1
Pembuatan Panel Beton Berbasis Perlit dan Aplikasinya sebagai
Insulator Panas
AYU YUSWITA SARI,PERDAMEAN SEBAYANG, DAN MULYADI
Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang, Indonesia
Email : [email protected] SATYA KUMARA RIMBANGADI
Departemen Fisika – FMIPA, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Indonesia
INTISARI : Telah dibuat panel beton ringan berbasis perlit sebagai agegat ringannya. Perlit merupakan salah satu jenis
gelas vulkanik yang mengembang dan berpori ketika dipanaskan, bersifat ringan dan tahan api. Aplikasi panel beton ringan berbasis perlit dapat di gunakan sebagai peredam panas yang baik, dengan ciri nilai konduktivitas termal yang rendah. Pada penelitian ini dibuat panel beton ringan perlit dengan perekat semen, disebut panel beton I, dan panel beton ringan perlit dengan perekat resin, disebut panel beton II, dengan memvariasi komposisinya. Pengujian pembuatan panel beton ini meliputi uji densitas, porositas, kekuatan tekan dan konduktivitas termal. Dari hasil penelitian di dapat nilai densitas untuk panel beton I antara 0,96 – 0,99 g/cm3 dan nilai porositas antara 23.16% - 41.13% kemudian nilai densitas untuk panel beton II adalah antara 0,78 – 0,92 g/ cm3 dan nilai porositas antara 16.86 – 43.32%. Nilai kuat tekan untuk panel beton I adalah 0,14 – 0,24 MPa, sedangkan untuk Panel beton II adalah 0,54 – 0,95 MPa. Jika dibandingkan keduanya, ternyata panel beton ringan perlit dengan perekat resin memiliki densitas lebih kecil, porositas yang juga lebih kecil namun memiliki nilai kuat tekan lebih besar jika dibandingkan dengan panel beton ringan dengan perekat semen. Komposisi terbaik pembuatan panel beton ringan adalah 80% perlit dan 20% perekat atau perbandingan 1 : 4 untuk perekat dengan perlit. Untuk hasil pengukuran konduktivitas termal panel beton II berbasis perlit dengan perekat resin melalui proses pengerasan secara alami 1 hari dan tanpa di autoclave, adalah sebesar 0,6922 W/m2 K. Nilai konduktivitas termal panel beton akan meningkat sebanding dengan nilai densitasnya, dan akan menurun dengan porositasnya. Dari nilai tersebut dapat disimpulkan bahwa panel beton ringan dapat diaplikasikan sebagai bahan insulator atau peredam panas.
KATA KUNCI : panel beton ringan, perlit, semen, resin, densitas, konduktivitas termal, insulator panas
ABSTRACT : It has been made of lightweight concrete perlite-based as a light agegat. Pearlite is one type of volcanic glass that expands and porous when it is heated, lightweight and fire resistant. Application based lightweight concrete perlite can be used as good heat resistance, with the characteristic value of thermal conductivity are small. In this research, concrete perlite with composite cement, called concrete I, and concrete perlite with composite resin, called concrete II, by varying the composition. There are some kind of tests, density, porosity ,compressive strength and thermal conductivity. From the results, the value of density for the concrete I between 0.96 - 0.99 g/ cm3 and porosity values between 23:16% - 41.13%, and density value for concrete II is between 0.78 - 0.92 g/ cm3and porosity values between 16.86 - 43.32%. . Compressive strength value for concrete I is 0.14 to 0.24 MPa, while for Concrete II is 0.54 - 0.95 MPa. For the thermal conductivity measurement of perlite-based concrete I composite resin with natural drying process of 1 day and without the autoclave, is 0.6922 W/m2 K. When compared both of them,it is known that the perlite-based lightweight concrete with composite resin has a density smaller and geater compressive strength values than perlite-based lightweight concrete with composite cement. The best composition is 80% perlite or 1:4 ratio for composites with perlite. The thermal conductivity of concrete increases with material density, and decreases with porosity. From this value can be concluded that the lightweight concrete can be used as a material insulator.
KEYWORDS : lightweight concrete, perlite, cemen, resin, densiys, thermal konduktivity, heating insulator
1 PENDAHULUAN
Beton adalah material yang banyak digunakan dalam konstruksi sebuah bangunan. Sedangkan panel beton adalah beton yang berbentuk lembaran, berukuran lebih panjang dari bahan bangunan lainnya, material ini terbuat dari campuran semen, pasir dan agregrat [1]. Pada umumnya karakteristik panel beton yang beredar dipasaran memiliki densitas yang sangat tinggi, sekitar > 2000 kg/m3, Penggunaan panel beton tersebut memerlukan tenaga lebih banyak bahkan membutuhkan alat berat sebagai media bantu. Karena membutuhkan media bantu, waktu yang dibutuhkan untuk pemasangan instalasi panel beton tersebut pada suatu bangunan relatif lebih lama. Dewasa ini telah dikembangkan rekayasa material penyusun panel beton sehingga dihasilkan panel beton dengan densitas yang lebih rendah akan tetapi memiliki kekuatan mekanik yang bisa diatur sesuai dengan komposisi bahan penyusunnya, inilah yang disebut panel beton ringan.
Panel beton ringan adalah panel beton yang mengandung agegat ringan dan mempunyai densitas tidak lebih dari 1900 kg/m3 atau 1.9 g/cm3[3]. Manfaat dari panel beton ringan antara lain, sebagai peredam panas (thermal insulation), peredam suara, tahan api (fire retardant), memudahkan dalam pemasangan/instalasi
2
(karena ringan) dan memungkinkan untuk terjadinya efektivitas waktu pemasangan. Selain itu, panel beton ringan juga memiliki kelemahan antara lain nilai kuat tekan (compressive strength) yang terbatas sehingga kurang mampu untuk penggunaan sebagai pemikul beban pada bangunan. Pembuatan panel beton ringan dapat dilakukan dengan beberapa teknik, dengan membuatnya berpori (aerated concret) atau menggunakan agegat ringan sebagai pengisi agar stabil (non aerated concrete). Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan panel beton ringan dengan menggunakan agegat ringan berupa perlit.
Perlit (perlite) merupakan salah satu jenis gelas vulkanik yang mengembang dan berpori ketika dipanaskan [3]. Perlit dapat juga didefinisikan sebagai batuan gelas silikat yang mengandung sekitar 70% SiO2, dan jika dipanaskan pada suhu tertentu bisa mengembang 4 hingga 20 kali volume semula [4]. Batuan
ini berwarna abu-abu kehijauan atau abu-abu kehitaman. Ketika dipanaskan warnanya akan berubah menjadi abu-abu cerah atau putih. Perlit banyak terdapat pada hasil letusan di sekitar gunung vulkanik. Ketika lava mengalir, bagian bawahnya bersentuhan dengan media air. Karena pegaruh beban yang menimpanya, lava yang tertahan mengalami proses pendinginan yang sangat cepat, proses ini disebut sebagai perlitisasi.
Pada umumnya, perlit memiliki karakteristik yang berbeda-beda disetiap daerah penemuan perlit. Perbedaan tersebut disebabkan jumlah air yang terikat dan sejarah erupsinya. Namun karakteristik perlit secara umum adalah ringan dan tahan api. Oleh karena itu, perlit dapat digunakan sebagai paduan agegat dalam pembentukan panel beton ringan. Dari penelitian diharapkan dapat dihasilkan panel beton ringan berbasis perlit yang dapat digunakan sebagai peredam panas. Kemampuan panel beton ringan sebagai peredam panas yang baik adalah memiliki ciri nilai konduktivitas termal yang kecil. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat panel beton ringan dengan variasi komposisi bahan penyusunnya yang memiliki nilai konduktivitas termal yang paling rendah. Sedangkan untuk bahan insulator panel beton ringan memiliki konduktivitas termal sekitar 0,6 – 1,19 W/m.K [7].
Pada penelitian sebelumnya, oleh Jauhara Cut Ali (2009), telah dilakukan pembuatan panel beton berbasis perlit dengan dua macam komposisi campuran, yaitu semen-perlit dan semen-perlit-pasir. Hasil penelitian ini menunjukan bahwa panel beton ringan campuran semen-perlit, dengan proses pengerasan menggunakan autoclave memiliki densitas yang hampir sama dengan panel beton ringan serupa akan tetapi dengan proses pengerasan alami. Proses pengerasan dengan menggunakan autoclave ini bermanfaat untuk efisiensi waktu proses pembuatan panel beton ringan agar lebih cepat dibandingkan pengerasan alami yang membutuhkan waktu 28 hari. Nilai densitas yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh faktor komposisi perbandingan semen dan perlit. Dari hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa semakin banyak komposisi perlit maka tingkat penyerapan airnya juga meningkat. Hal ini tentu sangat berpengaruh dengan kualitas panel beton ringan yang dihasilkan. Panel beton ringan dengan tingkat penyerapan air yang tinggi buruk untuk instalasi bahan bangunan.
Pada penelitian ini dibuat dua macam panel beton ringan dengan perekat semen dan resin epoksi. Diharapkan dari penelitian ini diperoleh panel beton ringan dengan waktu pembuatan yang lebih cepat, nilai densitas rendah (< 1,9 g/cm3)dan memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah (< 1,19 W/m.K), sehingga dapat digunakan sebagai bahan insulator panas.
