STUDI KARAKTERISTIK LEKATAN DENGAN MENGGUNAKAN
CFRP GRID DAN PCM SHOTCRETE
A. Arwin Amiruddin1
1 Departemen Teknik Sipil, Universitas Hasanuddin Makassar, Jl. Perintis Kemerdekaan Km.10 Makassar
Email: a.arwinamiruddin@yahoo.com
ABSTRAK
Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) Grid adalah material tidak korosi dan dewasa ini banyak dipergunakan sebagai alternatif tulangan pada struktur beton. Material CFRP grid ini dalam aplikasinya tidak hanya sebagai material baru tetapi juga dapat dipergunakan untuk memperkuat (strengthening) struktur beton. Salah satu metode peningkatan kekuatan yang sedang dikembangkan adalah dengan memperkuat menggunakan polymer cement mortar (PCM) shotcrete dan CFRP grid. Dalam hubungannya dengan peningkatan kekuatan lekatan, serangkaian penelitian yang berkaitan dengan lekatan CFRP grid sebagai tulangan dengan PCM shotcrete telah dilakukan di Jepang. Dalam penetian ini, terdapat 4 (empat) type dari material uji dimana CFRP dibedakan pada ukuran panjang grid dalam arah melintang (transverse direction). Untuk type 1 dan 2 menggunakan PCM ber-kekuatan tinggi dengan panjang grid arah melintangnya adalah 25mm dan 50mm. Pada type 3 dan 4 menggunakan PCM ber-elastisitas rendah dengan panjang grid arah melintangnya adalah 25mm dan 50mm. CFRP grid dengan tipe CR-5 grid dilekatkan dengan PCM shotcrete sebagai material blok. Dari hasil pullout tes mengidentifikasikan bahwa material tes dengan CFRP grid 25mm lebih efektif dalam meningkatkan kekuatan lekatan dengan PCM shotcrete ber-kekuatan tinggi. Dalam perencanaan (design), kekuatan tarik dari CFRP grid (CR-5, 1 layer) adalah 18.5kN. Kelakuan antara beban-slip memperlihatkan bahwa kehilangan kekuatan lekatan hanya sampai pada beban rendah. Namun, keberadaan CFRP grid dapat lebih efektif mencegah terjadinya kegagalan sampai beban meningkat mendekati 21kN.
Kata kunci: CFRP grid, polymer cement mortar (PCM) dengan metode shotcrete, pullout
1.
PENDAHULUAN
Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) grid pada dewasa ini sudah menjadi material yang popular digunakan untuk meningkatkan kekuatan pada struktur beton seperti terlihat pada Gambar 1. Sebagai material pembungkus
(retrofit) dan material untuk lekatan luar, permukaan CFRP grid dengan material polymer cement mortar (PCM) shotcrete menjadi masalah yang perlu dilakukan studi dalam hubungannya dengan efektif transfer tegangan. Terdapat 3 macam metode retrofit pada pilar jembatan, yaitu retrofit dengan beton (concrete), retrofit dengan pelat besi (steel jacketing), dan retrofit dengan Fiber Reinforced Plastics (FRP) sheet. Diantara ke-3 macam type retrofit, memiliki kelebihan dan kelemahan baik ditinjau dari segi biaya, waktu kerja maupun ketebalan dari pilar setelah retrofit.
Gambar 1. Type dari CFRP grid
CFRP grid yang tidak searah (undirectional) digunakan dalam aplikasi tulangan beton adalah memiliki sifat linier elastis sampai mencapai kegagalan. CFRP grid tidak mengalami leleh (yield) seperti pada besi tulangan yang lazim digunakan. CFRP grid kekuatan tinggi (high strength) secara umum memiliki kekuatan tarik yang lebih besar dari kekuatan leleh besi tulangan, walaupun CFRP grid tidak mengalami leleh. Menggunakan beton sebagai material
retrofit pada pilar beton akan memberikan ketebalan baru meningkat menjadi 250mm dan jika hal ini dipertahankan sampai masa yang akan datang maka ketidak-ekonomisan dari metode ini akan nampak. Olehnya itu, untuk mengurangi ketebalan beton baru tetapi memiliki kekuatan (strength), ketahanan terhadap korosi maka dipergunakanlah polymer cement mortar (PCM) sebagai material retrofit baru. Dengan PCM dan penambahan besi tulangan, ketebalan dari pilar beton hanya menjadi 54mm atau lebih langsing 1/5 kali dari retrofit dengan beton. Dengan menggunakan PCM dan CFRP grid sebagai material retrofit mengurangi ketebalan pilar menjadi 19mm atau 1/12 kali dari retrofit dengan beton. PCM adalah dibuat dengan mencampurkan sebagian cement hydrate
binders dari konvensional semen mortar dengan polymer. PCM dalam penggunaannya dibedakan menjadi PCM ber-kekuatan tinggi (high strength) dan PCM ber-elastisitas rendah (low elasticity). PCM ber-elastisitas rendah biasanya dipergunakan untuk memperbaiki slab bridge, di bawah permukaan (under surfaces) dan main girder bridge. Sementara itu, untuk PCM ber-kekuatan tinggi dipergunakan untuk meminimais korosi dari besi tulangan dan untuk memperbaiki pilar beton, normal tunnel, aqueduct tunnel, box culvert dan dinding (wall). Ada 2 metode dalam melekatkan PCM ke permukaan beton, yaitu dengan metode plester dan metode menembak (shotcrete). Untuk metode shotcrete dibedakan dengan 2 cara, yaitu campuran kering (dry-mix shotcrete) dan campuran basah (wet-mix
shotcrete). Adapun keuntungan dengan menggunakan metode shotcrete ini adalah lekatan yang baik (excellent
bonding), berkekuatan tinggi, absorbsi yang rendah, baik untuk melindungi dari serangan kimia (korosi), pengerjaan relatif mudah, dan biaya relatif rendah.
