1. Produksi tradisional
Beton modern dimulai dengan pasir dan kerikil dengan ukuran berbeda, yang dicampur dengan adanya air dengan bahan pengikat besar semen Portland, yang mengikat semua agregat menjadi satu untuk membentuk bahan seperti batu. Semen Portland ditemukan oleh Joseph Asputin pada tahun 1824; itu dibuat dengan memanaskan dan menggiling mineral batu kapur dan tanah liat dan menambahkan sedikit gipsum. Belakangan diusulkan oleh putranya William Asputin pada tahun 1840-an. Beton biasa, terbuat dari semen Portland dan agregat, umumnya dianggap sebagai beton generasi pertama.
Namun beton jenis ini mempunyai kekuatan tarik dan daktilitas yang kurang sehingga mengakibatkan kegagalan struktur balok dan pelat. Hal ini menyebabkan munculnya beton generasi kedua, dimana tulangan baja dianggap sebagai solusi dari permasalahan tersebut. Joseph Monier dan Francois Coignet adalah pionir pertama perkuatan beton pada paruh kedua abad ke-19. Mereka memberikan banyak paten untuk memperkuat berbagai jenis struktur. Sejak saat itu, kombinasi baja dan beton menjadi bahan bangunan utama sepanjang abad ke-19 dan ke-20. Peningkatan kuat tekan beton selama abad ke-20. Kekuatan tekan pada paruh pertama abad ini berkisar antara 20 hingga 40MPa.
Setelah pertengahan{0}}abad ke-20, muncul tantangan untuk meningkatkan kekuatan guna memikul beban lebih besar dari struktur yang lebih canggih. Selama dekade ini, kuat tekannya melebihi 40 MPa. Hal ini dicapai dengan pemilihan agregat yang cermat, karena agregat yang lemah mungkin tidak cukup kuat untuk menahan beban berat, dan dengan mengurangi rasio air terhadap bahan pengikat. Rasio ini berbanding terbalik dengan kuat tekan. Penemuan bahan tambahan pengurang air mengurangi kadar air, memungkinkan para insinyur meningkatkan kekuatan tanpa mempengaruhi kemampuan kerja.
2. Beton modern generasi baru
(1) Prinsip dan definisi
Meskipun telah dilakukan perbaikan sebelumnya, masih terdapat kebutuhan untuk:
(a) Beton dengan kekuatan lebih tinggi;
(b) Mencegah ion klorida dan zat berbahaya lainnya masuk ke dalam larutan beton, yang dapat menyebabkan korosi pada batang besi dan buruknya daya tahan beton;
(c) Bahan alternatif yang dapat menggantikan semen Portland untuk mengurangi emisi karbon monoksida 2 yang dilepaskan ke atmosfer selama produksi semen.
Oleh karena itu, Ultra High Performance Concrete atau UHPC dikembangkan sebagai teknologi beton baru yang dapat memenuhi standar yang dipersyaratkan. Hal ini dikembangkan berdasarkan pemahaman bahwa mengurangi rasio air-semen saja tidak cukup untuk mencapai kinerja yang dibutuhkan. Selain itu, bahan pengisi yang dioptimalkan diperlukan untuk partikel halus dan ultrahalus; distribusi ukuran serta bentuk dan kualitas tekstur partikel-partikel ini harus dikontrol dengan cermat.
Perbedaan sistem pengisi antara UHPC dan beton tradisional. Kepadatan matriks UHPC bahkan lebih ditingkatkan. Hal ini memerlukan penghapusan agregat kasar dan distribusi partikel ultrahalus pada tingkat mikrostruktur untuk mengisi kekosongan di antara partikel yang lebih besar. Perbaikan pada sistem pengisi UHPC tentunya akan meningkatkan kekuatan beton UHPC, meningkatkan daya tahan dan kinerja secara keseluruhan.
Padahal, UHPC merupakan bentuk beton baru yang merupakan bahan bangunan komposit baru. Kekuatan tekan dan keuletannya yang tinggi dicapai dengan mengoptimalkan pengemasan partikel halus dan ultra-halus serta penambahan serat baja. Secara khusus, optimasi ini akan mendistribusikan semua partikel secara merata pada skala mikroskopis untuk mengemas ruang yang dikelilingi oleh partikel yang lebih besar. Dengan demikian, matriks padat dengan permeabilitas rendah dicapai untuk menghasilkan beton dengan sifat yang sangat baik.
