Beberapa Istilah Reaksi Pengerasan Dalam Proses Pembuatan Semen

PENGERTIAN SEMEN

Semen berasal dari kata Caementum yang berarti bahan perekat yang mampu mempesatukan atau mengikat bahan-bahan padat menjadi satu kesatuan yang kokoh atau suatu produk yang mempunyai fungsi sebagai bahan perekat antara dua atau lebih bahan sehingga menjadi suatu bagian yang kompak atau dalam pengertian yang luas adalah material plastis yang  memberikan sifat rekat antara batuan-batuan konstruksi bangunan.

Usaha untuk membuat semen pertama kali dilakukan dengan cara membakar batu kapur dan tanah liat. Joseph Aspadain yang merupakan orang inggris, pada tahun 1824 mencoba membuat semen dari kalsinasi campuran batu kapur dengan tanah liat yang telah dihaluskan, digiling, dan dibakar menjadi lelehan dalam tungku, sehingga terjadi penguraian batu kapur (CaCO3) menjadi batu tohor (CaO) dan karbon dioksida(CO2). Batu kapur  tohor (CaO) bereaksi dengan senyawa-senyawa lain membemtuk klinker kemudian digiling sampai menjadi tepung yang kemudian dikenal dengan Portland.

HIDERASI DAN MEKANISME REAKSI PENGERASAN SEMEN

Air merupakan reaktan kunci dalam hidrasi semen.Penggabungan air menjadi zat yang dikenal sebagai hidrasi.Air dan semen awalnya membentuk pasta semen yang mulai bereaksi dan mengeras (ditetapkan). Pasta ini mengikat partikel agregat melalui proses kimia hidrasi. Dalam hidrasi semen, perubahan kimia terjadi perlahan-lahan, pada akhirnya menciptakan produk kristal baru, evolusi panas, dan tanda-tanda terukur lainnya.

semen + air = pasta mengeras semen

Sifat-sifat ini pasta semen mengeras, yang disebut pengikat, mengendalikan sifat-sifat beton. Ini adalah masuknya air (hidrasi) ke dalam produk yang menyebabkan beton untuk mengatur, kaku, dan menjadi keras. Setelah ditetapkan, beton terus mengeras (obat) dan menjadi lebih kuat untuk jangka waktu yang panjang, sering sampai beberapa tahun.

a.    Hiderasi Semen
Hiderasi semen adalah reaksi antara komponen-komponen semen dengan air. Untuk mengetahui hiderasi semen, maka harus mengenal hiderasi dari senyawa-senyawa yang terkandung  dalam semen ( C2S, C3S, C3A, C4AF)

b.    Hiderasi Kalsium Silikat ( C2S, C3S)
Kalsium Silikat di dalam air akan terhidrolisa menjadi kalsium hidroksidsa Ca(OH)2 dan kalsium silikat hidrat (3CaO.2SiO2.3H2O) pada suhu 30oC

2 (3CaO.2SiO2) + 6H2O                 3CaO.2SiO2.3H2O + 3 Ca(OH)2
2 (3CaO.2SiO2) + 4H2O                 3CaO.2SiO2.2H2O +  Ca(OH)2

Kalsium Silikat hidrat (CSH) adalah silikat di dalam kristal yang tidak sempurna, bentuknya padatan berongga yang sering disebut Tobermorite Gel.
Adanya kalsium hidroksida akan membuat pasta semen bersifat basa (pH= 12,5) hal ini dapat menyebabkan pasta semen sensitive terhadap asam kuat tetapi dapat mencegah baja mengalami korosi.

c.    Hiderasi C3A
Hiderasi C3A dengan air yang berlebih pada suhu 30oC akan menghasilkan kalsium alumina hidrat (3CaO. Al2O3. 3H2O) yang mana kristalnya berbentuk kubus di dalam semen karena adanya gypsum maka hasil hiderasi C3A sedikit berbeda. Mula-mula C3A akan bereaksi dengan gypsum menghasilkan sulfo aluminate yang kristalnya berbentuk jarum dan biasa disebut ettringite namun pada akhirnyagypsum bereaksi semua, baru terbentuk kalsium alumina hidrat (CAH).

