STABILISASI TANAH‐SEMEN DAN TANAH‐KAPUR
DENGAN VARIASI INDEKS PLASTISITAS
Muhammad Shalahuddin
Staf Pengajar Fakultas Teknik/ Teknik Sipil UNRI
Abstract
Cement and lime are stabilizer agents used for layer foundation of road construction. The problem are cement or lime give increase the more strength to soil with particular index plasticity.
Aim this research is analysis soil blend with cement or lime 6 % and 9 % content to the product of standard proctor, unconfined compressive strength with variation of index plasticity. The tests are made at 3 type of soil with PI 9,60 %;22,05 % and 35,43 %.
The result of the tests were indicated that the increasing cement content would decreasing OMC and increasing MDD of soil and its UCS, conversely the increasing lime content would increasing OMC and decreasing MDD but increasing its UCS.
Keywords: Stabilization, Cement, Lime, PI.
A. Pendahuluan
Perbaikan tanah dengan bahan stabilisator adalah untuk memperkuat struktur tanah, mengurangi plastisitas tanah dan kompressibilitas tanah. Bahan stabilisator yang umum dipakai adalah semen dan kapur, tetapi kedua bahan ini belum tentu dapat menstabilkan semua jenis tanah dengan PI yang berbeda. Indeks Plastisitas (PI) adalah nilai batas cair tanah (Liquid Limit) dikurang batas plastis tanah (Plastic Limit). Tanah lempung dengan batas cair yang lebih besar dari 45 % dan batas plastis lebih besar 22% adalah cukup sulit untuk distabilisasi dengan semen karena masalah pencampuran (Andrews, 1995). Pemanfaatan secara luas untuk peningkatan kekuatan tanah dapat dicapai dengan menambahkan hanya sedikit semen. Walaupun jumlah semennya sedikit, hal ini cukup untuk memperbaiki karakteristik tanah dan ini tidak akan mengembangkan begitu banyak hardening,
compressive atau tensile strength tanah
(Sherwood, 1993). Penambahan semen secukupnya pada tanah berbutir halus berguna mengurangi plastisitasnya agar memenuhi persyaratan khusus pada penambahan sejumlah semen dengan persentase kecil untuk menghasilkan
semen-tanah (Oglesby and Garry, 1996). Pengaruh umur/hari terhadap kekuatan dari beberapa jenis tanah yang distabilisasi dengan kadar semen 5% terus meningkat sejalan dengan penambahan waktu (after Metcals, 1972).
Tanah Lempung dan Lempung Kepasiran
Tanah dengan PI tinggi diidentifikasi sebagai jenis tanah lempung. Hanya ada 2 kristal fundamental dari lempung (Gambar 1), yaitu: 1.Tetrahedra/Silika O Si O O O 2. Octahedra / Alumina OH OH OH Al OH OH
Gambar 1. Jenis kristal fundamental lempung Rangkaian kristal tetrahedra atau lempeng tetrahedra terdiri dari 1 Si ++++ dan 4 O- -. Sehingga terjadi kelebihan muatan negatif (-), kelebihan muatan (-) ini dapat dikurangi dengan cara pemakaian bersama atom oksigen oleh kristal tetrahedra yang bersebelahan sehingga membentuk struktur lempengan. Begitu juga rangkaian kristal octahedra terdiri dari 1 Al +++ dan 6 OH – sehingga juga terjadi kelebihan muatan negatif dan juga akan membentuk lempengan (Gambar 2).
Gambar 2. Lempengan mineral lempung
Untuk penggambaran kristal tetrahedra dan octahedra, maka dibuat seperti Gambar 3. - lempeng tetrahedra
- lempeng octahedra
Gambar 3. Lempeng tetrahedra dan octahedral Dalam ilmu geoteknik dikenal 4 jenis lempung dengan penumpukan (Gambar 4).
Ikatan antar-lempeng kristal lempung yang sama-sama bermuatan negatif adalah ikatan van der waal yang lemah, sehingga secara fisik kuat tekan lempung adalah rendah.
Tanah dengan PI rendah diidentifikasi sebagai tanah lempung kepasiran. Butiran tanah yang diklasifikasikan secara fisik dan lolos saringan no. 40 (0.425 mm) dan apabila dipadatkan, permukaan butirnya akan saling menyentuh dan mengunci (interlocking) dan butiran yang lebih halus akan mengisi rongga antar butir yang lebih kasar. Secara umum, tanah jenis ini apabila nilai MDD nya naik maka akan meningkatkan nilai kuat tekan dan menurunkan nilai OMC.
