1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Lempung ekspansif adalah jenis lempung yang memiliki potensi pengembangan dan penyusutan yang sangat besar akibat pengaruh perubahan kadar air. Potensi pengembangan dan penyusutan pada jenis lempung ekspansif sering menyebabkan kerusakan pada struktur bangunan dan jalan, seperti jalan bergelombang, lantai rumah retak dan terangkat dan lain sebagainya. Kerusakan rumah dan infrastruktur akibat sifat kembang dan susut lempung ekspansif mengakibatkan jumlah kerugian yang sangat besar (Jones dan Holtz, 1973). Pada tahun 1980, jumlah kerugian terhadap rumah tempat tinggal dan infrastruktur di Amerika yang rusak disebabkan oleh lempung ekspansif mencapai 7 milyar dollar Amerika (Wray dan Meyer, 2004).
( a ) ( b )
Gambar 1.1 Beberapa kerusakan yang diakibatkan oleh sifat kembang dan susut lempung ekspansif, (a). retak pada lantai, (b). jalan bergelombang. Lempung ekspansif tersebar di hampir semua tempat dan daerah, seperti di Amerika, Australia, Canada, India, Israel, Meksiko, Venezuela, Afrika Selatan, Spanyol dan lain sebagainya (Chen, 1975). Di Indonesia, sebaran lempung ekspansif diketahui mulai dari pulau Sumatera sampai dengan pulau Irian. Di
2 pulau Jawa khususnya, lempung ekspansif diketahui tersebar di Jawa Barat (Cikampek, Jatibarang dan Karang Ngampel), Jawa Tengah (Kudus, Demak, Godong, Purwodadi, Boyolali, Klaten, Wirosari dan Cepu), Yogyakarta (Wates), Jawa Timur (Bojonegoro, Babat, Lamongan, Gresik, Ngawi dan Caruban) (PdT-10-2005-B, 2005). Walaupun sampai saat ini jumlah kerugian akibat kerusakan rumah dan infrastruktur yang disebabkan oleh sifat kembang dan susut lempung ekspansif belum tercatat lebih khusus, namun dari hasil survey dan penelitian yang dilakukan oleh Pusat Penelitian dan Pengembangan Jalan Departemen Pekerjaan Umum dan pihak Bina Marga, dilaporkan bahwa kerusakan di beberapa ruas jalan di pulau Jawa, banyak yang disebabkan oleh sifat kembang dan susut lempung ekspansif (Mochtar, 1994).
Hasil penelitian terhadap lempung ekspansif menunjukkan bahwa sifat kembang dan susut lempung ini dipengaruhi oleh kombinasi susunan senyawa utama dan adanya kation tertentu yang memiliki kemampuan mengikat air relatif lebih banyak dibandingkan dengan kation lain.
Permasalahan sifat kembang dan susut lempung ekspansif diatasi dengan cara pergantian material tanah, manajemen air (drainase), penggunaan membran dan usaha stabilisasi. Stabilisasi lempung ekspansif dilakukan dengan menggunakan bahan stabilisasi (stabilisator). Bahan stabilisator yang biasanya digunakan dalam proses stabilisasi mulai dari yang umum digunakan berupa semen, kapur dan abu terbang, sampai dengan menggunakan bahan kimia seperti amonium klorida, enzim, polimer, asam sulfat dan kalium. Salah satu bahan stabilisasi yang sering digunakan untuk proses stabilisasi lempung ekspansif adalah kapur. Beberapa kelebihan kapur sebagai bahan stabilisasi seperti mengurangi plastisitas tanah, mempermudah pengerjaan atau pelaksanaan, mampu meningkatkan daya dukung tanah, reaksi kimia yang lebih lama, adalah beberapa faktor pertimbangan dalam memilih kapur sebagai bahan stabilisasi tanah ekspansif.
Penelitian ini merupakan bagian dari rangkaian penelitian fundamental pengembangan model stabilisasi tanah lempung ekspansif dengan proses elektrokinetik. Rencana proyeksi di masa depan, proses elektrokinetik dapat
3 digunakan sebagai alternatif model stabilisasi tanah lempung ekspansif yang efektif, mudah digunakan, ekonomis dan tidak dibatasi oleh jarak dan kedalaman tanah lempung ekspansif. Sebagai alternatif model stabilisasi tanah lempung ekspansif, proses elektrokinetik perlu diteliti dan dikembangkan dalam hal: kemampuan dan perilaku penyebaran larutan kapur di tanah lempung, pengaruh proses elektrokinetik terhadap sifat fisik dan mekanis tanah lempung, serta efektifitas tegangan listrik dan waktu pada proses elektrokinetik.
