MODEL TEST PERBAIKAN TANAH DENGAN METODE INJEKSI ELEKTROKIMIA
Arief Rachmansyah1, dan Yulfi Zaika21
Staf Pengajar Jurusan T Sipil FT Univ. Brawijaya, Jl. Mayjen Haryono 167 Malang, E-mail ariefftub@ yahoo.com
2
Staf Pengajar Jurusan T Sipil FT Univ. Brawijaya, Jl. Mayjen Haryono 167 Malang, E-mail cicizaika@ yahoo.com
ABSTRAK
Longsoran pada lereng asli atau timbunan tanah, baik dalam skala kecil maupun besar, adalah salah satu jenis bencana kebumian dan problem geoteknik yang sering dijumpai di Indonesia. Upaya penanggulangan longsoran umumnya dilakukan setelah kejadian. Tujuan penelitian yang telah dilakukan adalah mencari metode preventif perbaikan tanah pada zona yang berpotensi longsor. Penelitian dilakukan di laboratorium dengan skala percontohan berdasarkan fenomena elektrokinetik. Pada percobaan ini digunakan tanah lempung kaolin, dan CaCl2 dan Ca(OH)2 sebagai larutan yang diinjeksikan. Untuk mengetahui keberhasilan metode ini dilakukan dengan membandingkan sifat mekanis tanah sebelum dan sesudah diberi perlakuan. Beberapa kesimpulan yang dapat ditarik dari percobaan antara lain:
• Injeksi elektrokimia dengan larutan CaCl2 dan Ca(OH)2 dapat meningkatkan kuat geser tanah lempung kaolin
• Peningkatan kuat geser setelah injeksi elektrokimia dengan CaCl2 lebih tinggi dibandingkan dengan Ca(OH)2
• Anoda untuk injeksi larutan CaCl2 lebih cepat korosif dibandingkan dengan untuk injeksi larutan Ca(OH)2
Kata kunci: injeksi elektrokimia, kaolin, sifat mekanis tanah
SOIL IMPROVEMENT BY ELECTROCHEMICAL INJECTION METHODE,
A LABORATORY TEST MODEL
ABSTRACT
Small or big scale of landslide on natural slope or embankment is one of the geohazard and geotechnical problems that take place frequently in Indonesia. Rehabilitation of landslide zone is usually executed after happening. The aim of research is to explore the preventive method of soil improvement on potential landslide zone. Laboratory experiments have been carried out in pilot scale and based on electrokinetics phenomena. In the model test was used Kaolinite clay soil, and CaCl2 and Ca(OH)2 as injected chemical solution. The successful of this method can be seen by comparing of mechanical properties of soil before and after test.
1.
PENDAHULUAN
Longsoran adalah salah satu jenis bencana yang sering dijumpai di Indonesia, baik skala kecil maupun besar. Kasus keruntuhan timbunan tanah (embankment) baik untuk keperluan jalan kereta maupun bendungan juga sering dijumpai. Contoh kasus terakhir adalah keruntuhan timbunan tanah Situ Gintung di Tangerang. Keruntuhan timbunan tanah untuk jalan kereta terjadi pada jalan kereta jalur selatan di Jawa Barat (Kompas, 26 Febuari 2009). Permasalahan penurunan pondasi akibat perubahan muka air dan konsolidasi tanah di Indonesia juga telah dijumpai di kota besar, seperti di Jakarta (Kompas, 5 Maret 2009). Permasalahan ini diperkirakan akan meningkat di masa mendatang sebagai akibat perubahan iklim, sehingga diperlukan metode perbaikan yang murah dan mudah.
Upaya penanggulangan longsoran biasanya dilakukan setelah terjadi, meskipun gejala longsoran dapat diketahui sebelum kejadian. Longsoran mudah terjadi pada tanah kohesif atau berbutir halus, dan pada saat jenuh air, karena pada saat itu nilai kuat geser dan kohesinya terendah. Upaya pencegahan logsoran dapat dilakukan dengan membangun dinding penahan atau dengan geotekstil, namun metode ini masih dianggap terlalu mahal. Untuk itu perlu dicari metode lain yang mudah dilakukan dan berbiaya rendah.