Hiderasi C3A tanpa gypsum (30oC):

3CaO. Al2O3+  6H2O                       3CaO. Al2O3. 6H2O

Hiderasi C3A dengan gypsum (30oC):

3CaO. Al2O3 + 3 CaSO4+ 32H2O            3CaO.Al2O3 + 3 CaSO4 +  32H2O
Penambahan gypsum pada semen dimaksudkan untuk menunda pengikatan, hal ini disebabkan karena terbentuknya lapisan ettringite pada permukaan-permukaan Kristal C3A.

d.    Hiderasi C4AF (30 H2O oC)

4CaO. Al2O3. Fe2O3+ 2Ca(OH)2+10H2O                4CaO.Al2O3.6H2O + 3CaO.Fe2O3.6H2O

e.    Setting dan Hardening
Setting dan Hardening adalah pengikatan dan pengerasan semen setelah terjadi reaksi hiderasi. Semen apabila dicampur dengan air akan menghasilkan pasta yang plastis dan dapat dibentuk (workable) sampai beberapa waktu karakteristik dari pasta tidak berubah dan periode ini sering disebut Dorman Period (period tidur).
Pada tahapan berikutnya pasta mulai menjadi kaku walaupun masih ada yang lemah, namun suhu tidak dapat dibentuk (unworkable).Kondisi ini disebut Initial Set, sedangkan waktu mulai dibentuk (ditambah air) sampai kondisi Initial Set disebut Initial Setting Time (waktu pengikatan awal).Tahapan berikutnya pasta melanjutkan kekuatannya sehingga didapat padatan yang utuh dan biasa disebutHardened Cement Pasta. Kondisi ini disebut final Set sedangkan waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi ini disebut Final Setting Time (waktu pengikatan akhir). Proses penerasan berjalan terus berjalan seiring dengan waktu akan diperoleh kekuatan proses ini dikenal dengan nama Hardening.
Waktu pengikatan awal dan akhir dalam semen dalam prakteknya sangat penting, sebab waktu pengikatan awal akan menentukan panjangnya waktu dimana campuran semen masih bersifat plastik. Waktu pengikatan awal minimum 45 menit sedangkan   waktu akhir maksimum 8 jam.
Reaksi pengerasan :

C2S + 5H2O                                              C2S. 5H2O
C3S + 5H2O                                              C2S6. 5H2O + 13 Ca(OH)2
C3A+ 3Cs+ 32H2O                                   C3A. 3Cs+.32H2O
C4AF + 7H2O                                           C3A.6 H2O+ CF. H2O
MgO+ H2O                                               Mg(OH)2

f.    Panas Hiderasi
Panas hiderasi adalah panas yang dilepaskan selama semen mengalami proses hiderasi. Jumlah panas hiderasi yang terajdi tergantung, tipe semen, kehalusan semen, dan perbandingan antara air dengan semen.
Kekerasan awal semen yang tinggi dan panas hiderasi yang besar kemungkinan terajadi retak-retak pada beton, hal ini disebabkan oleh fosfor yang timbul sukar dihilangkan sehingga terajdi pemuaian pada proses pendinginan.

g.    Penyusutan
Ada tiga macam penyusutan yang terjadi di dalam semen, diantaranya:
–    Drying Shringkage ( penyusutan karena pengeringan)
–    Hideration  Shringkage (penyuautan karena hiderasi)
–    Carbonation Shringkage (penyuautan karena karbonasi)

Yang paling berpengaruh pada permukaan beton  adalah Drying Shringkage, penyusutan ini terjadi karena penguapan selama proses setting dan hardening. Bila besaran kelembabannya dapat dijaga, maka keretakan beton dapat dihindari. Penyusutan ini dipengaruhi juga kadar C3A yang terlalu tinggi.

h.    Kelembaban
Kelembaban timbul karena semen menyerap uaap air dan CO2¬ dan dalam jumlah yang cukup banyak sehigga terjadi penggumpalan. Semen yang menggumpal kualitasnya akan menurun karena bertambahnya Loss On Ignition (LOI) dan menurunnya spesifik  gravity sehingga kekuatan semen menurun, waktu pengikatan dan pengerasan semakin lama, dan terjadinya    false set.

