BAB II

STUDI LITERATUR BETON, SEMEN DAN POLIMER

2.1 Pengertian Beton

Istilah beton telah banyak digunkan sebagai bahan dasar yang keras dan biasa

digunakan untuk pondasi dalam dunia konstruksi bangunan. Dilain pihak kata beton juga dapat

disebut sebagai material campuran air yang mudah dibentuk sebelumnya dan mengeras

setelah didiamkan beberapa saat. Akan tetapi arti beton secara spesifik yaitu merupakan

campuran material terdiri dari medium partikel perekat dan kepingan partikel penyusun

material. Komponen utama dari beton adalah semen yang berperan sebagai bahan pengikat

beton. Pengikatan material tersebut disebabkan oleh adanya proses kimia antara air dengan

semen dan diikuti proses pengerasan semen. Panas akan dihasilkan pada saat terjadinya

pengikatan antara air dengan partikel semen, proses tersebut dikenal sebagai hidrasi semen.

Material selain semen dan air dalam teknik sipil disebut dengan Agregat yang berfungsi

sebagai bahan pengisi beton mayoritas. Karakteristik beton pada umumnya mempunyai

tegangan hancur tekan yang tinggi serta tegangan hancur tarik yang rendah.

2.2 Semen

2.2.1 Sejarah dan Perkembangan Semen Sebagai Material Utama Beton

Pada zaman batu (5600 BC) di daerah yugoslavia, orang sudah membuat lantai beton

dengan mencampurkan pasir, kerikil dan batu kapur merah (red lime). Orang-orang Mesir kuno

(2500 BC) membuat piramida di Gaza dengan menempelkan balok-balok batu dengan

menggunakan sejenis mortar . Mortar tersebut dibuat dengan membakar gypsum (Ca2SO4)

6

untuk mendapatkan bahan sejenis plester of paris. Pada 500 BC, orang-orang Yunani kuno

berhasil membuat mortar dari kapur yang di bakar.

Pada 200 AD, orang-orang Roma menemukan campuran purelime dan bahan

pozzolan (volcanic ash) yang bisa mengeras jika dicampur dengan air. Pada 1759 AD, John

Smeaton menemukan mortar yang terbuat dari camp uran batu kapur (Limestone) yang

dibakar bahan pozzolan. Batu kapur yang digunakan mempunyai kandungan bahan lempung

yang tinggi dan sering disebut sebagai hydraulic lime. Pada 1824 AD, Joseph Aspdin (Inggris)

memproduksi semen hidraulik pertama yang dapat mengeras jika dicampur dengan air.

Semen tersebut terbuat dari campuran batu kapur dan lempung yang dibakar. Pada 1914 AD,

fly ash (abu terbang) yang merupakan sisa pembakaran batu bara digunakan pertama kali

sebagai bahan pozzolan.

Pada masa saat ini, selama periode dua atau tiga tahun terakhir perkembangan

teknologi semen dan beton cukup cepat. Perkembangan teknologi semen ditandai dengan

adanya produksi semen selain tipe I, yaitu tipe II, III, IV, dan V. Selain itu juga dikembangkan

tipe lain seperti fly ash semen, semen portland pozzolan dan semen khusus untuk kekuatan

rendah yang diproduksi oleh pabrik semen.

Semen adalah material yang mengeras apabila dicampur dengan air dan setelah

mengeras tidak mengalami perubahan kimia jika dikenai air. Semen yang dikenal sekarang ini,

yang juga disebut sebagai semen portland, terbuat dari campuran kalsium, silika, alumina dan

oksida besi. Kalsium bisa didapat dari bahab-bahan berbasis kapur. Seperti batu kapur,

marmer, batu karang dan cangkang keong.

Sedangkan silika, alumina dan zat besi dapat ditemukan pada lempung dan batuan

serpih. Selain itu silika juga dapat dijumpai pada pasir, alumina pada bauksit, sedangkan

7

oksida besi didapat pada iron ore (biji besi). Proporsi dari zat-zat pencampuran tersebut

menentukan sifat-sifat dari semen yang dihasilkan.

2.2.2 Senyawa-senyawa Pembentuk Semen

Dari banyak senyawa yang ada pada semen hanya ada empat senyawa utama pada

Semen Portland terdiri atas C3S, C2S, C3A dan C4AF. Masing-masing senyawa tersebut

sebenarnya masih dalam senyawa oksida berdasarkan persamaan Bogue. (tabel 2.1)

Nama senyawa Komposisi Oksida Singkatan

Tricalcium Silicate 3CaO.SiO2 C3S

Dicalcium Silicate 2CaO.SiO2 C2S

Tricalcium Aluminate 3CaO.Al2O3 C3A

TetraCalcium 4CaO. Al2O3. C4AF Fe2O3

Aluminoferrite

CaO=C; SiO2=S; AI2O3=A Fe2O3=F; H2O=H.

