1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kayu memiliki sifat yang istimewa dan sampai saat ini belum tergantikan oleh

material lain. Material bangunan yang berasal dari kayu semakin langka untuk

mengatasi hal tersebut perlu dicari solusinya. Oleh karena itu untuk menciptakan

produk alternatif baru harus terus dilakukan.

Perkembangan material komposit di bidang rekayasa sangat pesat.

Pemanfaatannya sebagai bahan pengganti logam sudah semakin luas, seperti untuk

peralatan olah raga, sarana transportasi (darat, laut dan udara), konstruksi dan dunia

antariksa. Keuntungan penggunaan material komposit antara lain: tahan korosi, rasio

antara kekuatan dan densitasnya cukup tinggi, murah dan proses pembuatannya

mudah (Gay dkk, 2003).

Aren (Arenga Pinnata) merupakan tanaman serba guna. Tanaman palma daerah

tropis basah ini beradaptasi baik pada berbagai agroklimat, mulai dari dataran rendah

hingga 1.400 m di atas permukaan laut. Dalam industri pembuatan papan semen,

dibutuhkan material penguat yang mempunyai sifat kekuatan tinggi, elastis, diameter

serat seragam. Serat aren berbeda dengan serat kayu, serat aren bersifat elastis,

jaringan formasi tampak lebih homogen. Dalam hal ini serat aren memenuhi kriteria

tersebut (Astuti, 2006).

Saat ini sudah ada penelitian tentang komposit panel sebagai material pengganti

kayu, dan serat aren dapat digunakan sebagai material pengisi (filler) pada komposit

panel. Cement Bonded Particleboad (CBP) merupakan salah satu cara memproduksi

panel komposit yang memanfaatkan berbagai serat alam misalnya: bambu, sekam

padi, serta daun kering yang dibuat menjadi serpihan kecil dan disatukan dengan

menggunakan semen. Bambu dapat digunakan sebagai material pengisi pada

komposit semen, untuk aplikasi di perumahan dan ramah lingkungan (Sudin dkk,

2003).

2

Sifat mekanik dan fisik dari komposit semen yang diperkuat dengan serat

tergantung pada banyak para meter seperti densitas, perbandingan semen air,

kekuatan serat, serta material tambahan (Eva, 2008). Pemakaian semen dengan

jumlah yang lebih besar akan meningkatkan kekuatan komposit. Hal ini dikarenakan

semen dapat mengikat filler lebih banyak (Frybort dkk, 2008).

Penambahan 10% additive dari berat semen pada komposit semen serat akan

meningkatkan sifat mekaniknya. Jumlah semen yang sedikit akan mempengaruhi

kekuatan dari komposit tersebut karena semen tidak bisa mengikat serat lebih banyak

(Meneeis dkk, 2007).

Filler memberikan kemudahan dalam desain dimensi komposit yang diinginkan,

dan selain sebagai material pengisi, material serbuk atau serpih juga digunakan

sebagai material penguat komposit tetapi tidak seefektif fiber (Gibson, 1994).

Serat alam mampu meredam suara dan isolasi temperatur. Selain itu juga

memiliki densitas rendah dan kemampuan mekanik tinggi sehingga dapat memenuhi

kebutuhan industri (Felix dkk, 1991), (Karnani dkk, 1997) dan (Raharjo, 2002),

meskipun dapat menggantikan peran serat buatan tetapi jika ditinjau dari segi

kekuatan dan rekayasa serat alam masih tertinggal. Oleh karena itu, secara aplikatif

komposit serat alam dapat diterapkan pada struktur yang tidak memerlukan kekuatan

tinggi.

Aplikasi serat aren dalam bidang komposit dapat digunakan sebagai penguat

(filler) menggantikan serat kayu, sehingga akan menghemat supply tumbuhan/kayu

komersial. Dalam hal ini dimanfaatkan sebagai bahan penguat alternatif pada produk

komposit semen seperti: papan, atap, internit, ataupun struktur arsitektur.

Pada penelitian kali ini serat yang digunakan adalah serat batang aren hasil

limbah produksi tepung aren sebagai material pembuatan komposit dengan

pertimbangan bahwa serat mempunyai sifat elastis, diameter yang seragam, dan

relatif murah. Penelitian tentang komposit semen ini diharapkan akan melengkapi

kekurangan dari material yang sudah ada, sehingga jika penelitian ini berhasil, maka

akan didapatkan sifat komposit semen yang optimal.

3

1.2. Rumusan Masalah

a. Bagaimana sifat fisik (densitas dan serapan air) komposit yang dihasilkan,

untuk berbagai variasi fraksi berat serbuk serat aren ?

b. Bagaimana kekuatan bending komposit yang dihasilkan, untuk berbagai

variasi fraksi berat serbuk serat aren?

c. Bagaimana bentuk patahan semen pada komposit dengan SEM ?

1.3. Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut:

a. Penelitian ini hanya mengkaji sifat fisik komposit semen serbuk aren berupa

densitas, serapan air, dan sifat mekanik berupa kekuatan bending.

b. Serbuk serat aren mesh 80.

c. Fraksi berat semen 0,20; 0,22; 0,24 dan 0,26.

d. Material komposit dianggap homogen.

1.4. Tujuan Penelitian

a. Mengetahui pengaruh fraksi berat serbuk serat aren terhadap sifat fisik

(densitas dan serapan air) komposit semen serbuk serat aren.

b. Mengetahui pengaruh fraksi berat serbuk serat aren terhadap kekuatan bending

komposit semen serbuk serat aren.

c. Mengetahui bentuk patahan hasil pengujian bending.