2. METODOLOGI
Pada penelitian ini dibuat panel beton ringan dengan dua buah komposisi sampel. Komposisi yang pertama adalah campuran antara semen dengan perlit, disebut panel beton I, dengan pengerasan menggunakan autoclave dengan temperatur 121 selama 120 menit. Komposisi yang kedua adalah campuran antara resin epoksi dengan perlit, disebut panel beton II, dengan pengerasan alami selama 1 hari. Perlit dalam hal ini merupakan komponen pengisi atau lebih dikenal dengan sebutan filler. Sedangkan semen atau resin bertugas sebagai perekat atau matriks dalam pembuatan beton.
Bahan-bahan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah perlit sintesis, semen portland, air, resin, dan cetakan dari pipa paralon dengan ukuran diameter = 2 cm, dan panjang = 5 cm. Untuk panel beton I, nilai Fasa Air Semen (FAS) dibuat tetap sebesar 0,4. Nilai FAS ini merupakan perbandingan antara berat air dengan berat semen, umumnya nilai FAS dalam rentang 0,4 – 0,65.
Variasi komposisi antara perekat : perlit untuk panel beton I adalah 1 : 2, 1 : 4, 1 : 6 dan 1 : 8, sedangkan untuk panel beton II adalah 1 : 2, 1 : 4, dan 1 : 6. Tahapan pembuatan benda uji, mulai dari penimbangan bahan baku sesuai dengan komposisi, pencampuran, pengadukan dan pencetakan menggunakan pipa paralon.
Setelah dicetak, sampel kemudian dikeringkan agar terjadi proses penuaan (aging). Pada umumnya proses pengerasan panel beton secara alami membutuhkan waktu 28 hari, menghasilkan panel beton ringan dengan sifat mekanik sebesar 70% dari semestinya [5]. Pada penelitian ini, proses pengerasan yang dilakukan untuk panel beton I adalah menggunakan autoclave selama 120 menit, dan untuk panel beton II adalah
3 pengerasan alami selama 1 hari. Uji karakterisasi yang dilakukan meliputi: densitas, porositas, kekuatan tekan dan konduktivitas termal. Secara garis besar proses pembuatan sampel panel beton dapat dilihat pada diagram alir dibawah ini,
Gambar.1 Diagram alir preparasi sampel panel beton ringan.
Pengukuran densitas (bulk density) dari masing-masing panel beton ringan yang telah dibuat, dihitung dengan persamaan:
v
m
(1) dengan,
= densitas, g/cm3
m
= massa sampel kering, gv
= volume sampel, cm3Pengukuran porositas merupakan prosentase perbandingan volume kosong (rongga) dengan volume benda padatnya. Ada dua jenis porositas, yakni porositas terbuka dan porositas tertutup. Pada porositas tertutup, rongga di dalam suatu benda tidak dapat ditembus oleh air, sehingga pengukuran porositas tertutup sulit dilakukan, sedangkan porositas terbuka, mempunyai akses dengan permukaan luar meskipun rongga berada di tengah-tengah benda. Sehingga yang dihitung adalah porositas terbuka, persamaannya adalah:
100
%
0 k A v vm
m
m
m
m
P
(2) dengan: P = porositas , %mv = massa jenuh setelah direndam 24 jam
m0 = massa awal sampel setelah dikreringkan, g
mA = massa sampel yang digantung di dalam air ,setelah sebelumnya direndam dalam air , g
mK = massa kawat yang digunakan untuk menggantung sampel, g
Awalnya, sampel panel beton direndam air selama 24 jam, kemudian ditimbang dengan neraca digital, untuk mencari massa basah, mv. Setelah itu dicari massa tergantung air dalam posisi rongga terisi air, dengan
cara menggantungkan panel beton dalam air di atas neraca digital sehingga didapatkan mA.
Panel Beton-Semen
Pengerasan alami Panel Beton-Resin
Autoclaved
Perlit dan Perekat
Penimbangan Komposisi
Pencampuran Pengadukan Pencetakan
4
Untuk pengukuran kuat tekan (compressive strength), sampel berbentuk silinder diukur diameternya, minimal dilakukan tiga kali pengulangan, sehingga luas penampang dapat dihitung. Nilai kuat tekan (compressive strength) dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
A F tekan kuat (3) Dengan, F = Gaya Tekan, N A = Luas Penampang, cm3
Untuk mengetahui besarnya konduktivitas termal, sampel panel beton dibuat berbentuk silinder (koin) dengan diameter sekitar 10 cm, dan tebal 1 – 1,5 cm. Benda uji diletakkan di atas pelat kuningan, ketel uap diletakkan di atas benda uji dan hubungkan dengan ketel air panas dengan menggunakan selang. Masukkan termometer T1 pada lubang ketel uap dan termometer T2 pada pelat alas kuningan. Mencatat kenaikan temperatur T1 dan T2 setiap dua menit sampai kondisi kesetimbangan (stady state) tercapai. Keadaan setimbang dinyatakan apabila kenaikan temperatur berkisar 0,1 0C selama 10 menit. Apabila T1 dan T2 sudah mencapai setimbang angkat ketel uap dan panaskan pelat alas beserta benda uji dengan alat pemanas, hingga temperatur T2 naik sekitar 10 0C. Setelah temperaturnya tercapai, matikan alat pemanas dan catat penurunan temperatur T2 setiap dua menit, sehingga selisih suhunya sekitar 20 0C. Nilai konduktivitas panas diperoleh dari persamaan berikut:
T
1T
2
A
d
dt
dT
mc
k
(4) dengan, k = konduktivitas panas m = massa air, gc =panas jenis kuningan, kal/g oC d = tebal sampel, cm
dt dT
= perubahan suhu terhadap waktu A = luas permukaan kontak
T1 = Temperatur air panas pada steady state,
o C T2 = Temperatur permukaan panel beton,
o C
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengukuran densitas dan porositas untuk panel beton I, yaitu campuran antara semen-perlit dapat dilihat pada Gb. 2.a. Sementara hasil pengukuran densitas dan porositas untuk panel beton II, yaitu campuran antara resin-perlit dapat dilihat pada Gb. 2.b.
Gambar 2. Gafik Hubungan Densitas dan Porositas terhadap komposisi
a. Panel beton I (campuran semen dan perlit), dan b. Panel beton II (campuran resin dan perlit)
5 Dari Gb. 2.a di atas diketahui bahwa panel beton I dengan 4 variasi komposisi memiliki nilai densitas antara 0,96 – 0,98 g/cm3 dan nilai porositas antara 23,16% - 41,13%. Nilai optimum densitas panel beton I adalah sebesar 0,98 g/cm3 dan nilai optimum porositasnya adalah sebesar 23,16%. Nilai optimum ini dicapai pada saat komposisi perlit 80% atau dengan perbandingan 1 : 4. Jika komposisi material perlit melebihi 80% dalam campuran, beton yang dihasilkan akan semakin ringan namun nilai porositasnya akan lebih tinggi. Sebaliknya, jika komposisi material perlit kurang dari 80%, maka beton yang dihasilkan juga memiliki nilai densitas lebih tinggi namun nilai porositas akan lebih kecil. Nilai densitas panel beton ringan berbasis perlit dipengaruhi oleh komposisi perlit itu sendiri, karena material perlit memiliki densitas yang sangat rendah yaitu antara 0,04 – 0,17 g/cm3 [6].
Sedangkan untuk panel Beton II yang dibuat dengan 3 variasi komposisi memiliki nilai densitas antara 0,78 – 0,89 g/ cm3 dan nilai porositas antara 18,86 – 43,32% (lihat Gb.2.b). Panel beton II memiliki nilai optimum densitas sebesar 0,89 g/cm3 dan nilai optimum porositas adalah sebesar 18,86%. Nilai optimum densitas dan porositas panel beton II juga dicapai saat 80% komposisi perlit ada dalam campuran. Nilai porositas panel beton I lebih tinggi daripada panel beton II, namun nilai densitasnya juga lebih tinggi daripada panel beton II. Padahal seharusnya semakin poros suatu panel beton ringan maka densitasnya akan semakin kecil atau bernilai rendah. Hal ini disebabkan pada panel beton I memiliki kandungan air di dalam komposisinya. Air yang ada menempati ruang-ruang di dalam struktur beton, jika beton sudah mengeras dan terjadi pelepasan air dan membentuk rongga atau pori-pori. Sedangkan pada panel beton II dengan perekat resin epoksi tidak terjadi proses penguapan. Akibatnya nilai porositas panel beton I lebih tinggi daripada panel beton II, dan densitasnya lebih tinggi daripada panel beton II.
Dari Gb.2 diatas dapat diambil kesimpulan bahwa komposisi optimum pembuatan panel beton ringan dicapai pada perbandingan antara matriks dan filler sebesar 1 : 4. Perbandingan tersebut merupakan titik jenuh ikatan, dimana ikatan molekul-molekul perlit yang terbentuk sangat kuat dengan adanya komposisi yang sesuai dengan semen atau resin sebagai matriks atau perekat. Jika komposisi filler, dalam hal ini perlit, ditambahkan hingga melebihi titik jenuh, jumlah perekat tentu semakin kecil, maka dapat menyebabkan ikatan- ikatan molekul perlit yang terbentuk akan lemah. Ikatan antar molekul perlit yang lemah ditunjukkan dengan nilai porositasnya yang tinggi.