+ +
+ + Semen dan Kapur
Secara umum komposisi semen adalah lime (CaO) 60-70%, silica (SiO2) 17-25%,
alumina (Al2O3) 3-8%, Magnesia (MgO)
0,1–4%, Sulphur trioxide (SO3) 1 – 3%, iron
oxide (Fe2O3) 0,5–6% dan soda and potash
alkalies (0,5 – 1%). Kandungan senyawanya adalah: tri-calcium silicate (3CaO SiO2) dengan simbol C3S; di-calcium
silicate (2 CaO SiO2) dengan
simbol C2S; tri-calcium aliminate (3 CaO
Al2O3) dengan simbol C3A dan tetra-calcium
alumino ferrite (4CaO Al2O3 Fe2 O3)
dengan simbol C4AF. Tri-calcium silicate
dan di-calcium silicate adalah yang paling bertanggung jawab terhadap karakteristik kekuatan semen. C3S untuk hidrasi pertama
dan bertanggung jawab untuk kekuatan segera pada beton. + + + + + + + + + + + + + + + Si Si Al Al Montmorillon ite S S
Gambar 4. Penumpukan lempeng tetrahedra dan octahedra S AlS Al S AlS Al S AlS Al 0 72 nm S S Al Al Kaolinit e Mineral Mineral S S S S Al Al S S 0 96 nm S S Al Al S S S S S AlS Al S S S S Al Al S S S S Al Al 0 96 nm Potassium Illit e Mineral Chrollit e Mineral lempun g S S Al Al S S S S Al Al S S S S 1 4 nm Gibbsite atau B i Al Al
Kekuatan selama 7 hari untuk hidrasi C3S. C2S, hidrolisis senyawa ini relatif
lambat dimulai 7 hari setelah pencampuran air dan semen dan berlanjut selama ±1 tahun. Hidrasi C3A yang terjadi setelah
penambahan air pada semen tidak berkontribusi terhadap kekuatan (strength) tetapi bertanggung jawab untuk setting action pada semen. Setting semen adalah merubah bentuk plastis pasta semen ke bentuk yang solid. C4AF tidak berkontribusi
kepada kekuatan dan setting semen. C4AF
adalah material cementing terbaik dan persentasenya terbesar pada semen yang menghasilkan jenis semen yang mengembangkan kekuatan tinggi yang cepat.
Kapur panas (CaO) bercampur dengan air (H2O) akan menghasilkan kapur dingin
(Ca(OH)2) dan energi yang keluar dalam
bentuk panas. Fenomena naiknya kadar air optimum belum terjawab dengan hilangnya air akibat energi panas yang justru akan menguapkan air, sedangkan OMC adalah kadar air yang tersekap di dalam tanah-kapur.
Tujuan Penelitian
1. Mengkaji pengaruh penambahan semen dan kapur terhadap nilai OMC dan MDD serta kuat tekan (unconfined compressive strength= UCS) tanah-semen dan tanah kapur dengan variasi PI tanah.
2. Menganalisa fenomena tanah-semen dan tanah kapur dari aspek mineral. B. Metode Penelitian
Bahan
Bahan yang dipergunakan adalah tanah lempung dan lempung kepasiran dengan PI 9,60%; 22,05% and 35,43 % dalam kondisi terganggu. Semen dan kapur.
Alat
Alat yang digunakan, alat standard proctor, alat uji UCS, oven, alat uji casagrande, timbangan dan alat-alat tambahan lainnya.
Pelaksanaan Penelitian
Penelitian dilakukan di laboratorium mekanika tanah Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik UNRI. Cara penelitian adalah:
pengujian casagrande untuk
mengetahui indeks plastisitas tanah PI. pengujian standard proctor tanah
dengan PI 9,60%;22,05% and 35,43% untuk mendapatkan nilai kadar air optimum OMC dan kepadatan kering maksimum MDD.
Pengujian kuat tekan UCS tanah dengan PI 9,60%; 22,05% and 35,43%. Pencampuran tanah variasi PI 9,60%;
22,05% and 35,43% dengan variasi kadar semen 6% dan 9% serta pencampuran tanah variasi PI 9,60%; 22,05% and 35,43% dengan variasi kadar kapur 6% dan 9%.
Pengujian standard proctor dan kuat tekan tanah campur semen dan tanah campur kapur untuk mendapatkan nilai OMC, MDD dan UCS.