Tujuan utama penelitian ini adalah mencari alternatif perbaikan tanah pada lereng asli atau timbunan tanah yang berpotensi longsor. Tujuan mendasar dari penelitian ini adalah memperbaiki sifat tanah kohesif, terutama meningkatkan kuat geser tanah (soil strength) di tempat (in situ). Karena tanah kohesif mempunyai permeabilitas sangat rendah, maka penggunaan alat grouting bertekanan tinggi diperkirakan dapat mengganggu stabilitas lereng atau tidak mungkin dilakukan. Untuk itu perlu dicari metode untuk menginjeksikan larutan semen atau bahan lain yang dapat berfungsi sebagai pengikat atau pelapis mineral lempung agar kemampuan menyerap airnya menurun. Manfaat dari penelitian ini adalah tersedianya metode dan teknologi perbaikan tanah berbutir halus yang dapat dilakukan di tempat (insitu) dan berbiaya murah.
Fenomena elektrokinetik yang menjelaskan hubungan antara aliran air dengan aliran listrik pertama kali ditemukan oleh Reuss tahun 1809. Dalam bidang geoteknik fenomena ini pertama kali dimanfaatkan oleh Casagrande tahun 1952 untuk menurunkan kandungan air (dewatering) pada tanah berbutir halus, sehingga kuat gesernya meningkat. Sejak itu metode ini cukup luas digunakan di beberapa negara Eropa daratan untuk perbaikan tanah berbutir halus. Pada dekade 1980an fenomena ini diaplikasikan dalam grouting elektrokimia untuk perbaikan timbunan tanah (embankment) untuk keperluan transportasi tanpa harus merusak bangunan dan menggangu kegiatan yang berlangsung di atasnya. Metode ini juga telah dimanfaatkan oleh beberapa ahli geoteknik di Jerman untuk memperbaiki tanah di bawah pondasi akibat penurunan air tanah atau proses pelarutan. Saat ini fenomena elektrokinetik dimanfaatkan oleh beberapa ahli untuk melakukan pencucuian (remediasi) tanah dan air tanah yang tercemar logam berat.
2. TEORI ELEKTROKINETIK DAN APLIKASINYA DI BIDANG GEOTEKNIK
Keberadaan fenomena elektrokinetik, transport air, partikel bermuatan dan ion bebas melalui tanah berbutir halus sebagai akibat beda potensial pertama kali diamati secara lengkap oleh Reuss pada tahun 1809. Hubungan antara aliran listrik dan air, juga gradiennya pada material berbutir halus dikenal dengan fenomena elektrokinetik. Fenomena ini menjelaskan, bahwa partikel yang bermuatan listrik dapat setimbangan akibat gerakan muatan listrik yang berlawanan. Fenomena elektrokinetik pada campuran air – dan tanah dapat dibedakan atas 4 macam, yakni: .
• Electroosmosis, pergerakan air melalui matrik padatan di bawah medan listrik • Electrophoresis, pergerakan partikel suspensi melalui air pada medan listrik
• Streaming potential, medan listrik kecil dapat disebabkan oleh pergerakan air melalui matrik tanah • Sedimentation or migration potential, medan listrik kecil disebabkan oleh pergerakan (sedimentasi)
partikel padat melalui air, atau pergerakan kation dan anion pada medan listrik
Electrical Gradient Induces Water ∆Ε Anode Saturate d Clay Catho H2O
Electrical Gradient Induces Particle ∆Ε Anode Clay Suspensio Catho Particle Movement Generates Electrical ∆
Water Flow Induces Potensial Gradient
Saturate
d Clay H2O
Dari semua fenomena tersebut, elektroosmosis dan elektrophoresis merupakan fenomena yang paling sesuai untuk aplikasi secara komersial dalam bidang Geoengineering dan Geoenvironmental. Elektroosmosis umumnya terjadi pada tanah, sedangkan elektrophoresis lebih mengarah pada limbah dan koloid. Batas antara kedua proses bersifat gradasi dan dapat dikaitkan dengan batas Atterberg (Mitchell, 1992).
