SEMEN PORTLAND ( Sebagai Bahan Perekat Hidrolis )

Semen Portland adalah bahan perekat hidrolis yaitu bahan perekat yang dapat mengeras bila bersenyawa dengan air dan berbentuk benda padat yang tidak larut dalam air. 

Semen hidrolis pada mulanya dibuat oleh Joseph Parker  th 1796 dengan membakar batu kapur argilasius yaitu batu kapur yg mengandung ± 20 % oksida silica, alumina dan besi.

Th 1824 Joseph Aspdin mempatenkan jenis semen yg dibuat dengan membakar batu kapur yang mengandung tanah liat dari pulau Portland di Dorset Inggris. Semen jenis inilah yang pertama membawa nama semen Portland. Tetapi dalam pembuatan semen ini pembakarannya tidak sampai berbentuk klinker (terak). 

Th 1845 Isaac Johnson menemukan semen modern dengan cara membakar batu kapur dan tanah liat sampai berbentuk terak, kemudian menggiling terak tersebut sampai halus. Pada waktu itu untuk membakar dipergunakan tungku tegak sederhana. 

Th 1895 Murry dan Seamen dari Amerika menemukan tungku putar modern yang dipergunakan untuk produksi semen sampai saat ini. 

Di Indonesia, pabrik semen pertama kali didirikan di Indarung Sumbar th 1911. Pada th 1955 pabrik semen Gresik mulai menggunakan tungku putar. Th. 1968 dibangun pabrik semen di Tonasa Ujung Pandang, Th 1970 di Cibinong, kemudian Baturaja, Andalas dan Kupang.
 

Bahan Baku semen portland 

Semen Portland dibentuk dari oksida-oksida utama yaitu : Kapur (CaO), Silika (SiO2), Alumina ( Al2O3), Besi (Fe2O3). Bahan baku untuk memperoleh oksida-oksida tersebut adalah :
1. Batu kapur kalsium (CaCO3), setelah mengalami proses pembakaran menghasilkan kapor oksida (CaO).
2. Tanah liat yang mengandung oksida Silika (SiO2), Alumina ( Al2O3), Besi (Fe2O3).

3. Pasir kuarsa atau batu silica untuk menambah kekurangan SiO2.
4  Pasir besi untuk menambah kekurangan Fe2O3.

Proses Pembuatan Semen  

Secara umum proses pembuatan semen adalah :
1. Penambangan bahan baku
2. Persiapan dan penyediaan bahan mentah/baku. Bahan baku hasil penambangan dipecah dengan mesin pemecah, digiling halus, dicampur merata dalam perbandingan tertentu yang telah dihitung sebelumnya dan
dilakukan di mesin pencampur. 

3. Pembakaran. Bahan baku dimasukkan ke dalam tungku  pembakaran dan dibakar sampai suhu 1450°C sehingga berbentuk terak.
4. Penggilingan Terak dan penambahan Gips. Terak yang sudah dingin (suhu ± 90°) digiling halus bersama-sama dengan gips.
5. Pengepakan. 

Dalam proses pembuatan semen ada dua macam proses, yaitu  : proses basah dan kering. 

PROSES BASAH, dilakukan bila bahan-bahan yang diolah dalam bentuk lunak seperti batu kapur yang bercampur lempung. Prosesnya adalah sebagai berikut :
1. Tanah liat dan air diaduk kemudian dibersikan di dalam bejana dipindahkan ke bejana lain dengan kadar air 35 – 50 %.
2. Batu kapur digiling di jaw dan roll crusher ditambah air kemudian diaduk dalam ballmill dengan kadar air 35 – 50 %.
3. Penambahan bahan-bahan koreksi bila dibutuhkan.
4. Semua bahan dicampur kemudian dimasukkan ke dalam tungku putar untuk dibakar, dimana pembakaran dilakukan secara bertahap yaitu : 

• Pengeringan, suhu ±120°C.
• Pemanasan pendahuluan, suhu 120°C-850°C. 
• Kalsinasi (penguraian kapur, kapur berubah susunan kimianya, karbondioksida keluar), 850°C 1100°C.
• Sintering (pelelehan), dimana pada suhu 1100°C-1450°C terjadi perpaduan diantara oksida-oksida tersebut sehingga membentuk senyawa kalsiumsilikat dan kalsiumaluminat pada terak/klinker semen. 
• Pendinginan terak, suhu 1450°C-1000°C.    