i.    Loss On  Ignation (HilangFajar)
Loss On  Ignation dipersyaratkan untuk mencegah adanya mineral-mneral yang terurai pada saat pemijaran, dimana proses ini menimbulkan kerusakan pada batu setelah beberapa tahun kemudian.

j.    Spesifik Gravity
Spesifik Gravity dari semen merupakan informasi yang sangat penting dalam perancangan beton.Di dalam pengontrolan kualitas Spesifik gravity digunakan untuk mengetahui seberapa jauh kesempurnaan pembakaran klinker, dan juga menetahui apakah klinker tercampur dengan impuritis.

k.    False Set
Proses yang terjadi bila adonan mengeras dalam waktu singkat. False Set dapat dihindari dengan melindungi semen dari pengaruh udara luar, sehingga alkali karbonat tidak terbentuk di dalam semen.
Beton dibuat dengan pencampuran semen, air, dan agregat bersama-sama untuk membuat pasta bisa diterapkan.Hal ini dibentuk atau ditempatkan sesuai keinginan, konsolidasi, dan kemudian dibiarkan mengeras.Beton tidak perlu kering agar mengeras seperti umumnya dianggap.
Beton (atau secara khusus, semen di dalamnya) membutuhkan kelembaban untuk hidrat dan obat (mengeras). Ketika mengering beton, itu benar-benar berhenti semakin kuat.Beton dengan air terlalu sedikit mungkin kering tapi tidak sepenuhnya bereaksi. Sifat seperti beton akan menjadi lebih rendah dari beton basah. Reaksi air dengan semen dalam beton sangat penting bagi sifat dan reaksi dapat terus selama bertahun-tahun. Ini reaksi yang sangat penting akan dibahas secara rinci dalam bagian ini. Portland semen terdiri dari lima senyawa utama dan senyawa beberapa minor. Komposisi semen portland khas terdaftar oleh persentase berat pada Tabel 2.

Semen Compound        Berat Persentase                Chemical Formula
Trikalsium silikat                   50%                    Ca 3 SiO 5 atau 3CaO. SiO 2
Dikalsium silikat                    25%                    Ca 2 SiO 4 atau 2CaO. SiO 2
Trikalsium aluminat               10%                    Ca 3 Al 2 O 6 atau 3CaO. Al 2 O 3
Tetracalcium aluminoferrite   10%                    Ca 4 Al 2 Fe 2 O 10 atau 4CaO Al 2 O 3.. Fe 2 O 3
Gips                                        5%                      Caso 4. 2H 2 O

Tabel 1: Komposisi semen portland dengan kimia dan persen berat.
Ketika air ditambahkan ke semen, masing-masing senyawa mengalami hidrasi dan berkontribusi terhadap produk beton akhir.Hanya silikat kalsium berkontribusi terhadap kekuatan.Trikalsium silikat bertanggung jawab atas sebagian besar kekuatan awal (pertama 7 hari).Dikalsium silikat, yang bereaksi lebih lambat, hanya menyumbang kepada kekuatan di kemudian hari. Trikalsium silikat akan dibahas dalam detail besar.
Persamaan untuk hidrasi trikalsium silikat diberikan oleh:

Trikalsium silikat + Air —> Kalsium silikat hidrat + hidroksida Kalsium + panas
2 Ca 3 SiO 5 + 7 H 2 O —> 3 CaO.2SiO 2. 4H 2 O + 3 Ca (OH) 2 + 173.6 kJ