2.
MATERIAL BENDA UJI
Carbon Reinforced Plastics (CFRP) grid adalah meterial penulangan yang cocok untuk beton atau material-material lainnya, seperti polymer cement mortar (PCM). Peningkatan kapasitas lekatan antara CFRP grid dengan PCM adalah penting untuk mengetahui efek dari aksi penulangan terhadap peningkatan kemampuan menahan gaya gempa. Untuk mendukung ini, maka diadakan studi dengan membuat material benda uji yang dibedakan menjadi 4 type dan masing-masing type terdiri dari 3 benda uji, yaitu type 1 PCM kekuatan tinggi dengan panjang grid 25mm dalam material blok, type 2 PCM kekuatan tinggi dengan panjang grid 50mm dalam material blok, type 3 PCM elastisitas rendah dengan panjang grid 25mm dalam material blok, type 4 PCM elastisitas rendah dengan panjang grid 50mm dalam material blok. Type CFRP grid yang digunakan adalah CR-5 50x50mm, CR-5 yang digunakan adalah 1 layer, dan di dalam material blok bentuk dari grid dibuat jumlah grid-nya menjadi 2 untuk semua benda uji. Panjang dari grid dibedakan menjadi 25mm dan 50mm untuk mengetahui efek dari jumlah dan panjang grid terhadap lekatan antara CFRP grid dengan PCM (kekuatan tinggi dan elastisitas rendah). Pada material benda uji, di dalam material blok dibagi untuk daerah yang dilekatkan (adhesive length)sebesar 100mm dan daerah yang tidak dilekatkan
(non-adhesive length) sebesar 50mm. Untuk meningkatkan kekakuan dalam material blok, digunakan tulangan berbentuk spiral dengan diameter 6mm (D6:SD295A). Bentuk dari benda uji terdiri dari pada sebelah ujung bebas (sedikit di atas material blok) diberi bebas dengan panjang 10mm sebagai tempat displacement control untuk mengukur besarnya slip pada setiap peningkatan beban tarik. Pada jarak 1200mm dari ujung atas ditempatkan material ekspansi (expansive material) dengan dimensi dari pipa besi adalah 200mm dan dijepit agar tidak terjadi momen pada saat terjadi peningkatan beban tarik. Di dalam pipa besi dipasang 4 grid dengan arah lateral untuk mengevaluasi efek lekatan antara CR-5 dengan material ekpansi (STPG370) setelah kekuatan tarik diberikan pada benda uji. Dimensi dari material blok benda uji adalah 150mm x 150mm x 150mm. Material benda uji dapat dilihat pada Gambar 2 dan Tabel 1 di bawah ini.