1.5. Manfaat Penelitian

Manfaat dari kajian ini adalah

a. Memberi masukan bagi kalangan akademisi praktisi serta pihak terkait

mengenai seberapa besar pengaruh variasi fraksi berat serbuk serat aren

terhadap sifat fisik dan mekanik komposit semen serbuk serat aren.

b. Sebagai informasi yang penting bagi kalangan industri sebagai landasan bagi

terbentuknya industri yang bergerak dalam bidang komposit.

4

c. Hasil dari penelitian ini dapat digunakan sebagai salah satu bahan

pertimbangan untuk mengolah hasil limbah yang mudah didapatkan di sekitar

kita menjadi bahan yang memiliki kegunaan luas.

d. Sebagai literatur pada penelitian yang sejenis dalam rangka pengembangan

teknologi khususnya bidang komposit.

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

a. Bab I Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan

masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika

penulisan tugas akhir.

b. Bab II Dasar teori, berisi tinjauan pustaka serta kajian teoritis yang memuat

penelitian-penelitian sejenis serta landasan teori yang berkaitan dengan

permasalahan yang diteliti.

c. Bab III Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat

dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data.

d. Bab IV Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data

hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan.

e. Bab V Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran. Kesimpulan memuat

petanyaan singkat dan tepat yang dijabarkan dari hasil penelitian serta

merupakan jawaban dari tujuan penelitian dan pembuktian kebenaran hipotesis.

Saran memuat pengalaman dan pertimbangan penulis yang ditunjukkan kepada

para peneliti yang ingin melanjutkan atau mengembangkan penelitian yang

sejenis.

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Asyifa (2005) meneliti tentang komposit semen CaCl2 sekam padi. Hasil

penelitian menunjukan karakteristik penambahan fraksi berat sekam pada komposit

5

semen-sekam meningkatkan nilai modulus elastisitas bendingnya. Ikatan antarmuka

yang lemah antara matrik dan sekam pada komposit menyebabkan turunnya kekuatan

tarik dan kekuatan bending.

Peningkatan kandungan additive 10 % dari berat semen akan meningkatkan sifat

mekanik komposit tetapi dimensi menjadi tidak stabil. Perbandingan semen dan kayu

yang rendah menyebabkan kekuatan komposit rendah (Meneeis dkk, 2007).

Frybort (2008) menyimpulkan bahwa penambahan panjang serat alam yang

dikombinasikan dengan semen akan meningkatkan kekuatan mekanik dan

kekakuannya. Partikel serat yang tebal akan memiliki kekuatan mekanik yang lebih

tinggi dari pada pemakaian serat yang tipis.

Studi percobaan mengenai betuk retak dengan pembebanan bending dan tarik

pada komposit semen serat kontinyu yang dilakukan oleh (Silva, dkk 2009),

menyimpulkan bahwa daerah elastis memiliki modulus yang tinggi (30-34 GPa).

Retak berkurang secara signifikan terhadap elastisitas, kekuatan maksimum rata-rata

komposit 12 MPa untuk pembebanan tarik dan 25 MPa untuk pembebanan bending.

Penelitian oleh Guntekin (2009) yang menggunakan semen dan serat cemara

menyimpulkan bahwa peningkatan rasio serat dan semen pada kondisi basah akan

meningkatan kekuatan lentur, kekuatan tarik penurunan modulus elastisitasnya dan

terjadi perubahan warna pada komposit semen.

2.2. Dasar Teori

Struktur material dalam bidang engineering dapat dibagi menjadi empat kategori,

yaitu logam, polimer, keramik, dan komposit. Definisi tentang material komposit,

yang paling umum adalah: Komposit merupakan material gabungan yang dibuat

melalui penyusunan secara sintetik dua atau lebih komponen yaitu, suatu bahan

pengisi (filler) atau semacam senyawa penguat tertentu dan bahan pengikatnya (yang

umumnya ada dalam jumlah dominan/matrik), yang dinamakan resin untuk

mendapatkan karakteristik dan sifat-sifat tertentu (Schwartz, 1984).

Komposit merupakan bahan yang terdiri atas serat yang diselubungi oleh matrik,

biasanya berupa polimer, metal, atau keramik. Serat biasanya berupa bahan dengan

6

kekuatan dan modulus yang tinggi yang berperan sebagai penyandang beban utama.

Matrik harus menjaga serat tetap dalam lokasi dan orientasi yang dikehendaki. Matrik

juga berfungsi sebagai media transfer beban antar serat, pelindung serat dari

kerusakan sebelum, ketika dan setelah proses pembuatan komposit, serta melindungi

dari pengaruh abrasif antar serat (IPTN, 1993).

Komponen penyusun komposit tidak saling melarutkan ataupun bergabung satu

sama lain dengan sempurna, akan tetapi bertindak bersama-sama. Semua komponen

serta interfasa (yang memegang peranan penting dalam mengontrol sifat-sifat

komposit) yang berada diantaranya, umumnya dapat didefinisikan secara fisik. Sifat

komposit secara keseluruhan tidak bisa dicapai hanya dari tiap-tiap komponen yang

bertindak sendiri-sendiri (Schwardz, 1984).

Berdasarkan bentuk komponen strukturalnya, bentuk-bentuk komponen utama

yang digunakan dalam material komposit dapat dibagi atas tiga kelas (Schwartz,

1984), yaitu:

a. Komposit Serat

Komposit serat (Fibricus Composite) adalah komposit yang terdiri dari serat

dan matrik yang dibuat secara fabrikasi, misalnya serat ditambah resin sebagai

bahan perekat. Komposit serat merupakan jenis komposit yang hanya terdiri

dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguat berupa serat.