Tabel 2.1 Senyawa Utama Semen Portland

Dari keempat senyawa utama semen, C3S dan C2S adalah senyawa yang paling

penting, yang merupakan sumber timbulnya kekuatan pasta semen yang telah berhidrasi.

Sedangkan C3A hanya memberi sumbangan yang kecil pada kekuatan kecuali pada umur dini.

Molekul C3A tetap diperlukan dalam fabrikasi semen karena memungkinkan terjadinya

kombinasi kapur (lime) dan silica. Selain itu juga C3A berfungsi sebagai penurun temperatur

dalam pembakaran klinker. Klinker adalah bahan dasar utama semen berupa molekul atau

senyawa kimia. Senyawa lainnya yang ada pada semen adalah C4AF. Moleku dari senyawa

C4AF jumlahnya sedikit dan tidak terlalu mempengaruhi perilaku semen, tapi hanya berperan

untuk mempercepat hidrasi senyawa silicate. Selain itu semen juga mengandung senyawa-

senyawa yang dapat menggangu kekuatan dari beton diantaranya disebut dengan senyawa

minor atau bahan alkali.

8

Nilai-nilai tipikal untuk kandungan oksida dalam semen dapat dilihat pada Tabel 2.2

Unsur Oksida Kandungan (%)

CaO SiO2

Al2O3

Fe2O3 MgO Alkalis SO3

60 – 67 17 – 25 3 – 8 0,5 – 6 0,1 – 4,0 0,2 – 1,3 1 – 3

Tabel 2.2 Kandungan Oksida dalam Semen Portland

Dengan adanya air, senyawa silikate dan aluminate membentuk produk hidrasi

(hydrate), yang kemudian membentuk massa yang sangat kuat dan keras yaitu pasta semen

yang telah mengeras.

Senyawa C3S berhidrasi lebih cepat daripada C2S. Bentuk reaksi hidrasi kedua senyawa ini

dapat dilihat pada persamaan-persamaan di bawah ini:

Untuk C3S :

2 C3S + 6H C3S 2H3 + 3Ca(OH)2

(100) (24) (75) (49)

Untuk C2S :

2 C2S + 4H C3S 2H3 + 3Ca(OH)2

(100) (21) (99) (22)

Angka dalam kurung menunjukan massa. Dari reaksi hidrasi diatas dapat dicatat

bahwa kedua senyawa silikat tersebut membutuhkan jumlah air yang hampir sama. Hasil dari

reaksi tersebut berupa senyawa calcium silicate hidrate yang merupakan hasil utama reaksi

9

hidrasi. Sedangkan Ca(OH)2 merupakan hasil sampingan dari reaksi yang pada dasarnya

bersifat porons dan reaktif terhadap beberapa unsur seperti sulfat.

Untuk reaksi C3A murni dengan air berlangsung sangat cepat dan akan

mengakibatkan flash set, yang biasanya dicegah dengan menambahkan gypsum pada klinker

semen. Bentuk reaksinnya dapat dilihat pada persamaan berikut :

C3A + 6H C3AH6

(100) (40) (140)

Dari reaksi diatas dapat dicatat bahwa jumlah air yang dibutuhkan jauh lebih besar

dibandingkan dengan yang dibutuhkan pada hidrasi silicate. Senyawa C3A tidak terlalu

memiliki peran terhadap kontribusi kuat tekan relatif kecuali pada usia awal pembentukan atau

curing.

2.2.3 Panas Hidrasi dan Kekuatan

Panas Hidrasi

Hidrasi senyawa semen bersifat eksotermal (mengeluarkan panas). Jumlah panas

(dalam Joule) per gram semen yang belum terhidrasi yang dikeluarkan sampai terjadi hidrasi

yang komplit pada temperatur tertentu, didefinisikan sebagai panas hidrasi. Temperatur

dimana hidrasi sangat mempengaruhi kecepatan pertumbuhan panas. Untuk Semen Portland

biasa, ½ dari panas total dikeluarkan antara 1 sampai 3 hari pertama, ¾ nya dalam waktu 7

hari dan hampir 90% dalam 1 bulan. Panas hidrasi tergantung dari komposisi kimiawi semen

dan besarnya kira-kira sama dengan jumlah panas hidrasi dari masing-masing senyawa

individual yang berhidrasi sendiri-sendiri (tabel 2.4). dengan mengurangi jumlah kandungan

senyawa C3A dan C3S, panas hidrasi laju pertumbuhan panas semen dapat dikurangi.

10

Senyawa Panas Hidrasi

(J/g) (Cal/g)

C3S 502 120

C2S 260 62

C3A 867 207

C4AF 419 100

Tabel 2.3 Panas Hidrasi Senyawa Murni

Tidak ada hubungan antara panas hidrasi dan sifat pengikatan (cementing properties)

dari senyawa-senyawa individual semen. Kekuatan semen yang telah terhidrasi tidak dapat

diramalkan atas dasar kekuatan masing-masing senyawanya.