Kandungan air pada tanah berbutir halus merupakan sifat fisik yang penting, karena sangat berpengaruh terhadap kekuatan material (Rachmansyah, 2006). Ketidakstabilan timbunan tanah dan lereng merupakan masalah yang sering dihadapi oleh jawatan pengelola jalan raya atau kereta api. Di banyak kasus ketidakstabilan tersebut disebabkan secara langsung oleh drainase air yang tidak tuntas selama konstruksi. Pengontrolan air pada tanah berbutir halus, seperti lempung, menjadi tujuan utama, tetapi masalah yang melekat adalah rendahnya permeabilitas hidraulik dari tanah tersebut.
Pada tahun 1952 Casagrande pertama kali mendemonstrasikan penerapan elektrokinetik untuk meningkatkan tegangan efektif pada tanah berbutir halus yang berkadar kadar air tinggi dengan cara menghasilkan tekanan air pori negatif. Dia memanfaatkan peningkatan kuat geser tersebut untuk menstabilisasi timbunan tanah untuk jalan kereta api. Sejak saat itu, penerapan elektrokinetik secara luas digunakan untuk menyelesaikan berbagai permasalahan geoteknik.
Di beberapa negara seperti Jerman, Ceko dan Inggris jawatan kereta api juga sering menghadapi permasalahan ini di jaringan jalan kereta mereka. Perbaikan tanah dengan meotode elektroknetik (dewatering dan elctrochemical
grouting) merupakan inovasi untuk menyelesaikan permasalahan yang endemik tersebut dengan cepat dan tanpa menggangu operasi kereta (Draganov, 1988). Perbaikan tanah dengan metode injeksi elektrokimia juga dilakukan untuk perkuatan tanah di bawah pondasi bangunan yang mengalami keruntuhan akibat dimakan usia atau permasalahan lingkungan seperti penurunan muka air tanah. Seperti halnya perbaikan timbunan tanah, aplikasi metode ini dilakukan dengan menginjeksikan larutan yang berfungsi sebagai semen dan mengisi air pori yang hilang. Setelah pelaksanaan stabilisasi tanah dengan metode elektrokinetik sisa lubang bor diisi dengan larutan semen biasa (Azzam, 1997).
Dalam dua dekade terakhir metode ini mulai dikaji lagi untuk membersihkan tanah tercemar oleh logam berat maupun bahan organik. Selama penerapan metode ini kendala utama yang dihadapi adalah proses korosi yang terjadi pada anoda. Beberapa upaya untuk menyempurnakan pelaksanaan metode ini telah dilakukan oleh bebeapa peneiliti, baik dari segi operasi maupun peralatan.
Injeksi Elektrokimia adalah metode penginjeksian larutan kimia yang dapat terpolarisasi sebagai akibat beda potensial, atau arus listrik pada material berbutir halus. Pada proses dewatering fenomena elektroosmosis dimanfaatkan untuk menguras air pori maupun yang menempel pada permukaan mineral lempung, sedangkan pada injeksi elektrokimia fenomena tersebut dimanfaatkan untuk mengalirkan cairan yang dapat berfungsi sebagai perekat (semen), dan selubung mineral lempung agar tidak menyerap air (Gambar 2).
Gambar 2. Model peran larutan yang diinjeksi secara elektroosmosis
Partikel tanah Sebelum injeksi Setelah injeksi semen air pori kation Air terhidrasi Partikel tanah
3.