Serat yang digunakan bisa berupa glass fibers, carbon fibers, aramid fibers,

dan sebagainya. Serat ini disusun secara acak (Chopped Strand Mat) maupun

dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih komplek

seperti anyaman, sebagai contoh FRP (Fibrous Reinforce Plastic) plastik yang

diperkuat dengan serat dan banyak digunakan, yang sering disebut fiber glass,

contoh lainnya PCB (Pulp Cement Bord) semen yang diperkaya dengan serat

pulp dan dicetak dalam lembaran datar atau gelombang. PCB menggantikan

papan asbes dalam penggunaannya, karena asbes akan terhisap dan merugikan

kesehatan dengan menimbulkan gangguan kesehatan pada paru-paru.

b. Komposit Partikel

7

Komposit partikel (Particulate Composite) adalah komposit yang terdiri dari

partikel dan matrik yaitu butiran. Komposit partikel mempunyai bahan

penguat yang dimensinya kurang lebih sama, seperti bulat serpih, balok, serta

bentuk-bentuk lainnya yang memiliki sumbu hampir sama, yang kerap disebut

partikel, dan bisa terbuat dari satu atau lebih material yang dibenamkan dalam

suatu matriks dengan material yang berbeda. Partikelnya bisa logam atau

nonlogam, seperti halnya matrik. Adapula polimer yang mengandung partikel

yang hanya dimaksudkan untuk memperbesar volume material dan bukan

untuk kepentingan sebagai bahan penguat. Komposit ini biasa dinamakan

komposit skeletal/bermuatan.

c. Komposit Laminat.

Komposit laminat (Laminated Composite), merupakan jenis komposit yang

tersusun atas dua atau lebih lamina. Komposit serat dalam bentuk lamina ini

yang paling banyak digunakan dalam lingkup teknologi otomotif maupun

industri.

2.3. Komponen Penyusun Komposit

2.3.1. Semen (Matrik)

Polimer, logam, dan keramik digunakan sebagai material matrik dalam komposit

tergantung pada kebutuhan tertentu. Matrik di dalam komposit mengikat serat secara

bersama-sama dalam suatu unit struktural dan melindungi serat dari kerusakan

eksternal, mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat, dan pada beberapa kasus

memberikan sifat yang diinginkan seperti keuletan, ketangguhan, atau isolasi listrik

(Gibson, 1994).

Sebagai komponen utama pembentuk komposit, dalam melakukan pemilihan

terhadap matrik harus memperhatikan elongasi/batas mulur. Matrik yang digunakan

sebaiknya mempunyai elongasi yang lebih besar daripada elongasi serat. Sebagai

contoh jika elongasi yang dimiliki oleh serat 3%, maka matrik harus mempunyai

elongasi lebih dari 3%. Ikatan antarmuka yang kuat antara matrik dan serat sangat

diperlukan, oleh karena itu matrik harus mampu menghasilkan ikatan mekanis atau

8

kimia dengan serat. Matrik ini juga harus cocok secara kimia dengan serat, sehingga

reaksi yang tidak diinginkan tidak terjadi pada interface. Matrik dan serat sebaiknya

mempunyai sifat-sifat mekanis yang saling melengkapi diantara keduanya (Gibson,

1994).

Semen adalah hasil industri dari paduan bahan baku: batu kapur/gamping sebagai

bahan utama dan lempung/tanah liat atau bahan pengganti lainnya dengan hasil akhir

berupa padatan berbentuk bubuk, tanpa memandang proses pembuatannya, yang

mengeras atau membatu pada pencampuran dengan air. Batu kapur/gamping adalah

bahan alam yang mengandung senyawa kalsium oksida (CaO), sedangkan

lempung/tanah liat adalah bahan alam yang mengandung senyawa: silika oksida

(SiO2), aluminium oksida (Al2O3), besi oksida (Fe2O3) dan magnesium oksida

(MgO). Untuk menghasilkan semen, bahan baku tersebut dibakar sampai meleleh,

sebagian untuk membentuk clinkernya (kandungan senyawa silikat), yang kemudian

dihancurkan dan ditambah dengan gips dalam jumlah yang sesuai. Hasil akhir dari

proses produksi dikemas dalam kantong/sak dengan berat rata-rata 40 kg atau 50 kg

(Alighiri, 2007).

Semen Portland, merupakan salah satu jenis semen yang sering digunakan untuk

membuat bangunan. Dalam semen Portland, terdapat dua macam fasa yang penting,

yaitu beta dicalcium silikat (-Ca2SiO4) dan trikalsium silikat (Ca3SiO5). Adapun

fasa-fasa lainnya antara lain trikalsium aluminat (Ca3Al2O6)dan senyawaan ferit

(Ca3Al2Fe2O4) (West, 1984).

Keberadaan senyawa-senyawa silikat dan aluminat dalam semen menyebabkan

terjadinya reaksi dengan air jika semen dicampur dengan air, akibatnya terbentuk

suatu senyawa hidrat sebagai produk dari proses hidrasi yang selanjutnya akan terjadi

pengerasan massa. Reaksi hidrasi semen secara umum dapat dituliskan sebagai

berikut (Van Vlack, 1985):

Ca3Al2O6 + 6 H2O Ca3Al2(OH)12 + 200 J/g

Ca2SiO4 + x H2O Ca2SiO x H2O + 500 J/g

9

Ca3SiO5 + (x+1) H2O Ca2SiO4 x H2O + Ca(OH)2 + 865 J/g

Rasio air terhadap semen sangat mempengaruhi sifat-sifat semen. Pasta semen

memiliki volume tinggi yang konstan. Volume ini akan bertambah besar dengan

meningkatnya rasio air terhadap semen dalam campuran mula-mula. Suatu set semen

bersifat porus dan mengandung lubang-lubang air yang amat kecil (10-20 Angstrom)

maupun lubang-lubang dengan ukuran amat besar (1 mikrometer). Hubungan antar

kapiler-kapiler yang terdapat di dalamnya sangat mempengaruhi permeabilitas dan

vulnerabilitas semen. Adanya interkoneksi antar pori-pori kapiler tentunya harus

dihindari karena melemahkan kekuatan semen. Keadaan ini bisa tercapai apabila ada

waktu yang cukup bagi pasta semen untuk hidrasi. Untuk rasio air-semen sebesar 0,4

biasanya perlu waktu 3 hari, sedang untuk rasio air-semen 0,7 waktu yang diperlukan

sekitar 1 tahun (West, 1984).

