2. STUDI LITERATUR
2.1. Beton Fiber
Beton fiber dapat didefinisikan sebagai beton yang terbuat dari semen portland atau bahan pengikat hidrolis lainnya yang ditambah dengan agregat halus dan kasar, air dan diperkuat dengan serat. Interaksi antara serat dan matriks beton merupakan sifat dasar yang mempengaruhi kinerja dari material komposit beton serat (Adianto & Joewono, 2007). Penggunaan fiber pada awalnya dimulai sekitar tahun 1540 di Amerika Serikat, di mana pada waktu itu digunakan jerami untuk memperkuat batu bata (Daniel et al. , 2002). Penggunaan fiber alami tersebutlah yang dianggap sebagai cikal bakal penemuan sistem beton bertulang dengan tulangan baja. Namun, barulah pada tahun 1940 mulai dikembangkan pemakaian fiber dalam campuran beton (Brown et al. , 2002).
Fiber yang cocok untuk digunakan sebagai tulangan pada beton dibedakan menjadi dua macam yaitu fiber sintetis dan fiber alami. Fiber sintetis biasa terbuat dari baja, kaca, dan polimer, sementara fiber alami biasa diambil dari tumbuh- tumbuhan. Secara umum, panjang dan diameter fiber yang biasa digunakan untuk beton fiber, secara berturut-turut, tidak lebih dari 3 inch (76 mm) dan 0.04 inch (1 mm) (Daniel et al. , 2002). Penambahan fiber ke dalam campuran beton mampu meningkatkan beberapa karakteristik beton yaitu meningkatkan kuat tarik (Gambar 2.1), kuat tekan, modulus elastisitas, ketahanan terhadap retak, pengendalian retak, durabilitas, fatique life, ketahanan terhadap beban kejut, ketahanan terhadap abrasi, susut, karakteristik thermal, dan daya tahan terhadap kebakaran (Daniel et al. , 2002).
Gambar 2.1. Grafik perbandingan gaya tarik-deformasi antara beton konvensional dan beton fiber (Brown et al. , 2002)
Beton fiber baik digunakan untuk meminimalisir rongga pada beton dan juga kerusakan akibat erosi pada struktur-struktur seperti kanal air buatan dan pier pada pelabuhan, di mana struktur-struktur tersebut mengalami hantaman arus dengan kelajuan yang tinggi. Penggunaan fiber dalam campuran beton dapat mengurangi berat sendiri struktur secara signifikan karena struktur beton fiber dengan penampang lebih tipis memiliki kekuatan yang sama dengan beton konvensional yang ukurannya lebih tebal. Lebih lanjut, di daerah rawan gempa, penggunaan fiber dapat meminimalisir jumlah korban karena dapat membantu untuk mengurangi sifat getas beton. Salah satu kekurangan utama dari beton fiber adalah proses pengerjaan. Proses pencampuran fiber ke dalam matriks semen memerlukan tenaga kerja yang intensif sehingga tentunya akan lebih memakan biaya jika dibandingkan dengan pembuatan beton konvensional (Brown et al. , 2002).
2.2. Fiber Alami
Fiber alami adalah komposit alami yang tersusun dari struktur selular.
Beragam proporsi selulosa, hemiselulosa, dan lignin menyusun struktur fiber tersebut dengan berbagai macam lapisan. Selulosa adalah sebuah polimer yang mengandung glukosa. Hemiselulosa adalah sebuah polimer yang terbentuk dari bermacam-macam polisakarida, sedangkan lignin adalah sebuah amorf dan campuran heterogen dari polimer beraroma dan monomer phenylpropana (Torgal
& Jalali, 2009).
Dewasa ini fiber sintetis memang lebih banyak digunakan dalam pembuatan beton fiber. Namun seperti yang kita ketahui, fiber sintetis terutama fiber baja, terbuat dari bahan dasar yang cukup mahal, membutuhkan energi yang besar dalam pengolahannya, dan juga berasal dari material yang tidak dapat didaur ulang (Torgal & Jalali, 2009). Hal tersebut tentunya sangat tidak sejalan dengan prinsip-prinsip pencegahan global warming yang saat ini sedang menjadi isu utama di berbagai belahan dunia.