Semakin poros panel beton ringan tersebut, maka nilai kekuatan tekannya akan berkurang sehingga kemampuan panel beton untuk menyangga beban berat juga akan kecil. Hal ini ditunjukkan pada gafik uji tekan pada Gb.3. Pada Gb.3.a memperlihatkan nilai kuat tekan untuk panel beton I memiliki nilai antara 0,096 – 1,3 MPa, dengan nilai optimum adalah sebesar 1,3 MPa. Nilai optimum ini dicapai saat komposisi 80% perlit berada dalam campuran. Jika komposisi perlit ditambah hingga melebihi 80%, maka ikatan-ikatan molekul perlit akan lemah karena komposisi semen yang semakin rendah, nilai porositasnya akan meningkat sehingga menurunkan kuat tekan panel beton I. Jika komposisi perlit kurang dari 80% atau dengan perbadingan 1 : 2, kuat tekannya akan bernilai sangat rendah dibandingkan dengan komposisi yang lain. Pada panel beton, kuat tekan dipengaruhi oleh jumlah perlit yang berfungsi sebagai filler dan sekaligus sebagai penguat. Oleh karena itu komposisi jumlah perlit yang berkurang akan menyebabkan kekuatan panel beton juga menjadi rendah.
Gambar 3. Gafik Hubungan Porositas dan Kuat Tekan terhadap komposisi
a. Panel beton I (campuran semen, perlit dan air), dan b. Panel beton II (campuran resin dan perlit b.
6
Untuk panel beton II nilai kuat tekannya adalah 0,17 – 8,73 MPa, diperlihatkan pada Gb.3.b. Pada gambar tersebut juga menunjukkan perilaku yang sama dengan panel beton I. Komposisi terbaik panel beton ringan dicapai saat 20% resin digunakan sebagai matriks dan 80% perlit digunakan sebagai filler, atau pada perbandingan komposisi 1 : 4. Jika komposisi perlit kurang dari atau lebih dari 80%, maka nilai kuat tekannya akan menurun sesuai dengan grafik warna merah pada Gb.3. Jadi bisa disimpulkan bahwa komposisi panel beton ringan terbaik dicapai ketika 4/5 bagian merupakan filler dan 1/5 bagian merupakan matriks atau perekat.
Jika dibandingkan densitas kedua komposisi panel beton ringan, panel beton ringan II dengan perekat resin memiliki densitas yang lebih rendah dibandingkan dengan panel beton I dengan perekat semen, lihat Gb.4. Resin yang digunakan terebut juga berfungsi untuk melindungi panel beton dari penyerapan air, karena sifat dari perlit itu sendiri yang cenderung mengikat air, sehingga tingkat penyerapan air pada panel beton ini lebih rendah daripada panel beton dengan perekat semen atau panel beton II. Hal ini tentu sangat berguna apabila digunakan dalam instalasi pembangunan rumah di lahan gambut atau rawa-rawa.
Berdasarkan referensi panel beton ringan untuk aplikasi sebagai insulator memiliki persyaratan densitas sekitar 0,320 – 0,960 g/ cm3 dan densitas typical yang ekonomis adalah sekitar 0,432 g/cm3[6]. Kurva warna hijau menunjukkan densitas panel beton ringan yang telah dilakukan pada penelitian sebelumnya,oleh Jauhara Cut Ali (2009). Adanya perbedaan nilai densitas yang dihasilkan untuk panel beton ringan dengan campuran yang sama pada penelitian sekarang dan sebelumnya bisa disebabkan karena beberapa faktor, antara lain sumber perlit, ukuran perlit, semen yang digunakan, dan juga proses waktu pengerasan yang berbeda. Pada Gb. 4 terlihat bahwa dengan komposisi perekat yang tetap, dalam hal ini semen dan resin, nilai densitasnya semakin mengecil dengan bertambahnya jumlah komposisi perlit. Hal ini membuktikan bahwa komposisi perlit sangat menentukan terhadap nilai densitas panel beton ringan yang dihasilkan.
Gambar 4. Gafik hubungan densitas panel beton ringan terhadap variasi komposisi dari hasil penelitian dan referensi
Pada Gb. 5 menunjukkan, bahwa nilai kuat tekan maksimum dicapai saat komposisi perlit pada panel beton ringan sebesar 80%. Jika nilai tersebut diperbesar, maka kuat tekan dari panel beton ringan akan mengecil. Dari referensi diketahui, bahwa nilai kuat tekan panel beton ringan pada umumnya adalah 0,62 – 3,5 Mpa [7]. Jika dibandingkan nilai kuat tekan panel beton ringan I berada di bawah nilai kuat tekan minimum panel beton ringan pada umumnya, tapi untuk komposisi 80% perlit memiliki nilai kuat tekan yang berada diantara nilai kuat tekan referensi, yaitu 1,3MPa. Sedangkan nilai kuat tekan panel beton ringan II untuk perbandingan 1 : 2 berada diatas nilai kuat tekan minimum, untuk perbandingan 1 : 4 berada diatas nilai kuat tekan maksimum, sedangkan untuk perbandingan 1 : 6 langsung turun dibawah nilai kuat tekan minimum beton pada umumnya. Jadi dapat disimpulkan bahwa komposisi panel beton ringan terbaik dicapai saat 80% perlit dan 20% resin epoksi.
7 Gambar 5. Grafik Hubungan kuat tekan panel beton ringan terhadap komposisi
Berdasarkan hasil pengukuran kuat tekan terbaik dicapai saat 80% perlit dan 20% resin epoksi, maka pada kondisi tersebut dilakukan pengukuran konduktivitas termal. Pengukuran konduktivitas termal bertujuan untuk mengetahui kemampuan panel beton ringan dalam menghantarkan panas. Pengujian konduktivitas termal panel beton ringan dilakukan dengan menggunakan thermal conductivitymeter dan mengacu pada ASTM C 177 – 1997. Hasilnya diperlihatkan pada Gb.6. Kurva berwarna merah menunjukkan temperatur pada sisi benda yang bersinggungan langsung dengan penghantar panas (ketel uap), sedangkan kurva berwarna biru menunjukkan temperatur pada sisi yang berlawanan. Terdapat perbedaan temperatur pada kedua sisi, karena terjadi kenaikan temperatur tiap waktu pada kedua sisi yang bernilai tidak sama. Namun ketika mencapai titik jenuh, kenaikan temperatur keduanya relatif konstan sehingga perbedaan temperatur keduanya sekitar 60C. Perbedaan temperatur pada kedua sisi saat jenuh ini dihitung dan dimasukkan ke dalam Persamaan 4, sehingga dihasilkan nilai konduktivitas termal sebesar 0,6922 W/m2 K.
Nilai konduktivitas termal panel beton akan meningkat sebanding dengan nilai densitasnya, dan akan menurun dengan porositasnya [9]. Dari referensi diketahui bahwa konduktivitas termal panel beton perlit sekitar 0,54 – 0,83 W/m2 K [8]. Dari nilai konduktivitas termal tersebut dapat disimpulkan bahwa panel beton perlit dengan perekat resin ini dapat digunakan sebagai bahan insulator panas.
Gambar 6. Grafik Hubungan Temperatur dengan waktu
4. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan
Dari pembuatan panel beton ringan berbasis perlit dengan perekat semen dan resin dapat disimpulkan bahwa: 1 Karakteristik panel beton ringan dipengaruhi oleh varisi komposisi dan jenis perekat yang digunakan. 2 Nilai densitas panel beton ringan berbasis perlit dengan perekat resin (panel beton II) jauh lebih rendah
8
3 Nilai porositas panel beton ringan berbasis perlit dengan perekat resin (panel beton II) lebih rendah daripada dengan menggunakan perekat semen (panel beton I).
4 Panel beton ringan berbasis perlit dengan perekat resin memiliki nilai kuat tekan lebih besar daripada menggunakan perekat semen
5 Kondisi optimum diperoleh pada komposisi 80% perlit dan 20% resin epoksi atau 1:4, yang menghasilkan nilai konduktivitas termal : 0,6922 W/m2 K. Sehingga panel beton ringan ini sangat cocok dipergunakan sebagai insulator panas.
4.2 Saran
1. Untuk penelitian selanjutnya perlu dilakukan pengujian tingkat penyerapan air dari panel beton ringan perlit dengan perekat resin.
2. Perlu adanya pengujian SEM untuk mengetahui secara mikroskopis susunan ikatan antara matriks atau penguat dengan filler atau pengisi.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Ali, J C, Pembuatan Panel Beton Ringan Berbasis Perlit dan efek Komposisinya Terhadap Karakteristiknya, Medan : USU,2009.
[2] Tata Cara Perhitungan Struktur Panel beton untuk Bangunan Gedung. SNI, 03xxx2002. [3] http://www.mii.org/Minerals/photoperlite.html
[4] A.F.Ismayanto dan E.T Agustinus, Batuan Perlit Karangnunggal Sebagai Bahan Sintesa Atapulgit, Jurnal Riset Geologi dan Pertambangan Jilid 17 No. 2, 1-17, 2007.
