Teknologi Beton dan Portland Cement (PC), Sifat-Sifat Semen Portland, Susunan Kimia, Hidrasi Semen, Kekuatan Pasta Semen, Sifat Fisik Semen

Teknologi Beton 

Menurut standar SK-SNI-T15-1991-03, beton  dibuat dengan mencampurkan semen portland (PC), air dan agregat baik dengan atau tanpa penambahan  (campuran) dengan perbandingan tertentu. 

Bahan tambahan dapat berupa bahan kimia, serat atau limbah non kimia. 

Campuran beton mula-mula bersifat plastis ketika dituangkan ke dalam bekisting dan kemudian dibiarkan  mengeras menjadi batu. 

Pengerasan terjadi pada reaksi kimia PC dengan air (hidrasi) dan dalam jangka panjang beton  selalu mengeras sesuai dengan  umurnya. 

Batu buatan ini cukup padat, ruang antara butir besar  (agregat kasar/kerikil/pecahan) diisi dengan butir yang lebih halus (agregat pasir/pasir). Sedangkan pori-pori antar agregat halus diisi dengan pasta semen (terdiri dari campuran PC dan air). Fungsi utama pasta semen adalah merekatkan/pengikat antar butir, dimana butir-butir agregat saling mengunci satu sama lain dan terbentuk massa padat yang padat. 

Kekuatan, daya tahan dan sifat-sifat lain dari beton dipengaruhi  oleh sifat-sifat dari bahan utama penyusunnya, rasio pencampuran, metode pencampuran, metode penggunaan saat menuangkan beton,  pemadatan dan metode penanganan saat menuangkan beton. proses penyembuhan. Keunggulan utama beton adalah kuat tekannya yang tinggi, sedangkan kelemahan beton adalah kuat tariknya yang rendah (hanya 9 kuat tekan 15%). Oleh karena itu,  bagian pembangkit tegangan dari elemen struktur  diperkuat dengan tulangan baja, menghasilkan material struktur komposit yang disebut beton bertulang. 

Beton tanpa tulangan disebut beton biasa. Pembuatan beton bukan hanya sekedar mencampur bahan dasar, tetapi mendapatkan mutu beton yang memenuhi persyaratan yang ketat, karena persyaratan  lebih tinggi maka harus diperhitungkan/dilaksanakan secara cermat  sesuai SNI 03-283 -1993, pencampuran prosedur persiapan. beton normal dan rencana SNI 03-3976-1995, tata cara penuangan beton campuran. 

Beton segar yang baik adalah beton segar yang dapat dicampur, diangkut, dibuang dan dipadatkan serta tidak cenderung memisah (pemisahan butiran dari mortar) atau mengalir (pemisahan air dan semen dari mortar). 

Beton  yang baik (hardened concrete) adalah beton yang kuat, tahan lama, kedap air, tahan aus dan sedikit perubahan volume/muainya.

Portland Cement (PC) 

Portland Cement (PC) atau Semen Hidrolik adalah bahan pengikat yang banyak digunakan dalam konstruksi fisik. 

Nama semen Portland  diusulkan oleh Joseph Aspd pada tahun 1824 karena berbentuk butiran  dari Pulau Portland di Inggris.  Produksi  pertama komputer pribadi dilakukan oleh David Saylor di Coplay, Pennsylvania, USA pada tahun 1875. Semen Portland disebut juga semen hidrolik karena dapat mengikat/bereaksi dengan air dan mengeras dalam air. Semen berfungsi untuk mengikat butiran agregat, juga mengisi celah-celah pada agregat sehingga menjadi  massa padat/padat, meskipun jumlah semen hanya ± 10% dari volume beton.

Sifat-Sifat Semen Portland

Semen diperoleh dengan membakar secara bersama, suatu campur an yang terdiri dari calcareous (mengandung kalsium karbonat atau batu gamping) dan argillaceous (mengandung alumina) dengan perbandingan tertentu.

Kandungan semen portland adalah kapur, silika dan alumina. 

Ketiganya dicampur dengan perbandingan tertentu dan dibakar pada suhu 1550o C sehingga menjadi klinker. Kemudian didinginkan, lalu di giling sampai halus, dimasukkan ke dalam kantong-kantong semen dengan berat 40 kg atau 50 kg. Butir-butir yang halus dari semen memiliki sifat adhesif maupun kohesif.

Pembuatan Klinker :

• proses kering : bahan-bahan dasar dicampur dan dikeringkan, kemudian digiling menjadi bubuk kasar, lalu dibakar dalam tanur tinggi
• proses basah : bahan-bahan dasar dicampurkan dengan air dan digiling sampai halus, berupa bubur halur, lalu dibakar dalam tanur tinggi

Saat penggilingan klinker, ditambahkan sekitar 2 - 4% gips atau kalsium sulfat (CaSO4) yang berfungsi sebagi pengontrol waktu ikat. Bahan tambah lain juga dapat diberikan untuk membentuk semen khusus.

a. Susunan Kimia

Bahan dasar semen terdiri dari bahan-bahan yang terutama mengandung kapur, silika dan alumina, serta oksida besi.