Oleh karena itulah saat ini semakin banyak dikembangkan penelitian mengenai pemanfaatan fiber alami karena pemanfaatannya tidak hanya murah dari segi ekonomis (Ali, 2012), tetapi juga dapat membantu meningkatkan beberapa karakteristik beton, dan juga membantu mewujudkan pembangunan yang berkelanjutan (sustainable construction) (Torgal & Jalali, 2009). Pemanfaatan fiber alami pada campuran beton sampai saat ini masih memerlukan penelitian lebih lanjut karena fiber alami juga memiliki beberapa kelemahan, di mana salah satu kelemahan terbesarnya adalah kurang kuatnya adhesi antara matriks dengan fiber (Gambar 2.2). Dalam matriks polimer, hal itu terjadi sebagai akibat buruknya lekatan antara polimer yang bersifat hidrophobia dengan fiber yang justru bersifat hidrofilia yang pada akhirnya dapat menimbulkan kerugian karena seharusnya adhesi yang kuat diperlukan agar matriks dapat menyalurkan gaya yang terjadi dengan baik ke fiber. Apabila hal tersebut tidak dapat terjadi, maka tentunya efek positif dari fiber tidak dapat dirasakan atau justru akan memperlemah beton itu sendiri (Bachtiar et al. , 2010).
Gambar 2.2. Bekas tempat lekatan fiber dan matriks semen (Torgal & Jalali, 2009)
Untuk mengatasi lemahnya adhesi antara matriks polimer dan fiber tersebut, pernah diadakan suatu penelitian di mana diberikan alkali treatment pada fiber alami yaitu jerami. Penelitian tersebut menunjukkan suatu hasil yang positif, di mana jerami yang telah direndam selama 2 jam dalam larutan NaOH 1% pada suhu 150C mengalami peningkatan adhesi dengan matriks polimer. Hal tersebut pada akhirnya dapat membantu meningkatkan kuat tarik dan kuat lentur beton fiber itu sendiri seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.3 dan 2.4 (Fahim et al. , 2012). Peningkatan adhesi tersebut dapat terjadi karena NaOH dapat bereaksi dengan gugus hidroksida pada permukaan fiber yang bersifat hidrofilia dan meningkatkan karakteristik hidrophobia fiber tersebut sehingga akhirnya dapat melekat lebih kuat dengan matriks polimer yang juga bersifat hidrophobia (Ishak et al. , 2013).
Gambar 2.3. Grafik perbandingan regangan-kuat lentur beton fiber dengan alkali treatment (Fahim et al. , 2012)
Gambar 2.4. Grafik Perbandingan regangan-kuat tarik beton fiber dengan alkali treatment (Fahim et al. , 2012)
Pemberian alkali treatment pada fiber alami dapat menghilangkan sebagian kandungan-kandungan non selulosa seperti hemiselulosa, lignin, pectin, dan kotoran seperti lapisan lilin, debu, dan minyak alami (Gambar 2.5). Alkali treatment dapat mengikis permukaan fiber sehingga diameternya juga semakin berkurang. Pengikisan yang terjadi pada permukaan fiber tersebut dapat berakibat pada dua hal yaitu permukaan fiber menjadi lebih kasar (Gambar 2.6) sehingga meningkatkan kelekatan mekanis dan juga menyebabkan semakin banyaknya jumlah selulosa yang terekspos sehingga meningkatkan jumlah tempat yang memungkinkan untuk terjadinya reaksi adhesi antara fiber dan matriks (Hashim et al. , 2012).
Gambar 2.5. Struktur tipikal fiber alami (i) dan fiber alami yang diberi alkali treatment (ii)
Gambar 2.6. Permukaan fiber alami setelah diberi alkali treatment (Bachtiar et al. , 2010)
Walaupun demikian, dengan banyaknya variasi jenis fiber alami yang memiliki kandungan kimia yang berbeda-beda, ditemukan bahwa kondisi perlakuan yang diberikan, seperti konsentrasi NaOH, lama perendaman, dan temperatur perendaman juga harus disesuaikan kembali agar mendapatkan hasil yang optimal (Hashim et al. , 2012).
2.3. Sabut Kelapa
Pohon kelapa termasuk jenis Palmae yang berumah satu (monokotil).
Batang tanaman tumbuh lurus ke atas dan tidak bercabang. Ada kalanya pohon kelapa dapat bercabang, namun hal ini merupakan keadaan yang abnormal, misalnya akibat serangan hama tanaman (Warisno, 2003).
Tanaman kelapa tumbuh di daerah tropis, dapat dijumpai baik di dataran rendah maupun dataran tinggi. Pohon ini dapat tumbuh dan berbuah dengan baik di daerah dataran tinggi. Pohon ini dapat tumbuh dan berbuah dengan baik di daerah dataran rendah dengan ketinggian 0 - 450 m dari permukaan laut. Pada ketinggian 450-1000 m dari permukaan laut, walaupun pohon ini dapat tumbuh, waktu berbuahnya lebih lambat, produksinya lebih sedikit dan kadar minyaknya rendah (Amin, 2009).