UHPC memiliki definisi yang berbeda-beda. Beberapa peneliti mendefinisikan istilah tersebut berdasarkan komponen utamanya. Misalnya, Farzad dkk. mendefinisikan UHPC sebagai material berbahan dasar semen dengan distribusi komponen partikel yang ditingkatkan, rasio material air terhadap semen kurang dari 0,2, dan sebagian besar pembentukan serat internal. Mishra&Singh mendefinisikan UHPC sebagai jenis beton khusus yang terdiri dari campuran reaktif berbutir sangat halus (yaitu asap silika dan kuarsa halus), serat, dan superplasticizer namun memiliki kandungan pengikat lebih banyak dan rasio pengikat air terhadap ind yang rendah. Aimee & Shafiq mendefinisikan istilah ini sebagai campuran silika fume-semen yang diperkuat serat dan sangat mereduksi air dengan rasio air-semen (W/C) yang sangat rendah, yang ditandai dengan adanya pasir kuarsa yang sangat halus dengan diameter sebesar 0.15 hingga 0.60 mm, sedangkan Bukan agregat biasa. Ahmad dkk. (2{{20}}16) mendefinisikan UHPC menggunakan semen dengan kandungan tinggi, asap silika (0.1-1 um), dan superplasticizer serta pasir kuarsa yang sangat halus (0.{{21 }}.60 mm), bubuk kuarsa (kurang dari 10 um), dan Campuran diproduksi tanpa serat agregat kasar. Nematollahi dkk. mendefinisikan UHPC sebagai komposit berbahan dasar semen yang terdiri dari material halus dengan kurva gradasi yang dioptimalkan, serat baja mikro diskrit berkekuatan sangat tinggi, dan rasio air-semen yang sangat rendah, kurang dari 0,25. Peneliti lain mendefinisikan UHPC berdasarkan sifat mekanik dan daya tahannya yang unggul. Misalnya, Aroraa dkk. mendefinisikan UHPC sebagai material dengan struktur mikro multi skala yang dirancang untuk memiliki kuat tekan yang sangat tinggi, kuat lentur dan tarik yang tinggi, serta keuletan yang tinggi. Li, J. dkk. mendefinisikan istilah tersebut sebagai material komposit inovatif yang dapat menjadi kandidat potensial untuk struktur beton yang terpapar lingkungan korosif.
Berdasarkan definisi di atas, kami dapat mengusulkan definisi yang menggabungkan komponen utama dan sifat unggulan UHPC serta teknologi dasar di balik produksi UHPC. Oleh karena itu UHPC merupakan generasi baru bahan bangunan berbahan dasar semen dengan kekuatan tekan yang sangat tinggi, keuletan yang tinggi, dan keberlanjutan, berdasarkan: optimalisasi mikro agregat halus dan ultra-halus (asap silika dan pasir), penambahan bahan pereduksi air. digunakan untuk mengurangi rasio air-semen, dan serat baja berkekuatan tinggi digunakan untuk perkuatan.
(2) Komponen kontras sangat tinggi
Beton UHPC berkekuatan tinggi, ulet, dan berkelanjutan terdiri dari pasir berbutir halus, asap silika, air, bahan tambahan pengurang air, dan serat baja.
① Agregat halus
Agregat halus merupakan material komponen penting untuk kekuatan dan kemampuan proses UHPC. Ia menjaga kestabilan beton karena kemampuannya memikul beban yang lebih besar. Karena kelembamannya, ia juga tahan terhadap pelapukan. Ukuran partikelnya adalah yang terbesar di antara matriks UHPC, berkisar antara 150 μm hingga 600 μm. Bisa berupa pasir silika, pasir kuarsa, atau pasir alam.
Pasir silika mahal untuk UHPC. Pasir kuarsa, sebaliknya, tersedia, tetapi perlu waktu untuk menghancurkannya dari agregat kasar atau batuan alam. Sebaliknya, pasir alam dapat dengan mudah dan efektif digunakan sebagai agregat halus untuk UHPC. Misalnya, Provinsi Timur Arab Saudi memiliki bukit pasir halus.