Kehalusan Semen

Karena hidrasi dimulai pada partikel semen, maka luas permukaan total (total surface

araea) memberikan material yang tersedia untuk hidrasi. Oleh karena itu, laju hidrasi

tergantung dari kehalusan partikel semen dan untuk memperoleh pertumbuhan kekuatan yang

cepat diperlukan kehalusan yang tinggi. Baik B.S (British Standar) dan ASTM (American

Society for Testing and material) mensyratkan penentuan specific surface pada semen (dalam

m2/kg)

Beberapa istilah-istilah penting

Setting Time Pengakuan pasta semen, yaitu perubahan dari keadaan cair kepada

keadaan kaku. Setting diakibatkan oleh hidrasi C3S, disertai dengan

naiknya temperature.

Initial Set Kenaikan temperatur dengan cepat

Final Set Tercapainya temperatur puncak

11

Untuk penentuan initial set dan final set dapat dipergunakan alat Vicat.

Hubungan Initial dan Final setting adalah :

Final time (min) = 90+1.2 (Initial time(min)

Soundness : Pasta semen yang telah setting tidak boleh mengalami perubahan volume yang

besar. Expansi dapat terjadi akibat reaksi kapur yang bebas,magnesium dan

Calsium Sulphate. Semen yang mengalami expansi seperti ini diklasifikasikan

sebagai Unsound.

Kekuatan : Pengujian kekutan semen dapat dilakukan dengan menggunakan mortar

semen pasir. ASTM C 109-80 mensyaratkan pengujian tekan pada campuran

semen pasir dengan proporsi 1 : 2.75 dan rasio air – semen 0.485. Bentuk

benda uji berupa kubus berukuran 50 mm x 50 mm x 50 mm.

Karakteristik senyawa kimia utama semen berkaitan dengan panas hidrasi dan

sumbangan kekuatan dapat dilihat pada tabel 2.4

12

Sifat

Senyawa Kimia Utama

C3S (3CaOSiO2) C2S

(2CaOSiO2) C3A (3CaAI2O3)

C4AF (4CaOAI2O3Fe2O3)

Kecepatan reaksi dengan air

Sedang Lambat Cepat Sedang

Sumbangan terhadap kekuatan awal

Baik Jelek Baik Baik

Sumbangan terhadap Kekuatan Akhir

Baik Sangat baik Sedang Sedang

Panas Hidrasi Sedang Rendah Tinggi Sedang

Lain-lain Bersifat alkali (melindungi tulangan dari korosi)

Tabel 2.4 Karakteristik Panas Hidrasi dan Kekuatan Senyawa- Senyawa Kimia Utama

Semen

2.2.4 Jenis-jenis Semen

Ada berbagai jenis semen berdasarkan perbedaan komposisinya (ASTM C-150), yaitu :

a. Semen Tipe I (Semen biasa/normal)

1. Kandungan C3S 45-55%

13

2. Kandungan C3A 8-12%

3. Kehalusan → 350 – 400 m2/kg

b. Semen Tipe II (Semen panas sedang)

1. Kandungan C3S 40-45%

2. Kandungan C3A 5-7%

3. Kehalusan → 300 m2/kg

4. Ketahanan terhadap sulfat cukup baik

5. Panas hidrasi tidak tinggi

c. Semen Tipe III (Semen cepat mengeras)

1. Kandungan C3S >55%

2. Kandungan C3A >12%

3. Kehalusan → 500 m2/kg

4. Laju pengerasan awal tinggi

5. Untuk rasio air semen yang sama, penggunaan semen tipe III akan

menghasilkan kuat tekan 28 hari yang lebih rendah dibandingkan dengan

penggunaan semen tipe I

6. Tidak baik untuk beton mutu tinggi

14

d. Semen Tipe IV (Semen panas rendah)

1. Kandungan C3S maksimum 35%

2. Kandungan C3A maksimum 7%

3. Kandungan C2S 40-50%

4. Kehalusan butirnya lebih kasar dari tipe I

5. Digunakan bila menginginkan panas hidrasi yang rendah

e. Semen Tipe V (Semen tahan Sulfat)

1. Kandungan C3S 45-55%

2. Kandungan C3A <5% (tapi >4% untuk proteksi tulangan)

3. Kehalusan → 300 m2/kg

4. Panas hidrasi rendah

5. Ketahanan terhadap sulfat tinggi

6. Laju pengerasan rendah

2.2.5 Air Pencampur Semen

Kualitas air sangat penting karena ketidak murnian dalam air dapat mempengaruhi

atau menghambat proses setting semen,dapat menimbulkan efek negatif terhadap kekuatan

15

beton atau mengakibatkan noda-noda pada permukaan beton, dan dapat pula menimbulkan

korosi pada tulangan. Harus dibedakan antara air campuran dan air yang agresif terhadap

beton yang sudah mengeras. Beberapa jenis air yang agresif terhadap beton yang sudah

mengeras ada yang bersifat tidak merugikan atau malah menguntungkan jika digunakan

sebagai air pencampur.