2.3.2. Material Pengisi (Filler)

Komposit yang mengunakan semen memiliki beberapa kelemahan yaitu mudah

patah/rapuh dan memiliki kekutan tarik yang lemah. Untuk mengatasi kelamahan

yaitu dengan menambahkan serat sebagai filler atau pengisi dalam campuran semen.

Dengan penambahan serat alam pada komposit semen dapat meningkatkan kekuatan

tarik, keuletan dan ketangguhan. Karakteristik mekanik maupun fisik material

komposit semen dengan penguat serat alam tergantung pada beberapa faktor antara

lain: sifat matrik, perbandingan komposisi matrik dan material pengisinya, ukuran

serat, jenis serat dan penyebaran serat (Balaguru, 1992).

Secara umum struktur sel serat tumbuhan hampir sama atau mirip dimana

tersusun dari tiga komponen utama, yaitu selullose, hemiselullose, lignin ditambah

bahan-bahan lain. Serat yang berasal dari tanaman bersifat hydrophilic karena

komposisi utamanya adalah sellulose (Rowell dkk, 2000). Serat aren (Arenga

Pinnata) filler alam yang berasal dari proses pengolahan pati aren masih banyak

mengandung selullose (Fadilah dkk, 2009).

2.3.3. Air

Air dalam campuran komposit mempunyai fungsi memungkinkan terjadinya

reaksi kimiawi dengan semen yang menyebabkan pengikatan dan berlangsungnya

10

pengerasan, untuk bereaksi dengan semen. Air berfungsi untuk membasahi komposit

semen-sekam agar mudah dikerjakan (Tjokrodimuljo, 1996).

Air yang digunakan dalam pencampuran komposit harus bersih, tidak boleh

mengandung minyak, asam, alkali, garam-garam, zat organik, atau bahan-bahan lain

yang bersifat dapat merusak komposit. Air yang memenuhi persyaratan sebagai air

minum memenuhi syarat pula untuk bahan campuran komposit tetapi tidak berarti air

pencampuran komposit harus memenuhi standar persyaratan air minum. Air untuk

perawatan dapat dipakai juga untuk pengadukan tetapi harus yang tidak menimbulkan

noda atau endapan yang merusak warna permukaan hingga tidak sedap dipandang

(Tjokrodimuljo, 1996).

2.3.4. Additive (Admixtures)

Additive adalah bahan yang ditambahkan ke dalam adukan mortar/pasta sebelum

atau selama proses pengadukan untuk mengubah sifat dari mortar/pasta karena alasan

tertentu. Bahan tambahan berkisar pada bahan kimia sampai pada penggunaan bahan

buangan yang dianggap potensial (Susanto, 2009).

Additive yang digunakan dalam penelitian ini adalah kalsium klorida yang

merupakan senyawa garam yang mempunyai sifat larut dalam air dan mempunyai

sifat fisik seperti kristal garam dapur bewarna putih. Kalsium klorida dengan rumus

CaCl2 berbentuk kristal yang sangat higroskopis dan mudah larut dalam air dan

alkohol dengan dosis maksimal 2gr 1x dan 8gr per hari (Hachmi, 1990).

Kalsium klorida mempunyai sifat fisik antara lain:

a. Berupa kristal garam bewarna putih

b. Ukuran butir seperti garam dapur

c. Dapat dilarutkan dalam air

Sedangkan sifat kimia kalsium klorida diperoleh dari reaksi sebagai berikut:

Ca(OH)2 (aq) + 2HCl(aq) CaCl2 (s) + 2H2O(l)

Kemudian dalam air kalsium klorida akan mengion karena merupakan garam

elektrolit:

11

CaCl2 Ca2+ + 2Cl

Penambahan additive CaCl2 pada pasta semen mampu meningkatkan proses

hidrasi/pengerasan semen. Hal ini terjadi karena adanya faktor kecocokan antara

unsur-unsur kalsium yang terkandung dalam semen dan dalam additive CaCl2

(Hachmi, 1990).

2.4. Ikatan Komposit

Material komposit merupakan gabungan dari unsur-unsur yang berbeda. Hal itu

menyebabkan munculnya daerah perbatasan antara serat dan matrik seperti

ditampilkan pada Gambar 2.1. Daerah pencampuran antara serat dan matrik disebut

dengan daerah interphase (bonding agent), sedangkan batas pencampuran antara serat

dan matrik disebut interface ( George, 1995).

Ikatan antarmuka yang optimal antara matrik dan serat merupakan aspek yang

penting dalam penunjukan sifat-sifat mekanik komposit. Transfer beban/tegangan

diantara dua fase yang berbeda ditentukan oleh derajat adhesi. George dkk (1995)

mengungkapkan bahwa adhesi yang kuat diantara permukaan antara matrik dan serat

diperlukan untuk efektifnya perpindahan dan distribusi beban melalui ikatan

permukaan.

