kekuatan beton dapat di buat pendekatan dengan model matematika. Model matematika ini merupakan pendekatan dari bermacam -macam hipotesa semen yang di dalamnya terdiri banyak faktor yang berpengaruh terhadap hidrasi semen dan pengerasan nyata pasta semen. Model matematika ini penting untuk pemilihan jenis semen. karena sangat berhubungan dengan komposisi dan property semen yang berpengaruh terhadap kekuatan beton yang dihasilkan.
3.2 Proses hidrasi pada semen Portland
Ketika semen Portland di campur dengan air, maka partikel semen akan menjadi sebuah fase cair atau pasta. Hasil dari pasta semen dapat dilihat segera setelah pencampuran dan akan bertahan untuk waktu yang disebut dengan "dormant period ". Setelah dua sampai tiga jam dengan kondisi normal, pasta semen mulai mengeras dan kondisi plastis mulai berkurang dan akhirnya hilang, pasta semen menjadi getas ( brittle ). Proses pengerasan ini disebut dengan
( S. Popovich, 1992).
Gambar 3.1 Pengembangan kekuatan tekan semen pada proses hidrasi
Setting process dan pengerasan pasta semen Portland adalah hasil dari reaksi kimia yang simultan dan teratur antara air dan bahan bahan penyusun semen, reaksi ini disebut dengan proses hidrasi. Ada dua proses reaksi kimia penting selama periode awal dari proses hidrasi, yaitu :
I. Reaksi antara C3A dan gypsum dari semen menghasilkan ettringite, yaitu kalsium dan alluminate trisulfate hydrate.
2. Hidrasi dari semen dan air menghasilkan calsium silicate hydrate ( CSH ). Kalau dibuat persamaan reaksi kimia yang disederhanakan menjadi sebagai berikut:
2C2S + H6 C3S2H3 + 3C………. (3.1) C3S2H3 yang ditunjukkan oleh sebuah senyawa CSH atau yang lebih dikenal dengan tobermorite gel.
C2A + H10 + CS.H2 C3A. CS .Hl2 + 3CH………(3.2) Disisi kanan dari persamaan 3.2 adalah calsillm alluminate monosulphate hydrate ( Bruner dan Copeland, 1964 ). Fase monoslilphate dapat juga merupakan pengembangan dari calsium alluminate trisulphate hydrate ( ettringite ) yang terbentuk setelah fase awal dari hidrasi ( Mehta, .1993 ). fndikasi dari proses hidrasi dari dua calsillm silicate bereaksi dengan C3A, yang berfungsi sebagai
katalis pada hidrasi dari silicate. Mekanisme yang mungkin adalah C3A membuat struktur dari pengembangan gel CSH ( Popovich, 1992 ).
a. Hiderasi Semen
Hiderasi semen adalah reaksi antara komponen-komponen semen dengan air. Untuk mengetahui hiderasi semen, maka harus mengenal hiderasi dari senyawa-senyawa yang terkandung dalam semen ( C2S, C3S, C3A, C4AF)
b. Hiderasi Kalsium Silikat ( C2S, C3S)
Kalsium Silikat di dalam air akan terhidrolisa menjadi kalsium hidroksidsa Ca(OH)2 dan kalsium silikat hidrat (3CaO.2SiO2.3H2O) pada suhu 30oC
2(3CaO.2SiO2) + 6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + 3 Ca(OH)2 2(3CaO.2SiO2) + 4H2O 3CaO.2SiO2.2H2O + Ca(OH)2
Kalsium Silikat hidrat (CSH) adalah silikat di dalam kristal yang tidak sempurna, bentuknya padatan berongga yang sering disebut Tobermorite Gel. Adanya kalsium hidroksida akan membuat pasta semen bersifat basa (pH= 12,5) hal ini dapat menyebabkan pasta semen sensitive terhadap asam kuat tetapi dapat mencegah baja mengalami korosi.
c. Hiderasi C3A
Hiderasi C3A dengan air yang berlebih pada suhu 30oC akan menghasilkan kalsium alumina hidrat (3CaO. Al2O3. 3H2O) yang mana kristalnya berbentuk kubus di dalam semen karena adanya gypsum maka hasil hiderasi C3A sedikit berbeda. Mula-mula C3A akan bereaksi dengan gypsum menghasilkan sulfo aluminate yang kristalnya berbentuk jarum dan biasa disebut ettringite namun pada akhirnyagypsum bereaksi semua, baru terbentuk kalsium alumin ahidrat (CAH).