Didalam banyak spesifikasi teknis, kualitas air pencampur biasanya disyaratkan

sebagai air yang dapat diminum. Air yang dapat diminium biasanya mengandung bagian solid

kurang dari 1000 ppm. Syarat ini sebenarnya tidak absolut; karena air minum tidak cocok

untuk digunakan sebagai air campuran apabila mengandung kadar sodium dan potasium yang

tinggi (umum dijumpai pada air tanah) sehingga dapat menimbulkan reaksi alkali-agregat.

Setiap air dengan pH (derajat kesamaan) antara 6.0 dan 8.0 dan rasanya tidak payau

dapat digunakan untuk air campuran beton. Air yang mengandung bahan organik (umum

dijumpai pada air permukaan) dapat menghambat proses pengerasan beton. Air laut

meningkatkan risiko perkaratan tulangan, khususnya di daerah trofika. Air laut dengan

kandungan garam ≤ 35.000 ppm dapat digunakan sebagai air pencampur untuk beton tanpa

tulangan.

Air yang mengandung jamur jika digunakan sebagai air pencampur dapat

meningkatkan jumlah udara dalam campuran, sehingga dapat menimbulkan efek negatif

terhadap kekuatan. Sebagai contoh, peningkatan kandungan jamur dari 0.09% menjadi 0.23%

ternyata meningkatkan kandungan udara sebesar 10.6%. hal ini dapat menyebabkan reduksi

kekuatan sebesar 50%.

16

Air yang mengandung minyak dalam jumlah besar dapat menghambat ‖setting time‖

dan mengurangi kekuatan beton.

Air yang cocok digunakan sebagai air campuran dapat digunakan sebagai air

pembersih concrete mixer.

Beberapa batasan/spesifikasi yang ada (B.S) untuk air pencampur :

1. Kandungan Klorida ≤ 500 ppm

2. Kandungan SO3 ≤ 1000 ppm

2.3 Polimer dan Polimerisasi

Polimerisasi merupakan proses pembentukan rantai dari monomer-monomer menjadi

molekul yang besar. Berdasarkan proses pembentukannya , polimerisasi dikolompokan

menjadi dua golongan yaitu polimerisasi adisi, kondensasi, sedangkan istilah kopolimer yaitu

proses penggabungan dua atau lebih suatu monomer yang berbeda bahkan penggabungan

dua untaian polimer.

2.3.1 Polimerisasi Adisi Radiakal Bebas

Polimerisasi adisi melibatkan reaksi rantai. Pembawa ranatai pada polimerisasi

adisidapat berupa spesi aktifyang mengandung satu elektron tidak berpasangan dikenal

sebagai radikal bebas. Polimerisasi adisi ini dibagi menjadi tiga tahap yaitu pemicuan,

perambatan dan pengakhiran. Seperti Polimer yang penting dihasilkan dari turunan etena

berbentuk CH2=CHX atau CH2=CHXY. Contoh proses pemicuan radikal bebas biasanya dari

penyinaran atau pemanasan ultra violet

17

Gambar 2.1 proses penguraian pemicu atau pembentukan radikal bebas (R– C*)

Dapat dinyatakan bahwa R* adalah molekul pembawa radikal bebas sehingga monomer

CH2=CHX yang bereaksi dengan R* akan kehilangan satu elektron dan menjadi monomer

radikal bebas, rangkaian reaksinya menjadi,

R* + CH2=CHX R – CH2 – C*HX

reaksi ini merupakan tahap perambatan sehingga rantainya sebagai berikut :

R – CH2 – C*HX + CH2=CHX R – CH2 – CHX – CH2 – C*HX, dan seterusnya

Dengan adanya radikal bebas monomer-monomer akan terus berikatan dan reaktif sampai

diakhiri dengan molekul atau polimer yang memiliki radikal bebas pula.

2.3.2 Polimerisasi Adisi Ionik

Pada polimerisasi ini memiliki molekul pembawa rantai dapat berupa ion karbonium

(polimerisasi kation) atau karbonion (anion). Pada polimerisasi kation monomer pembawa

rantai ialah ion karbonium . katalis untuk proses ionisasi monomer dapat merupakan asam

kuat dan katalis fridel crafts, seperti misalnya AlCl3, AlBr3, dan yang lainya. Berbeda dengan

polimerisasi radikal bebas berlangsung pada suhu tinggi, polimerisasi kation berlangsung pada

suhu yang rendah sampai pada suhu -100oC. Dapat dilihat contoh reaksi dari Adisi kation

18

sebagai berikut :

HA + H2C=CHX H3C – (CHX)+ + A- (1)

H3C – (CHX)+ + H2C=CHX H3C – CHX – CH2 – (CHX)+ dan seterusnya (2)

HA adalah molekul asam seperti asam klorida, asam sulfat dan asam kuat lainnya.

