Semen modern mulai diteliti pada tahun 1756 oleh John Smeaton yaitu dengan mencampur batu kapur dengan lempung dan membakarnya sehingga menimbulkan sifat-sifat hidraulik pada semen. Semen jenis ini mulai diproduksi pada tahun 1800 dan selanjutnya menjadi cikal bakal semen portland. Semen portland sendiri telah dipatenkan oleh Joseph Aspdin pada 21 Oktober 1824. Pada awalnya semen portland hanya digunakan untuk pembuatan mortar dan selanjutnya dikembangan ke pembuatan beton.
Sehubungan dengan semangkin berkembangnya penggunaan semen untuk pembuatan beton, maka dibuatlah spesifikasi standar tentang semen. Negara Jerman telah membuat spesifikasi standar semen sejak tahun 1877, Inggris dengan British Standarnya sejak tahun 1904 dan Amerika serikat dengan ASTM sejak tahun 1904.
Pada awalnya penelitian tentang semen masih jarang dilakukan, namun sejak tahun 1921 di Inggris telah dibentuk suatu pusat penelitian semen yang terprogram. Beberapa ahli teknologi semen seperti Vicat, Le Chatelier, dan Michaelis merupakan pionir dalam mengukur sifat-sifat semen.
Definisi Semen
Semen hidraulik adalah semen yang mengeras apabila dicampur dengan air dan setelah mengeras tidak mengalami perubahan kimia jika dikenai air.Semen Portland adalah semen yang diperoleh dengan mencampur bahan-bahan yang mengandung kapur dan lempung, membakarnya pada temperatur yang mengakibatkan terbentuknya klinker dan kemudian menghaluskan klinker dengan gips sebagai bahan tambahan.
Pabrikasi Semen Portland
Material yang mengandung kapur (misalnya batu kapur), silika dan alumina (misalnya lempung) dihaluskan sampai menjadi bubuk kemudian dicampur dalam proporsi tertentu, dibakar pada temperatur ±1400ºC sehingga menjadi klinker, didinginkan dan dihaluskan serta gips ditambahkan sebesar ± 4 % berat.Pembuatan semen terdiri dari dua proses yaitu proses basah dan proses kering. Pada awalnya pembuatan semen dilakukan dengan proses basah karena dianggap lebih akurat dalam proses pencampuran bahan baku. Bahan baku dicampur dengan air sebesar 35-50 % dan kemudian dihaluskan. Namun sekarang hampir seluruhnya pabrik semen telah menggunakan proses kering karena pelaksanaannya lebih ekonomis.
Kimia Dasar Semen
Batu kapur dan tanah liat (lempung) mengandung komponen oksida-oksida utama sebagai berikut :- Silikat (SiO2) ditulis [S]
- Aluminat (Al2O3) ditulis [A]
- Kalsium Oksida (CaO) ditulis [C]
- Ferrit (Fe2O3) ditulis [F]
Senyawa C3S (trikalsium silikat) dan C2S (dikalsium silikat) merupakan bagian yang paling dominan dalam memberikan sifat semen, kedua senyawa ini menempati 70-80 % dari semen. Senyawa C3S berpengaruh besar terhadap pengerasan semen, terutama sebelum mencapai umur 14 hari. Senyawa C2S berpengaruh terhadap pengerasan semen setelah umur lebih dari 7 hari dan memberikan kekuatan akhir. Senyawa C2S juga membuat semen tahan terhadap serangan kimia, persentase C2S yang lebih tinggi menghasilkan proses pengerasan yang lambat.
Senyawa C3A (trikalsium aluminat) berhidrasi secara eksotermik dan sangat cepat, senyawa C3A menyebabkan panas hidrasi yang tinggi. Semen yang mengandung senyawa C3A yang lebih banyak akan kurang tahan terhadap serangan sulfat.
Senyawa C4AF (tetrakalsium aluminoferit) kurang begitu besar pengaruhnya terhadap perilaku semen.
Hidrasi Semen
Dengan adanya air, senyawa silikat dan aluminat membentuk produk hidrasi yang berupa mikrokristal dan kapur mati (padam) yang kemudian membentuk massa yang kuat dan keras. Kapur mati merupakan bagian yang lemah pada beton/mortar setelah mengeras oleh sebab itu pada proses pembuatan semen ditambahkan gips sebagai bahan additive.Reaksi Hidrasi
Untuk C3S
2 C3S + 6 H → C3 S2 H6 + 3 Ca (OH)2
Untuk C2S
2 C2S + 4 H → C3 S2 H6 + Ca (OH)2
Untuk C3A
C3A + 6 H → C3AH6
H = H2O
Panas Hidrasi
Reaksi senyawa semen dengan air bersifat eksotermik, yang artinya reaksi yang terjadi melepaskan sejumlah panas. Panas yang dilepaskan ini disebut panas hidrasi. Panas hidrasi adalah jumlah panas (dalam kalori) yang dikeluarkan per gram semen yang belum terhidrasi sampai terjadi hidrasi komplit.Dibutuhkan air sekitar 23 % dari berat semen untuk keperluan reaksi (proses hidrasi) dengan semen.
Untuk semen portland biasa, 1/2 dari panas total dikeluarkan antara 1-3 hari, 3/4 nya dalam 7 hari dan hampir 90 % dalam 6 bulan.