FRP grid（CR-5 50×50mm） Pipa besi (dijepit pada saat pengujian)
PCM 2 5 a ta u 5 0 m m 34 m m (d ia m et er d al am 2 6 .2 m m )
Tabel 1. Material benda uji Type Material Blok CFRP
grid Panjang lateral grid (mm) Panjang lekatan l1, (mm) Panjang tidak dilekatkan l2, (mm) Umur (hari) 1 PCM kekuatan tinggi CR-5 25 100 50 28 2 PCM kekuatan tinggi CR-5 50 100 50 28 3 PCM elastisitas rendah CR-5 25 100 50 28 4 PCM elastisitas rendah CR-5 50 100 50 28 Tabel 2. Material PCM Desain Pengujian
Material Blok Kuat tekan beton (N/mm2)
Elastisitas (N/mm2)
Kuat tekan beton
(N/mm2) Umur (hari)
PCM kekuatan tinggi 68.0 2.70 x 104 57.2 28
PCM elastisitas rendah 37.0 1.40 x 104 21.7 28
Tabel 3. Material CFRP grid Standar Jenis fiber Area fiber
(mm2) Tebal fiber (mm) Kuat Tarik (N/mm2) Elastisitas (N/mm2) Grid (mm) Berat unit (gr/m2) FTG-CR5 Kekuatan tinggi 13.2 3.0 1,400 1.00 x 10 5 50 x 50 630
Tabel 4 Material ekspansif (brainstar material) Standar Tegangan leleh
(N/mm2) Tegangan radial (N/mm2) Poisson ratio Elastisitas (N/mm2) STPG370 215 370 0.3 2.00 x 105
Gambar 3. Ilustrasi dari pipa besi dan braistar material
Tabel 2 menampilkan material PCM kekuatan tinggi dan elastisitas rendah baik dalam desain maupun dari hasil pengujian. Tabel 3 memperlihatkan karakteristik dari CFRP grid (CR-5) yang digunakan dalam studi ini. Sementara itu pada Tabel 4 dan Gambar 3 memperlihatkan material ekspansif (braistar material) dan kondisi dari pipa besi
(pipe 25Asch60) yang di dalamnya terdapat braistar material dan CF dengan grid 50 x 50mm.
CF grid
Braistar material
Pipa besi
(a) Alat pullout dan sistem pembebanan (b) Prototipe dari alat Gambar 4. (a) Alat pullout dan sistem pembebanan, (b) Prototipe dari alat
Gambar 5. Material ekspansif dan hasil tekanan ekspansif dari pengujian
3.
PROGRAM PENGUJIAN
Benda uji dites dengan cara pullout seperti terlihat pada Gambar 4. Benda uji diletakkan pada load cell dengan sebuah pusat lubang (hole) sehingga CR-5 dapat dihubungkan terhadap sebuah chain melalui lubang dari load cell.
Load cell ditempatkan pada bagian jepit, sementara lubang dihubungkan dengan bagian yang bergerak (moveable
part). Ketika bagian yang bergerak bergerak turun untuk menarik CR-5 ke bawah terhadap material blok dalam hal ini beton normal atau PCM, maka pullout akan terjadi. Untuk mengukur slip pada daerah bebas di ujung CR-5 yang
displacement material block strain gauges Anchor of chain Moveable bar Load cell Fix bar Chain
Material ekspansif ditempatkan pada pipa besi pada suhu 20oC.
Tekanan ekspansif diukur dengan menggunakan strain gauges.
1 2
0
10
20
30
40
50
0
50
100
150
200
Waktu (jam)
T
ek
an
an
e
k
sp
an
si
f
(N
/m
m
2)
Type-1, CR5-25mm-1 layer
Type-2, CR5-50mm-1 layer
Type-3, CR5-25mm-1 layer
dikeluarkan dari material blok dihubungkan dengan displacement control dan ditempatkan di daerah ini. Pengukuran direkam oleh data loger untuk proses selanjutnya.
4.
PEMBAHASAN DAN DISKUSI
Material braistar ekspansif digunakan untuk mengukur tekanan ekspansif pada pusat dari pipa besi dalam arah aksial maupun lateral. Pengujian ini dilakukan sebelum melakukan pengujian pullout. Dalam pengujian tekanan ekspansif ini, terlebih dahulu pipa besi dengan panjang 200mm yang telah terdapat CR-5 diisi dengan material ekspansi seperti terlihat pada Gambar 5. Selanjutnya pada suhu 20oC, tekanan ekspansif diukur dengan menggunakan strain
gauges dalam arah lateral dan radial. Hasilnya menunjukkan bahwa tekanan ekspansif yang terjadi relatif sama dengan tekanan ekspansif hasil desain yaitu 40N/mm2. Persamaan yang digunakan dalam mengukur tekanan ekspansif adalah sebagai berikut (sumber: Gjorv,O.E., Sakai, K., Banthia,N. (1998), ”Concrete Under Severe Condition 2, Environmental and Loading”, Vol.3, Oslo, Norway, pp. 2187-2195.):
... (1)
dengan Pe = tekanan ekspansif (N/mm 2
), Es = modulus elastisitas (N/mm 2
),
k
= perbandingan antara sisi luar dan sisi dalam dari diameter pipa besi,v
s = poisson ratio dari pipa besi,ε
θ= regangan arah radial,ε
z = regangan arah aksial.Pada pengujian pullout, setelah beban diberikan pada benda uji maka tegangan terus bertambah pada CR-5 sampai material CR-5 mengalami putus (cut off) pada beban rendah. Sehingga pada type 1, type 2, type 3 dan type 4 tidak mengalami pullout melainkan cut off di daerah batang dari CR-5. Ketika beban maksimum diberikan ke benda uji, maka terjadi cut off dimana pada type 1 mampu diberikan beban sampai 20.5kN dengan maksimum slip 0.77mm. Pada type 2, maksimum beban yang diterima 21.0kN dengan maksimum slip 0.44mm. Pada type 3, beban yang diterima maksimum 20.0kN dengan slip sebesar 0.61mm. Sementara itu pada type 4, beban maksimum yang dapat diberikan adalah 17.7kN dengan slip 4.48mm seperti terlihat pada Gambar 6. Dalam desain diperoleh bahwa kekuatan tarik pada CR-5 adalah 18.5kN sehingga menunjukkan hasil pengujian dan desain memberikan hasil yang mendekati seperti dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 8 memperlihatkan CR-5 mengalami cut off pada maksimum load.