Pada proses pemicuan proton dari asam dialihkan ke monomer, sehingga menghasilkan ion

karbonium. Proses ini diakhiri dengan menambahkan lagi anion dari pemisahan asam

sebelimnya pada kasus diatas adalah A-.

Reaksi yang terjadi adalah pendonoran atom H terhadap monomer sehingga

monomer yang beraksi menjadi monomer ionik. Monomer yang menjadi ion ini akan

mendonorkan proton atau atom H. Reaksi rantai ini diakhiri dengan manambahkan anion dari

sisa katalis pada proses awal polimerisasi.

Pada polimerisasi anion monomer CH2=CHX adalah karbonion yang bertindak

sebagai pembawa rantai. Seperti pada polimerisasi kation reaksi penguntaian monomer

berlangsung pada suhu rendah. Sedangkan katalis yang digunakan meliputi logam alkali, alkil,

aril dan amida logam alkali. Misalnya pada kalium amida dalam amonia cair yang terionisasi

kuat sehingga sebagai anion pemicu. Anion amina ini akan mengionisasi monomer dari etena

yang mengakibatkan reaksi untaian yang terus menerus. Beda halnya seperti kation proses

akhir bukan dari sisa katalis kation pemicu, tapi dengan campuran sedikit air saja dapat

menon-aktifkan reaksi pengikatan monomer tersebut.

2.3.3 Polimerisasi Kondensasi

Berbeda dengan polimerisasi adisi yang sangat reaktif. Polimerisasi kondensasi

adalah polimerisasi yang disertai dengan pembentukan molekul kecil (H2O, NH3)menghasilkan

molekul yang besar. Pada polimerisasi ini terjadi antara molekul bergugus fungsi banyak.

19

Suatu molekul yang memiliki gugus fungsi akan mengalami pengikatan dengan molekul yang

bergugus fungsi juga. Apabila ditambahkan secara terus menerus maka menjadikannya

molekul berantai. Reaksi dari alkohol dengan suatu asam biasanya diikuti penyingkiran sedikit

air.

Contoh :

+ x H2O

Gambar 2.2 polimerisasi kondensasi

Reaksi ini akan berhenti bila salah satu molekul dari polimerisasi ini tidak memiliki

gugus fungsi yang direaksikan.

2.3.4 Kopolimerisasi

Kopolimer adalah suatu polimer yang dibuat dari dua atau lebih monomer yang

berlainan. Berikut ini adalah jenis jenis kopolimer yang terbentuk dari monomer pertama (A)

dan monomer ke dua (B).

Jenis kopolimer :

1. Kopolimer blok

Kopolimer blok mengandung blok dari satu monomer yang dihubungkan dengan blok

monomer yang lain. Kopolimer blok biasanya terbentuk melalui proses polimerisasi ionik.

Untuk polimer ini, dua sifat fisik yang khas yang dimiliki dua homopolimer tetap terjaga.

20

-A-A-A-A-A----------B-B-B-B-B-

Poli(A-b-B)

Gambar 2.3 Struktur kopolimer blok

2. Kopolimer graft (tempel/cangkok)

Kopolimer graft biasanya dibuat dengan mengikatkan bersama dua polimer yang

berbeda. Untuk contoh, homopolimer yang diturunkan dari monomer A dapat diinduksi

untuk bereaksi dengan homopolimer yang diturunkan dari monomer B untuk

menghasilkan kopolimer graft, yang ditunjukkan pada gambar berikut

Poli(A-g-B)

Gambar 2.4 Struktur kopolimer cangkok

Perkembangan selanjutnya ada yang berbentuk kopolimer sisir (comb copolymer) dan bintang

(star copolymer).

21

A Bm n

A A A A A A

B

B

B

B

B

B

B

B

B

(a)

(b)

Gambar 2.5 Struktur kopolimer (a) sisir, (b) bintang

3. Kopolimer bergantian (alternating)

Kopolimer yang teratur yang mengandung sequensial (deretan) bergantian dua unit

monomer. Polimerisasi olefin yang terjadi lewat mekanisme jenis ionik dapat menghasilkan

kopolimer jenis ini.

B BA A Poli(A-alt-B)

4. Kopolimer Acak

Dalam kopolimer acak, tidak ada sequensial yang teratur. Kopolimer acak sering

terbentuk jika jenis monomer olefin mengalami kopolimerisasi lewat proses jenis

radikal bebas. Sifat kopolimer acak sungguh berbeda dari homopolimernya.

AB BB BA A poli(A-co-B)

2.3.5 Struktur Polimer

Hasil dari polimerisasi yang berbeda akan menghasilkan struktur yabg bervariasi.

Molekul tersebut dapat berbentuk untaian lurus (linear), untaian bercabang, dan gabungan

dari polimer linear dengan polimer bercabang yang dikenal sebagai cross linking.