Menurut Suhardiyono (1989), serabut kelapa adalah bahan berserat yang merupakan bagian terluar dari buah kelapa. Buah kelapa sendiri terdiri atas serabut 35%, tempurung 12%, daging buah 28%, dan air buah 25% (Gambar 2.7).
Adapun sabut kelapa (Gambar 2.8) terdiri atas 78% dinding sel dan 22,2%
rongga. Salah satu cara mendapatkan serat dari sabut kelapa yaitu dengan ekstrasi menggunakan mesin. Serat yang dapat diekstrasi diperoleh 40% serabut berbulu dan 60% serat matras. Dari 100 gram serabut yang diabstrasikan diperoleh sekam 70 bagian, serat matras 18 bagian, dan serat berbulu 12 bagian. Dari segi teknis sabut kelapa memiliki sifat-sifat yang menguntungkan, antara lain mempunyai panjang 15 - 30 cm, tahan terhadap serangan mikroorganisme, pelapukan dan pekerjaan mekanis (gosokan dan pukulan) dan lebih ringan dari serat lain.
Gambar 2.7. Bagian buah kelapa
Menurut Asassutjarita et al. (2007), serat sabut kelapa terdiri dari 16.8%
Hemiselulosa, 68.9% Selulosa dan 32.1% Lignin.
Gambar 2.8. Sabut kelapa
2.4. Air
Air adalah salah satu material penyusun beton yang penting yang berfungsi untuk memicu proses kimiawi beton, membasahi agregat, dan meningkatkan workability beton. Dalam penggunaannya, air yang dapat di minum dan tidak mengandung senyawa-senyawa kimia seperti minyak, garam, dan gula dapat dipakai untuk membuat beton yang baik. Pemakaian air untuk campuran beton menurut SK SNI 03-2847-2002, harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:
1. Air yang digunakan pada campuran beton harus bersih dan bebas dari bahan- bahan merusak yang mengandung oli, asam, alkali, garam, bahan organik, atau bahan-bahan lainnya yang merugikan terhadap beton atau tulangan.
2. Air pencampur yang digunakan pada beton prategang atau pada beton yang di dalamnya tertanam logam aluminium, termasuk air bebas yang terkandung dalam agregat, tidak boleh mengandung ion klorida dalam jumlah yang membahayakan.
3. Air yang tidak dapat diminum tidak boleh digunakan pada beton, kecuali ketentuan berikut terpenuhi:
a. Pemilihan proporsi campuran beton harus didasarkan pada campuran beton yang menggunakan air dari sumber yang sama.
b. Hasil pengujian pada umur 7 dan 28 hari pada kubus uji mortar yang dibuat dari adukan dengan air yang tidak dapat diminum harus mempunyai kekuatan sekurang-kurangnya sama dengan 90% dari kekuatan benda uji yang dibuat dengan air yang dapat diminum. Perbandingan uji kekuatan tersebut harus dilakukan pada adukan serupa, terkecuali pada air pencampur, yang dibuat dan diuji sesuai dengan “Metode uji kuat tekan untuk mortar semen hidrolis (Menggunakan spesimen kubus dengan ukuran sisi 50 mm)”
(ASTM C 109 ).
Jumlah air menentukan besar w/b ratio yang akan digunakan. Penelitian yang dilakukan menggunakan w/b ratio yang dijaga sebesar 0,20-0,34 untuk mendapatkan kuat tekan pada 28 hari sebesar 60-130 MPa (Rashid &
Mansur, 2009). Seperti yang sudah diteliti sebelumnya, semakin rendah w/c
ratio, maka kuat tekan beton cenderung meningkat namun tetap harus diperhatikan mengenai workability dari campuran beton tersebut (Rashid &
Mansur, 2009).
2.5. Agregat
Ada 2 macam agregat yang digunakan sebagai material penyusun beton yaitu agregat kasar dan agregat halus. Modulus kehalusan dari agregat kasar menurut SII berkisar antara 6,0 - 7,1. British Standard memberikan syarat bahwa gradasi agregat kasar yang baik adalah 10, 20, dan 40 mm. Untuk agregat halus, ukuran yang digunakan sebaiknya berkisar antara 150µm - 600µm.
Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi efek dari rongga yang ada di dalam agregat kasar yang menyebabkan berkurangnya kekuatan beton. Semakin kecil ukuran suatu agregat maka rongga di dalam beton tersebut akan semakin berkurang dan menambah kekuatan beton.
Pasir yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasir lumajang dengan fineness modulus 2.79. Tingkat kehalusan pasir atau fineness modulus (FM) juga harus diperhatikan. Pasir dengan FM dibawah 2.5 akan membuat campuran beton sulit mengeras, sedangkan pasir dengan FM 3.0 akan memberikan workability yang baik dan dapat meningkatkan kuat tekan pada beton (Russell et al. , 1997).