METODOLOGI dan RANCANGAN PERCOBAAN
Pada penelitian ini digunakan lempung kaolin sebagai material tanah. Sebelum percobaan dilakukan penyelidikan
index properties / sifat fisik dan pemadatan. Jenis uji sifat-sifat fisik tanah dan metodenya disajikan pada tabel 1. Tebel 1: Metode pengujian sifat fisik tanah
No Jenis Pengujian Kode SNI
1 Kadar Air Tanah 03-1965-1990
2 Berat Jenis Butiran Tanah 03-1964-1990
3 Batas Cair dengan Alat Casagrande 03-1967-1990
4 Batas Plastis Tanah 03-1966-1990
5 Kepadatan Tanah Maksimum dengan Kadar Air Optimum 03-2832-1992
6 Permeabilitas tanah di laboratorium 03-2435-1991
Model fisik percobaan laboratorium skala percontohan disajikan pada gambar 3. Tanah lempung kaolin yang sudah dibasahi dengan kadar air sesuai dengan kadar air optimum (OMC) dimasukkan ke dalam kotak plexiglas berbentuk kubus terbuka berukuran 50 x 50 x 30 cm. Tanah dimasukkan secara bertahap dan diratakan secara manual dengan tabung kayu, hingga mencapai volume 50 x 50 x 20 cm. Setelah itu katoda yang dibuat dari pipa tembaga ditanamkan ke dalam tanah membentuk bidang bujur sangkar, sedangkan anoda diletakkan di titik pusat bujur sangkar. Larutan kimia yang digunakan sebagai semen (Ca(OH)2 2,8% dan CaCl2 20%) dialirkan ke anoda,
kemudian kedua elektroda diberi aliran listrik searah dengan beda potensial 1 V/cm. Injeksi elektrokimia dilakukan selama lima hari (Gambar 4).
Gambar 3: Model test injeksi elektrokimia di laboratorium dengan skala percontohan
Selama percobaan jumlah larutan yang dapat dialirkan dan beda potensial antar dua elektroda diukur setiap jam. Setelah lima hari percobaan aliran larutan semen yang menuju anoda dimatikan, sedangkan aliran listrik tetap dihidupkan agar proses dewatering dapat berlangsung. Hal ini dilakukan bertujuan agar kadar air sebelum dan sesudah perlakuan injeksi elektrokimia hampir sama. Air yang mengalir ke katode juga diambil setiap jam dan dicatat volumenya.
Adaptor
Pembangkit
Listrik AC
Tanah Kohesif Larutan semen ElektrodaGambar 4: Rangkaian percobaan pendahuluan.
Pengambilan sampel untuk uji sifat mekanis dilakukan sebelum dan sesudah injeksi elektrokimia dilakukan. Uji sifat mekanis tanah yang dilakukan meliputi uji kuat tekan bebas dan uji triaxial tidak terkonsolidasi dan tanpa drainase (unconfined dan undrained). Metode pengujiannya mengikuti SNI yang berlaku (Tabel 2). Titik pengambilan sampel untuk uji sifat mekanis dapat dilihat pada gambar 5. Analisis dilakukan dengan membandingkan komponen kuat geser tanah lempung kaolin, sebelum dan sesudah injeksi elektrokimia dilakukan. Secara garis besar rangkaian penelitian disajikan pada gamber 6.
Tabel 2: Metode pengujian sifat mekanis tanah
No Jenis Pengujian Kode SNI
1 Kuat Tekan Bebas Tanah Kohesif 03-36381994
2 Triaxial untuk tanah kohesif dalam keadaan tanpa konsolidasi dan tanpa drainase 03-4813-1998
Gambar 5. Posisi elektroda dan pengambilan sampel untuk uji sifat mekanis tanah 50 cm
50 cm
Anoda Katoda
Sampling untuk uji sifat mekanis sebelum injeksi
Gambar 6: Bagan alir tahapan penelitian
4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Sifat-sifat Fisik Tanah KaolinDari hasil dua kali pengukuran diperoleh rata-rata berat jenis butiran tanah kaolin sebesar 2,605. Dari pengujian didapatkan angka batas cair (liquid limits / LL) sebesar 54,14% dan batas plastis (plastic limits / PL) sebesar 38,40%, sedangkan harga Index Plastisitas sebesar 15,74%. Dari angka-angka tersebut contoh tanah yang digunakan model test dalam klasifikasi USCS termasuk CH (high platicity clay).