22

A

B

kopolimer sisir

AA

A

AA

A

B

AA

kopolimer bintang

Rantai utama linear

Gambar 2.6 Bentuk Polimer rantai

Rantai utama

(terdiri dari atom-atom skeletal)

Gambar 2.7 Struktur Polimer bercabang

Gambar 2.8 Struktur jaring (cross link)

2.3.6 Termosetting

Berdasarkan bentuk struktur yang dihasilkan oleh masing-masing polimerisasi akan

memiliki sifat yang berlainan. Respon polimer terhadap suhu berbeda beda mengikuti sifat

atau untaian ikatan rantai. Untuk untaian panjang lurus tentunya akan memiliki sifat yang

elastis dan kenyal. Polimer lurus pada saat dipanaskan akan mudah meleleh dan dapat

dibentuk kembali ketika didinginkan. Beda halnya dengan polimer yang berbentuk jaring,

polimer seperti ini memberikan sifat kaku dan keras karena memiliki banyak ikatan cabang.

23

Polimer ini juga stabil terhadap pemanasan sehingga tidak dapat dilunakan kembali yang

biasa disebut dengan termosetting. Proses pengikatan struktur polimer jaring biasa disebut

dengan cross linking. Sedangkan reaksi untuk membentuk cross linking biasa dikenal sebagai

curing

2.3.7 Cross linking

Proses terbentuknya struktur jaring bersilang atau cross linking memiliki dua cara

pembentukan yaitu :

1. polimerisasi kondensasi dengan memakai monomer bergugus fungsi lebih

dari dua.

2. Polimerisasi adisi yakni mereaksikan polimer linear atau bercabang dengan

penambah curring agent. Curiring agen adalah bahan tak stabil pembawa

struktur cross linking

Bentuk cross linking terjadi bila ada dua untaian polimer yang masih aktif merambat

saling mendekat. Sehingga salah satu molekul pembawa rantai mengikat polimer lainnya.

Telah didapatkan persamaan radiasi crosslinking dari polimer untaian cabang polimer

asetat yang telah diakui kebenarannyadiantara fraksi dan dosis radiasi :

(2.1)

Setiap polimer memiliki sifat yang bergantung pada struktur, berat molekul dan derajat

polimerisasi. Dimana parameter β merupakan fungsi dari struktur polimer dalam keadaan

transisi gelas juga harga tekanan atau stres mutlak dalam hubungan dosis sol. Karena

fleksibilitas cabang polimer bervariasi, sehingga mempelajari radiasi crosslinking sangat

24

penting untuk dipelajari. Parameter q0 adalah densitas dari crosslinking, p’0 merupakan porsi

konstanta crosslink tiap unit, U1 adalah inisial dari derajat rata-rata polimerisasi yang

berhubungan dengan berat molekul, dan R merupakan dosis radiasi crosslinking.

Polivinil etanol merupakan bahan dasar dari pembentukan polivini alkohol, dalam

kasus ini berat molekul rata-rata PVAL dan PVAc dilambangkan dengan M(PVAc) dan M(PVAL)

yang menentukan sifat viskositas

(2.2)

Dengan metodasakurada derajat cabang polimer diungkapkan dengan :

(2.3)

Pn = deajat polimerisasi.

Dan parameter β memiliki harga seperti berikut

(2.4)

2.3.8 Berat Molekul

Sifat mekanis maupun fisis polimer sangat dipengaruhi oleh penentuan berat molekul

yang berbanding lurus dengan derajat polimerisasi. Karena itu, perlu diketahui cara

menentukan massa molekul nisbi (Mr) polimer. Dua molekul polimer yang mengandung 100

ataupun 150 kesatuan berulang masih termasuk polimer poliklororetena (polivinil klorida atau

PVC). Jadi sampel suatu polimer sesungguhnya terdiri dari sebaran ukuran-ukuran molekul

dan tentunya sebaran massa molekul. Oleh karena itu, setiap penentuan massa molekul akan

menghasilkan harga rata-rata. Dua harga rata-rata yang penting bagi polimer ialah rata-rata

jumlah dan rata-rata bobot.

25

Batasan rata-rata jumlah, Mn, secara matematika adalah

<Mn> = ∑ NiMi (2.5)

∑ Ni

Ni ialah jumlah molekul dengan derajat polimerisasi (DP) = i, dan Mi ialah massa

molekul dari molekul dengan DP = i. Jika massa molekul ditentukan berdasarkan sifat koligatif,

misalnya tekanan osmotik, maka harga rata-rata jumlah, Mn, dapat diperoleh.

Batasan matematika bagi rata-rata bobot, Mw, ialah

<Mw> = ∑ wiMi (2.6)

∑ wi

wi ialah massa total semua molekul yang mempunyai DP = i dan M i ialah massa

molekul dari molekul dengan DP = i. Dengan perkataan lain, kita rata-ratakan massa molekul

menurut massa molekul tiap macam penyusun polimer. Harga <Mw> dapat diperoleh, misalnya

dengan cara penghamburan sinar-X. <Mw> lebih besar daripada <Mn>, dan keadaan ini selalu

terjadi untuk sampel polidispersi, yakni sampel polimer yang mengandung sebaran massa

molekul. Jika sampel polimer mengandung molekul-molekul yang sama, sehingga sampel

disebut monodispersi, maka Mn = Mw.