Studi dan pengontrolan pengecoran struktur beton terhadap panas hidrasi sangat penting karena akan dapat menimbulkan keretakan pada proses pengerasan. Berdasarkan penelitian yang dilakukan pada bagian dalam beton massa, maka temperatur puncaknya kira-kira 70 °C. Akibat penurunan suhu yang tidak sama pada bagian luar dan pada bagian dalam beton, dapat mengakibatkan retak pada struktur beton. Untuk mencegah agar tidak terjadi rerak maka dapat digunakan tipe semen yang menimbulkan panas hidrasi yang rendah atau digunakan bahan penambah yang sesuai.
Panas Hidrasi Senyawa Semen
Jenis Semen Portland
Jenis-jenis semen portland dapat diperoleh dengan mengadakan variasi-variasi dalam proporsi relatif dari komponen-komponen senyawa kimianya serta derajat kehalusan penggilingan bahan klinkernya.Sesuai dengan tujuan pemakaiannya semen portland dibagi menjadi 5 jenis
Jenis I
Semen portland untuk penggunaan umum yang tidak memerlukan persyaratan khusus seperti pada jenis lain. Semen jenis ini merupakan semen yang paling banyak digunakan yaitu 80-90 % dari produksi semen portlandJenis II
Semen portland yang dalam penggunaannya memerlukan ketahanan sulfat dan panas hidrasi sedang. Untuk mencegah serangan sulfat maka pada semen jenis ini, senyawa C3A harus dikurangi. Semen jenis ini biasanya digunakan pada bangunan-bangunan sebagai berikut:- Pelabuhan, bangunan-bangunan lepas pantai
- Pondasi atau basement dimana tanah/air tanah terkontaminasi oleh sulfat
- Bangunan-bangunan yang berhubungan dengan rawa
- Saluran-saluran air buangan/limbah
Jenis III
Semen portland yang dalam penggunaannya menuntut persyaratan kekuatan awal yang tinggi. Pada semen jenis ini kuat tekan pada umur 3 hari mendekati dengan umur 7 hari pada semen jenis I. Untuk mempercepat proses hidrasi maka semen jenis ini dibuat lebih halus dengan specific surface tidak kurang dari 2800 cm2/gr. Proporsi senyawa C3S dibuat lebih besar dan proporsi senyawa C2S lebih kecil. Semen jenis ini biasanya digunakan pada bangunan-bangunan sebagai berikut- Pembuatan beton pracetak
- Bangunan yang membutuhkan pembongkaran bekisting yang lebih cepat
- Perbaikan pavement (beton)
- Pembetonan di daerah cuaca dingin (salju)
Jenis IV
Semen portland yang dalam penggunaannya menuntut persyaratan panas hidrasi yang rendah. Retak yang terjadi setelah pengecoran beton massa membuat para ahli memikirkan jenis semen/cara yang sesuai untuk pengecoran beton massa. Untuk mengurangi panas hidrasi yang terjadi (penyebab retak), maka pada semen jenis ini senyawa C3S dan C3A dikurangi. Semen jenis ini mempunyai kuat tekan yang lebih rendah dari semen jenis I. Semen jenis ini biasanya digunakan pada bangunan-bangunan sebagai berikut:- Konstruksi Dam
- Basement
- Pembetonan pada daerah bercuaca panas
Jenis V
Semen portland yang dalam penggunaannya menuntut persyaratan yang sangat tahan terhadap sulfat. Penggunaan semen jenis ini sama dengan pada semen jenis II dengan kontaminasi sulfat yang lebih pekat.Pengujian Semen
Pengujian semen dapat dilakukan dengan dua katagori :Pengujian Lapangan
Umumnya dilakukan terhadap volume pekerjaan yang kecil, pengujian ini dilakukan dengan cara yang sederhana sebagai berikut:- Buka kantong semen, dan perhatikan dengan seksama apakah ada gumpalan-gumpalan pada semen tersebut.
- Ambil sedikit semen kemudian rasakan diantara dua jari tangan, semen akan terasa halus dan tidak seperti berpasir.
- Ambil segenggam semen kemudian taburkan di seember air, maka semen akan mengapung sementara lalu tenggelam.
Pengujian Laboratorium
1. Kehalusan Semen
Karena hidrasi dimulai dari permukaan partikel semen, maka luas permukaan total akan memberikan material yang tersedia untuk hidrasi. Laju hidrasi tergantung dari kehalusan partikel semen, untuk memperoleh pertumbuhan kekuatan yang cepat diperlukan kehalusan yang tinggi. Ukuran kehalusan semen diukur specific surface dengan satuan m2/kg atau cm2/gr. Specific surface diukur dengan alat Blaine Fineness Tester dengan metode air permeability. Kehalusan semen dengan alat Blaine untuk jenis I sampai V minimum 2800 cm2/gr. Ukuran kehalusan dapat juga dilakukan dengan saringan yaitu sisa diatas ayakan 0,09 mm maksimum 10 % berat untuk semen jenis I sampai V.2. Waktu Pengikatan Semen
Waktu pengikatan semen (setting time) adalah merupakan waktu perubahan dari keadaan cair menjadi keadaan kaku.Pengikatan awal yaitu kenaikan temperatur dengan cepat pada adukan, beton kehilangan plastisitas. Sedangkan pengikatan akhir adalah terjadinya temperatur puncak pada beton. Waktu pengikatan semen diukur dengan alat Vicat. Waktu pengikatan awal semen portland untuk jenis I sampai V minimum 45 menit. Sedangkan waktu pengikatan akhir maksimum 480 menit.