Gambar 2.1. Ikatan pada komposit (George, 1995)

2.5. Kualitas Komposit

Karakteristik komposit sangat dipengaruhi oleh (Gibson, 1994):

a. Jenis material penyusun komposit

b. Bentuk dan susunan struktural dari material penyusun komposit

c. Hubungan antar material penyusun komposit

12

Dari faktor utama di atas, secara nyata terlihat bahwa sifat individu yang dimiliki

oleh material penyusun sangatlah penting. Sifat ini sebagian besar akan menentukan

sifat-sifat dari produk komposit, meskipun hubungan dari material penyusun akan

menghasilkan sifat-sifat baru, dan sifat-sifat gabungan dari komposit ini berasal dari

sifat-sifat individu material penyusun itu sendiri (Gibson, 1994).

Karakteristik struktural dan geometrikal dari material penyusun juga memberikan

kontribusi yang penting pada sifat komposit. Bentuk dan ukuran, susunan struktur

dan distribusi, dan jumlah relatif dari material penyusun merupakan faktor utama

yang memberikan kontribusi pada kualitas komposit secara keseluruhan (Gibson,

1994).

2.5.1. Fraksi Berat Komposit

Jumlah kandungan serat atau material pengisi (filler) dalam komposit yang biasa

disebut fraksi volume atau fraksi berat merupakan hal yang menjadi perhatian khusus

pada komposit penguatan serat maupun komposit dengan material pengisi. Salah satu

elemen kunci dalam analisa mikromekanik komposit adalah karakteristikisasi dari

volume atau berat relatif dari material penyusun. Persamaan mikromekanik meliputi

fraksi volume dari material penyusun tetapi pengukuran secara aktual sering

berdasarkan pada fraksi berat (Gibson, 1994).

Fraksi berat adalah perbandingan antara berat material penyusun dengan berat

komposit. Fraksi berat material penyusun dapat dihitung dengan persamaan 2.1.

c

ii W

Ww = (2.1)

Dimana,

wi = fraksi berat material penyusun.

Wi = berat material penyusun (g).

Wc = berat komposit (g).

2.5.2. Densitas Komposit

13

Densitas suatu material merupakan perbandingan antara berat dan volume dari

material tersebut. Penentuan densitas komposit dapat dilakukan dengan beberapa

cara, antara lain (ASTM D 792):

1. Penimbangan

Penentuan densitas material komposit dengan penimbangan yaitu dengan

membandingkan berat material komposit itu di udara dengan berat material

komposit itu di air.

wa

awc WW

W

-=

.rr (2.2)

Dimana,

c : densitas komposit (g/cm3).

w : densitas air (g/cm3).

Wa : berat komposit di udara (g).

Ww : berat komposit di air (g).

Gambar 2.2. Sket konstruksi uji densitas komposit (ASTM D 792)

2. Dengan menggunakan gelas ukur.

Percobaan dengan gelas ukur dapat dilakukan dengan memasukkan benda

kedalam gelas ukur yang berisi air. Volumenya dapat diketahui dengan

menghitung selisih volume sesudah dan sebelum benda dimasukkan kedalam

air. Cara ini hasilnya kurang akurat, terutama disebabkan karena pembacaan

volume yang kurang teliti untuk volume yang kecil.

2.5.3. Serapan Air

Serapan air adalah persentase berat air yang mampu diserap oleh suatu material

jika direndam didalam air. Uji serap air selama 24 jam menentukan sifat dimensi

14

komposit terhadap serapan air (ASTM D 1037). Penentuan serapan air mengacu pada

standard ASTM D1037. Rumus menghitung serapan air

1. Thickness swelling (%) = [(Tw-Ti) / Ti] x 100 (2.3)

Tw = tebal setelah direndam (mm)

Ti = tebal pertama sebelum direndam (mm)

2. Water absorption (%) = [(Ww-Wi) / Wi] x 100 (2.4)

Ww = berat setelah direndam (g)

Wi = berat sebelum direndam (g)

2.5.3 Kekuatan Bending Komposit

Untuk mengetahui kekuatan bending komposit dilakukan pengujian bending

dengan mengacu pada standar ASTM D 1037. Pada uji bending, spesimen yang

berbentuk batang ditempatkan pada dua tumpuan lalu diterapkan beban di tengah

tumpuan tersebut dengan laju pembebanan konstan. Pembebanan ini disebut dengan

metode three-point bend (bending 3 titik), yang mana dapat dilihat pada gambar 2.3.

Kekuatan bending material komposit dapat diketahui dengan melakukan uji

bending pada material komposit tersebut. Pada pengujian bending, bagian atas

spesimen akan mengalami tekanan, dan bagian bawah akan mengalami tegangan

tarik. Pada pengujian bending akan didapatkan besarnya beban maksimum yang dapat

ditahan spesimen serta besarnya defleksi yang terjadi, dari data yang diperoleh dicari

besarnya nilai kekuatan bending tersebut (Krzysik dan Youngquist 1997).

Modulus of Raptur atau kekuatan bending dapat dihitung dengan menggunakan

rumus (ASTM D 1037) :

MOR = 22

3bdPL

(2.5)

Dimana,

MOR = modulus of rapture ( pembebanan dari tengah) (KPa)

P = beban bending maximum (N)

L = panjang span (mm)

b = lebar spesimen (mm)

d = tebal spesimen (mm)

15

L/2L/2

P

Gambar 2.3. Sketsa uji bending ( ASTM D 1037)

2.5.4. SEM (Scanning Electron Microscopy)

Pengamatan SEM (Scanning Electron Microscopy) dilakukan untuk merekam

patahan pada spesimen. Spesimen yang diamati adalah spesimen patahan hasil dari

pengujian bending.

BAB III

METODELOGI PENELITIAN

3.1. Pelaksanaan Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material Teknik Mesin Universitas

Sebelas Maret Surakarta pada bulan Agustus Desember 2009.

3.2. Bahan Penelitian

a. Serbuk aren mesh 80.

b. Semen Portland HOLCIM.

c. Calsium Chlorida (CaCl2).

d. Air destilasi.