2.4 Polimer Polivinil Asetat

Polivinil asetat yang biasa disingkat PVA atau PVAc adalah suatu polimer karet

sintetis. Polivinil asetat dibuat dari monomernya, vinil asetat (vinyl acetate monomer, VAM).

Senyawa ini ditemukan di Jerman oleh Dr. Flitz Klatte pada 1912. Polimer ini merupakan zat

cair (Resin) tak berwarna yang bertitik leleh 72oC . Etenil etanoat dapat dipolimerkan dalam

larutan atau lebih sering disebut dengan polimerisasi emulsi. Masa molekul polietenil etanoat

26

atau polivinil asetat yang rendah menyebabkan polimer ini lunak dan lekat. Polimer ini biasa

digunakan dalam bahan perekat walaupun dalam jumlah yang besar digunakan dalam cat

emulsi berpelarut air. Hidrolisis sempurna atau sebagian dari senyawa ini akan menghasilkan

polivinil alkohol (PVOH). Rasio hasil hidrolisis ini berkisar antara 87% - 99%. PVA sering

dijadikan kopolimer bersama akrilat, digunakan pada kertas dan cat. Kopolimer ini disebut vinil

akrilat.

atau

Gambar 2.9 Rumus ikatan kimia Polivinil asetat

2.4.1 Cross-Linking Polivinl Asetat

Kelompok asetat dalam kumpulan polimer (CH3-CO=O) mengikat kelompok polimer

vinyl sehingga terbentuk polimer. Sementara reaksi pengikatannya melibatkan atom O dan H

berikut adalah contoh curing pada pembentukan cross linking PVAc :

Gambar 2.10 Cross linking PVAc

27

2.4.2 PVAc dalam Modifikasi Campuran Semen Mortar

Resin polivinil asetat atau Polyvinyl acetate sering juga digunakan sebagai bahan

mortar tambahan pada semen pembentukan beton. Mortar selalu mengandung silika dan akan

mengeras dan mengikat bila dicampur dengan air, sehingga disebut dengan soluble glass.

Resin polivinil asetat adalah bahan mortar latek karena polimer ini akan melapisi mortar seperti

semen yang biasa dipakai dalam konstruksi bangunan.

Pada kegunaannya polimer asetat sebagai bahan pelapis mikrostruktur untuk

melindungi bagian mortar terutama yang rentan terhadap serangan asam sulfur. Telah

dilakukan pengujian dan penelitian di Shantau University dengan mencampurkan bahan

mortar dan komposit polimer PVAc. Komposit beton tersebut direndam pada larutan asam

sulfur dalam air selama 28 hari. Berikut adalah komposisi campuran PVAc dengan mortar dan

hasil pengujiannya:

Gambar 2.11 massa yang hilang terhadap waktu

Massa yang hilang terbesar adalah komposit tanpa mortar-PVCa, tapi konsentrasi

polimer yang berlebihan juga akan menghasilkan partikel Ca(OH)2 terserang larutan sulfur

yang bersifat poron. Dengan konsentrasi yang efektif bahan mikrostruktur ini akan bekerja

secara efektif karena tidak menggagu ikatan mortar dengan molekul Ca(OH)2.

28

Kehilangan massa oleh serangan asam sulfur dikarenakan banyaknya pori atau porositas

yang bernilai tinggi. Sehingga dengan konsentrasi yang tepat juga akan berpengaruh terhadap

kekuatan mekanik suatu komposit beton.

2.5 Polimer Polivinil Alkohol

Polivinil alkohol pertama kali dibuat oleh Hermann dan Haelnel pada tahun 1924

dengan menghidrolisis polivinil asetat dalam larutan etanol dengan potassium hidroksida.

Polimer poli(etenol) ataupun polivinil alkohol diproduksi secara komersil dalam bentuk polivinil

asetat, dengan proses selanjutnya. Polimerisasi polivinil alkohol diantaranya yaitu dengan

reaksi alkoholisis dengan katalis larutan asam atau basa. Molekul asetat dihidrolisis oleh ester

yang ditempati oleh gugus alkohol dalam metanol yang mengandung kalium hidroksida atau

asam mineral. Sifat lain dari polimer ini yaitu pada pemanasan, poli(etanol) tersebut akan

mengendap, sementara untuk sifat secara fisika bergantung dari derajat polimerisasi.

Gambar 2.12 Ikatan kimia polivinil Alkohol

Gambar 2.13 Pembuatan polivinil alkohol dengan alkoholisis

29

Oleh karena gugus hidroksil kecil, ia dapat menyesuaikan diri dalam kisi polimer dan

menghasilkan polimer berkristal yang mempunyai konfigurasi seperti poli(etena).