Setelah penambahan air, trikalsium silikat cepat bereaksi untuk melepaskan ion kalsium, ion hidroksida, dan sejumlah besar panas.PH dengan cepat naik ke lebih dari 12 karena pelepasan hidroksida alkali (OH -) ion.Ini hidrolisis awal melambat cepat setelah itu mulai mengakibatkan penurunan panas berevolusi.
Reaksi perlahan terus memproduksi ion kalsium hidroksida dan sampai sistem menjadi jenuh. Setelah ini terjadi, kalsium hidroksida mulai mengkristal.Bersamaan, kalsium silikat hidrat mulai terbentuk. Ion mengendap dari larutan mempercepat reaksi trikalsium silikat kalsium dan ion hidroksida.(Prinsip Le Chatlier ini).Evolusi panas ini kemudian meningkat secara dramatis.
Pembentukan kalsium hidroksida dan kristal kalsium silikat hidrat memberikan “benih” yang di atasnya lebih kalsium silikat hidrat dapat terbentuk. Kristal kalsium silikat hidrat tumbuh lebih tebal sehingga lebih sulit bagi molekul air untuk mencapai trikalsium unhydrated silikat. Kecepatan reaksi kini dikendalikan oleh tingkat di mana molekul air menyebar melalui lapisan kalsium silikat hidrat.Ini mengental pelapisan dari waktu ke waktu menyebabkan produksi kalsium silikat hidrat menjadi lebih lambat dan lebih lambat.

Gambar 1: Skema ilustrasi pori-pori di kalsium silikat melalui berbagai tahap hidrasi.
Diagram di atas menggambarkan pembentukan pori-pori sebagai kalsium silikat hidrat terbentuk. Perhatikan dalam diagram (a) hidrasi yang belum terjadi dan pori-pori (ruang kosong antara butir) yang diisi dengan air. Diagram (b) merupakan awal dari hidrasi.Pada diagram (c), hidrasi berlanjut.Meskipun ruang kosong masih ada, mereka penuh dengan air dan kalsium hidroksida.Diagram (d) menunjukkan pasta semen hampir mengeras.Perhatikan bahwa sebagian besar ruang diisi dengan kalsium silikat hidrat.Itu yang tidak diisi dengan hidrat mengeras terutama kalsium hidroksida solusi. Hidrasi akan terus berlanjut selama terdapat air dan masih ada unhydrated senyawa dalam pasta semen.
Dikalsium silikat juga mempengaruhi kekuatan beton melalui hidrasi nya. Dikalsium silikat bereaksi dengan air dengan cara yang sama dibandingkan dengan trikalsium silikat, namun jauh lebih lambat. Panas dirilis kurang dari itu oleh hidrasi trikalsium silikat karena silikat dikalsium jauh kurang reaktif.
Produk dari hidrasi dikalsium silikat adalah sama dengan yang untuk trikalsium silikat:

Dikalsium silikat + Air —> Kalsium silikat hidrat + hidroksida Kalsium + panas
2 Ca 2 SiO 4 + 5 H 2 O —> 3 CaO.2SiO 2. 4H 2 O + Ca (OH) 2 + 58,6 kJ

Komponen utama lainnya dari semen portland, alumina trikalsium dan tetracalcium aluminoferrite juga bereaksi dengan air. Kimia hidrasi mereka lebih rumit karena melibatkan reaksi dengan gipsum juga. Karena reaksi tidak memberikan kontribusi yang signifikan untuk kekuatan, mereka akan diabaikan dalam diskusi ini. Meskipun kami telah diperlakukan hidrasi setiap senyawa semen secara mandiri, hal ini tidak sepenuhnya akurat. Tingkat hidrasi senyawa dapat dipengaruhi dengan memvariasikan konsentrasi yang lain. Secara umum, tingkat hidrasi selama beberapa hari pertama peringkat dari tercepat untuk paling lambat adalah:

trikalsium aluminat> trikalsium silikat> tetracalcium aluminoferrite> dikalsium silikat.

Mengacu Demonstrasi 4
Panas berevolusi dengan hidrasi semen.Hal ini karena melanggar dan membuat ikatan kimia selama hidrasi.Panas yang dihasilkan ditampilkan di bawah sebagai fungsi dari waktu.
Gambar 2: Tingkat evolusi panas selama hidrasi semen Portland

Tahap I hidrolisis senyawa semen terjadi dengan cepat dengan kenaikan suhu beberapa derajat. Tahap II dikenal sebagai masa dormansi.Evolusi panas melambat secara dramatis dalam tahap ini.Periode dormansi dapat berlangsung dari satu sampai tiga jam. Selama periode ini, beton adalah dalam keadaan plastik yang memungkinkan beton yang akan diangkut dan ditempatkan tanpa kesulitan besar. Hal ini sangat penting untuk perdagangan konstruksi yang harus mengangkut beton untuk tempat kerja.Hal ini pada akhir tahap ini bahwa pengaturan awal dimulai.Pada tahap III dan IV, beton mulai mengeras dan evolusi panas meningkat terutama disebabkan oleh hidrasi trikalsium silikat.Tahap V tercapai setelah 36 jam. Pembentukan lambat dari produk hidrat terjadi dan terus asalkan air dan unhydrated silikat yang hadir.