② Semen Portland
Semen Portland biasa merupakan bahan pengikat utama dan bila dicampur dengan air akan terhidrasi dan menjadi padatan yang mengikat semua agregat pada beton UHPC. Hal ini terutama dihasilkan dari dua bahan baku dasar; batu kapur dan tanah liat. Setelah dihancurkan dan digiling, bahan-bahan ini dipanaskan dalam tungku pembakaran untuk menghasilkan klinker semen, yang selanjutnya digiling untuk menggiling sejumlah kecil gipsum menjadi bubuk halus. Isinya kira-kira dua kali (600-1000 kg/m) dari konten yang digunakan pada beton biasa, dengan diameter rata-rata 15 μm. Oleh karena itu, matriks ini dianggap sebagai ukuran partikel terbesar kedua di antara matriks UHPC. Karena proporsi air yang kecil, bagian semen yang tidak terhidrasi akan digunakan bersama agregat lain untuk optimalisasi pengemasan.
③ Bubuk silikon
Silica fume atau mikrosilika merupakan bahan sisa limbah dari asap tungku yang menghasilkan logam silikon dan paduan ferrosilikon. Diameter rata-rata partikel bulat bubuk silika adalah 0,15 μm, dan sebagian besar partikel berukuran kurang dari 1 μm. Oleh karena itu, mereka adalah partikel terkecil dalam matriks UHPC, 100 kali lebih kecil dari partikel semen. Inilah sebabnya mengapa ini dianggap sebagai pengisi yang sangat baik untuk mengisi kekosongan antara partikel yang lebih besar dalam matriks UHPC. Penggunaan bahan ultrafine ini menciptakan matriks padat yang meningkatkan sifat mekanik dan daya tahan beton.
Silica fume dapat digunakan dalam campuran UHPC dengan kisaran 150–250 kg/m3 (10-30% massa semen). Hubungan kuat tekan dengan kandungan silika fume pada beton UHPC. Beton dengan kekuatan setinggi 81MPa dapat diperoleh tanpa silika fume. Namun, dengan meningkatnya kandungan silika fume, kekuatan tekan meningkat dengan cepat. Salah satu kelemahan utama bahan ini adalah memerlukan lebih banyak air karena partikelnya yang sangat halus, namun dengan superplasticizer, kadar air yang sama dapat dipertahankan.
④ air
Air merupakan bahan penting untuk pembuatan UHPC. Air minum cocok dan biasanya digunakan untuk beton biasa. Jumlah air harus cukup untuk menyelesaikan proses hidrasi dan menjaga pengoperasian. Rasio air-semen minimum (w/c) untuk beton biasa adalah sekitar 0.4–0.5, termasuk air kemampuan kerja. Banyaknya air berbanding terbalik dengan kuat tekan, yaitu jika air bertambah maka kuat tekannya berkurang. Kelebihan air yang tidak digunakan untuk hidrasi menciptakan rongga pada campuran beton, yang meningkatkan permeabilitas dan mengurangi kekuatan beton.
Dalam teknologi UHPC, penggunaan bahan tambahan pengurang air berkualitas tinggi membantu menjaga kemampuan proses tanpa kelebihan air. Oleh karena itu, rasio w/c akan turun ke level optimal pada kisaran 0.14–0.22. Hal ini menghasilkan peningkatan kuat tekan dan meningkatkan semua sifat beton lainnya.
⑤ Bahan pereduksi air dalam jumlah besar
Karena kemampuan kerja campuran beton berkurang bila dicampur dengan kadar air rendah, bahan pereduksi air atau bahan pereduksi air efisiensi tinggi, seperti polikarboksilat, perlu ditambahkan ke beton UHPC selama proses pencampuran untuk meningkatkan kemampuan kerja. Mengenai pengaruh komposisi kimia sebaiknya berada pada kisaran 0.5-2.0%, seperti Courtial, dll. Namun seperti yang diungkapkan banyak peneliti, kandungan yang optimal adalah 1.5-2.4.
⑥ Serat baja
Beton tanpa tulangan rawan patah karena bersifat getas dan keretakan tidak dapat dihentikan. Oleh karena itu, serat baja digunakan untuk memperkuat matriks UHPC guna memberikan ketahanan yang lebih baik terhadap pembentukan retak, serta kekuatan tarik dan ketahanan patah yang lebih baik. Serat baja dicirikan oleh bentuk, panjang, diameter, volume, orientasi, dan kekuatannya.