Dalam produksi semen, oksida-oksida berinteraksi satu dengan yang lain, sehingga terjadi perubahan susunan kimia yang komplek. Pada dasarnya terdapat 4 unsur yang paling penting, yaitu :

1. Trikalsium Silikat C3S atau 3CaO.SiO2

2. Dikalsium Silikat C2S atau 2CaO.SiO2

3. Trikalsium Aluminat C3A atau 3CaO.Al2O3

4. Tetrakalsium Aluminoferit C4AF atau 4CaO.Al2O3.Fe2O3

C3S dan C2S, keduanya 70–80% dari semen, merupakan unsur yang paling dominan dalam memberikan sifat semen. Jika semen terkena air, C3S segera berhidrasi dan menghasilkan panas, berpengaruh terhadap proses pengerasan semen terutama pada 14 hari pertama. Sedangkan Semen Portland C2S bereaksi lebih lambat dengan air, pengaruhnya setelah 7 hari dan memberikan kekuatan akhir, serta membuat semen tahan terhadap serangan kimia (chemical attack) dan mengurangi susut pengeringan.

C3S membutuhkan air ± 24% dan C2S membutuhkan air ± 21% berat nya untuk terjadinya reaksi kimia/hidrasi. Saat hidrasi C3S membebaskan kalsium hidroksida hampir 3 kali lebih banyak dari yang dilepaskan C2S.

Bila prosentase C3S lebih tinggi akan mengasilkan proses pengerasan awal cepat yang membentuk kekuatan awalnya, disertai panas hidrasi yang tinggi. Sedang jika prosentasi C2S yang lebih tinggi, mengakibatkan proses pengerasan yang lambat, panas hidrasi yang lebih rendah, tetapi ketahanan serang kimia lebih baik.

C3A berhidrasi secara exothermic dan bereaksi sangat cepat, serta memberikan kekuatan setelah 24 jam. Kebutuhan air untuk reaksi C3A ± 40% beratnya. Tetapi karena jumlah unsur ini sedikit, pengaruhnya terhadap jumlah air keseluruhan kecil. 

Unsur ini sangat mempengaruhi panas hidrasi (menjadi makin tinggi), baik pada pengerasan awal ataupun pengerasan selanjutnya dalam kurun waktu yang lama. 

Bila semen mengandung C3A > 10% akan kurang ketahanannya terhadap asam sulfat (SO4), karena itu untuk semen tahan sulfat kandungan unsur ini harus ≤ 5%. Semen yang terkena asam sulphat didalam air atau tanah, disebabkan keluarnya C3A yang bereaksi dengan sulfat, akan mengembang sehingga terjadi retak-retak pada betonnya.

Unsur C4AF kurang begitu besar pengaruhnya terhadap kekerasan semen atau betonnya.

b. Hidrasi Semen

Jika semen bersentuhan dengan air, maka terjadilah proses hidrasi, baik arah ke luar maupun ke dalam. Hasil hidrasi mengendap di bagian luar, dan inti semen yang belum terhidrasi di bagian dalam secara bertahap terhidrasi sehingga volumenya mengecil. Reaksi tersebut berjalan lambat, sekitar 2 – 5 jam (disebut periode induksi atau tak aktif), sebelum terjadi percepatan setelah kulit permukaan pecah.

Pada tahap hidrasi berikutnya, pasta semen terdiri dari gel (berbentuk butiran sangat halus dan luas permukaan yang sangat besar) dan sisa sisa semen yang tidak bereaksi, kalsium hidroksida Ca(OH) dan air, serta beberapa senyawa lain.

Kristal-kristal dari berbagai senyawa yang dihasilkan membentuk suatu rangkaian tiga dimensi yang saling melekat secara random, lalu mengisi ruangan yang mula-mula ditempati air, menjadi kaku dan mengeras menjadi benda padat dan kuat, serta memiliki struktur berpori, ukuran pori mulai dari 4.10-4 mm sampai yang lebih besar, yang disebut pori pori gel. Pori-pori pada pasta semen yang telah mengeras mungkin saling berhubungan (kapiler), mungkin juga tidak.

Setelah hidrasi berlangsung (pasta semen sudah mengeras), endapan hasil hidrasi pada permukaan butiran semen mengakibatkan difusi air kebagian dalam butir semen yang belum berhidrasi semakin sulit, sehingga laju hidrasi semakin lambat.

Proses hidrasi sangat kompleks, tidak semua reaksi yang terjadi dapat diketahui. Untuk reaksi hidrasi unsur C2S dan C3S sebagai berikut.