Mengacu Demonstrasi 5 Kekuatan Beton
Kekuatan beton sangat tergantung pada reaksi hidrasi baru saja dibahas. Air memainkan peran penting, terutama jumlah yang digunakan.Kekuatan beton meningkat ketika air kurang digunakan untuk membuat beton.Reaksi hidrasi sendiri mengkonsumsi sejumlah tertentu air.Beton sebenarnya dicampur dengan lebih banyak air daripada yang dibutuhkan untuk reaksi hidrasi.Ini air ekstra ditambahkan untuk memberikan kemampuan kerja yang cukup nyata.Beton mengalir diinginkan untuk mencapai pengisian yang tepat dan komposisi bentuk . Air tidak dikonsumsi dalam reaksi hidrasi akan tetap dalam ruang pori mikro. Pori-pori membuat lemah beton karena kurangnya kekuatan pembentuk ikatan hidrat kalsium silikat. Beberapa pori-pori akan tetap tidak peduli seberapa baik beton telah dipadatkan.

Gambar 3: Skema gambar untuk menunjukkan hubungan antara rasio air / semen dan porositas.
Ruang kosong (porositas) ditentukan oleh air untuk semen rasio.Hubungan antara air untuk semen rasio dan kekuatan yang ditunjukkan dalam grafik yang berikut.

Gambar 4: Sebuah plot kekuatan beton sebagai fungsi dari air untuk semen rasio.
Air rendah untuk semen rasio mengarah ke kekuatan tinggi, tetapi workability rendah.Air yang tinggi untuk semen rasio mengarah ke kekuatan rendah, tapi workability yang baik.
Karakteristik fisik dari agregat adalah bentuk, tekstur, dan ukuran.Ini secara tidak langsung dapat mempengaruhi kekuatan karena mereka mempengaruhi workability beton. Jika agregat membuat tidak bisa dijalankan beton, kontraktor kemungkinan untuk menambahkan lebih banyak air yang akan melemahkan beton dengan meningkatkan air untuk semen rasio massa.
Waktu juga merupakan faktor penting dalam menentukan kekuatan beton.Beton mengeras seiring berjalannya waktu.Kenapa?Ingat hidrasi reaksi mendapatkan lebih lambat dan lebih lambat sebagai bentuk hidrat trikalsium silikat.Dibutuhkan banyak waktu (bahkan bertahun-tahun!)Untuk seluruh obligasi untuk membentuk yang menentukan kekuatan beton itu.Hal ini umum untuk menggunakan tes 28 hari untuk menentukan kekuatan relatif dari beton.
Kekuatan Beton juga dapat dipengaruhi oleh penambahan admixtures. Admixtures adalah zat selain bahan kunci atau bala yang ditambahkan selama proses pencampuran. Beberapa admixtures menambahkan fluiditas untuk beton sementara yang membutuhkan sedikit air yang akan digunakan. Sebuah contoh dari suatu campuran yang mempengaruhi kekuatan adalah superplasticizer.Hal ini membuat beton lebih dapat diterapkan atau cairan tanpa menambah kelebihan air. Sebuah daftar dari beberapa admixtures lain dan fungsi mereka diberikan di bawah ini. Perhatikan bahwa tidak semua admixtures meningkatkan kekuatan beton.Pemilihan dan penggunaan campuran yang didasarkan pada kebutuhan pengguna beton.