3.3. Alat Penelitian

a. Dongkrak hidrolik.

b. Timbangan elektronik.

c. Crushing.

d. Mesh.

e. Moister wood meter.

16

f. Oven elektrik.

g. Perangkat cetakan.

h. Universal Testing Mechine.

3.4. Tahapan Penelitian

Penelitian ini dikategorikan sebagai penelitian eksperimental yang dilakukan

dengan uji laboratorium. Secara umum penelitian ini dibagi menjadi beberapa

tahapan sebagai berikut:

a. Mengumpulkan bahan baku pembuatan komposit yang meliputi serat aren,

semen Portland, CaCl2 dan air destilasi. Penelitian diawali dengan proses

pencucian dan pengeringan alami dengan sinar matahari. Setelah proses

pengeringan, limbah aren di-crushing (dihancurkan) lalu di saring dengan

ukuran mesh 80. Serbuk aren kemudian disimpan di dalam kantong plastik

tertutup yang didalamnya diisi dengan silica gel.

b. Proses pembuatan komposit

Komposit dibuat dengan mencampur semen, serbuk dan additive (CaCl2).

Jumlah serbuk yang terkandung dalam komposit (fraksi berat serbuk serat

aren) diatur dengan variasi 0,20; 0,22; 0,24 dan 0.26 berat. Pengepresan

dilakukan pada tekanan 88 kg / cm2 selama 10 menit.

c. Pengujian komposit.

Pengujian yang dilakukan pada spesimen komposit meliputi uji densitas,

serapan air, bending dan uji dengan scanning electron microscope untuk

permukaan patah.

3.5. Prosedur Penelitian

3.4.1. Pembuatan Komposit

Komposit yang dibuat mempunyai ukuran yang disesuakan dengan standar ASTM

D 792 dan ASTM D 1037 dengan variasi fraksi berat semen.

Adapun cara membuat komposit adalah sebagai berikut:

17

a. Menimbang fraksi berat serbuk serat aren, semen, air dan CaCl2 dengan

perbandingan komposisi 5 : 2 : 2 : 1.

b. Mencampur semen, serbuk serat aren, air dan CaCl2 sampai rata. Jumlah

serbuk yang terkandung dalam komposit (fraksi berat serbuk serat aren)

diatur dengan variasi 0,20; 0,22; 0,24 dan 0.26.

c. Memasukan campuran semen, serbuk serat aren, air dan CaCl2 kedalam

cetakan dan memberi tekanan pada komposit sebesar 88 kg/cm2 selama 10

menit.

d. Mengeluarkan komposit dari cetakan.

e. Mengeringkan komposit di tempat terbuka selama 7 hari, kemudian

mengeringkan komposit di dalam oven dengan temperatur 500 C selama 6

jam.

f. Mengukur kandungan air pada komposit menggunakan Moister Wood Meter

(10 15%) .

3.4.2. Pengujian Sifat Fisik (densitas, serapan air)

Langkah pengujian densitas komposit yaitu membandingkan berat komposit di

udara dan berat komposit didalam air (ASTM D 792). Langkah pengujian serapan air

pada komposit yaitu mengukur persentase dari ketebalan spesimen atau persentase

dari berat spesimen setelah dilakukan perendaman selama 24 jam (ASTM D 1037).

Bentuk dan ukuran benda uji disesuaikan dengan standar ASTM D 1037 (serapan

air).

Gambar 3.1. Dimensi spesimen serapan air (satuan dalam milimeter)

3.4.3. Pengujian Bending

18

Alat uji yang digunakan dalam penelitian ini adala tipe Universal Testing Machine

(UTM). Bentuk dan ukuran benda uji bending komposit disesuaikan dengan standar

ASTM D 1037.

50

6194

Gambar 3.2. Dimensi spesimen uji bending (satuan dalam milimeter)

3.6. Variasi Penelitian

Penelitian ini menggunakan variasi fraksi berat semen pada komposit seperti yang

terlihat pada tabel 3.1 berikut:

Tabel 3.1 Variasi penelitian

Pengujian No Fraksi Berat Serbuk Serat

Aren Bending Densitas Serapan

Air 1 0,20 5 5 5 2 0,22 5 5 5 3 0,24 5 5 5 5 0,26 5 5 5

Total spesimen 20 20 20 Prosedur penelitian yang dikemukakan diatas dapat dilihat pada diagram alir (Gambar

3.3.).

19

Gambar 3.3. Diagram alir penelitian BAB IV

DATA DAN ANALISA

MULAI

SERAT BATANG AREN DIKERINGKAN

PROSES PENGGILINGAN SERAT BATANG AREN

DIKERINGKAN

SERBUK AREN MESH 80

ADDITIVE CaCl2

MATRIK SEMEN PORTLAND

CETAK MANUAL SPESIMEN KOMPOSIT: 1. FRAKSI BERAT SEMEN : CACL2 :AIR = 5: 1: 2 2. VARIASI FRAKSI BERAT SERBUK SERAT AREN 0,20; 0,22; 0,24; 0,26 3. TEKANAN PENGEPRESAN 88 kg/ cm2 SELAMA 10 MENIT

SPESIMEN DIKERINGKAN SAMPAI DIDAPAT KANDUNGAN AIR 10 -15 %

ANALISA DATA

PENGOLAHAN DATA

KESIMPULAN

SELESAI

PENGUJIAN: 1. DENSITAS 2. SERAPAN AIR 3. BENDING 4. FOTO SEM

20

Dalam penelitian ini dilakukan beberapa pengujian untuk mengetahui sifat fisik

dan kekuatan bending komposit semen serbuk serat aren. Pengujian yang dilakukan

antara lain uji densitas, uji serapan air, dan uji kuat lentur/bending. Variasi yang

digunakan untuk uji sifat fisik dan kekuatan bending adalah fraksi berat serbuk serat

aren. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini antara lain nilai densitas, serapan air dan

kuat lentur/bending. Data data hasil pengujian tersebut kemudian dianalisa dan

dibahas untuk menghasilkan kesimpulan sesuai dengan tujuan penelitian.

