High Strength Concrete

Pendahuluan

     High strength concrete merupakan sebuah tipe beton performa tinggi yang secara umum memiliki kuat tekan 6000 psi (40 MPa) atau lebih. Ukuran kuat tekannya diperoleh dari silinder beton 150 mm – 300 mm atau silinder 100 mm – 200 mm pada umur 56 ataupun 90 hari, ataupun umur yang telah ditentukan tergantung pada aplikasi yang diiningkan. Produksi high strength concrete membutuhkan penelitian dan perhatian yang lebih jauh terhadap kontrol kualitasnya daripada beton konvensional

Sejarah Singkat

      Sejarah singkat dari perkembangan high strength concrete dapat dijabarkan berikut ini. Pada akhir tahun 1960-an, admixture untuk mengurangi air (superplasticizer) yang terbuat dari garam-garam naphthalene sulfonate diproduksi di Jepang dan melamine sulfonate diproduksi di Jerman. Aplikasi pertama di Jepang yaitu digunakan untuk produk girder dan balok pracetak dan cetak di tempat. Di Jerman, awalnya ditujukan untuk pengembangan campuran beton bawah air yang memiliki kelecakan tinggi tanpa terjadi segregasi. Sejalan dengan kemungkinan tercapainya mutu beton yang tinggi dan workability yang tinggi secara simultan pada campuran beton dengan pemakaian superplasticizer, maka pemakaian kedua bahan tersebut dianggap sangat cocok digunakan pada produksi komponen-komponen struktur cetak di tempat untuk bangunan-bangunan tinggi.

 Gambar 1. Hubungan Tegangan -Regangan Pada Beton Mutu Tinggi dan Beton Normal

       Dari Grafik tersebut dapat dilihat bahwa dengan mutu beton yang tinggi diperoleh grafik yang makin terjal pada daerah elastisnya (E) dibangingkan dengan beton normal, akan tetapi daerah deformasi setelah melampaui daerah elastis pada beton mutu tinggi makin berkurang dibangdingkan dengan beton normal, sehingga pada beton mutu tinggi nilai daktailnya makin berkurang (bersifat getas) dibandingkan beton normal.

        Beton didefinisikan sebagai “high-strength” semata-mata berdasarkan karena kuat tekannya pada umur tertentu. Pada tahun 1970-an, sebelum ditemukannya superplasticizer, campuran beton yang memperlihatkan kuat tekan 40 MPa atau lebih pada umur 28 hari disebut sebagai high strength concrete. Saat ini, saat campuran beton dengan kuat tekan 60 MPa – 120 MPa tersedia di pasaran, pada ACI Committae 2002 tentang High Strength Concrete merevisi definisinya menjadi memperoleh campuran dengan kuat tekan desain spesifikasi 55 MPa atau lebih.

         Meskipun tujuan praktisnya adalah untuk menyatakan kuat tekan beton berdasarkan hasil uji pada umur 28 hari, namun terdapat pergeseran untuk menyatakan kekuatan pada umur 56 atau 90 hari dengan alas an bahwa banyak elemen-elemen struktur yang tidak terbebani selama kurun waktu dua atau tiga bulan atau lebih. Saat kekuatan yang tinggi tidaklah diperlukan pada umur-umur awal, akan lebih baik untuk tidak menyatakannya hanya untuk mencapai sejumlah keuntungan misalnya penghematan semen, kemampuan untuk menggunakan bahan-bahan tambah (admixture) secara berlebihan dan produk yang lebih durable.