5. Setelah dibakar maka terbentuklah klinker yang masih panas kemudian dari tungku dipindahkan ke tempat penyimpanan.
6. Di tempat ini klinker dibiarkan mendingin sampai mencapai suhu < 90°C.
7. Setelah itu ditimbun sampai mencapai  suhu ruang.
8. Ditambahkan gips asli berbentuk kalsium sulfat hidrat (CaSO42H2O)  sebanyak ± 2  –  4 % kemudian digiling bersama-sama klinker dalam ballmill.
9. Diayak dengan ayakan 75 mikron atau lebih halus lagi untuk semen mengeras cepat.
10. Ditempatkan dalam silo-silo penyimpanan.
11. Dikemas dalam kantong 50 kg.
12. Didistribusikan

PROSES KERING, dilakukan jika bahan bakunya berupa batuan yang keras atau lebih keras daripada batuan yang diolah pada proses basah. Prosesnya dilakukan sebagai berikut :

1. Bahan baku dipecah menjadi butiran agak halus lalu dikeringkan dalam bejana-bejana pengering.
2. Bahan yang telah kering digiling halus menjadi tepung dan masing-masing bahan ini dipisahkan tersendiri, kemudian dicampur dalam perbandingan tertentu sesuai dengan perhitungan komposisi yang dikehendaki dan dicampur dalam mesin pencampur berputar.
3. Bahan berbentuk tepung ini dimasukkan dalam system pembakaran yang terdiri dari : 

• Dilakukan pemanasan pendahuluan pada alat Pemanas pendahuluanberbentuk “cyclone preheater”  atau yang lebih modern “suspension preheater”.
• Dilakukan kalsinasi pada alat kalsinator untuk menguraikan kapur
  menjadi kapur oksida pada suhu 900°C. 
• Dibakar pada tungku putar yang jauh lebih pendek dari tungku pada proses basah sampai terjadi leburan bahan menjadi terak/klinker semen.

4. Setelah dibakar maka terbentuklah klinker yang masih panas kemudian dari tungku dipindahkan ke tempat penyimpanan. 

5. Di tempat ini klinker dibiarkan mendingin sampai mencapai suhu < 90°C.
6. Setelah itu ditimbun sampai mencapai  suhu ruang.
7. Ditambahkan gips asli berbentuk kalsium sulfat hidrat (CaSO42H2O)  sebanyak ± 2  –  4 % kemudian digiling bersama-sama klinker dalam ballmill.
8. Diayak dengan ayakan 75 mikron atau lebih halus lagi untuk semen mengeras cepat.
9.  Ditempatkan dalam silo-silo penyimpanan.
10. Dikemas dalam kantong 50 kg.
11. Didistribusikan
  

Tungku Putar berbentuk silinder terbuat dari baja tebal pada bagian luarnya, sedangkan pada bagian dalam dilapisi batu tahan api. Tungku dipasang miring 2-5°sehingga massa dalam tungku dapat mengalir. Tungku ini ditempatkan pada landasan roll sehingga dapat berputar. Kecepatan putaran ½ rpm. Bahan bakar umumnya batu bara tua (antrasit) atau minyak bakar. 