1.2 Rumusan dan Batasan Masalah
1.2.1 Rumusan masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana proses elektrokinetik dapat menstabilkan lempung ekspansif. Untuk menjawab rumusan masalah, maka pengembangan model stabilisasi tanah lempung ekspansif dengan proses elektrokinetik memerlukan pengetahuan dalam hal:
1. Model sistem elektrokinetik yang dapat digunakan sebagai alat stabilisasi tanah lempung ekspansif.
2. Kemampuan listrik dalam menembus keliatan lapisan tanah lempung serta kemampuan listrik membawa kapur dalam bentuk ion Ca2+ dan menyebarkannya di tanah lempung.
3. Hubungan tegangan listrik terhadap perubahan konsentrasi ion Ca2+, perubahan sifat fisik dan sifat mekanis tanah lempung.
4. Pengaruh proses elektrokinetik terhadap perubahan jenis mineral dan morfologi tanah lempung akibat proses elektrokinetik.
5. Fenomena-fenomena yang terjadi selama proses elektrokinetik yang menyebabkan terjadinya pergerakan dan penyebaran kapur serta perubahan sifat fisik dan sifat mekanis tanah lempung.
Penelitian ini dikhususkan pada tahap pengembangan (penelitian fundamental) proses elektrokinetik, yang meliputi: pemantapan pengetahuan dasar konsep elektrokinetik, dasar pengembangan instrumentasi elektrokinetik, perilaku pergerakan listrik dan distribusi larutan kapur dan ion-ion lainnya, perubahan indeks propertis dan mekanis lempung, perubahan jenis mineral dan morfologi
4 molekul lempung, serta fenomena pergerakan ion dan reaksi kimia selama proses elektrokinetik berlangsung. Hasil yang dicapai pada tahap pengembangan ini diharapkan dapat menjadi informasi dasar dan penting untuk tahap selanjutnya, seperti pembuatan purwarupa alat stabilisasi, sistem kelistrikan dan lain sebagainya.
Gambar 1.2 Roadmap penelitian
1.2.2 Batasan masalah
Ruang lingkup permasalahan penelitian proses elektrokinetik sangat luas dan banyak, sehingga memerlukan batasan masalah agar penelitian dapat dilakukan. Pertimbangan kemudahan pelaksanaan dan penerapan hasil akhir penelitian pada usaha stabilisasi tanah ekspansif di lapangan, merupakan salah satu dasar dalam menentukan batasan masalah dalam penelitian ini. Batasan masalah yang ditetapkan pada penelitian ini adalah:
TAHAP PENGEMBANGAN 1. Pengetahuan sistem elektrokinetik pada
lempung.
2. Skematik pemasangan alat.
3. Perilaku pergerakan listrik, dan distribusi ion pada lempung.
4. Pengaruh elektrokinetik terhadap indeks propertis dan sifat mekanis lempung (potensi pengembangan tanah)
5. Uji mineral dan morfologi lempung, 6. Uji durabilitas bahan stabilisator (uji
pelendian).
TAHAP DESAIN dan MODIFIKASI 1. Purwarupa alat elektrokinetik. 2. Sistem kelistrikan.
3. Durabilitas alat. 4. Efisiensi alat.
TAHAP UJI DILAPANGAN 1. Pengujian dilapangan
2. Model dan pemasangan sistem kelistrikan.
TAHAP FINALISASI Manufaktur alat stabilisasi
dengan proses elektrokinetik
5 1. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimental di laboratorium dengan
menggunakan tanah lempung ekspansif.
2. Tegangan listrik yang digunakan adalah listrik searah (DC), dengan variasi penggunaan tegangan listrik dibatasi sampai dengan 25 Volt dan 2 Ampere, dengan pertimbangan keselamatan pada saat pelaksanaan.
3. Jenis contoh tanah yang digunakan dalam penelitian ini adalah 3 jenis lempung ekspansif asli yang berbeda lokasi di Jawa Tengah dan sekitarnya, yaitu: Purwodadi, Klaten dan Boyolali yang memiliki klasifikasi tanah serta jenis mineral dan kimia tanah yang mirip atau hampir sama. Diharapkan hasil pengamatan dan pengujian pada penelitian ini dapat menjadi gambaran perilaku penyebaran larutan kapur dengan proses elektrokinetik pada stabilisasi lempung ekspansif lainnya.
4. Elektroda yang digunakan adalah tembaga (Cu) dengan ukuran sesuai dengan lebar dan tebal contoh tanah yang terdapat pada kotak pengujian.
5. Bahan stabilisator yang digunakan adalah kapur.
1.3 Keaslian Penelitian
Teori dasar proses elektrokinetik pada tanah dikemukakan oleh Casagrande (1932), namun mulai dikembangkan dengan pengujian skala
laboratorium oleh O’Bannon (1976) dengan menggunakan potasium sebagai
bahan stabilisator (Petry dan Little, 2002). Beberapa penelitian yang telah dilakukan dengan menggunakan kapur sebagai bahan stabilisator dan proses elektrokinetik dalam kegiatan stabilisasi lempung ekspansif dan gambut adalah: 1. Penelitian stabilisasi lempung ekspansif dengan menggunakan kapur terhadap
sifat mengembang, konsolidasi dan kuat geser (Phanikumar, 2009).