[5] http://mualim.wordpress.com/2007/07/23/teknik-pembuatan-panel beton-1/
[6] Ajax, Ontario.,CG. SpecialtyVermiculite®.IndustrialPerlite, Co. of Canada Ltd 294, L1S 3C6 BP-012 4M/10/87. (www.na.gaceconstruction.com/vermiculite/download/Perlite.pdf)
[7] http://www.silbrico.com/lightwt.htm
[8] http://www.perlite.org/perlite_info/guides/lightweight_insulating_concrete/general/perlite_concrete.pdf [9] A, Mortensen, Concise Encyclopedia of Composite Materials, Elsevier Ltd, Netherlands., Hal 236 2nd
9
Pengaruh Variasi Ukuran Partikel 10%
Carbon Black
pada Pelat
Bipolar PEMFC dengan Grafit EAF
YUNITA SADELIDAN SUTAN DHANY P.L.TOBING
Departemen Teknik Metalurgi dan Material – FT UI, Kampus UI Depok – Jawa Barat
BAMBANG PRIHANDOKO
Pusat Penelitian Fisika – LIPI, PUSPIPTEK, Tangsel – Banten
INTISARI : Pelat bipolar merupakan komponen utama dalam Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). Pelat bipolar dibuat berbentuk komposit yang terdiri dari matriks grafit Electric Arc Furnace (EAF), carbon black sebagai filler, dan resin epoksi sebagai binder. Ukuran partikel carbon black yang digunakan adalah 44 μm dan 37 μm dengan perbandingan 100:0; 90:10; 80:20; dan 70:30. Metoda compression moulding dilakukan dalam pembuatan pelat bipolar dengan menggunakan tekanan 450 kg/cm2 selama 4 jam pada temperatur 700C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa
ukuran partikel carbon black 44 μm dan 37 μm dengan perbandingan 90:10 menghasilkan pelat bipolar dengan karakteristik optimum dengan nilai konduktifitas sebesar 1,11S/cm.
KATA KUNCI : PEMFC, pelat bipolar, karbon-karbon komposit, carbon black, konduktifitas
ABSTRACT : Bipolar plate is a major component in the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). A composite bipolar plates made of graphite Electric Arc Furnace (EAF) as matrix, carbon black as filler, and epoxy resin as a binder. Particle size of carbon black was 44 μm and 37 μm with a ratio of 100:0; 90:10; 80:20, and 70:30. Method of compression molding is done in the manufacture of bipolar plates by using a pressure of 450 kg/cm2 during 4 hours at a temperature of 7000 C. The results showed that the carbon black particle sizes of 44 μm and 37 μm with a ratio of 90:10 produced optimum characteristics with a conductivity of 1,11 S/cm.
KEYWORDS : PEMFC, bipolar plate, composie carbont, carbon black, conductivity
1. PENDAHULUAN
Pelat bipolar berfungsi sebagai pemisah antar single stack, pendistribusi bahan bakar, pengatur distribusi air dan panas, serta penghantar arus keluar sel [1,2]. Pelat bipolar berpengaruh terhadap 80% volum, 70% berat, dan 60% biaya dari sel tunam [3,4]. Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa komponen pelat bipolar mencakup hampir sebagian besar dari total berat PEMFC.
Gambar 1
.
Distribusi Massa untuk Stack PEMFC[3]Dalam pengembangan materialnya, perlu diperhatikan sifat dan performa dari komponen pelat bipolar tersebut. Hal ini dikarenakan fungsi pelat ini yang sangat penting, yaitu sebagai sebagai pengumpul arus muatan listrik (electrical current), sebagai alur pemasok bahan bakar itu sendiri atau dapat dikatakan sebagai pengatur pendistribusian bahan bakar, sebagai penahan lewatnya gas secara langsung (gas barrier), serta sebagai penyalur sisa reaksi/hasil samping [5]. Oleh karena itu, pemilihan material yang tepat sebagai penyusun pelat bipolar komposit perlu diperhatikan agar penggunaan sel tunam sebagai penghasil energi
10
listrik dapat bernilai ekonomis dan memiliki efisiensi yang tinggi. Seperti yang disyaratkan US DOE
(Department of Energy) pada Tabel 1 berikut.
Tabel 1. Target karakteristik plat bipolar oleh US DOE (Department of Energy) [6]
Pada penelitian ini dibuat pelat bipolar dari karbon-karbon komposit, yaitu komposit berbasis grafit yang menggunakan carbon black sebagai pengisi, dan epoksi sebagai binder. Grafit yang digunakan berasal dari limbah EAF (Electric Arc Furnace) atau elektroda dapur listrik proses peleburan baja. Carbon black
yang digunakan berasal dari serat alami (serabut kelapa). Pada sistem komposit, dispersi carbon black akan membentuk jaringan antar karbon dalam polimer. Jaringan ini berfungsi sebagai sirkuit elektrik sehingga dengan mudah dapat mengalirkan arus listrik. Oleh karena itu, adanya penambahan carbon black pada material komposit yang akan dibuat akan meningkatkan sifat konduktivitas listrik dari pelat bipolar. Jaringan tersebut juga mampu meningkatkan kemampuprosesan komposit dan sifat mekanisnya. Namun perlu diketahui ketika komposisi carbon black terlalu besar pada suatu matriks maka akan terbentuk pengelompokan atau aglomerasi carbon black dan jaringan tidak terbentuk dengan baik [7,8].
Resistansi total dari pelat bipolar komposit berasal dari resistansi pada jarak antar agregat ( inter-aggregate space), Re, seperti diilustrasikan pada Gambar 2. Oleh karena itu, adanya partikel carbon black
akan menjadi penghubung tambahan antar lapisan grafit, yang akan mengakibatkan nilai resistansi Re menurun [9]. Penambahan carbon black dapat meningkatkan nilai konduktivitas listrik secara efisien dengan penambahan yang minimum, karena partikel tersebut memiliki struktur yang bulat berlubang (hollow) dan bercabang, luas permukaan yang tinggi dan ukuran partikel yang kecil [9].
Gambar 2. Ilustrasi Skematik dari (a) Berbagai Hambatan Tersusun Secara Seri, (b) Partikel Carbon Black
Ditempatkan di antara Lapisan Grafit untuk Mengurangi Nilai Hambatan Re [9].
2. METODOLOGI
Pelat bipolar dibuat dari material karbon-karbon komposit dengan perbandingan komposisi dari berat total material yang digunakan adalah 80%wt. karbon yang terdiri dari campuran 90%wt. grafit EAF berukuran 44 μm dan 10%wt. carbon black, sedangkan 20%wt. lainnya terdiri dari resin epoksi dan
11
hardener. Ukuran partikel 10%wt. carbon black yang digunakan dalam penelitian ini divariasikan antara ukuran partikel 44 μm dan 37 μm dengan perbandingan 100:0; 90:10; 80:20; dan 70:30. Pembuatan pelat bipolar dilakukan dengan metoda compression moulding yang menggunakan tekanan 450 kg/cm2, dengan temperatur cetakan 70oC selama 4 jam. Setelah proses pembuatan pelat, dilakukan pengujian untuk mengetahui sifat yang dihasilkan.
Pengujian konduktifitas dilakukan dengan menggunakan alat digital Veeco FPP 5000-four point probe test.. Prinsip kerja alat ini menggunakan 4 titik yang terdiri dari titik 1 dan 4 sebagai titik pengukur arus yang dibaca di amperemeter, sedangkan titik 2 dan 3 sebagai pengukur tegangan yang akan dibaca di voltmeter. Skema pengujian dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Skema Uji Konduktivitas dan mesin Veeco FPP 5000 - Four Point Probe Test
Pada pengujian konduktivitas listrik digunakan cakram untuk menahan posisi sampel uji serta memfokuskan arus yang ditembakkan pada titik tertentu. Cakram terbuat dari polimer berwarna hitam yang berbentuk lingkaran dengan diameter dan ketebalan tertentu.
Porositas merupakan pori yang terbentuk akibat udara yang terperangkap. Pori yang terbentuk dapat mempengaruhi performa pelat bipolar. Persentase porositas yang terbentuk dapat diketahui dengan melakukan pengujian sesuai standar ASTM C20. Prinsip dari pengujian adalah melihat perbedaan berat dari sampel kering (setelah dipanaskan) dan sampel jenuh (setelah direndam).
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Penyiapan Sampel
Pembuatan sampel uji dilakukan sebelum pengujian untuk mengetahui karakteristik pelat bipolar. Sampel uji dibuat dalam ukuran yang menyesuaikan standar pengujian, seperti terlihat pada Gambar 4. Sampel pengujian konduktifitas dan porositas dibuat dalam ukuran 2 cm x 2 cm dan tebalnya 0,3 cm. Permukaan sampel uji dihaluskan hingga rata untuk menghilangkan retak mikro ataupun sumber konsetrasi tegangan dari bekas inisiasi retak, sehingga data hasil pengujian akan menjadi lebih akurat.