        Beberapa puluh tahun yang silam, bangunan-bangunan tinggi yang ada di New York hampri seluruhnya merupakan bangunan dengan rangka baja. Saat ini, mungkin sepertiga dari bangunan-bangunan tinggi komersial dibuat dengan rangka beton bertulang. Terdapat sebuah penilaian yang diyakini bahwa pemilihan antara rangka baja dengan rangka beton bertulang ditentukan berdasarkan kecepatan konstruksi yang tinggi. Juga, ketersediaan high strength concrete secara komersial memberikan sebuah penilaian ekonomis alternatif untuk membangun kolom dengan beton konvensional pada lantai-lantai bawah dari bangunan-bangunan tinggi. Berdasarkan sebuah laporan, kapasitas kolom-kolom dalam hal kemampuan menahan beban pada bangunan-bangunan berlantai banyak meningkat 4,7 kali untuk setiap lipat tiga kenaikan harga. Untuk konstruksi bangunan-bangunan yang menggunakan rangka beton bertulang, 30 lantai atau lebih, kolom-kolom dengan ukuran normal dapat dibuat pada sepertiga bagian dari bangunan dengan mutu beton konvensional 30 MPa sampai dengan 35 MPa. Namun pemakaian high strength concrete dibenarkan untuk kolom-kolom langsing pada duapertiga bagian bawah dari bangunan.

Mengapa kita membutuhkan high strength concrete? Beberapa alasan yang dapat diberikan di sini antara lain:

• Untuk menempatkan beton pada masa layannya pada umur yang lebih awal, sebagai contoh pada perkerasan di umur 3 hari.
• Untuk membangun bangunan-bangunan tinggi dengan mereduksi ukuran kolom dan meningkatkan luasan ruang yang tersedia.
• Untuk membangun sruktur bagian atas dari jembatan-jembatan bentang panjang dan untuk mengembangkan durabilitas lantai-lantai jembatan.
• Untuk memenuhi kebutuhan-kebutuhan khusus dari aplikasi-aplikasi tertentu seperti durabilitas, modulus elastisitas dan kekuatan lentur. Beberapa dari aplikasi ini termasuk dam, atap-atap tribun, pondasi-pondasi pelabuhan, garasi-garasi parkir, dan lantai-lantai heavy duty pada area industri.

Material

Bahan-bahan yang dibutuhkan dalam campuran high strength conrete antara lain:

1. Semen

Semen Portland (PC) umum pada berbagai tipe (yang memenuhi spesifikasi standar ASTM C 150) dapat digunakan untuk memperoleh campuran beton dengan kekuatan tekan sampai dengan 50 Mpa. Untuk mendapatkan kuat tekan yang lebih tinggi saat mempertahankan workability yang baik, sangat perlu untuk menggunakan admixture yang dikombinasikan dengan semen. Pada kasus tersebut, kompabilitas semen-admixture menjadi sebuah hal yang penting.

Pengalaman telah memperlihatkan bahwa, dengan penggunaan tipe superplasticizer naphthalene sulfonate atau melamine sulfonate, semen portland dengan kadar C₃A dan alkali yang rendah umumnya menghasilkan campuran beton yang memperlihatkan hilangnya slump tinggi sejalan dengan waktu. Situasi ini telah berubah karena telah dilaporkan bahwa polyacrylate copolymer, sebuah generasi baru superplasticizer, tidak menyebabkan kehilangan slum yang berlebihan pada kebanyakan jenis semen portland maupun semen portland campuran.

1. Agregat

Pada beton normal, tipe dan jumlah agregat memainkan peranan yang penting dalam stabilitas isi beton, namun hal tersebut memiliki efek yang terbatas pada kekuatan. Pada high strength conrete, agregat masih memainkan peranan yang penting dalam stabilitas isi, namun juga memainkan peranan yang penting dalam kekuatan dan kekakuan beton. Rasio faktor air semen yang digunakan pada campuran high strength conrete menyebabkan pemadatan pada daerah matrik dan daerah transisi antarmuka. Lebih lajut, beberapa tipe agregat seperti granit dan kwarsit dapat menyebabkan retak-retak mikro pada daerah transisi karena perbedaan susut suhu dan menghalangi pengembangan kekuatan mekanis tinggi. Sehingga, perhatian yang layak harus diambil pada pemilihan agregat-agregat untuk high strength concrete. Berdasarkan hasil-hasil dari studi eksperimental, Aitcin dan Mehta merekomendasikan bahwa tipe agregat yang keras dan kuat dengan modulus elastisitas tinggi dan koefisien ekspansi panas yang kecil lebih baik digunakan untuk memproduksi campuran very high strength concrete.