Hiderasi C3A tanpa gypsum (30oC):
3CaO. Al2O3+ 6H2O 3CaO. Al2O3. 6H2O
Hiderasi C3A dengan gypsum (30oC):
Penambahan gypsum pada semen dimaksudkan untuk menunda pengikatan, hal ini disebabkan karena terbentuknya lapisan ettringite pada permukaan-permukaan Kristal C3A
d. Hiderasi C4AF (30 H2O oC)
4CaO.Al2O3. Fe2O3 + 2Ca(OH)2+10H2O 4CaO.Al2O3.6H2O + 3CaO.Fe2O3.6H2O
e. Setting dan Hardening
Setting dan Hardening adalah pengikatan dan pengerasan semen setelah terjadi reaksi hiderasi. Semen apabila dicampur dengan air akan menghasilkan pasta yang plastis dan dapat dibentuk (workable) sampai beberapa waktu karakteristik dari pasta tidak berubah dan periode ini sering disebut Dorman Period (period tidur). Pada tahapan berikutnya pasta mulai menjadi kaku walaupun masih ada yang lemah, namun suhu tidak dapat dibentuk (unworkable).Kondisi ini disebut Initial Set, sedangkan waktu mulai dibentuk (ditambah air) sampai kondisi Initial Set disebut Initial Setting Time (waktu pengikatan awal).Tahapan berikutnya pasta melanjutkan kekuatannya sehingga didapat padatan yang utuh dan biasa disebutHardened Cement Pasta. Kondisi ini disebut final Set sedangkan waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi ini disebut Final Setting Time (waktu pengikatan akhir).
Proses penerasan berjalan terus berjalan seiring dengan waktu akan diperoleh kekuatan proses ini dikenal dengan nama Hardening. Waktu pengikatan awal dan akhir dalam semen dalam prakteknya sangat penting, sebab waktu pengikatan awal akan menentukan panjangnya waktu dimana campuran semen
masih bersifat plastik. Waktu pengikatan awal minimum 45 menit sedangkan waktu akhir maksimum 8 jam.
Reaksi pengerasan :
C2S + 5H2O C2S. 5H2O
C3S + 5H2O C2S6. 5H2O + 13 Ca(OH)2
C3A+ 3Cs+ 32H2O C3A. 3Cs+.32H2O
C4AF + 7H2O C3A.6 H2O+ CF. H2O
f. Panas Hiderasi
Panas hiderasi adalah panas yang dilepaskan selama semen mengalami proses hiderasi. Jumlah panas hiderasi yang terajdi tergantung, tipe semen,
kehalusan semen, dan perbandingan antara air dengan semen. Kekerasan awal semen yang tinggi dan panas hiderasi yang besar kemungkinan terajadi reta k-retak pada beton, hal ini disebabkan oleh fosfor yang timbul sukar dihilangkan sehingga
terajdi pemuaian pada proses pendinginan. g. Penyusutan
Ada tiga macam penyusutan yang terjadi di dalam semen, diantaranya: – Drying Shringkage ( penyusutan karena pengeringan)
– Hideration Shringkage (penyuautan karena hiderasi) – Carbonation Shringkage (penyusutan karena karbonasi)
Yang paling berpengaruh pada permukaan beton adalah Drying Shringkage, penyusutan ini terjadi karena penguapan selama proses setting dan hardening. Bial besaran kelembabannya dapat dijaga, maka keretakan beton dapat dihindari. Penyusutan ini dioengaruhi juga kadar C3A yang terlalu tinggi.