4.1. Pengaruh Fraksi Berat Serbuk Serat Aren Terhadap Densitas Komposit

Gambar 4.1. Kurva pengaruh fraksi berat serbuk serat aren terhadap densitas komposit

Dari hasil perhitungan nilai densitas komposit semen serbuk aren dengan

kandungan serbuk aren 0,2 sebesar 1,57 g/cm3 dan nilai densitas komposit semen

serbuk aren dengan kandungan serbuk aren 0,26 sebesar 1,23 g/cm3. Hubungan antara

kandungan serbuk serat aren dengan densitas komposit semen serbuk aren

ditunjukkan pada kurva Gambar 4.1.

Nilai densitas komposit semen serbuk serat aren yang menurun disebabkan oleh

densitas filler lebih rendah dibandingkan densitas matrik. Peningkatan kandungan

serbuk serat aren akan diikuti dengan pengurangan jumlah kandungan semen, hal ini

mengakibatkan serbuk serat aren tidak tertutup baik oleh semen atau memiliki ikatan

21

yang kurang padat sehingga menyebabkan turunnya nilai densitas komposit semen

serbuk serat aren. Dari Gambar 4.1 dapat diketahui dengan peningkatan fraksi berat

serbuk aren, nilai densitas komposit semen serbuk serat aren yang dihasilkan semakin

menurun.

4.2. Pengaruh Fraksi Berat Serbuk Serat Aren Terhadap Serapan Air Komposit

Gambar 4.2. Kurva pengaruh fraksi berat serbuk serat aren terhadap serapan air komposit

Nilai pengujian serapan air komposit semen serbuk aren setelah perendaman di

dalam air selama 1.440 menit (24 jam) pada kandungan serbuk serat aren 0,26 sebesar

36,04 % dan kandungan serbuk serat aren 0,2 sebesar 21,16%. Peningkatan

kandungan serbuk serat aren membuat struktur komposit menjadi tidak begitu rapat

sehingga air mudah masuk kedalam struktur komposit.

Peningkatan kandungan serbuk serat aren akan diikuti dengan pengurangan

jumlah kandungan semen, dimana semakin sedikit kandungan semen dalam

komposit, semakin meningkat nilai kadar air pada komposit. Hal ini menunjukan

bahwa serbuk serat aren bersifat menyerap air. Dari Gambar 4.2 dapat diketahui

dengan peningkatan fraksi berat serbuk aren, nilai serapan air pada komposit semen

serbuk aren yang dihasilkan semakin meningkat.

4.3. Pengujian Bending

22

4.3.1. Pengaruh Fraksi Berat Serbuk Serat Aren Terhadap Kekuatan Bending

Komposit

Gambar 4.3. Kurva pengaruh fraksi berat serbuk serat aren terhadap kekuatan bending

komposit

Pengujian bending komposit dilakukan dengan menggunakan alat uji bending

UTM dengan metode bending tiga titik (Three Point Bending). Nilai kekuatan

bending dengan kandungan serbuk serat aren 0,2 sebesar 11,92 MPa dan kandungan

serbuk serat aren 0,26 sebesar 6,24 MPa.

Peningkatan kandungan serbuk serat aren dan berkurangnya jumlah kandungan

semen menyebabkan ikatan antarmuka yang terjadi antara matrik dan filler menjadi

lemah. Ikatan antara matrik dan filler yang lemah menyebabkan komposit tidak

mampu menerima pembebanan yang tinggi sehingga kekuatan bending komposit

semakin menurun seiring bertambahnya kandungan serbuk serat aren.

Proses hidrasi yang cukup mempengaruhi kenaikan kekuatan bending komposit.

Pada proses hidrasi interkoneksi antar pori-pori kapiler yang melemahkan kekuatan

semen dapat dihindari/berkurang. Keberadaan pori-pori kapiler yang semakin

berkurang akan mengurangi peluang terjadinya retakan awal yang akan berkembang

menjadi perpatahan. Berkurangnya peluang terjadinya perpatahan akan menghasilkan

nilai kekuatan bending yang tinggi dengan demikian semen mampu menerima beban

dengan kuat. Dari Gambar 4.3. menunjukan dengan peningkatan kandungan serbuk

23

aren nilai kekuatan bending komposit semen serbuk aren yang dihasilkan semakin

menurun.

4.3.2. Pengamatan Bentuk dan Permukaan Patah Uji Bending

a)

b)

Gambar 4.4. Bentuk permukaan patah uji bending komposit semen serbuk serat aren a) Wf = 0,26; b) Wf = 0,2

Komposit dengan kandungan serbuk serat aren 0,26 memiliki ikatan antara semen

dan serbuk serat aren yang kurang baik bila dibandingkan dengan komposit dengan

kandungan serbuk serat aren 0,2 (Gambar 4.4.b). Hal ini terlihat (Gambar 4.4.a) pada

bagian permukaan serat ada yang kotor dan ada bagian serat yang bersih. Bagian

permukaan serat yang kotor adalah bagian permukaan serat yang terikat oleh semen

dan bagian permukaan serat yang bersih adalah bagian permukaan yang tidak terikat

oleh semen. Gambar 4.4.b memperlihatkan komposit dengan kandungan serbuk aren

0,2 ikatan antara semen dengan serat memiliki ikatan yang lebih baik. Hal ini terlihat

dari bagian permukaan serat lebih banyak yang kotor.