BEBERAPA admixtures DAN FUNGSI TYPE FUNGSI

AIR entraining     meningkatkan daya tahan, workability, mengurangi perdarahan , mengurangi masalah pembekuan / pencairan (deterjen khusus misalnya)
Superplasticizers     meningkatkan kekuatan dengan mengurangi air yang dibutuhkan untuk beton dapat dikerjakan (polimer khusus misalnya)
Perlambatan     penundaan waktu pengaturan, lebih kuat jangka panjang, offset suhu tinggi yang merugikan. cuaca (misalnya gula)
PERCEPATAN     kecepatan pengaturan waktu, kekuatan lebih awal, offset suhu rendah yang merugikan. cuaca (misalnya kalsium klorida)
MINERAL admixtures     meningkatkan workability, plastisitas, kekuatan (misalnya fly ash)
PIGMENT     menambahkan warna (misalnya oksida logam)

Tabel 2: Sebuah meja admixtures dan fungsi mereka.
Daya tahan merupakan masalah yang sangat penting dalam menggunakan beton untuk aplikasi tertentu.Beton menyediakan kinerja yang baik melalui kehidupan pelayanan struktur ketika beton dicampur dengan benar dan perawatan diambil dalam menyembuhkan itu.Beton yang baik dapat memiliki rentang hidup yang terbatas di bawah kondisi yang tepat.Air, meskipun penting untuk hidrasi beton dan pengerasan, juga dapat berperan dalam daya tahan menurun setelah struktur dibangun.Hal ini karena air dapat mengangkut bahan kimia berbahaya ke bagian beton yang mengarah ke berbagai bentuk kerusakan.Kerusakan tersebut pada akhirnya menambah biaya karena pemeliharaan dan perbaikan struktur beton.Kontraktor harus dapat memperhitungkan faktor lingkungan dan menghasilkan struktur beton tahan lama jika faktor-faktor yang dipertimbangkan saat membangun struktur beton.

Ringkasan
 
Beton di mana-mana. Luangkan waktu sejenak dan berpikir tentang semua beton bertemu Anda miliki dalam 24 jam terakhir. Semua struktur beton dibuat dari campuran semen dan air dengan agregat ditambahkan. Adalah penting untuk membedakan antara semen dan beton karena mereka tidak sama. Semen yang digunakan untuk membuat beton!

(Semen + air) + agregat beton = Semen dibuat dengan menggabungkan campuran batu kapur dan tanah liat dalam kiln di 1.450 [[cincin]] C. Produk merupakan campuran senyawa intim secara kolektif disebut klinker. Klinker ini ditumbuk halus ke dalam bentuk bubuk. Bahan baku yang digunakan untuk membuat semen adalah senyawa yang mengandung beberapa elemen bumi yang paling berlimpah, seperti kalsium, silikon, aluminium, oksigen, dan besi.
Kekuatan beton berhubungan dengan air untuk semen rasio massa dan kondisi menyembuhkan. Sebuah air yang tinggi untuk semen rasio massa menghasilkan beton mutu rendah. Hal ini disebabkan oleh peningkatan porositas (ruang antara partikel) yang dibuat dengan proses hidrasi. Beton Kebanyakan dibuat dengan air untuk semen rasio massa mulai 0,35-0,6.
Agregat adalah partikel padat yang terikat bersama-sama oleh pasta semen untuk membuat batu sintetis yang dikenal sebagai beton.Agregat bisa baik-baik saja, seperti pasir, atau kasar, seperti kerikil.Jumlah relatif dari setiap jenis dan ukuran dari setiap jenis agregat menentukan sifat fisik beton.

pasir + pasta semen mortar = mortar + kerikil = beton

Kadang-kadang bahan lainnya yang dimasukkan ke dalam batch beton untuk membuat karakteristik yang spesifik.Aditif ini disebut admixtures. Admixtures digunakan untuk: mengubah fluiditas (plastisitas) dari pasta semen, kenaikan (mempercepat) atau penurunan (retard) pengaturan waktu, meningkatkan kekuatan (baik lentur dan kompresi ), atau untuk memperpanjang umur struktur. Pembuatan beton adalah proses yang sangat kompleks yang melibatkan baik kimia dan perubahan fisik. Ini adalah bahan yang sangat penting dalam hidup kita.

BBMD