Sifat Kimia Semen  

Susunan oksida yang membentuk semen terdiri dari :
o  CaO    60-67 %
o  SiO2    17-25 %
o  Al2O3   3-8 %
o  Fe2O3   0,5-6 %
o  MgO    0,1-4 %
o  Alkali(K2O + Na2O)  0,2 – 1,3 %
o  SO3      1-3 %

Setelah melalui proses pembakaran, oksida ini berubah menjadi senyawa-senyawa yang membentuk semen. Senyawa semen terdiri dari : 

a)  Trikalsium silikat 3 CaO SiO2 disingkat C3S
b)  Dikalsium silikat 2 CaO SiO2 disingkat C2S 
c)  Trikalsium aluminat3 CaO Al2O3 disingkat C3A
d)  Tetrakalsium alumino forit 4CaOAl2O3Fe2O3 disingkat C4AF. 

C3S dan C2S merupakan senyawa utama yang dapat mengakibatkan bersifat semen (perekat). Jumlah kedua senyawa ini 70  –  80 %. Semen Portland dengan kadar C3S yg lebih tinggi dari pada kadar C2S pada umumnya mempunyai sifat mengeras lebih cepat. 

C3A dan C4AF merupakan senyawa bawaan dari bahan dasarnya.  Kedua senyawa ini berfungsi sebagai pencair (fluk) pada waktu pembakaran sehingga pembentukan C2S dan C3S cukup dengan suhu 1300 - 1450°C.
 

Senyawa C3A tidak mempunyai sifat semen. Senyawa ini bila terkena air segera bereaksi dan mengeluarkan panas kemudian hancur. Kadar C3A dalam semen maksimum 18 %. Bila lebih, maka semen mempunyai sifat tidak kekal bentuknya (mengembang) akibat panas yang terlalu tinggi pada waktu pengerasannya. Selain itu senyawa ini juga dapat dipengaruhi oleh senyawa sulfat (SO3), sehingga semen menjadi tidak tahan sulfat. Untuk semen tahan sulfat, ASTM mensyaratkan kadar senyawa ini mak 3 %. 

Untuk memperendah C3A, maka dalam pembuatannya ditambahkan bijih besi sehingga senyawa C4AF menjadi tinggi. Senyawa ini tidak membahayakan bagi semen, tetapi bila jumlahnya terlalu banyak akan memperlambat pengerasan semen. 

Oksida atau senyawa lain yang tidak dikehendakai pada semen, yaitu :
1)  Magnesium Oksida (MgO). Kadar MgO dalam semen mak 5 %, bila lebih dari nilai ini menyebabkan semen bersifat tidak kekal bentuknya (berubah bentuknya) karena volumenya mengembang setelah pengerasan terjadi.Perubahan bentuk ini terjadi setelah beberapa lama (sekian bulan atau tahun. Hal ini disebabkan oleh terjadinya reaksi antara MgO dan air membentuk magnesium hidroksida yang disertai dengan membesarnya volume.  MgO + H2O  → Mg(OH)2 + kalori.
 

2)  Kapur bebas, yaitu kalsium oksida (CaO).  Ini merupakan kelebihan kapur di dalam susunan bahan baku, yang setelah proses pembakaran tidak ikut membentuk senyawa semen.  Kapur bebas yang tinggi (> 67 %) juga mengakibatkan bentuk yang tidak stabil pada semen setelah mengeras.      

CaO + H2O  → Ca(OH)2 + kalori.
 

3)  Alkali, yaitu Na2O dan K2O. Kadar alkali yang tinggi mempengaruhi kecepatan pengerasan semen. Bila dalam pembuatan beton dipakai batuan yang mengandung silica reaktif dan semennya mengandung alkali tinggi, maka akan terjadi reaksi kimia antara silica dan alkali membentuk senyawa alkali silikat yang higroskopis dan membesarnya volume dalam keadaan basah. Akibat reaksi ini mengakibatkan beton retak atau pecah. 