2 C3S + 6 H2O => (C3S2H3) + 3 Ca(OH)2

2 C2S + 4 H2O => (C3S2H3) + Ca(OH)2

C3A + Air => C A H + panas tinggi

C AF + gypsum + Air => ettringite (menunda pengerasan)

4AF + gypsum + Air => ettringite (menunda pengerasan)

Hasil utama proses ini adalah C3S2H3 yang disebut Tobermorite yang berbentuk gel. Terdapat juga beberapa butir yang bersifat seperti kristal didalam tobermorite. Karena proses hidrasi butir-butir semen berlangsung sangat lambat, penambahan air bila dimungkinkan masih diperlukan oleh bagian dalam butir-butir semen (terutama semen yang berbutir besar) untuk menyempurnakan proses hidrasi. 

Penelitian terhadap silinder beton, menunjukkan beton masih meningkat kekuatannya paling tidak untuk jangka waktu 50 tahun.

c. Kekuatan Pasta Semen : 

Kekuatan semen yang sudah mengeras tergantung pada jumlah air yang dipakai waktu proses hidrasi. Jumlah air yang digunakan untuk proses hidrasi ± 25% berat semen. Penambahan jumlah air akan mengurangi kekuatan setelah mengeras. Kelebihan air dari yang dipergunakan untuk proses hidrasi semen umumnya memang diperlukan pada pembuatan beton, agar adukan tercampur dengan baik, diangkut dengan mudah, dan dapat dicetak dan dipadatkan dengan baik (tidak keropos).

Hendaknya selalu diusahakan jumlah air sesedikit mungkin, agar pori-pori sedikit sehingga kuat tekan beton tinggi, kelebihan air mengakibatkan pasta semen (beton) kekuatannya berkurang dan porous.

Pada beton dikenal suatu nilai yang menunjukkan jumlah air yang diberikan pada beton, yaitu nilai faktor air semen (fas), berat air dibagi berat semen, pada beton normal nilai fas = 0,40 - 0,65.

d. Sifat Fisik Semen

Sifat-sifat fisik semen yang penting adalah :

Kehalusan Butir (fineness) : reaksi dengan air dimulai dari permukaan butir semen, sehingga makin kecil butir-butir semen (jumlah luas permukaan makin besar), makin cepat proses hidrasinya. Berarti semen yang halus akan cepat menjadi kuat dan meningkatkan kohesi pada beton segar, dapat mengurangi bleeding, tetapi cenderung terjadi susut lebih besar dan mudah terjadinya retak susut.

Menurut SII 0013-81, >90% berat semen harus lolos ayakan lubang 0,09 mm, namun jika butir semen terlalu halus, menyebabkan terjadinya hidrasi awal karena kelembaban udara.

Waktu Ikat (setting time) : semen jika dicampur air akan menjadi bubur yang plastis, secara bertahap sifat plastis ini berkurang dan menjadi keras. Waktu dari pencampuran semen dan air sampai saat kehilangan sifat keplastisannya disebut waktu ikat awal (initial setting time), dan waktu sampai pasta semen menjadi massa yang keras disebut waktu ikat akhir (final setting time).

Waktu ikat awal >60 menit, dan waktu ikat akhir < 480 menit.

Panas Hidrasi. Silika dan Alumina dalam semen akan bereaksi dengan air dan menjadi media perekat, memadat, dan membentuk massa yang keras. Reaksi ini disebut hidrasi dan bersifat eksotermis dan mengeluarkan panas ± 110 kalori/gram.

Pada pembetonan dengan massa besar, dapat terjadi perbedaan temperatur antara bagian luar dan dalam cukup besar yang dapat menyebabkan retak cukup besar. Pada daerah dingin, panas hidrasi tinggi menguntungkan karena mencegah air membeku dalam beton.

Panas hidrasi didifinisikan sebagai kualitas panas dalam kalori/gram pada semen yang terhidrasi, waktu berlangsungnya dihitung sampai proses hidrasi berlangsung sempurna pada temperatur tertentu. Panas hidrasi dipengaruhi ketinggian temperatur. Untuk PC biasa panas hidrasi bervariasi antara 37 kalori/gram pada 50C sampai 80 kalori/gram pada 400 C, dan ± 60% dari panas total dibebaskan pada 1 - 3 hari pertama, ± 80% sampai hari ke tujuh, dan sekitar 90 - 95% dalam jangka waktu 6 bulan. Laju hidrasi dan peningkat panas juga dipengaruhi oleh peningkatan kehalusna butir semen, walaupun kuantitas total panas tidak dipengaruhi oleh kehalusan butir tersebut.

Berat Jenis. Umumnya berat jenis emen adalah 3,15 dan berat jenis ini dipergunakan dalam perencanaan campuran beton.