h. Kelembaban
Kelembaban timbul karena semen menyerap uaap air dan CO2¬ dan dalam jumlah yang cukup banyak sehigga terjadi penggumpalan. Semen yang menggumpal kualitasnya akan menurun karena bertambahnya Loss On Ignition (LOI) dan menurunnya spesifik gravity sehingga kekuatan semen menurun, waktu pengikatan dan pengerasan semakin lama, dan terjadinya false set.
i. Loss On Ignation (HilangFajar)
Loss On Ignation dipersyaratkan untuk mencegah adanya mineral-mneral yang terurai pada saat pemijaran, dimana proses ini menimbulkan kerusakan pada batu setelah beberapa tahun kemudian.
j. Spesifik Gravity
Spesifik Gravity dari semen merupakan informasi yang sangat penting dalam perancangan beton.Didalam pengontrolan kualitas Spesifik gravity digunakan untuk mengetahui seberapa jauh kesempurnaan pembakaran klinker, dan juga menetahui apakah klinker tercampur dengan impuritis.
k. False Set
Proses yang terjadi bila adonan mengeras dalam waktu singkat. False Set dapat dihindari dengan melindungi semen dari pengaruh udara luar, sehingga alkali karbonat tidak terbentuk didalam semen.
Kekuatan semen yang telah mengeras tergantung pada jumlah air yang dipakai waktu hidrasi berlangsung. Pada dasamya jumlah air yang diperlukan untuk proses hidrasi hanya sekitar 25 % dari berat semennya, penambahan jumlah air akan mengurangi kekuatan beton ( Winter and Nelson, 1991 ).
Beton dapat mempunyai rentang kekuatan yang lehar yaitl! dapat diperoleh dengan cam mengatur secara tepat proporsi dari material -material pokok. Semen khusus, agrcgat khusus, bahan tambah dan mctode Perawatan yang
khusus menjadikan banyak variasi dari beton akan diperoleh.
3.2 Mekanisme proses hidrasi
Hidrasi adalah proses reaksi yang berkelanjutan antara semen dan air, atau Iebih tepatnya disebut fase cair, yang dimulai dari permukaan partikel semen, kemudian dengan berjalannya waktu reaksi bergerak secara bertahap lebih ke bagian dalam dari partikel semen, air bereaksi dengan partikel semen dan memisahkan diri dari partikel-partikel semen menjadi gel yang mengitari bagian partikel semen yang tak terhidrasi ( Popovich, 1992 ).
Pengembangan kekuatan dari semen sangat komplek, oleh karena itu mekanisme hidrasi hanya dibuat perkiraan saja. Menurut Popovich, mekanisme hidrasi terdiri dari beberapa tahap antara lain:
1. Tahap zero stage, yaitu ketika permulaan semen d.an air pertama terjadi kontak.
2. Tahap first stage, yaitu kelanjutan dari tahap pcrtama ketika gel dari hasil prose hidrasi mlilai menempel pada permukaan partikel semen dalam jllmlah yang banyak, kemudian membuat lapisan pelindung untuk mencapai bagian dari semen yang belum terhidrasi dan pada tahap ini membutuhkan cukllp banyak air untuk semua proses reaksi tersebut.
3. Tahap second stage, yaitu proses setelah tahap first stage, ketika lapisan gel menjadi begitu tebal yang menempel pada pemlUkaan partikel semen. Pada tahap ini reaksi menjadi lebih lambat.
Waktu untuk proses zero stage dan jirst stage sangat tergantung dari kesemua proses tersebut, lebih khusus ketika proses hidrasi berlangsung cepat, misalnya menggunakan Perawatan temperatur tinggi ( uap ), mengandung partikel semen C3S dan C3A yang tinggi, maka waktu darifirst stage mungkin akan terjadi sckitar satll minggll atau kurang, sedangkan pada proses hidrasi yang Jambat paling tidak membutuhkan waktu beberapa bulan ( Popovich, 1992).