Dengan sebuah rasio faktor air semen yang telah ditentukan, kekuatan dari campuran beton dapat dinaikkan secara signifikan dengan secara sederhana mengurangi ukuran maksimum agregat kasar. Hal ini memiliki efek yang menguntungkan pada kekuatan daerah transisi antar muka. Menurut Aitcin, semakin tinggi kekuatan yang ingin dicapai, maka semakin kecil ukuran agregat kasarnya. Nilai kuat tekan sampai dengan 70 MPa dapat diproduksi dengan agregat kasar kualitas bagus dengan ukuran maksimum 20 mm – 25 mm. untuk menghasilkan nilai kuat tekan 100 MPa, maka ukuran maksimum agregat kasar yang harus digunakan adalah 14 mm – 20 mm. Beton-beton komersial dengan nilai kuat tekan lebih dari 125 MPa telah diproduksi menggunakan ukuran agregat maksimum 10 mm – 14 mm.

Memandang agregat halus, setiap bahan dengan ukuran distribusi partikelnya memenuhi spesifikasi standar ASTM C 38 layak digunakan untuk campuran high strength concrete. Aitcin merekomendasikan penggunaan agregat halus dengan modulus kehalusan yang tinggi (kira-kira 3,0) untuk beberapa alasan berikut ini :

• • Campuran high strength concrete sudah memiliki partikel-partikel kecil semen dan pozzolan dalam jumlah yang bayak, dengan demikian kehadiran partikel yang sangat kecil pada agregat yang halus tidak diperlukan untuk mengembangkan workability.
  • Penggunaan agregat yang lebih kasar akan memerlukan air yang lebih sedikit untuk memperoleh workability yang sama, dan
  • Selama proses pencampuran, partikel-partikel yang lebih ksar akan menghasilkan tegangan geseran yang lebih besar yang membantu untuk menghindari penggumpalan partikel-partikel semen.

1. Admixture

Kebutuhan kekuatan yang tinggi dan ukuran agregat yang kecil berarti bahwa isi dari bahan-bahan pengikat pada campuran beton akan menjadi tinggi, umumnya di atas 400 kg/m³. Isi bahan-bahan pengikat sebesar 600 kg/m³ dan bahkan lebih tinggi telah diselidiki namun tidak diinginkan dengan alasan tingginya biaya dan susut suhu dan pengeringan yang berlebihan. Lebih jauh, dengan naiknya proporsi semen dalam beton, memang kekuatan yang tinggi tercapai, namun dengan susah kekuatan yang tinggi dicapai di atas sejumlah semen yang tertentu. Sebagaimana dijelaskan di atas, hal ini mungkin disebabkan karena ketidak-homogenitas-an yang sudah menjadi sifat pasta semen portland yang telah terhidrasi yang berisi luasan-luasan kristal kalsium hidroksida yang terdistribusi secara cak dalam fase utama. Luasan-luasan ini menyatakan daerah-daerah yang lemah yang rentan terhadap retak mikro karena tegangan tarik.

Metode Desain Campuran High Strength Concrete

Metode yang digunakan dalam merencanakan campuran high strength concrete ada beberapa cara, antara lain: (1) Minimum Voids Method, (2) Maximum Density Method, (3) Fineness Modulus Method, (4) British Mix Design (DOE) Method, (5) American Concrete Institute Method (ACI Method), dan (6) Indian Standard Method. Namun secara umum, desain campuran beton yang optimum dihasilkan dari pemilihan bahan-bahan local yang tersedia yang menyebabkan beton segar mampu untuk ditempatkan dan mampu untuk diselesaikan dan dapat memastikan pengembangan kekuatan dan sifat-sifat lain yang diinginkan dari beton yang telah mengeras sebagaimana dinyatakan oleh desainer. Beberapa konsep dasar yang perlu untuk dipahami untuk high strength concrete antara lain:

• Agregat semestinya kuat dan durable. Agregat tidak perlu keras dan kekuatannya tinggi namun perlu kompatibel, dalam arti cukup kaku dan kuat, dengan pasta semen. Umumnya ukuran maksimum agregat kasar yang lebih kecil digunakan untuk kuat tekan beton yang lebih tinggi. Agregat halus yang digunakan bisa jadi lebih kasar daripada yang diperbolehkan oleh ASTM C 33 (modulus kehalusan butir lebih besar dari 3,2) karena tingginya agregat halus telah digantikan oleh bahan-bahan perekat (semen).
• Campuran high strength concrete akan memiliki isi bahan-bahan perekat yang tinggi yang meningkatkan panas hidrasi dan kemungkinan susut yang tinggi mengawali potensi retak. Kebanyakan campuran berisi satu atau lebih bahan-bahan perekat tambahan seperti fly ash (tipe C atau F), ground granulated blast furnace slag, silica fume, metakaolin atau bahan-bahan pozolanik alami.
• Campuran high strength concrete umumnya membutuhkan rasio factor air semen yang rendah, dimana rasio factor air semen berada pada rentangan 0,23 sampai dengan 0,35. Faktor air semen yang rendah ini hanya dapat dicapai dengan admixture (superplasticizer) dalam jumlah dan dosis yang besar, menyesuaikan antara tipe F atau G berdasarkan ASTM C 494. Admixture pengurang air tipe A juga dapat digunakan sebagai kombinasinya.
• Isi total dari bahan-bahan perekat umumnya sekitar 700 lb/yd³ (415 kg/m³) namun tidak boleh lebih dari 1100 lb/yd³ (650 kg/m³).
• Pemakaian air entrainment pada high strength concrete akan menurunkan potensial kekuatan secara besar.

Perhatian yang lebih dan evaluasi akan diperlukan bila spesifikasi pekerjaan mengatur batas-batas sifat beton seperti rangkak, susut dan modulus elastisitas. Ahli teknik mungkin mengatur batas-batas sifat tersebut untuk desain strukturnya. Penelitian-penelitian saat ini mungkin tidak memberikan panduan yang diperlukan tentang hubungan empiris dari sifat-sifat tersebut dari pengujian-pengujian trandisional dan beberapa dari pengujian tersebut sangat khusus dan mahal untuk dilakukan bagi evaluasi campuran. Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan teoretis, rangkak dan susut yang lebih kecil, modulus elastisitas yang lebih tinggi dapat dicapai dengan agregat yang lebih besar dan isi pasta yang lebih sedikit pada beton. Menggunakan ukuran agregat terbesar yang dapat dicapai dan agregat halus yang digradasi medium sampai dengan kasar dapat mencapai hal tersebut. Ukuran agregat yang lebih kecil misalkan 3/8 inci ( 9,5 mm) dapat digunakan untuk menghasilkan kuat tekan yang sangat tinggi namun membutuhkan sifat-sifat seperti rangkak, susut dan modulus elastisitas untuk dikorbankan. Apabila kesulitan ditemui dalam mencapai kuat tekan yang tinggi, hanya dengan menambahkan bahan-bahan perekat tidak akan menaikkan kekuatan. Faktor-faktor seperti bahan-bahan pengganggu dalam agregat, pelapis-pelapis agregat, agregat kasar, muka-muka pecah, tampang dan tekstur, dan batasan-batasan pengujian bisa jadi menghalangi kuat tekan tinggi dapat tercapai. Proporsi campuran beton akhir ditentukan dengan batch coba-coba, entah itu di laboratorium ataupun dengan batch-batch produksi lapangan skala kecil. Produksi, transportasi, penempatan dan finishing high strength concrete bisa jadi berbeda secara signifikan dari prosedur-prosedur yang digunakan pada beton konvensional. Untuk proyek-proyek yang kritis, sangat direkomendasikan penuangan coba-coba dan evaluasi dilakukan dan dimasukan sebagai item yang harus dibayarkan pada kontrak. Pertemuan pra-penawaran dan pra-konstruksi sangatlah penting untuk dilakukan untuk memastikan kesuksesan proyek yang menggunakan high strength concrete. Selama konstruksi, pengukuran ekstra harus dilakukan untuk melindungi terhadap susut plastik dan retak panas pada bagian-bagian yang lebih tipis. High strength concrete mungkin membutuhkan waktu yang lebih lama sebelum perancah dibongkar.