Uji kepadatan untuk menentukan kadar air optimum umumnya digunakan dalam perencanaan pemadatan tanah timbunan, baik untuk pembangunan jalan maupun lainnya. Dalam penelitian ini uji kepadatan diperlukan untuk menentukan kadar air pembasahan tanah kaolin sebelum dilakukan injeksi elektrokimia. Dari uji tersebut kadar air optimum (OMC) untuk mencapai kepadatan maksium adalah 34,7%, sedangkan harga kepadatan atau berat volume kering maksium sebesar 1,284 gr/cm3.
Sifat –sifat Mekanis Tanah Sebelum dan Sesudah Perbaikan
Untuk uji kuat tekan bebas contoh tanah diambil dari bak model test sebelum dilakukan injeksi elektrokimia dengan tabung. Pembasahan disesuaikan hasil uji pemadatan, namun tidak dilakukan pemadatan. Hasil uji kuat tekan bebas (qu) contoh tanah sebesar 0,1082 kg/cm2.
Pengambilan contoh tanah untuk uji triaxial sama dengan untuk uji kuat tekan bebas, hanya saja untuk uji ini paling sedikit dibutuhkan minimum 3 sample. Hasil uji triaxial menunjukkan, bahwa harga kohesi (c) sebesar 0,0271 dan sudut geser dalam (Φ) sebesar 2,3975o.
Selama percobaan terdapat beberapa kendala, seperti pemadaman listrik oleh PLN, kesulitan pengambilan sample tanah untuk uji sifat mekanis tanah, baik sebelum maupun setelah injeksi elektrokimia, dan pemadatan yang perlu dilakukan agar tidak mempengaruhi hasil percobaan.
Mulai
Kajian Pustaka
Penelitian Pendahuluan
Pembuatan Peralatan
Model Test
Pelaksanaan Model
Test (percobaan)
Uji Sifat Mekanis Tanah
• Kuat tekan bebas
• Triaxial
Uji sifat fisik tanah
• Berat jenis
• Batas Atterberg
• Pemadatan
Uji Sifat Mekanis
• Kuat tekan bebas
• Triaxial
Hasil
Tabel 4. Injeksi Larutan CaCl2 20%
Pengujian Parameter Sebelum Injeksi Parameter Setelah Injeksi
w (%) c qu Kuat Geser w (%) c qu Kuat Geser Unconfined Test 34,2200 0,0541 0,1082 39,4359 0,1453 0,2907 w (%) c Ф Kuat Geser w (%) c Ф Kuat Geser Triaxial Test 34,2200 0,0271 2,3975 0,0689 38,0560 0,0255 4,7490 0,1086 Tabel 5. Injeksi Larutan Ca(OH)2 2,80%
Pengujian Parameter Sebelum Injeksi Parameter Setelah Injeksi
w (%) c qu Kuat Geser w (%) c qu Kuat Geser Unconfined Test / 34,2200 0,0541 0,1082 47,3733 0,0642 0,1284 w (%) c Ф Kuat Geser w (%) c Ф Kuat Geser Triaxial Test 34,2200 0,0271 2,3975 0,0689 48,7916 0,0697 1,5581 0,09687
Diskusi
Dari percobaan pendahuluan injeksi elektrokimia selama tujuh hari yang telah dilakukan beberapa hal dapat diamati antara lain:
• Jumlah larutan semen Ca(OH)2 yang dapat diinjeksikan lebih banyak dibandingkan CaCl2. Hal ini
berakibat pada akhir percobaan kandungan air tanah pada bak dengan semen Ca(OH)2 lebih tinggi,
meskipun sudah dilakukan dewatering. Selanjutnya hal ini menyebabkan peningkatan kuat gesernya rendah.