3.3 Porositas pasta semen
Bentuk dan ukuran porositas pasta semen mempunyai efek penting pada property beton yang dihasilkan setelah proses hidrasi seperti yang telah diuraikan di atas. Porositas pasta semen sangat berpengaruh terhadap kekuatan dan keawetan ( durability) beton ( Popovich, 1992 ).
Porositas pasta semen terdiri dari pori -pori kecil ( micro capillary) dan hesar ( macro capillary). Pori -pori kecil meliput! kandungan udara dan pori pnri kapiler scdangkan pori -pori besar meliputi pori -pori gel. Ada dua aspek dalam pcnambahan pori -pori kapilcr dan kandungan udara, yaitu :
1) Dua bentuk awal dari porositas adalah berbeda. Kandungan udara dalam pasta semen adalah hasil konsolidasi tidak komplet atau memang
ditambahkan.
2) Volume awal dari kandungan udara ( Va ) mengandung konstanta pokok selama umur pasta semen ataupun beton.
Berikut akan diuraikan porositas pasta semen untuk kondisi pasta semen segar dan setelah pasta semen mengeras.
1. Pasta semen segar (Fesh paste cement)
Skema dari komposisi pasta semen segar utau beton segar dapat dilihat pada Gambar 3.2 berikut ini.
Gambar 3.2 Komposisi dalam beton segar
Dengan: Vcone = volume beton Va = volume udara Vw = volume air
Vc = volume semen Vag = volume agregat
Secara praktis kandungan udara untuk berbagai umur beton (pasta semen) adalah sama, tetapi volume pori pori kapiler ( Vw ) berkurang dengan berjalannya umur beton dalam kondisi normal ( Popovich, 1992 ).
Total volume kandungan pasta semen segar dapat dihitung dengan persamaan dari teknologi beton antara lain:
1) Vc+Vag+Vw+Va = Vcone………... ( 3.3 ) dengan:
Vc dan Vag = Volume absolut dari semen dan agregat dalam beton Vw dan Va = volume dari udara dan air dalam beton
Vcone = volume sampel beton
2) Wc+Wag+Ww = Wcone………( 3.4 ) dengan : W = berat semen, agregat dan air dalam sampal beton
Dengan : Po = porositas total awal, 100 %
v = volume pasta semen segar tennasuk kandungan udara p'o = p"o = kunatitas relatif dari volume udara dan air ( % )
Porositas udara atau yang disebut dengan kandungan udara dalam pasta semen dillinjukkan dalam bentuk persamaan relatif sebagai berikut.
a=100 p'o = 100( 1−
)
...(3.6)= 100(1 −Ua / + I/Gc
/ +1 )……….………(3.7)
dengan :
a = kandungan udara, % volume
Ua = berat per unit pasta semen, g/cm3
Uo = berat per unit pasta semen dihitung pada keadaan bebas udara, g/cm3 W = massa air dalam spesimen segar
C = massa dari semen w/c = rasio air semen Gc = gravitasi dari semen
2. Pasta semen yang telah mengeras
Pengembangan hasil hidrasi dimulai saat pori-pori kapiler bertambah secara bertahap sejak pencampuran selesai walaupun sesungguhnya perubahan volume tidak besar yang tergantung dari proses. Pengurangan proses porositas kapiler tergantung dari beberapa kondisi berikut ini:
1) Tidak ada lagi semen yang tak terhidrasi terscdia untuk hidrasi. 2) Tidak ada cukup air tersedia.
3) Semua pori -pori kapiler telah terisi oleh hasil hidrasi.
Pada Gambar 3.2 dan 3.4 berikut ini dapat dilihat skema dari dua tahap hidrasi pasta semen dengan pemadatan penuh untuk rasio air semen 0.32 dan 0.48.