Pengaruh Air Terhadap PC  

• Jika air ditambahkan pada semen Portland, maka akan terbentuk jaringanserabut (gel) yang menyelubungi butir-butir semen yang lain. Di dalam gel ini terdapat :  air pembentuk gel yang jumlahnya tertentu dan air bebas yang jumlahnya tergantung  jumlah air pencampur pada PC. 
• Senyawa C3s dan C2S pada semen bila bertemu dengan air akan membentuk gel sebagai senyawa kalsium silikat hidrat yang menghasilkan kristal-kristal kapur dan senyawa hasil hidrasi C3A dan C4AF.
• Bila air pencampur PC terlalu banyak,  akibat adanya pengeringan maka air bebas yang terdapat di dalam gel akan cepat menguap sehingga gel menjadi porous : 

Gel menyusut  banyak : terjadi retakan

Kekuatan gel rapuh : daya rekat semen rendah.
 

Proses Hidrasi (Pengerasan Semen)  

Jika semen dicampur dengan air dan diaduk merata akan mengeras dan membentuk benda padat dan mempunyai kekuatan tertentu. Semen dapat mengeras, memberi daya rekat dan mempunyai kekuatan disebabkan oleh terjadinya suatu  proses hidrasi, yaitu proses bereaksinya senyawa semen dengan air membentuk senyawa hidrat. 

Dalam proses hidrasi, pembentukan senyawa hidrat yang dapat mengeras disertai dengan pelepasan panas (kalori). Ini disebut dengan panas hidrasi. 

Reaksi kimia yang terjadi selama proses hidrasi adalah sebagai berikut :
 

1.  3 CaO Al2O3 + 26H2O + 3CaSO4 2H2O→3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O + kalori (326 kal/gr)
Disingkat : C3A + 26 H + 3CSH2 → C3A 3CSH31 + kalori senyawa yang dihasilkan biasa disebut trisulfo aluminat atau trisulfat atau ettringate yang berperanan menghambat penegerasan/pengikatan semen.
 

2.  3 CaO Al2O3 + 2H2O →3CaO Al2O3 6H2O + kalori (207 kal/gr) Disingkat : C3A + 6 H  → C3A H6 + kalori 

3.  2 (3CaO SiO2  ) + 6H2O →3CaO 2SiO23H2O + 3 Ca(OH)2 + kalori (120 kal/gr) Disingkat : 2C3S + 6 H  → C3S2 H3 + 3 CH + kalori. Hasil reaksi kimia ke (2) dan ke (3) ini merupakan senyawa hidrat yang paling penting karena senyawa inilah yang betul-betul bersifat semen yang memberikan daya rekat dan kekuatan . Senyawa ini disebut Tobermorit.  

4.  2 (2CaO SiO2  ) + 4H2O →3CaO 2SiO23H2O + Ca(OH)2+ kalori (62 kal/gr) Disingkat : 2C2S + 4 H  → C3S2 H3 + CH + kalori 

5.  4 CaO Al2O2 Fe2O3 + 10H2O + 2Ca(OH)2→6CaO Al2O2 Fe2O3 12H2O + kalori (100 kal/gr) Disingkat : C4AF + 10 H + 2 CH → C6AF H12 + kalori 

Panas Hidrasi PC 

• Panas hidrasi adalah panas yang terjadi ketika PC bereaksi dengan air.Pengeluaran panas tersebut tergantung dari : susunan senyawa PC, kehalusan butiran PC dan kecepatan reaksi antara butiran PC dengan Air. 
• Urutan banyaknya panas yang dikeluarkan adalah : C3A, C3S, C4AF, C2S.

Sifat-Sifat Semen Portland  

Sifat-sifat semen Portland sangat dipengaruhi oleh susunan senyawa dan oksida-oksida lain yang merupakan pengotoran.  Untuk mengetahui sifat-sifat semen perlu dilakukan pengujian di laboratorium  berdasarkan standar yang ada. Standar yang paling  umum dianut di dunia adalah ASTM-C150, Standar british (BS-12), Standar Jerman (DIN). Untuk di Indonesia digunakan SII 0013-1977. 