Silinder-silinder uji high strength concrete sebaiknya dicetak dengan hati-hati, dirawat, ditutupi dan diuji. Waktu setting high strength concrete yang lebih lambat mungkin juga terjadi.

Contoh Mix Design – High Strength Concrete.

Mix design high strength concrete dengan kuat tekan karakteristik rencana pada umur 28 hari 60 MPa. Untuk contoh desain yang lain, dapat dilihat di sini

(a) DESIGN STIPULATION:-
Target strength = 60Mpa
Max size of aggregate used = 12.5 mm
Specific gravity of cement = 3.15
Specific gravity of fine aggregate (F.A) = 2.6
Specific gravity of Coarse aggregate (C.A) = 2.64
Dry Rodded Bulk Density of fine aggregate = 1726 Kg/m³
Dry Rodded Bulk Density of coarse aggregate = 1638 Kg/m³

Step-1
Calculation for weight of Coarse Aggregate:
From ACI 211.4R Table 4.3.3 Fractional volume of oven dry Rodded C.A for 12.5mm size aggregate is 0.68m³
Weight of C.A = 0.68*1638 = 1108.13 Kg/m³

Step-2
Calculation for Quantity of Water:
From ACI 211.4R Table 4.3.4
Assuming Slump as 50 to 75mm and for C.A size 12.5 mm the Mixing water = 148 ml
Void content of FA for this mixing water = 35%
Void content of FA (V)
V = {1-(Dry Rodded unit wt / specific gravity of FA*1000)}*100
= [1-(1726/2.6*1000)]*100
= 34.62%

Adjustment in mixing water = (V-35)* 4.55
= (34.62 – 35)*4.55
= -1.725 ml
Total water required = 148 + (-1.725) = 146.28 ml
Step-3
Calculation for weight of cement
From ACI 211.4R Table 4.3.5(b)
Take W / C ratio = 0.29
Weight of cement = 146.28 / 0.29 = 504.21 kg/m³

Step-4
Calculation for weight of Fine Aggregate:

Cement = 504.21 / 3.15*1000= 0.1616
Water = 146.28 / 1*1000= 0.1462
CA = 1108.13 / 3*1000= 0.3690
Entrapped Air = 2 / 100= 0.020
Total = 0.7376m³
Volume of Fine Aggregate= 1-0.7376
Weight of Fine Aggregate= 0.2624*2.6*1000= 683.24 kg/m³

Step-5
Super plasticizer:
For 0.8% = (0.8 / 100)*583.53 = 4.668 ml

Step-6
Correction for water:
Weight of water (For 0.8%) =146.28 – 4.668 =141.61 kg/m³

Requirement of materials per Cubic meter
Cement = 504.21 Kg/m³
Fine Aggregate = 683.24 Kg/m³
Coarse Aggregate = 1108.13 Kg/m³
Water = 141.61 Kg/ m³
Super plasticizers = 4.6681 / m³

So the final ratio becomes
Cement : Fine agg (kg/m³) : Coarse agg (kg/m³) : Water (l/m³): Superplasticizer (l/m³)

Sumber :  Andi Aprizon, S.T dan Pramudiyanto, S.T., M.T.