Sensitivity and Stability of Reinforced Cement Composites

     Komposit semen, seperti beton bertulang yang matriksnya terbuat dari campuran semen dengan penguat fiber baja modulus tinggi, merupakan material konstruksi yang paling banyak digunakan karena harganya yang ekonomis dan mampu kerjanya yang tinggi. Konsumsi dunia terhadap beton bertulang kini terus meningkat seiring dengan pesatnya perkembangan kebutuhan konstruksi. Oleh karena itu, peningkatan dan pengetahuan dasar tentang sifat mekanis dan daya tahan material berbasis beton bertulang menjadi penting untuk diketahui. Design dan prediksi kekuatan dari beton selama ini dilakukan berdasarkan kriteria kekuatannya yang didasari aturan stress-strain dan teori perpatahan.

     Walau begitu, konsep ini kebanyakan berlaku untuk beton tanpa penguat, mengingat formulasi dan pendekatan pasti sulit dilakukan terhadap beton bertulang karena sifat heterogen pada material ini yang pertumbuhan retaknya ditentukan oleh ketangguhan beton dan elastisitas baja penguat. Masalah ini juga diperparah oleh kehadiran bond-slip antara beton dan batang penguat.

    Selain itu, pengujian pada beton bertulang menunjukkan adanya pertumbuhan retak yang stabil. Dimana pertumbuhan progresif retak selalu diikuti oleh pertambahan beban, yang mengindikasi terjadinya insensitifitas patahan (fracture insensitivity). Berkurangnya beban pada beton bertulang sebagian besar dipengaruhi oleh kekuatan beton, dimana kekuatan beton sendiri dipengaruhi oleh jumlah baja dan dimensi batangan benda. Fracture insensitivity yang terjadi membuat baja bertulang tidak bisa dikarakterisasi menggunakan teori perpatahan untuk mengetahui sifat dan mekanisme perpatahannya, tapi menggunakan teori kekuatan.

     Namun, untuk beberapa situasi beton bertulang menunjukkan adanya sensitifitas patahan (fracture sensitivity atau notch sensitivity), yaitu kegagalan yang terjadi karena adanya propagasi retak. Seperti pada batangan dengan penguat sangat ringan dan yang terbuat dari beton kekuatan sangat tinggi. Untuk kondisi seperti ini, teori kekuatan juga gagal dalam memprediksi secara akurat mekanisme pertumbuhan retak di bawah level beban sub-kritis.

  Saat ukuran struktural bertambah, material bertambah getas dan kegagalan akhir lebih bisa dikarakterisasi dengan parameter mekanisme perpatahan. Saat ukuran struktural semakin kecil, pencapaian UTS menyebabkan kegagalan akhir. Sehingga, penggetasan terjadi dengan bertambahnya ukuran struktural benda. Beberapa penelitian telah menganalisa sifat retak dalam komposit beton bertulang, diantaranya yaitu: derajat kelicinan dari batangan baja karena sebuah retak, perpatahan shear, kriteria perpatahan campuran, dan pengaruh penguat terhadap energi perpatahan menghasilkan spesimens-DCB yang sangat besar dalam kondisi pre-stressed. Formulasi dari sensitivitas dan stabilitas perpatahan dalam komposit semen berpenguat dapat dijelaskan dengan laws of scale. Efek sensitifitas notch dalam pengujian perpatahan dari material dengan agregat dan berbagai ukuran retak terjadi karena koeksistensi dari dua mode kegagalan yang disebabkan oleh generalisasi tekanan dengan dimensi fisik berbeda, [] = [FL^-2] dan [K1] = [FL^-3/2], dan karena ukuran spesimen terbatas.

    Fracture sensitivity adalah fenomena biasa yang mudah temui di kehidupan sehari-hari. Contohnya pada isolasi dan kain perekat, yang merupakan material dengan fracture sensitivity tinggi. Dibutuhkan stress yang besar untuk merobeknya, tapi hanya butuh stress sangat kecil kalau ada takik awal walaupun sangat kecil ukurannya. Hal ini bisa terjadi karena rasio K_IC/ _u yang rendah, membuat material menjadi notc-sensitive walau pun dengan lebar benda sekecil isolasi sekali pun. Jika material memiliki rasio lebih besar, seperti beton atau paduan baja, situasi serupa bisa terjadi hanya saja dengan ukuran benda yang sangat besar, untuk menghasilkan nilai kegetasan yang serupa.

    Stabilitas dari proses perpatahan umumnya terjadi akibat beban kompresif atau redundancy dengan derajat terlalu besar. Elemen yang menyebabkan ini biasanya adalah fiber atau batangan penguat. Stabilitas dari proses perpatahan sebuah beton bertulang dan aliran plastis baja bergantung pada sifat mekanis dan geometri (scale) dari batangan balok. Sebuah beton bertulang yang diberi beban monotonik, lalu diberi beban berulang, memberi kecenderungan untuk bergetar dan efek hysteretic karena terjadinya perpatahan matriks beton dan yielding dari baja penguat. Stabilitas sebuah retak pada beton bertulang dibawah pengaruh beban fatik dipengaruhi oleh beberapa faktor berikut, antara lain rasio penguat, ukuran spesimen, grade beton, sifat perpatahan, dan perilaku on-tension-softening

Gambar 1. Cracked reinforced beam element

     Proses perpatahan pada beton bertulang akan menjadi stabil hanya saat batangan balok sudah cukup diperkuat atau saat luas penampang cukup besar dan retak cukup dalam. Stabilitas perpatahan bertambah apabila lebar balok dan luas permukaan baja penguat meningkat. Atau dengan kata lain, semakin berjarak penguat (reinforced) dalam sebuah panel (semakin besar area penguat tunggal), akan semakin stabil proses perpatahan yang terjadi dalam komposit beton bertulang.

     Jadi, kesalahan pertama yang harus dihindari pada komposit beton bertulang adalah mendesain dan menguji struktur dengan ukuran tertentu tanpa memperhatikan mode kegagalan paling berbahaya, yaitu perpatahan. Akan sangat baik apabila bisa menghindari instabilitas kegagalan dalam kasus struktur yang ramping. Kesalahan kedua untuk dihindari adalah percaya bahwa parameter perpatahan kritis tertentu bisa didapat dari spesimen dengan bentuk dan ukuran yang berbeda. Dengan kata lain, kita tidak bisa menganggap data hasil pengujian dari spesimen yang kecil, walaupun terbuat dari material yang sama, akan terjadi juga pada struktur benda berukuran besar. Karena dengan bertambahnya ukuran benda, kegetasan juga bertambah dan transisi dari kegagalan plastis (atau dari UTS) ke kegagalan karena pemisahan benda terjadi. Berdasarkan hal ini, maka dapat dipahami bahwa dengan bertambah besarnya ukuran maka kekuatan sebuah benda akan berkurang.