Sifat Kimia Semen Portland 

• Di dalam tungku pada zona pembakaran (klinkering zone), urutan terbentuknya senyawa adalah :

1.  C4AF
2.  C3A
3.  C2S Alpha, C2S betha. C2S betha + C2S alpha + CaO bebas terbentuk klinker menjadi abu.
4.  C3S (suhu >1250°C. Banyaknya pembentukan C3S tergantung dari : banyaknya kapur, komposisi perbandingan dan suhu pembakaran tinggi dan stabil.
5.  Klinker (gabungan senyawa-senyawa). 

Jika senyawa-senyawa tersebut berhubungan dengan air, maka sifatnya adalah 

Sifat-sifat Senyawa Semen

Sifat-sifat Fisika semen Portland 

 
a.  Kehalusan Butir (Fineness) 

Kehalusan butir semen akan mempengaruhi proses hidrasi. Semakin halus butiran semen maka luas permukaan butir untuk suatu jumlah berat semen tertentu menjadi lebih besar sehingga jumlah air yang dibutuhkan juga banyak. Semakin halus butiran semen maka proses hidrasinya semakin cepat sehingga semen mempunyai kekuatan awal tinggi. Selain itu butiran semen yang halus akan mengurangi bleeding, tetapi semen cenderung terjadi penyusutan yang besar dan mempermudah terjadinya retak susut pada beton.
 

ASTM mensyaratkan tingkat kehalusan butiran semen adalah pada ayakan no. 200 butiran semen yang lolos sebesar lebih dari 78 %. Tingkat kehalusan semen diuji dengan alat Blaine.
 

b. Berat jenis dan berat isi  
Berat jenis semen berkisar antara 3,10  –  3,30 dengan berat jenis rata-rata sebesar 3,15. BJ semen penting untuk diketahui karena dengan mengetahui BJ semen akan dapat dilihat kualitas semen itu. Semen yang mempunyai BJ < 3,0 biasanya pembakarannya kurang sempurna atau tercampur dengan bahan lain atau sebagian semen telah mengeras, ini berarti kualitas semen turun. Berat isi gembur semen kurang lebih 1,1 kg/liter, sedang berat isi padat semen sebesar 1,5 kg/liter. Di dalam praktek biasanya digunakan berat isi rata-rata sebesar 1,25 kg/liter.
 

c. Waktu pengikatan  

Waktu ikat adalah waktu yang dibutuhkan semen untuk mengeras mulai semen bereaksi dengan air sampai pasta semen mengeras dan cukup kaku untuk menahan tekanan. Waktu ikat semen ada dua,  (1) waktu ikat awal (initial setting time), yaitu waktu dari pencampuran semen dengan air sampai pasta semen hilang sifat keplastisannya, (2) waktu ikat akhir (final setting time) yaitu waktu antara terbentuknya pasta semen sampai beton mengeras. Waktu ikat awal semen berkisar antara 1-2 jam tetapi tidak boleh kurang dari 1 jam atau lebih dari 8 jam. Waktu ikat awal semen sangat penting diketahui untuk mengontrol pekerjaan beton. Untuk tujuan-tujuan tertentu kadang-kadang dibutuhkan waktu initial setting time lebih dari 2 jam. Biasanya waktu yang lebih lama ini digunakan untuk pengangkutan beton (transportasi), penuangan, pemadatan dan finishing. Waktu ikatan semen akan lebih pendek apabila temperaturnya lebih dari 30°C. Waktu ikat ini sangat dipengaruhi oleh jumlah air dan lingkungan sekitarnya.
 