2. Penelitian dan pengamatan proses perubahan sifat properties (fisik) dari lempung akibat proses listrik-kimia yang dihasilkan oleh proses elektrokinetik (Gray dan Schlocker, 1969).
3. Penelitian proses percepatan stabilisasi dan konsolidasi pada tanah lunak yang akan digunakan sebagai landasan pesawat terbang dengan menggunakan proses elektrokinetik (Morefield, dkk., 2004).
6 4. Penelitian perubahan tekanan osmotik dan tekanan air pori pada tanah yang tercemar limbah logam industri dengan menggunakan proses elektrokinetik (Han, dkk., 2004).
5. Penelitian proses penjernihan tanah yang tercemar logam berat Cr (VI), dengan menggunakan proses elektrokinetik (Pamukcu, dkk., 2004).
6. Penelitian dan pengamatan proses peningkatan kekuatan tanah lunak dengan menggunakan metode depolarisasi dengan penggunakan proses elektrokinetik (Asavadorndeja dan Glawe, 2005).
7. Penelitian perubahan tekanan osmotik, perpindahan kation dan perubahan nilai keasaman (pH) larutan elektrolit selama proses elektrokinetik berlangsung pada tanah sedimen (Ahmad, dkk., 2006).
8. Penelitian tahanan listrik serta sensitivitas perubahan kimia-fisik pada tanah jenis gambut dengan menggunakan proses elektrokinetik (Asadi dan Huat, 2009).
9. Penelitian proses penjernihan tanah yang tercemar logam berat kadmium (Cd) dengan menggunakan ion besi bervalensi 0 (nol) sebagai bahan katalisator dengan menggunakan proses elektrokinetik (Rawat, 2010).
Beberapa kesamaan penelitian ini dengan penelitian yang pernah dilakukan adalah:
1. penggunaan larutan kapur sebagai bahan stabilisator.
2. penggunaan sumber tegangan listrik searah (DC) pada proses elektrokinetik 3. model analisis terhadap kadar kation tertentu dan analisis terhadap nilai
batas-batas Atterberg.
Perbedaan penelitian ini dengan penelitian yang pernah dilakukan adalah: 1. jenis tanah yang digunakan dalam penelitian ini adalah tanah lempung. 2. model dan skematik alat pengujian/ sistem elektrokinetik.
3. proses elektrokinetik yang dilakukan bertujuan menyebarkan larutan kapur pada tanah lempung.
4. Tujuan penelitian sebagai model stabilisasi tanah lempung ekspansif dengan proses elektrokinetik.
7 5. Analisis terhadap waktu dan tegangan listrik yang digunakan untuk memperoleh hasil konsentrasi ion Ca2+ maksimal di tanah lempung ekspansif.
Sumbangan baru (novelty) yang diperoleh pada penelitian ini antara lain: 1. Skematik dan alat uji elektrokinetik sebagai alat stabilisasi tanah lempung
ekspansif.
2. Perilaku penyebaran larutan kapur dengan menggunakan proses elektrokinetik pada lempung ekspansif, antara lain: perilaku penyebaran konsentrasi ion Ca2+ selama periode waktu 1 sampai dengan 21 hari dan variasi tegangan listrik sumber yang digunakan.
3. Korelasi tegangan listrik dan konsentrasi ion Ca2+ untuk penentuan tegangan listrik ideal yang digunakan untuk mencapai konsentrasi ion Ca2+ maksimal
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian
1.4.1 Tujuan penelitian
Tujuan penelitian adalah:
1. Pengembangan proses elektrokinetik sebagai alternatif model stabilisasi lempung ekspansif.
2. Mengetahui perilaku perubahan konsentrasi ion Ca2+ terhadap waktu dan tegangan listrik.
3. Mengetahui perubahan sifat fisik, mekanis, jenis mineral dan morfologi lempung akibat proses elektrokinetik.
4. Mengamati dan mengetahui fenomena elektromigrasi, elektroforesis dan pertukaran kation akibat prosese elektrokinetik.
1.4.2 Manfaat dari penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Pengetahuan dasar proses elektrokinetik pada lempung ekspansif yang dapat dikembangkan lebih lanjut sebagai alternatif model stabilisasi lempung ekspansif.
2. Menambah kasanah keilmuan dalam hal perilaku dan pengaruh proses elektrokinetik terhadap sifat fisik, kimia dan mekanis pada lempung ekspansif.
8 3. Sebagai tinjauan awal perencanaan sistim kelistrikan proses stabilisasi lempung ekspansif dengan menggunakan proses elektrokinetik dan larutan kapur.