2.6. Sodium Hidroksida
Sodium hidroksida (NaOH), atau yang dikenal dengan natrium hidroksida atau soda kaustik, adalah basa kuat yang terbentuk dari oksida basa natrium oksida (Na2O) yang direaksikan dengan air. Sodium hidroksida akan membentuk larutan alkali yang kuat jika direaksikan dengan air. Sodium hidroksida murni berbentuk putih padat dan tersedia dalam bentuk kepingan (Gambar 2.9). Sodium hidroksida bersifat lembab cair dan secara spontan menyerap karbon dioksida dari udara bebas. Sodium hidroksida sangat larut dalam air dan akan melepaskan panas ketika dilarutkan.
Penggunaan Sodium Hidroksida dalam penelitian kali ini bertujuan untuk mengubah permukaan fiber menjadi kasar, sehingga meningkatkan kelekatan mekanis dan juga menyebabkan semakin banyaknya jumlah selulosa yang
terekspos. Hal ini dapat meningkatkan jumlah tempat yang memungkinkan untuk terjadinya reaksi adhesi yang berguna untuk meningkatkan kelekatan antara fiber dan matriks (Hashim et al. , 2012).
Gambar 2.9. Kepingan sodium hidroksida
Alkalisasi pada serat alami adalah metode yang telah digunakan untuk menghasilkan serat berkualitas tinggi. Alkalisasi pada serat merupakan metode perendaman serat ke basa alkali.
Serat - OH + NaOH → Serat – O- Na + H2O
Alkaline treatment atau mercerization adalah perlakuan kimia yang paling sering digunakan untuk serat alami. Tujuan dari alkalisasi yang paling penting disini adalah mengacaukan ikatan hydrogen di stuktur serat, sehingga menambah kekasaran serat tersebut (Gambar 2.10).
Proses alkalisasi menghilangkan komponen penyusun serat yang kurang efektif dalam menentukan kekuatan antar muka yaitu hemiselulosa, lignin atau pektin. Dengan berkurangnya hemiselulosa, lignin atau pektin, wettability serat oleh matriks akan semakin baik, sehingga kekuatan antarmuka pun akan meningkat. Selain itu, pengurangan hemiselulosa, lignin atau pektin, akan meningkatkan kekasaran permukaan yang menghasilkan mechanical interlocking yang baik (Maryanti et al. , 2011).
Gambar 2.10. Sabut kelapa (a)sebelum alkalisasi (b)sesudah alkalisasi
2.7. Fly Ash
Fly ash merupakan bahan sisa buangan yang memiliki bentuk butiran yang bulat yang berasal dari pembakaran batu bara yang biasanya digunakan pada pembangkit listrik tenaga uap. Saat suhu pembakaran mencapai 1250ºC sampai 1600ºC, material-material yang tahan terhadap api akan bergabung membentuk butiran-butiran berbentuk bola seperti kaca dengan komposisi silika (SiO2), alumina (Al2O3), iron oxide (Fe2O3), dan unsur-unsur minor lainnya. Penggunaan fly ash dalam penelitian ini dimaksudkan untuk mengurangi jumlah semen, karena selain lebih ekonomis, di dalam semen terkandung unsur CaO yang jauh lebih banyak dibandingkan yang terkandung di dalam fly ash (Tabel 2.1). Kandungan CaO yang banyak dapat mengakibatkan fiber alami menjadi lebih cepat rusak (Torgal & Jalali, 2009) sehingga dalam jangka waktu lama pengaruh dari fiber tersebut akan menghilang atau justru dapat mengurangi kekuatan beton itu sendiri.
Gambar 2.11. Hasil SEM pada butiran fly ash
Tabel 2.1. Kandungan kimia semen dan fly ash (Arunachalam &
Vigneshwari, 2011)
Seperti silica fume, fly ash juga memiliki kemampuan pozzolan untuk bereaksi dengan kapur bebas yang dilepaskan oleh semen pada waktu proses hidrasi yang kemudian membentuk senyawa hydrated calcium silicate (CSH) di mana senyawa ini bersifat mengikat yang akan membangun kekuatan. Sisa kapur bebas yang tidak bereaksi dengan fly ash akan berguna untuk mengisi rongga-rongga yang ada. Penggunaan fly ash pada campuran beton dapat meningkatkan workability, mencegah segregasi, bleeding, heat evolution, permeabilitas, dan meningkatkan ketahanan terhadap sulfat (Arunachalam & Vigneshwari, 2011).