Gambar 4. Sampel uji 3.2. Hasil Uji Porositas
Salah satu sifat yang harus dimiliki pelat bipolar adalah memiliki porositas yang sangat kecil. Porositas merupakan rongga yang terbentuk dalam suatu material akibat pengaruh senyawa gas yang umumnya berasal dari luar sistem (uap air dan gas) maupun dari dalam sistem (bagian komposisi bahan yang
12
dapat menguap) yang terbentuk selama proses pembuatan material. Persentase porositas pelat bipolar harus dibuat seminimal mungkin. Persentase porositas diharapakan kurang dari 1% sesuai dengan syarat DOE. Tabel 2 dan Gambar 5 terlihat adanya kecenderungan peningkatan porositas dengan penambahan komposisi partikel.
Tabel 2. Hasil uji porositas pelat bipolar.
Dari Gambar 5 terlihat adanya kecenderungan peningkatan porositas dengan penambahan komposisi partikel carbon black 37 m. Pada sampel pertama dengan tanpa penambahan carbon black 37 μm, nilai porositas yang diperoleh sebesar 1,41%. Namun, pada sampel kedua, ketiga, dan keempat, terlihat adanya kecenderungan peningkatan porositas. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh struktur poros dari partikel carbon black
tersebut. Ukuran partikel carbon black yang semakin kecil membuatnya sulit terdistribusi merata dan cenderung membentuk pengelompokan atau agglomerasi. Penambahan komposisi partikel carbon black yang semakin tinggi membuatnya menjadi tidak optimum, karena apabila carbon black dikomposisikan berlebih maka porositas meningkat akibat distribusi partikel yang tidak merata.
Gambar 5. Hasil uji porositas menurut variasi ukuran partikel
Dapat disimpulkan dari hasil pengujian yang dilakukan maka tingkat porositas terendah terdapat pada sampel pertama (tanpa penambahan carbon black 37 μm) dengan tingkat porositas 1,41%, sedangkan porositas tertinggi dimiliki oleh sampel ketiga (penambahan 20% carbon black 37 μm) dengan persen porositas 1,92%. Hal tersebut disebabkan oleh peningkatan komposisi partikel dengan ukuran yang semakin kecil akan menyebabkan terjadinya peningkatan kekosongan (void) pada komposit, sehingga tingkat porositas dari komposit pun akan meningkat. Nilai persentase porositas dari pengujian berada pada kisaran nilai 1,41%-1,92%. Nilai tersebut masih belum memenuhi standar nilai porositas untuk pelat bipolar.
3.3. Hasil Uji Konduktifitas
Nilai konduktivitas menjadi fokus utama dalam pengembangan komponen pelat bipolar. Pelat bipolar dengan konduktivitas tinggi akan mampu mengalirkan arus listrik antar elektroda dengan baik. Sesuai dengan persyaratan yang ditunjukkan pada Tabel 1, maka sebuah pelat bipolar harus memiliki nilai konduktivitas listrik lebih dari 100 S/cm. Pengujian four point probe digunakan untuk mengukur resistivitas listrik pelat bipolar untuk dikonversi ke dalam nilai konduktivitas listrik. Pada Tabel 3 dan Gambar 6 dapat dilihat hasil pengujian konduktivitas listrik dari pelat bipolar.
13 Tabel 3. Hasil uji porositas pelat bipolar
Gambar 6. Hasil uji konduktifitas menurut variasi ukuran partikel
Pada Gambar 6 dapat dilihat bahwa nilai konduktifitas sampel kedua dengan variasi penambahan 10% partikel carbon black 37 µm mengalami peningkatan disbanding sampel pertama yang tanpa penambahan partikel carbon black 37 µm. Peningkatan konduktifitas ini disebabkan oleh partikel carbon black dengan ukuran yang lebih kecil, yaitu 37 µm,bertindak sebagai penghubung tambahan antar lapisan grafit. Kondisi ini dapat menurunkan resistansi dengan kata lain menaikkan konduktifitas. Namun setelah komposisi carbon black 37 µm dinaikkan menjadi 20% dan 30% terjadi penurunan nilai konduktifitas yang dihasilkan. Penyebab utama nya adalah penggumpalan atau aglumurasi partikel karbon yang secara umum cenderung beraglumurasi, sehingga distribusinya tidak merata dan bahkan dapat meningkatkan timbulnya pori seperti di Gambar 5. Jaringan antar karbon akhirnya tidak terbentuk dan menurunkan nilai konduktifitas.
4. KESIMPULAN DAN SARAN
Penambahan carbon black dengan variasi ukuran partikel tidak mempengaruhi proses pembuatan pelat bipolar. Pengaruh negatif dari variasi ukuran partikel carbon black ditunjukkan dengan peningkatan nilai porositas pelat bipolar, walaupun kenaikan porositas tidak signifikan. Nilai porositas masih belum memenuhi target DOE. Pengaruh variasi ukuran partikel carbon black 44 μm dan 37 μm dengan perbandingan 90:10 memberikan nilai optimal dari konduktifitas pelat bipolar 1,11 S/cm. Penambahan
carbon black dengan variasi ukuran partikel terhadap pelat bipolar masih belum optimal, dikarenakan faktor distribusi dari partikel belum merata di seluruh bagian pelat bipolar.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini merupakan kerjasama antara Pusat Penelitian Fisika LIPI dengan Departemen Teknik Metalurgi dan Material dalam bentuk kerjasama pembiayaan dan bimbingan mahasiswa sejak tahun 2009. Kami mengucapkan terima kasih atas bantuan dan dukungan kedua belah pihak.
14
DAFTAR PUSTAKA
[1] Andi Suhandi, Nanik Indayaningsih, Bambang Prihandoko dan Achmad Subhan, Research on PEMFC Graphite Composite Bipolar Plate Influenced by Composition of Filler and Binder, The 2007 Conference on Solid State Ionics (CSSI), Serpong 2007.
[2] Besmann, T.M., Klett, J. W., Henry, J. J., Lara, C.E., Carbon/Carbon Composite Bipolar Plate for PEM Fuel Cells. Journal of The Electrochemical Society. Metals and Ceramics Division, Oak Ridge National Laboratory,Tennessee, USA, 2001.
[3] Yuhua Wang. Thesis: Conductive Thermoplastic Composite Blends for FlowField Plates for Use in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC). University of Waterloo, Ontario, Canada, 2006. [4] Xianguo Li, and Imran Sabir. Review of Bipolar Plates in PEM Fuel Cells:Flow-Field Designs.
Canada: University Avenue West, 2004.
[5] Suharjanto, Yoghi. Skripsi: Komposit Konduktif Polipropilen (PP)/Maleated-Anhydride-Grafted-Polypropylene (PP-g-MA)/Karbon untuk Aplikasi Pelat Bipolar Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cells. Departemen Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, 2009. [6] US. Department of Energy. Fuel Cell Handbook 7th Edition. EG & G Technical Services Inc.,
Morgantown, West Virginia, 2004.
[7] ASM International Comittee. Casting. ASM Metals Handbook Vol. 15. 9th ed. 1988.
[8] Graphite, electrode- D406X1800MM-20-46KA, Inventory Control System Krakatau Steel, Cilegon, 2009.
15
Pembuatan Beton
High-Strength
Berbasis Mikrosilika dari Abu
Vulkanik Gunung Merapi
CANDRA KURNIAWAN,PERDAMEAN SEBAYANG, DAN MULJADI
Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang, Indonesia
Email : [email protected] ANTON KUSWOYO
Departemen Fisika-FMIPA, Universitas Lambung Mangkurat, Banjarbaru, Indonesia
INTISARI :Telah dilakukan penelitian berupa pembuatan beton high-strength berbasis mikrosilika dari abu vulkanik Gunung Merapi. Ada dua treatmen yang dilakukan, yaitu: beton-semen dan beton-polimer. Bahan baku pembuatan beton berupa semen portland, resin epoxy (cair), abu vulkanik, agregat halus dan agregat kasar. Sampel beton dicetak dengan menggunakan pipa paralon dengan diameter dalam 2,75 cm dengan panjang cetakan adalah dua kali diameternya. Beton-semen dibuat dengan kandungan 40% pasta (Beton-semen-air), aggregate 60% dan nilai FAS 0,6. Ada tiga komposisi beton,: beton normal (beton A), beton abu vulkanik 100 mesh (beton B), dan beton abu vulkanik mikro size (beton C). Beton polimer (resin epoxy) dibuat menggunakan abu vulkanik mikro size dengan perbandingan resin terhadap kompositnya 1 : 5 (beton D) dan 1 : 3 (beton E). Parameter pengujian sampel meliputi uji densitas, porositas dan mekanik (kuat tekan). Hasil karakteristik beton menunjukkan bahwa beton dengan kualitas terbaik dihasilkan oleh Beton E (rasio resin-komposit 1 : 3) dengan karakteristik densitas = 2,09 gr/cm3, porositas = 1,58 %, dan kuat tekan sebesar 850,50 kgf/cm2. Tampak bahwa penambahan abu vulkanik sebagai campuran pada beton baik yang berukuran 100 mesh maupun mikro size dapat menghasilkan beton mutu tinggi yang ringan dengan kepadatan tinggi.