Analisis Data
Nilai indeks plastisitas didapatkan dari pengurangan nilai batas cair LL dengan batas plastis tanah PL
Nilai OMC dan MDD didapatkan dengan cara membuat grafik standard proctor. Nilai kuat tekan didapatkan dari
pengjian kuat tekan bebas (unconfined compressive strength = UCS).
C. Hasil dan Pembahasan
Hasil pengujian standard proctor dan indeks plastisitas seperti Tabel 1.
Dari Tabel 1 dapat dibuat hubungan antara indek plastisitas dan MDD pada tanah asli, tanah campur kapur 6% dan 9% serta tanah campur semen 6% dan 9% seperti pada Grafik 1.
Dari tabel 1 dapat dibuat hubungan antara indek plastisitas dan UCS pada tanah asli, tanah campur kapur 6% dan 9% serta tanah campur semen 6% dan 9% seperti pada Grafik 2.
Tabel 1. Hasil uji standard proctor dan PI
No. PI Bahan OMC MDD UCS
( % ) Stabilisasi ( % ) ( gr/cm3) Mpa kapur 9 % 20,18 1,598 0,747 kapur 6 % 19,39 1,618 0,667 1 9,60 18,83 1,678 0,320 semen 6 % 17,96 1,689 2,654 semen 9 % 17,37 1,712 3,133 kapur 9 % 28,30 1,382 0,875 kapur 6 % 27,05 1,420 0,792 2 22,05 25,92 1,471 0,287 semen 6 % 24,88 1,488 1,797 semen 9 % 23,87 1,507 2,103 kapur 9 % 39,18 1,196 0,746 kapur 6 % 38,13 1,224 0,620 3 35,43 36,08 1,282 0,190 semen 6 % 38,08 1,285 0,830 semen 9 % 35,32 1,297 1,086 1,19 1,24 1,29 1,34 1,39 1,44 1,49 1,54 1,59 1,64 1,69 1,74 0 10 20 30 40 M D D ( g r/ cm 3) indeks plastisitas (%) + kapur 9 % Tanpa stabilisasi + semen 9 % + kapur 6 % + semen 6 %
Grafik 1. Indeks plastisitas vs MDD dengan variasi PI pada tanah-semen dan tanah-kapur
0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 0 10 20 30 40 Indeks Plastisitas ( % ) UCS ( MPa ) tanpa stabilisasi + kapur 6 % + kapur 9 % + semen 6 % + semen 9 %
Umumnya pada beberapa jenis material terutama pada tanah, apabila MDD-nya meningkat maka UCS-nya meningkat. Dari Grafik 1 dan Grafik 2, nilai UCS tanah-semen lebih tinggi dari tanah tanpa stabilisasi sesuai dengan peningkatan nilai MDD-nya, nilai UCS tanah-kapur lebih tinggi dari tanah tanpa stabilisasi walaupun nilai MDD tanah-kapur menjadi lebih kecil dari tanah tanpa stabilisasi. Dari Tabel 1 tampak bahwa pada tanah-kapur penurunan nilai MDD bersamaan dengan peningkatan nilai OMC dapat juga meningkatkan nilai UCS-nya. Fenomena ini tidak terjawab apabila tinjauannya hanya dari sifat fisiknya. Penulis berusaha membahas data hasil pengujian dengan tinjauan pada aspek mineral tanah lempung, kapur dan semen.
Tiap kristal tanah lempung yang merupakan lempengan-lempengan tanah dengan lebar, panjang dan tebal yang hampir merata/homogen (Gambar 2) bermuatan negatif. Pada saat tanah lempung dicampur dengan kapur (CaO), maka ion Ca++ akan berikatan dengan senyawa lempengan lempung yang bermuatan negatif dan membentuk perubahan tekstur dari tanah yang terdispersi menjadi struktur tanah yang berflokulasi dengan ukuran yang seragam / homogen. Kesatuan antar butir dengan ukuran seragam akan membuat lebih banyak rongga udara (air void) dibandingkan kesatuan antar lempengan lempung, sehingga OMC tanah-kapur meningkat. Pengaruh saling mengunci (interlocking) antar butiran tanah-kapur (aspek fisik) dan antara ion Ca ++ dari kapur (CaO) dengan lempengan lempung yang permukaannya bermuatan negatif menjadikan ikatan kimianya lebih kuat dibandingkan dengan ikatan antar lempengan yang kelebihan muatan negatif (ikatan van der waal) sehingga UCS tanah-kapur meningkat. Kelebihan penggunaan kapur pada tanah lempung dari batas optimal akan menurunkan nilai UCS-nya, karena kelebihan muatan positif dari Ca ++. Interaksi tanah-semen mengandung 2 proses, proses pertama adalah hidrolisis dan yang kedua adalah hidrasi semen, di
mana biasanya hidrasi menghasilkan CaO di dalam silica atau alumina yang terhidrasi, dan calcium hydroxide (Ca(OH)2).