• Elektroda positif (anoda) untuk mengalirkan larutan semen CaCl2 lebih cepat korosif dibandingkan larutan
Ca(OH)2. Hal ini kemungkinan disebabkan terjadi pembentukan garam di sekitar anoda sebagaimana
ditunjukkan oleh pembentukan oksida tembaga yang berwarna hijau di sekitar elektroda.
• Selama percobaan beda potensial tidak mengalami perubahan, sedangkan arus berubah-ubah, terutama pada larutan semen CaCl2. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh proses korosif yang terjadi pada anoda.
4.
KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan yang dapat ditarik dari percobaan yang telah dilakukan antara lain:
• Injeksi elektrokimia dengan larutan CaCl2 dan Ca(OH)2 dapat meningkatkan kuat geser tanah lempung
kaolin
• Peningkatan kuat geser setelah injeksi elektrokimia dengan CaCl2 lebih tinggi dibandingkan dengan
Ca(OH)2. Hal ini kemungkinan disebabkan masih tingginya kandungan air pada contoh tanah kedua.
• Anoda untuk injeksi larutan CaCl2 lebih cepat korosif dibandingkan dengan untuk injeksi larutan Ca(OH)2
• Pelaksanaan model test perlu beberapa perbaikan, terutama proses dewatering pada tanah setelah diinjeksi elektrokimia, karena kandungan air tanah pada lempung sangat menentukan sifat mekanisnya.
5. UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini dibiayai dari dana Hibah Penelitian Kompetitif Sesuai Prioritas Nasional Batch 1 Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi Kementrian Pendidikan Nasional tahun anggaran 2009. Beribu terima kasih dihaturkan kepada Dr. Ing. Rini Nurhasanah yang bersusah payah menyiapkan sistem pembangkit, dan Ir. Bambang Poerwadi, MS yang mempersiapkan larutan kimia untuk pekerjaan ini. Ucapan terima kasih juga disampaikan ke mahasiswa Jurusan Sipil FT UB yang terlibat dalam penelitian ini, dan atas jerih payahnya semua penelitian ini dapat berlangsung. Ucapan terima kasih juga disampaikan pada sejawat kelompok Geoteknik FT UB yang memberikan saran perbaikan atas paper ini.
6. PUSTAKA
Azzam, R, Tondera, D, und Hoepner, S. (1997). Elektrochmeische Bodenverfestigung des Baugrunds der St.
Nikolauskirche in Welbeck Geldern, Geotechnik Vol. 20 Nr. 3, p. 203 – 214.Deutschen Geselschaft fuer Geotechnik.
Draganov, L., et. all. (1988). Erfolgreiche elektrochemische Verfestigung von Boden im Gleisbett von
Eisenbahnlinien, in Freiberger Forschunghefte, Spezialverfahren im Bergbau und Bauwessen, A 771. . Hartlen, J. & Viberg, L., (1998), General Report : Evaluation of Landslide Hazard, in Proceeding of International
Association of Engineering Geologist Annual Meeting, Athens
Mitchell, J K., (1993). Fundamental of Soil Behavior, 2nd edition, John Willey Scientific, Toronto
Rachmasyah, A., (2002). Soil Improvement with Elektroosmosis Method, Research Report, Toray Foundation,
Unpublished
Rachmansyah, A. (2006). Pengaruh Kadar Air pada Saat Pemadatan terhadap Kuat Geser Tanah Lempung Kaolin,
Jurnal Teknik Edisi Agustus 2006
Sachan, A & Penumadu, D. (2007). Effect of Microfabric on Shear Behavior of Kaolin Clay, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Vol. 133 No.3 ,p. 306 – 318, ASCE