KATA KUNCI : beton high-strength, resin epoxy, abu vulkanik, mikrosilika, semen portland
ABSTRACT :Has done research on the topic of making high-strength concrete based mikrosilika from volcanic ash of Mount Merapi. There are two treatments created, cement-concrete and polymer-concrete. The raw materials use for making this concrete is portland cement, epoxy resin (liquid), volcanic ash, fine aggregate and coarse aggregate. Concrete samples were formed using paralon pipe with a diameter of 2.75 cm and mold length is twice the diameter. Cement-concrete containing 40% pastes (cement-water) and FAS value of 0.6, has three kinds of composition: normal concrete (concrete A), volcanic ash concrete 100 mesh (concrete B),and volcanic ash concrete microstructure (concrete C). Polymer concrete (epoxy)created using micro volcanic ash with resin-concrete ratio of 1 : 5 composite (concrete D) and 1 : 3 (concrete E). Test parameters used for sample are measurement for density, porosity and mechanical (compressive strength). The results showed that the concrete characteristics of concrete with the highest quality produced by Concrete E (ratio of composite resin-1: 3) with the characteristic density gr/cm3 = 2.09, porosity = 1.58%, and compressive strength of 850.50 kgf/cm2 . It shows that the addition of volcanic ash as concrete mix in both the size of micro and 100 mesh can produce lightweight high-strength concrete with high density.
KEYWORDS : high strength concrete, epoxy resin, volcanic ash, microsilica, portland cement
1 PENDAHULUAN
Indonesia merupakan negara kepulauan yang dikelilingi oleh rangkaian pegunungan berapi paling aktif di dunia. Pada akhir tahun 2010 yang lalu diperlihatkan peristiwa meletusnya gunung Merapi di Magelang, Jawa Tengah. Dalam letusan tersebut Merapi juga mengeluarkan material abu vulkanik dan awan panas. Awan panas yang terdiri atas material abu vulkanik dan gas ini memiliki temperatur 200 – 700 0C yang disebut Wedhus Gembel karena bentuknya saat meluncur turbulen mirip dengan bulu Kambing/Domba dengan laju luncur mencapai 200 km/jam dan jarak tempuh bisa mencapai 15 km dari puncak Merapi.
Beton sebagai material komposit memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan bahan konstruksi lainnya. Di antaranya adalah sifatnya yang mudah dibentuk sesuai dengan konstruksi yang dibutuhkan, memiliki kekuatan yang tinggi untuk memikul beban berat dan biaya perawatannya tergolong ekonomis. Penambahan material tertentu ke dalam struktur beton secara umum dimaksudkan untuk memperoleh kualitas beton yang lebih baik, sehingga dapat dipelajari struktur dan karakteristik yang dihasilkan.
16
Tabel 1. Karakteristik Abu Vulkanik Merapi
Abu Vulkanik sebagai material alami yang dikeluarkan dari Merapi selain dapat menutupi lahan dan mengakibatkan rusaknya sebagian besar tanaman sekitarnya, namun juga memiliki kemungkinan pemanfaatan lain yang lebih menguntungkan. Secara umum komposisi abu vulkanik terdiri atas Silika dan Kuarsa. Komposisi yang dominan pada abu vulkanik Merapi seperti yang ditunjukkan pada Tb.1 adalah silika, alumina, besi, dan kalsium [1], sehingga merupakan material yang dapat digunakan sebagai bahan campuran atau dimanfaatkan sebagai material subtitusi semen jika ditambahkan kapur (CaCO3).
Ukuran (Size) partikel campuran sebagai komponen beton mempengaruhi sifat fisikanya adalah densitas, porositas dan kuat tekan. Hal ini dapat dipahami karena semakin kecil ukuran partikel campuran maka celah-celah udara (rongga) yang ada pada beton akan semakin sedikit sehingga pengecilan ukuran partikel campuran akan meningkatkan densitas dan mengecilkan nilai porositas pada beton, sehingga secara teori jika beton memiliki kepadatan yang lebih tinggi maka kuat tekannya juga akan meningkat. Kandungan Silika (SiO2) yang terdapat dalam abu vulkanik yang dihaluskan ukurannya menjadi berorde mikrometer
(µm) disebut mikrosilika. Penggunaan mikrosilika dalam pembuatan beton sebagai material tambahan diharapkan dapat mampu meningkatkan kualitas beton menjadi beton mutu tinggi (high strength). Suatu beton bisa disebut sebagai beton mutu tinggi (high strength) jika memiliki kuat tekan minimal sekitar 490,3 kgf/cm2 [2].
Pada penelitian ini dibuat beberapa jenis beton dengan menggunakan bahan campuran dari abu vulkanik gunung Merapi. Beton-semen adalah beton yang menggunakan perekat semen dengan variasi ukuran partikel campuran abu gunung Merapi menggunakan ayakan 100 mesh dan ukuran mikro. Beton polimer (epoxy) menggunakan variasi komposisi resin : komposit sebesar 1 : 3 dan 1 : 5. Dari hasil pembuatan beton ini kemudian akan diuji sifat-sifat fisiknya seperti densitas, porositas dan kuat tekannya.
2. METODOLOGI
Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah semen portland, agregat kasar (kerikil kecil), agregat halus (Pasir), abu vulkanik Merapi, aquades, dan resin epoxy (cair) sebagai bahan polimer. Eksperimen dilakukan dengan membuat dua jenis beton: beton-semen (semen portland + agregat + air) dan beton polimer (resin epoxy cair + agregat).
Adapun tahapan preparasi mulai dari pencucian abu vulkanik Merapi dari unsur pengotor dengan menggunakan air bersih. Abu yang telah bersih kemudian dikeringkan dalam oven selama 8 jam pada suhu 100oC, kemudian disaring hingga lolos ayakan 100 mesh sehingga diperoleh abu vulkanik dengan diameter maksimal 0,15 mm. Ada dua perlakuan terhadap abu vulkanik. Pertama abu vulkanik yang diayak pada ayakan 100 mesh, dan yang kedua abu vulkanik dibuat dalam ukuran mikro. Pembuatan abu vulkanik dalam skala mikrometer dilakukan dengan menggunakan alat Planetary Ball Mill (PBM) dengan cara sampel digerus dalam PBM selama 30 jam, kemudian dianalisis ukuran partikelnya menggunakan Particle Size Analizer(PSA) sehingga didapatkan abu vulkanik dengan ukuran submikron (<10 µm).
Proses pembentukan Beton-semen menggunakan campuran semen portland, air, agregat yang komposisinya adalah 40% pasta semen (campuran semen dan air) dan 60% agregat (kasar + halus). Faktor air semen (FAS) yang dibuat sebagai perbandingan semen-air adalah sebesar 0,6. Nilai FAS 0,6 diambil karena
17 kemudahan dalam pembuatan sampel beton-semen. Beton polimer dibuat dengan menggunakan resin epoxy (cair), agregat (kasar + halus), dan abu vulkanik mikro dengan variasi komposisi resin-komposit. Sebagai variabel kontrol dibuat beton-semen normal (tanpa tambahan abu vulkanik). Jenis beton uji yang dibuat adalah sebagai berikut :
a. Beton A : pasta semen + (agregat halus + agregat kasar)
b. Beton B : pasta semen + [abu vulkanik 100 mesh + (agregat halus + kasar)] c. Beton C : pasta semen + [abu vulkanik mikro + (agregat halus + kasar)]
d. Beton D : resin epoxy + [abu vulkanik mikro + (agregat halus + kasar)] dengan perbandingan 1:5. e. Beton E : resin epoxy + [abu vulkanik mikro + (agregat halus + kasar)] dengan perbandingan 1:3.
Dalam setiap beton sampel yang menggunakan abu vulkanik perbandingan antara abu vulkanik dan agregat adalah 1 : 1 dan sampel A – E dibuat masing-masing 5 sampel. Sampel beton dibuat dalam bentuk silinder dengan diameter rata-rata 2,75 cm menggunakan cetakan yang dibuat dari pipa paralon. Panjang pipa adalah dua kali diameternya.
Pada pembuatan beton semen, beton yang sudah jadi dikeringkan dengan menggunakan autoclave
selama 2 jam pada suhu 1210C. Pengeringan dengan autoclave bertujuan untuk mempercepat proses penuaan umur beton. Selanjutnya beton dimasukkan dalam oven 1000C selama 24 jam untuk menghilangkan kadar airnya. Sedangkan untuk jenis beton polimer, beton yang telah dimasukkan ke dalam cetakan kemudian dikeringkan selama 1 hari pada suhu ruangan. Tahap akhir ialah pengujian sifat fisik beton (densitas dan porositas) dan uji mekanik (kuat tekan) dengan menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM).
Diagram alir pembuatan beton uji ditunjukkan pada Gb. 1
Tahapan pengujian yang dilakukan antara lain adalah pengukuran massa jenis (densitas) sampel beton. Pengukuran densitas beton ini menggunakan prinsip Archimedes untuk benda tidak beraturan menggunakan persamaan,
air k A Beton m m m m
0 0 (1)dengan moadalah massa kering sampel, sedangkan mA adalah massa sampel + kawat yang ditimbang didalam
air dikurangi dengan massa kawat mk.