Dari grafik 2 terlihat bahwa pada stabilisasi tanah-semen, nilai UCS menurun sejalan dengan peningkatan nilai PI tanah pada kadar semen yang sama. Hal ini disebabkan oleh tanah dengan PI yang lebih tinggi, jumlah butirnya lebih banyak dan permukaan bidang sentuh antar butir 2(3CaO.SiO2) + 6H2O
(silicate) (air) 3CaO.2SiO2.3H2O + 3 Ca(OH)2
(kaourtobermorite gel) (calcium hydroxide) 3CaO.2Al2O3 + 12H2O + Ca(OH)2
(aluminate) (air) (calcium hydroxide)
3CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O
(aluminate hydrate)
Proses yang kedua, lempung diarahkan ke proses setting. Pertama, ion calcium (Ca ++) dari calcium hydroxide memilih lempung ke dalam calcium lempung dan meningkatkan intensitas flokulasi. Calcium hydroxide menyerang partikel lempung dan membentuk bagian senyawa. Ion calcium akan bercampur dengan silica dan alumina larut di dalam air pori, dan penambahan material cementing. Calcium hydroxide dikonsumsi selama proses kedua di dalam bagian penempatan CaO. Reaksi pertama memproduksi suplai material untuk kelanjutan dari proses kedua. Turunnya nilai OMC disebabkan oleh karena permukaan mineral semen menyelimuti permukaan lempung dan mengurangi kemampuan lempung untuk menyerap air.
2(3CaO.SiO2) + 6H2O
3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
(matriks semen yang mengikat butiran tanah)
Naiknya nilai MDD pada tanah-semen adalah: karena turunnya nilai plastisitas tanah, rongga pori antar partikel tanah terisi oleh semen, terjadinya ikatan antara semen dan butir tanah dan lekatan yang kuat antar butir tanah oleh semen.
semakin luas. Kadar semen yang sama menyelimuti permukaan bidang sentuh antar butir yang lebih luas akan menyebabkan jumlah sebahagian permukaan butir tidak terselimuti oleh semen atau semen yang menyelimuti butiran semakin tipis. Fenomena ini yang menyebabkan penurunan nilai UCS pada tanah yang PI-nya lebih besar.
Dari grafik 2, terlihat bahwa penggunaan kapur lebih efektif pada tanah dengan nilai PI mendekati 22%, karena pada nilai PI ini terjadi optimalisasi nilai UCS.
D. Kesimpulan dan Saran
Berdasarkan pembahasan di atas disimpulkan bahwa:
Fenomena peningkatan nilai MDD yang sejalan dengan peningkatkan nilai UCS pada tanah-semen dapat dijelaskan dari aspek fisik butir tanah dan semen.
Fenomena penurunan nilai MDD, peningkatan nilai OMC dan peningkatan nilai UCS tanah-kapur hanya dapat dijelaskan dari aspek mineralogi lempeng tanah dan kimiawi kapur.
Pada stabilisasi tanah-semen dengan kadar semen tetap, nilai UCS menurun pada tanah dengan PI yang lebih tinggi.
Penggunaan kapur lebih efektif pada tanah dengan nilai PI mendekati 22%. Disarankan bahwa:
stabilisasi tanah semen dipergunakan pada tanah dengan nilai PI < 10%
pada tanah dengan nilai PI > 10% dipergunakan stabilisasi tanah dicampur kapur terlebih dahulu, setelah dicampur kapur selanjutnya dicampur semen untuk mencapai nilai UCS tertentu.
E. Daftar Pustaka
Bowles, J. E. 1986. Sifat – Sifat Fisis dan
Geoteknis Tanah, Edisi Kedua.
Jakarta. Erlangga.
Gurcharan Singh. 1978. Theory and Design
on RCC Structures. First Edition.
Delhi. Multani Dhanda, Pahar Ganj. Masyhur Irsyam. Diktat Kuliah Tanah
Mengembang dan Penanggulangannya. Bandung.
Departemen Teknik Sipil ITB.
Mitchell J.K. 1993. Fundationals of Soil
Behavior. Second Edition. Canada.
John Wiley & Sons.
Tim Mekanika Tanah. 2002. Panduan
Praktikum Mekanika Tanah. Pekanbaru. Laboratorium Mekanika