d. Kekekalan bentuk
kekekalan bentuk adalah sifat dari pasta semen yang telah mengeras, dimana bila pasta tersebut dibuat bentuk tertentu bentuk itu tidak berubah. Ketidakkekalan semen disebabkan oleh jumlah kapur bebas yang berlebihan dan magnesia yang terdapat pada semen. Kapur bebas yang terdapat di dalam adukan akan mengikat air dan menimbulkan gaya yang bersifat ekpansif. Alat yang digunakan untuk menguji sifat kekekalan semen adalah “Autoclave Expansion of Portland CemenT” (ASTM C-151).
 

e. Kekuatan semen
Kuat tekan semen sangat penting karena akan sangat berpengaruh terhadap kekuatan beton. Kuat tekan semen ini merupakan gambaran kemampuan semen dalam melakukan pengikatan (daya rekatnya) sebagai bahan pengikat. Kuat tekan semen diuji dengan cara membuat benda uji terdiri dari semen dan pasir silica dengan perbandingan tertentu dan dibuat kubus 5 x 5 x 5 cm. benda uji tersebut kemudian dilakukan perawatan (curing) dengan cara direndam dalam air. Setelah berumur 3, 7, 14 dan 28 hari benda uji diuji kuat tekannya.

f. Pengikatan awal palsu
 

Yaitu pengikatan awal semen yang terjadi kurang dari 60 menit, dimana setelah semen  dicampur dengan air segera nampak adonan menjadi kaku. Setelah pengikatan awal palsu ini berakhir, adonan dapat diaduk kembali. Pengikatan ini sifatnya hanya mengacau saja dan tidak mempengaruhi sifat semen yang lain. Pengikatan awal palsu terjadi karena  pengaruh gips yang terdapat pada semen tidak bekerja sebagaimana mestinya. Seharusnya fungsi gips pada semen adalah memperlambat pengikatan, tetapi karena gips yang terdapat dalam semen terurai maka gips ini justru mempercepat pengikatan awalnya.

Jenis-jenis semen portland 

 
Adanya perbedaan persentase senyawa kimia semen akan menyebabkan perbedaan sifat semen. Kandungan senyawa yang ada pada semen akan membentuk karakter dan jenis semen. Dilihat dari susunan senyawanya, semen portlan dibagi dalam 5 jenis, yaitu :
 

1)  Semen Type I, semen yang dalam penggunaannya tidak secara khusus (pemakaian secara umum).  Biasanya digunakan pada bangunan-bangunan umum yang tidak memerlukan persyaran khusus.
2)  Type II, mengandung kadar C3A < 8 %. Semen yang dalam penggunaannya memerlukan ketahanan terhadap sulfat dan panas hidrasi sedang. Semen ini digunakan untuk bangunan dan konstruksi beton yang selalu berhubungan dengan air kotor, air tanah atau utnuk podasi yang tertanam di dalam tanah yang garam sulfat dan saluran air limbah atau  bangunan yang berhubungan langsung dengan air rawa.
 

3)  Type III, memiliki kadar C3S dan C3A yang tinggi dan butirannya digiling sangat halus sehingga cepat mengalami proses hidrasi. Semen portland yang dalam penggunaannya memerlukan kekuatan awal yang tinggi dalam fase setelah pengikatan terjadi. Biasanya digunakan pada bangunan-bangunan di daerah yang bertemperatur rendah (musim dingin).
 

4)  Type IV,  kadar C3S maksimum 35 % dan C3A maksimum 5 %. Semen portland  yang dalam penggunaannya memerlukan panas  hidrasi  rendah. Digunakan pada pekerjaan beton dalam volume besar (beton massa) dan masif, misalnya bendungan, pondasi berukuran besar dll.
 

5)  Type V, semen portland yang dalam penggunaannya memerlukan ketahanan yang tinggi terhadap sulfat.  Biasanya digunakan  pada bangunan-bangunan yang selalu berhubungan dengan air laut, saluran limbah industri, bangunan yang terpengaruh oleh uap kimia dan gas agresif serta untuk pondasi yang berhubungan dengan air tanah yang mengandung sulfat tinggi.