Sebagaimana diharapkan dari struktur PVA, ikatan hidrogen terjadi antara gugus hidroksil dari

rantai yang berbeda. Polimer alkohol dapat larut dalam air karena memiliki gugus hidroksil,

tapi bahan ini diperlukan untuk memecah ikatan hidrogen antar rantai agar dapat larut.

2.5.1 Berat molekul PVA / PVAL

Berat molekul PVA sangat penting untuk memprediksi dari derajat kekuatan, besar

modulus, dan sifat fisis dari polimer tersebut. Pembentukan gel polivinil asetat sangat sukar

dilakukan karena massa molekul pengontrolan reaksi transfer dari molekul ini diawali dengan

polimerisasi vinil asetat seperti yang telah diterangkan sebelumnya. Massa molekul polimer

berbanding lurus dengan derajat polimerisasi. Sedangkan derajat polimerisasi (Pn ) terbesar

dari PVA telah ditemukan yaitu sekitar 9440. Di pasaran produk PVA yang ada memiliki derajat

polimerisasi tertinggi sekitar 2000, meskipun ada yang memiliki Pn = 6000. Telah dilakukan

pengembangan derajat polimerisasi telah sampai tahap polimer alkohol dengan orde 1x104 .

Metoda initiator-free photo polimerization yang menggunakan VAc pada temperatur

rendah (0oC) sehingga memperoleh PVA dengan berat molekul yang tinggi dari hidrolisis

PVAc. Dengan memakai metode yang lain pada polimerisasi VAc seperti misalnya terhadap

Vinil pivalat mencapai massa molekul dengan Pn=2x104. Bahkan dengan metode lainnya

proses polimerisasinya mencapai suhu terendah (-30oC). karena memiliki massa molekul yang

cukup tinggi, PVAL sangat cocok digunakan sebagai fiber, film untuk pervaporasi dan gel

30

misalnya untuk lensa cristalin buatan. Akan tetapi polimer dengan bentuk resin memiliki

massa molekul yang lebih rendah yang cocok sebagai bahan pelapis maupun perekat.

2.5.2 Sambung Silang Polimer Alkohol (Cross-Linking PVA)

Dimulai dengan molekul monomer vinil-alkohol yang berpolimerisasi dengan untaian rantai

bercabang akan memudahkan polimer melakukan proses cross-linking.

Gambar 2.14 Untaian polivinil alkohol

Saat dua atau lebih rantai polimer sedang berlangsung dan memiliki molekul

pembawa rantai yang masih aktif diantranya akan menyatukan kedua polimer tersebut

sehingga terjadi sambung silang. Sambung silang polimer vinil alkohol dapat dapat menglami

cross-linking dengan adanya objek molekul tambahan yang terpisah misalnya melarutkan

borak dalam air (Na2B4O7.10H2O). sebelumnya borak di ionisasi dan terpisah menjadi ion tetra

borat. Ion tersebut bereaksi dengan air secara hidrolisis menghasilkan asam borik dan ion OH -

B4O7-2(aq) + 7 H2O <—> 4 H3BO3(aq) + 2 OH-(aq)

Setelah asam borik bereaksi dalam air dengan fungsi waktu tertentu menghasilkan

anion borat. Anion ini akan menjadi perantara terjadinya sambung silang polivinil alkohol.

H3BO3(aq) + 2 H2O <— > B(OH)4-(aq) + H3O+(aq)

Ion B(OH)4- akan terbentuk seperti tetrahedron dengan empat rusuk dimana masing-masing

rusuknya seperti equilateral triangle. Dengan boron di tengah dan di tiap sudutnya adalah OH

31

ion tersebut akan mengikat polimer alkohol yang masih berpolimerisasi. Akan tetapi ikatan

cross-linking ini tidak terlalu kuat dan sangat rapuh yang akan mengubah struktur dalam

tekanan tertentu

Gambar 2.15 Contoh struktur ikatan sambung silang PVA dengan perantara Borak.

Hal yang terpenting dari proses ini adalah ikatan antara hidrogen dan oksigen yang

menggabungkan kedua polimer karena molekul air tersebut terpisah dan menghasilkan ikatan

hidrogen. Pada contoh kasus ini Borak merupakan curring agen yang lazim digunakan pada

crosslinking polivinil alkohol.

2.6 Polimer sebagai komponen beton

Dari sifat polimer yang telah diuraikan sebelumnya terutama memiliki daya rekat

(adhesivitas) yang tinggi, maka material ini dapat dijadikan sebagai bahan perekat beton.

Komposit beton-polimer yang paling kuat adalah memiliki polimer cement concrete (PCC).

32

Polimer dapat menjadi matriks dalam beton, bahkan dapat dijadikan mortar dengan modifikasi

tertentu. Pada polimer sebagai komponen PCC, proses pengerasan semen baik anorganik,

seperti partikel silika, maupun organik, yaitu reaksi dari polimer, menjadikan densitas beton

lebih tinggi. Hal tersebut disebabkan oleh sifat polimer yang selain dapat merekatkan juga bisa

mengisi pori-pori dari beton.

33