Gambar 3.3 Skema persentase hidrasi pasta semen dengan rasio air semen 0.32
Gambar 3.4 Skema persentase hidrasi pasta semen dengan rasio air semen 0.48 Sisa porositas (p) didalam pasta keras dapat dihitung pada beberapa tahap hidrasi sejak porositas awal (po) ditambah ruang yang dibentuk oleh:
P = Vw + Va+vVp - Vh = po -Vh v
-
Vp Dengan : P = Porositas Po = porositas awalVp =Volume semen Portland yang telah digunakan untuk hidrasi Vh = Volume padat hasil hidrasi
Tetapi dalam kenyataannya hasil hidrasi padat sesungguhnya hanya kontribusi dari gel semen yang berpengaruh terhadap pengembangan kekuatan pasta semen, rnaka persamaan 3.8. menjadi :
BAB IV PENUTUP
4.1 Kesimpulan
1. Semen (cement ) adalah hasil industri dari paduan bahan baku: batu kapur/gamping sebagai bahan utama dan lempung/tanah liat atau bahan pengganti lainnya dengan hasil akhir berupa padatan berbentuk bubuk/bulk, tanpa memandang proses pembuatannya, yang mengeras atau
membatu pada pencampuran dengan air.
2. Air merupakan reaktan kunci dalam hidrasi semen.Penggabungan air menjadi zat yang dikenal sebagai hidrasi.Air dan semen awalnya membentuk pasta semen yang mulai bereaksi dan mengeras (ditetapkan). 3. Semen Portland adalah semen hidrolis yang dihasilkan dengan cara
membakar bersama-sarna: kapur, silica dan alumina pada suhu ± 1500 0C yang menjadi klinker.
4. Hasil dari pasta semen dapat dilihat segera setelah pencampuran dan akan bertahan untuk waktu yang disebut dengan "dormant period ". Setelah dua sampai tiga jam dengan kondisi normal, pasta semen mulai mengeras dan kondisi plastis mulai berkurang dan akhirnya hilang, pasta semen menjadi getas ( brittle ). Proses pengerasan ini disebut dengan "setting process. 5. Secara praktis kandungan udara untuk berbagai umur beton (pasta semen)
adalah sama, tetapi volume pori pori kapiler ( Vw ) berkurang dengan berjalannya umur beton dalam kondisi normal.
Austin, G. T., a.b: Jasifi, 1996, Industri Proses Kimia, Erlangga, Jakarta. Baron, R., Andrew,Chemical Composition of Portland Cement,http://en.wikipedia.org/wiki/Portland_cement.
Bone, et al . 2004. Review of Scientific Literature on The Use of
Stabilisation/Solidification for The Treatment of Contaminated Soil, Solid Waste and Sludges. Environment Agency.
Gupta, V. K. Mohan, D. Sharma, S. and Park, K. T. 1999. Removal ofChromium VI from Electroplating Industry Wastewater Using Bagasse Fly Ash—A Sugar Industry Waste Material.The Environmentalist , 19 : 129 –136.
Mac Laren, D. C. and M. A. White. 2003. Cement: Its Chemistry and Properties. Journal of Chemical Education 80, 6, (2003): 623-634.
Spence. 2005. Stabilization and Solidification of Hazardous, Radioactive and Mixed Wastes. CRC Press. Boca Raton: CRC Press.
Taylor, Harold F. W. 1990.C ement C hemis try . London: Academic Press.
Wayne, S. Ad
Apriyadi Firdaus,Proses pembuatan semen pada PT Holcim Indonesia,2007.
. Julian Bagus Hariawan,Pengaruh perbedaan karakteristik type semen Ordinary Portland Semen(OPC) dan Portland Composite Cement (PCC) terhadap kuat tekan mortar,2008
3. Paul Nugraha, Teknologi Beton, 2007
4. A.M.Neville & J.J.Brooks, Concrete Technology, 1993 5. L.J.Murdock D Sc, Bahan dan