Pengujian kedua adalah pengukuran porositas dari sampel beton. Porositas (P) merupakan persentase perbandingan volume kosong (rongga) dengan volume total benda padat tersebut. Ada dua jenis porositas, yakni porosiatas terbuka (semu) dan porositas tertutup. Pada porositas tertutup, dihitung porsi rongga yang tidak dapat ditembus oleh air dan rongga terbuka yang dapat dimasuki air, sehingga pengukuran porositas tertutup sulit dilakukan, sedangkan porositas terbuka, rongga dapat dimasuki air dari luar meskipun rongga berada di tengah-tengah benda [3]. Sehingga yang biasanya diukur adalah porositas terbuka (semu) yang dinyatakan dalam persamaan,
100
%
k A b a bm
m
m
m
m
P
(2) dengan mb adalah massa basah sampel setelah direndam dalam air selama 24 jam.Pengujian ketiga adalah pengujian kuat tekan (compressive strength) dari sampel beton. Kuat tekan beton menunjukkan kualitas dari sampel beton. Pengujian kuat tekan ini menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM). Pengukuran kuat tekan beton menggunakan persamaan,
A
F
P
(3)
dengan F adalah gaya tekan yang mengenai sampel dan A adalah luas permukaan sampel yang dikenai gaya sebesar F.
18
Gambar 2. Sampel Beton yang dibuat terdiri atas beton-semen dan beton polimer (berwarna gelap)
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pembuatan sampel beton-semen dan beton polimer ditunjukkan pada Gb.2. Beton abu-abu menunjukkan beton-semen sedangkan beton hitam (gelap) adalah beton polimer. Hasil pengukuran densitas (ρ) dan porositas (P) untuk kelima jenis beton diperlihatkan pada Gb. 3 (a,b). Dalam grafik terlihat bahwa dari kelima jenis beton yang dibuat, densitas terbesar dan terkecil berturut-turut ditunjukkan oleh beton C (semen) dan D (polimer) dengan besar masing-masing 2,47 gr/cm3 dan 2,06 gr/cm3. Beton yang dihasilkan
Pasta Semen Agregat (Halus+Kasar) Abu Vulkanik (100 mesh/mikro) Pencampuran Cetak Autoclaved Dioven 100 0C Beton Uji B,C Karakterisasi Resin Epoxy Agregat (Halus+Kasar) Abu Vulkanik (mikro) Pencampuran (1 : 3 ; 1 : 5) Cetak Pengeringan (Penuaan) Beton Uji D, E Karakterisasi
Gambar 1. Diagram Alir Pembuatan Beton Uji yang dicampur abu vulkanik Merapi, a) Beton - semen dengan campuran abu vulkanik (100 mesh & mikro), b) Beton polimer dengan abu
vulkanik mikro dan variasi komposisi polimer-komposit. (a)
(b) (a)
19 memiliki densitas yang sesuai dengan standar beton-semen/polimer pada umumnya. Beton-semen (Portland) secara umum memiliki densitas 1,9-2,5 g/cm3 sedangkan beton polimer (Epoxy) memiliki densitas dalam rentang 2,0-2,4 g/cm3 [4]. Hasil pengukuran porositas (P) terbesar dan terkecil berturut-turut ditunjukkan oleh beton A (normal) dan beton E (polimer) dengan nilai porositas 25,62 % dan 1,58 %. Tampak bahwa secara umum bahwa nilai densitas dan porositas dalam beton memiliki hubungan yang berbanding terbalik.
Densitas pada beton-semen menjadi lebih besar jika campuran partikel abu vulkanik dibuat dalam ukuran yang lebih kecil. Hal ini ditunjukkan pada Gb. 3.a pada beton A-C. Beton A sebagai beton normal tanpa campuran abu vulkanik memiliki densitas yang lebih kecil dibandingkan dengan beton B dan C yang mengandung campuran abu vulkanik. Ukuran partikel abu vulkanik yang dibuat dalam dua jenis yaitu abu vulkanik yang lolos ayakan 100 mesh (< 0,15 mm) dan abu vulkanik mikro (± 5,6 µm) cukup mempengaruhi densitas beton yang terlihat pada peningkatan densitas yang terjadi pada beton B yang menggunakan campuran abu vulkanik 100 mesh dibandingkan dengan beton C yang menggunakan abu vulkanik mikro. Penambahan abu vulkanik mikro dengan variasi komposisi resin dibandingkan dengan kompositnya juga mempengaruhi densitas yang dihasilkan pada beton D dan E. Beton D yang memiliki komposisi resin yang lebih sedikit dengan perbandingan 1 : 5 memiliki densitas yang lebih kecil dibandingkan dengan beton E dengan perbandingan resin-komposit 1 : 3. Sehingga terlihat bahwa densitas beton polimer dapat ditingkatkan jika komposisi resin yang dipakai semakin banyak.
(a) (b)
Gambar 3 : Grafik perbandingan densitas dan porositas masing-masing beton. a) Densitas beton uji terhadap jenis beton, beton semakin berat jika ukuran campuran abu vulkanik semakin kecil (beton B-C), beton juga
semakin berat jika komposisi epoxy diperbanyak (beton D-E), b) Porositas beton terhadap jenis beton, porositas semakin kecil jika ukuran campuran abu vulkanik semakin kecil (beton B-C), porositas juga
berkurang dengan bertambahnya epoxy yang digunakan pada beton polimer (beton D-E).
Pada Gambar 3.b ditunjukkan besar porositas yang dimiliki oleh beton uji. Porositas yang terdapat pada beton-semen memiliki persentase yang semakin kecil dengan penambahan campuran abu vulkanik ke dalam struktur betonnya. Hal ini terlihat dengan penurunan nilai porositas dari beton A (tanpa abu vulkanik) menjadi beton B yang ditambah abu vulkanik. Ukuran abu vulkanik yang ada pada campuran juga mempengaruhi karakteristik porositas tersebut. Berdasarkan pengukuran yang dilakukan, beton yang menggunakan campuran abu vulkanik berukuran mikro (beton C) memiliki porositas yang lebih kecil dibandingkan dengan beton yang menggunakan campuran abu vulkanik 100 mesh (beton B). Porositas pada beton polimer dipengaruhi juga oleh komposisi resin yang digunakan sebagai matriks. Beton yang menggunakan resin lebih banyak (beton E) menghasilkan porositas yang lebih kecil dibandingkan dengan beton D yang menggunakan resin lebih sedikit. Ukuran porositas yang dihasilkan dapat berdampak pada kualitas beton yang dihasilkan.
Ukuran partikel abu vulkanik yang diperkecil sampai berukuran mikro memungkinkannya untuk dapat mengisi rongga antar partikel sehingga distribusi partikel dalam beton uji menjadi semakin merata dan semakin padat. Distribusi partikel yang lebih padat inilah yang dapat meningkatkan densitas beton karena jumlah partikel yang dapat mengisi struktur beton menjadi lebih banyak dan porositas yang semakin mengecil karena rongga udara dalam beton yang berukuran mikro dapat diisi dengan abu vulkanik mikro tersebut. Struktur seperti ini yang memungkinkan beton tersebut untuk memiliki porositas yang sekecil mungkin.
Pada Gb. 3 (a,b) terlihat bahwa beton yang terbuat dengan matriks polimer memiliki karakteristik yang lebih padat dan lebih ringan dibandingkan dengan beton-semen. Perbedaan densitas beton polimer (D,E) rata-rata sebesar 15,77 % dibandingkan beton-semen (A,B,C), sedangkan kepadatan beton polimer (D,E) lebih
20
besar ditunjukkan dengan nilai porositas yang lebih kecil rata-rata sebesar 89,34% terhadap beton-semen (A,B,C).
Uji kedua adalah pengujian kuat tekan (Compressive Strength) beton menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM). Nilai Uji kuat seperti yang terlihat dari pada Gb. 4. Penambahan abu vulkanik kedalam struktur beton berpengaruh juga pada kuat tekan yang dihasilkan. Pada beton-semen, penambahan abu vulkanik dapat meningkatkan kuat tekan beton terlihat pada beton B dan C dibandingkan dengan beton A (tanpa abu vulkanik). Beton A sebagai beton normal memiliki kuat tekan terkecil sebesar 36,72 kgf/cm2.
Pengaruh ukuran abu vulkanik juga terlihat pada beton B dan C. Beton C yang menggunakan abu vulkanik mikro size memiliki kuat tekan yang lebih baik dibandingkan dengan beton B yang menggunakan abu vulkanik 100 mesh. Peningkatan kuat tekan ini dihasilkan karena ukuran partikel abu vulkanik yang lebih kecil dapat menghasilkan distribusi partikel yang lebih padat sehingga dapat mengurangi porositas yang terdapat dalam beton. Peningkatan kuat tekan yang cukup siknifikan dihasilkan pada beton polimer. Variasi komposisi resin yang digunakan menghasilkan kuat tekan beton yang berbeda. Beton dengan komposisi resin 1 : 3 (beton E) memiliki kuat tekan yang lebih besar dibandingkan beton D yang memiliki perbandingan resin 1 : 5.
Gambar 4. Grafik kuat tekan beton dibandingkan porositasnya. Grafik menunjukkan semakin rendah porositas sampel maka kuat tekan sampel semakin tinggi, kuat tekan tertinggi dimiliki sampel E sebesar
850,50 kgf/cm2.