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari hasil penelitian, dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu:

serat serat semen semen

24

1. Semakin meningkat kandungan serbuk serat aren maka nilai densitas dan

kekuatan bending komposit semen serbuk serat aren semakin menurun. Nilai

densitas komposit 1,57 g/cm3 pada kandungan serbuk serat aren 0,2 dan 1,23

g/cm3 pada kandungan serbuk serat aren 0,26. Nilai kekuatan bending komposit

11,92 MPa pada kandungan fraksi berat serbuk serat aren 0,2 dan 6,24 MPa pada

kandungan serbuk serat aren 0,26.

2. Nilai serapan air semakin meningkat seiring penambahan fraksi berat serbuk serat

aren. Nilai serapan air komposit 21,16 % pada kandungan fraksi berat serbuk

serat aren 0,2 dan 36,04 % pada kandungan serbuk serat aren 0,26.

3. Ikatan antarmuka antara serat dan matrik secara visual menunjukan adanya

kemampuan mengikat antara serat dan semen yang baik.

5.2. Saran

Untuk lebih mengembangkan pemanfaatan potensi serat aren (Arenga Pinnata)

sebagai bahan pengisi (filler) komposit polimer, maka penulis memberikan saran:

1. Dilakukan penelitian lebih lanjut dengan merubah matrik selain menggunakan

semen portland tipe I.

2. Dilakukan penelitian lebih lanjut tentang pengaruh fraksi berat semen terhadap

nilai konduktivitas listrik, ekspansi panas, dan sifat-sifat lainnya.

DAFTAR PUSTAKA

Alighiri D, semen, < http://id.wikipedia.org/wiki/Semen. 14 April 2007.

ASTM D792-98, standard test methods for density and specific gravity (relative

density) of plastics by displacement. American Society For Testing And

Material. Book of Standard. USA.

ASTM D1037-94a, Standard Test Method for Evaluating Properties of Wood-Based

Fiber and Particle Panel Materials. American Society For Testing And

Material. Book of Standard Vol 4.10 Wood. West Conshohocken, PA.

19428.

25

Astuti, A., 2006, Pengembangan Perintang Fisik (Physical Barrier), Lembaga

Penelitian-UNHAS

Asyifa, E.N., 2005, The Characteristic Tensile Strength and Bending Strength of

Composite Cement - Rice-Husk, Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik,

Universitas Sebelas Maret, Surakarta.

Balaguru, 2001, Fiber Reinforced Cement Composite, New You, Mcgraw-Hill Inc.

Fadilah, dkk, 2009, Pengaruh Penambahan Glukosa dan Ekstrak Yeast Terhadap

Biodelignifikasi Ampas Batang Aren, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas

Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta.

Felix, J.M., and Gatenholm, P., 1991, The Nature of Adhesion in Composites of

Modified Cellulosa Fibers and Polypropylene. Journal of Applied Polymer

Science, Vol. 42, pp. 609 620.

Frybort, S., Mauritz, R., Teischinger, A., and Muler, U., 2008, Cement Bonded

Composites-A Mechanical Review, Bio Resourcer 3(2), 602-626.

Gay, dkk, 2003, Composite Material, Desaign and Applications, Boca Raton: CRC

Press.

George, J., dkk, 1995, Short Pineapple-leaf Reinforced Low-DensityPolyethylene,

Journal of Applied Polymer Scienced, Vol. 57, pp. 843-854.

Gibson, R.F., 1994, Principles of Composites Material Mechanics, Mc Graw Hill

Book Co., Singapore, ed., p.p. 115-155.

Guntekin, E., and Sahin, H.T., 2009, Accelerated Weathering Performance of

Cement Bonded Fiberboard. Department of Forest Products Engineering,

32260 Isparta, Turkey.

Hachmi, M, Moslemi,A,A, and Campabell,A,G, 1990, A New Technologque to

Dassify The Compatibility of Wood With Cement, Wood Science and

Technology, 24, 345-354.

IPTN, 1993, Manual Specification Standard (MSS), Bandung

Karnani, R., 1997, Biofiber Reinforced Polypropylene Composites. Polymer

Engineering and Science, Vol. 37 No. 2, pp. 466 482.

26

Meneeis, C.H.S.D., Castro, V.G., and Souza, M.R., 2007, Production and Properties

of A Medium Density Wood-Cement Boards Produced with Oriented

Strands and Silica Fume, Maderas. Cienciay Tecnologa 9(2): 105-115.

Raharjo, W.W., 2002, Efek Kadar Air Pada Sifat Mekanik Komposit Unsaturated

Polyester yang diperkuat Serat Cantula, Usulan Penelitian untuk Thesis S

2, pp. 1 9.

Rowell, R.M., Han, J.S., Rowell, J.S., 2000, Characterization And Factor Effecting

Fiber Properties, Natural Polymers and Agrofiber Composites, Emrapa

instrumentaco Agropecuera 115-134, Brasil.

Silva, F.A., Mabhoser, B., and Filho, D.T., 2009, Cracking mechanisms in durable

sisal fiber reinforced cement composites. Elsevier Ltd.

Schwartz M.,H., 1984, Composite Materials Handbook, Mc Graw Hill, New York.

Susanto, 2009, Pengaruh Jenis Serat Limbah Produk Industri dan Agregat Daur

Ulang Pada Kinerja Kuat Lentur Beton, Perustakaan Fakultas Teknik-UNS.

Tjokrodimulyo, K., 1996, Teknologi Beton, Naviri, Yogyakarta

Van Vlack, Laurence H, 1985, Ilmu dan Teknologi Bahan (Alih bahasa: Sriati

Djaprie). Edisi kelima. Jakarta: Erlangga.

West, A.R., 1984, Solid State Chemistry and Its Application. New York: John Wiley

sons.