Gambar 6. Hubungan beban dengan slip
)
(
)
1
(
2
)
1
(
2 2 z s s s ev
v
k
E
P
ε
ε
θ+
−
−
=
0
5
10
15
20
25
0
0.5
1
1.5
Slip (mm)
B
e
b
an
(
k
N
)
Type-1, CR5-25mm,1 layer Type-2, CR5-50mm,1 layer Type-3, CR5-25mm,1 layer Type-4, CR5-50mm,1 layerGambar 7. Desain dari CR-5 grid
Gambar 8. CR-5 mengalami cut off
Tabel 5. Rekapitulasi hasil pengujian pullout
Jenis 1 2 3 4
Beban tarik maksimum (kN) 21.1 20.3 19.4 17.7
Kekuatan tekan (N/mm2) 57.2 21.7
Desain dari kekuatan tekan (N/mm2) 68.0 37.0
Kekuatan lekatan (N/mm2)
Desain dari kekuatan lekatan (N/mm2) Kekuatan tarik dari CR-5 grid pada desain 18.5kN
Berdasarkan dari hasil pengujian pullout diperoleh bahwa kekuatan lekatan pada type 1 (PCM kekuatan tinggi) dengan panjang grid pada arah lateral 25mm.Maksimum beban pada type 1, type 2, type 3 dan type 4 adalah 21.1kN, 20.3kN, 19,4kN dan 17.7kN. Dari hasil pada Tabel 5 menunjukkan bahwa PCM kekuatan tinggi dengan 2 grid (panjang 25mm) lebih efektif dalam memberikan lekatan dibandingkan dengan panjang grid 50mm.Besarnya kekuatan lekatan ditentukan oleh besarnya nilai kekuatan tekan material blok-nya.
21.1
20.3
19.4
17.7
16
17
18
19
20
21
22
B
e
b
a
n
m
a
k
si
m
u
m
(
k
N
)
Type 1
Type 2
Type 3
Type 4
Desain dari CR-5 = 18.5kN
5.
KESIMPULAN
Secara garis besar dari hasil studi tentang perilaku kekuatan lekatan antara CR-5 grid dengan PCM shotcrete diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Besarnya kekuatan lekatan tergantung dari besarnya kekuatan tekan dari material blok.
2. PCM kekuatan tinggi dengan jumlah grid 2 dan panjang grid 25mm lebih efektif dalam memberikan kekuatan lekatan dibandigkan type lainnya.
3. Untuk type 1, type 2, type 3 dan type 4 dengan CR-5 grid kesemuanya terjadi cut off.
6.
DAFTAR PUSTAKA
Gjorv,O.E., Sakai, K., Banthia,N. (1998), ”Concrete Under Severe Condition 2, Environmental and Loading”, Vol.3, Oslo, Norway, pp. 2187-2195.
Nishiyabu, K., Yokohama, A., Zako, M. (1998), “Evaluation of Stress Transfer Mechanism in Single Fiber Pull-Out Test by Numerical Analysis”, Society of Material Science Journal, Vol.47, No.6, Japan, pp.612-617. Shima, H., Chou, L. L., Okamura, H. (1987), “Micro and Macro Models for Bond in Reinforced Concrete”, Journal
of The Faculty Of Engineering, The University of Tokyo, Vol. XXXIX, No.2, Tokyo, Japan, pp.133-194. Xue, W., Wang, X., Zhang, S. (2008), “Bond Properties of High-Strength Carbon Fiber-Reinforced Polymer
Strands”, ACI Material Journal, Vol.105, No.1, pp.11-19.
Yamaguchi, K., Hino, S., Nakamura, S., Amiruddin, A. (2008), “Study on Bond Characteristics of Existing RC Pier’s Interface used Mortar for Shotcrete”, Japan Concrete Institute (JCI), Vol.30, No.3, Fukuoka, Japan, pp.1285-1290.
Watanabe, H., Hino, S., Yamaguchi, K., Amiruddin, A. (2009), “Experimental Research into Adhesion Strength in CFRP Grid where Contact”, Japan Concrete Institute (JCI), Vol.31, No.2, Sapporo, Japan, pp.1411-1416.