Resin yang digunakan sebagai matriks dalam beton polimer dapat mengikat masing-masing partikel struktur beton lebih baik jika jumlah yang digunakan lebih banyak. Penggunaan abu vulkanik mikro sebagai campuran (bahan tambah) juga berpengaruh pada peningkatan kuat tekan pada kedua jenis beton tersebut. Kandungan mikrosilika yang dicampurkan pada beton-semen maupun beton polimer membantu pengikatan yang dilakukan oleh semen dan resin. Selain itu ukuran mikro tersebut dapat berperan sebagai penambah agregat halus yang dapat mengisi rongga-rongga dalam struktur beton sehingga beton menjadi lebih keras setelah proses penuaan (hidrasi) terjadi.
Berdasarkan perbandingan dari Gb. 3.b dan Gb. 4, terlihat bahwa korelasi antara porositas dan kuat tekan adalah berbanding lurus yang artinya semakin rendahnya nilai porositas dari sampel beton maka kuat tekannya juga semakin besar. Besar kuat tekan standar beton normal yaitu antara 196,1 – 490,3 kgf/cm2 [5] sedangkan untuk beton mutu tinggi memiliki kuat tekan diatas 490,3 kgf/cm2. Beton D dan E termasuk ke dalam jenis beton kualitas tinggi (High-Strength Concrete) karena memiliki kuat tekan yang melebihi 490,3 kgf/cm2.
Dalam penelitian ini penggunaan Autoclave dalam proses penuaan beton-semen dengan suhu tinggi kurang baik karena penuaan beton-semen yang seharusnya membutuhkan waktu hidrasi ± 28 hari dipercepat dengan menguapkan kandungan air yang terdapat pada beton segar melalui pemanasan sehingga porositas menjadi tinggi dan mengurangi kekuatan yang dihasilkan beton tersebut. Sedangkan beton-polimer hanya membutuhkan waktu yang lebih cepat yaitu 1 hari saja untuk mendapatkan beton high strength.
Beton polimer high strength dengan campuran abu vulkanik ini memiliki potensi untuk dimanfaatkan pada berbagai model konstruksi, seperti sebagai bantalan rel kereta api, pelapis pipa saluran air, dan jembatan dengan bentang panjang.
21 4. KESIMPULAN DAN SARAN
Abu vulkanik Merapi sebagai material yang dikeluarkan saat terjadi erupsi memiliki komposisi Silika yang cukup besar yaitu sebesar 54 – 55% dan material lain seperti Alumina dan Besi. Oleh karena itu, abu vulkanik dapat dimanfaatkan sebagai bahan campuran dalam pembuatan bahan-bahan konstruksi seperti beton. Dalam penelitian ini telah dibuat beberapa sampel beton yang bahannya dicampur dengan abu vulkanik Merapi. Berdasarkan hasil yang didapat, maka dapat disimpulkan :
1. Abu vulkanik Merapi dapat digunakan sebagai bahan campuran dalam pembuatan beton karena memiliki komposisi Silika (54 %) , Alumina (18 %), besi (8,5 %), CaO (8,3 %), serta komposisi material lain yang sesuai dengan material konstruksi beton sehingga dapat meningkatkan kualitas struktur beton yang dibuat.
2. Ukuran Abu vulkanik sebagai bahan campuran menentukan karakteristik beton terutama pada nilai densitas dan porositas beton uji. Semakin kecil ukuran Abu Vulkanik maka densitas dari beton semakin besar sesuai jenis sampel (beton-semen / beton polimer) dan tingkat porositas yang semakin kecil. Dalam penelitian ini karakteristik beton uji yang paling padat dihasilkan oleh beton E yang menggunakan matriks resin epoxy.
3. Beton high strength dihasilkan pada beton polimer D dan E yang memiliki kuat tekan diatas 490,3 kgf/cm2. Hasil karakteristik beton menunjukkan bahwa beton dengan kualitas terbaik dihasilkan oleh Beton E (rasio resin-komposit 1 : 3) dengan karakteristik densitas = 2,09 gr/cm2, porositas = 1,58 %, dan kuat tekan sebesar 850,50 kgf/cm2.
Sebagai saran dalam penelitian ini adalah diperlukannya penelitian lanjutan mengenai karakteristik beton yang menggunakan variasi komposisi campuran abu vulkanik berukuran mikro menggunakan matriks resin epoxy sehingga didapatkan variasi terbaik untuk beton high strength yang berbasis abu vulkanik Merapi.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Sudaryo, Sutjipto, Seminar Nasional V SDM Teknologi Nuklir, Yogyakarta, 2009, hlm. 715-722. [2] T. Mulyono, Teknologi Beton (Penerbit Andi, Yogyakarta, 2005).
[3] A. V. Vlack, Ilmu dan Teknologi Bahan (Ilmu Logam dan Bukan Logam) Ed. 5 (Erlangga, Jakarta, 1995).
[4] A. Blaga, J. J. Beaudoin, Polimer Concrete, Cana. Buil. Dige, CBD-242 (1985).
[5] I Nyoman Merdana,JURNAL TEKNOLOGI, No. 2, Tahun XVIII, Juni 2004, 63- 71 ISSN 0215-1685 (2004)
22
Rancang Bangun Sistem
Radio Frequency
sebagai Sumber Ion
WILDAN PANJI TRESNA
Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang, Indonesia
Email : [email protected] MUHAMAD NUR
Jurusan Fisika – Universitas Diponegoro
INTISARI : Radio Frekuensi telah memegang peranan penting dalam berbagai bidang teknologi, dari bidang komunikasi, pemanasan ataupun sebagai sumber ion. Pada tulisan ini akan dipaparkan mengenai peranan sistem radio frekuensi dengan daya keluaran 90 Watt yang sudah dapat di mengionisasi atom-atom Dueterium. Jika hal tersebut ditumbukkan dengan atom Tritium maka akan menghasilkan Neutron. Radiofrekuensi sebagai penguat dibuat dalam beberapa rangkaian seperti rangkaian Hartley atau Colpitts dan dibandingkan hasil keluaran dayanya yang paling maksimal. Dari percobaan diperoleh hasil keluaran frekuensi 36,12 MHz pada daya 90 Watt
KATA KUNCI : radio frekuensi, daya keluaran dan sumber ion
ABSTACT : Radio Frequency has played an important role in tne world of technology. That field from communication, heating system and ion source. This paper will describe the influences of radiofrequency with 90 Watt output power which is able to ionize the atom of Dueterium. If Dueterium crashed with atom of Tritium, it will be produce a Neutron. Radio Frequency as a amplifier system can be built in several circuit electronic model, like a Hartley and Colpitts System. The output of each circuits will be compared to get maximal power result. The result from the measurement is frequency 36,12MHz on 90 Watt power output.
KEYWORDS : radio frequency, power output and ion source
1. PENDAHULUAN
Osilator merupakan rangkaian elektronik yang dirancang sebagai pembangkit atau penguat sinyal gelombang sinusoidal ataupun gelombang yang bersifat harmonic. Sebuah osilator berfrekuensi tinggi dirancang untuk dapat menghasilkan frekuensi tinggi yang stabil dengan daya maksimal yang akan diaplikasikan dalam sebuah generator Neutron. Radio frequency telah banyak dimanfaatkan untuk beberapa hal, antara lain sebagai pemancar dan penerima dalam berbagai system komunikasi, selain itu osilator juga dapat digunakan sebagai sumber RF dalam rongga pantul spektrometer homodin. Osilator ini dapat menggantikan klystron niose rendah tanpa penurunan noise langsung pada spectrometer RSE. Osilator tunggal RF juga dapat digunakan pada tomografi homodin optis sebagai metode pengukuran kedudukan kuantum dari medan radiasi.
Dalam sebuah gambaran sederhana mengenai generator Neutron diperlukan sebuah sistem yang mampu untuk mengionisasi atom Deuterium sebagai target lebih banyak, sehingga ketika atom-atom tersebut ditumbukkan dengan bahan lain akan menghasilkan Neutron. Sistem RF (Radio Frequency) ini merupakan komponen pendukung yang sangat menentukan besarnya energi ionisasi agar menumbuk atom-atom Dueterium dalam tabung, dan menghasilkan ion-ion Deuterium yang lebih banyak. Atom-atom deuterium ini dikaji sebagai interaksi radiasi dengan bahan, efek fotolistrik, efek hamburan Compton atau efek produksi pasangan.
Untuk menghasilkan frekuensi tinggi dan stabil serta daya yang optimal agar dapat mengionisasi atom-atom target dirancang beberapa rangkaian elektronika berkaitan dengan teknologi berbasis triode yang sudah ada. salah satunya dengan menggunakan tabung trioda yang dipadukan dengan tangki LC. Pada umumnya penguat yang digunakan dalam membuat osilator bekerja pada kelas C.
Generator neutron merupakan alat yang dikhususkan untuk menghasilkan neutron. Neutron dihasilkan dari reaksi-reaksi hidrogen berat, yaitu reaksi Tritium yang ditumbuk oleh Deuterium. Deskripsi reaksinya sebagai berikut :
D + T n + He + ∆E H2+ + H3 n + He + ∆E
Tritium ditempatkan sebagai target yang akan ditumbuk oleh ion-ion deuterium. Sebelum menumbuk target, ion deuterium telah malewati mekanisme yang panjang. sebelum akhirnya dapat menumbuk target. Tahapan-tahapan yang dilewati oleh ion deuterium diantaranya :
