Pozzolana atau pozzuolana(/ˌpɒts(w)əˈlɑːnə/ POT-s(w)ə-LAH-nə, bahasa Italia: [potts(w)oˈlaːna]), juga dikenal sebagai abu pozzolan(bahasa Latin: pulvis puteolanus), adalah bahan silikat atau silikat-aluminus alami yang bereaksi dengan kalsium hidroksida dengan adanya air pada suhu kamar (lih. reaksi pozzolanik). Dalam reaksi ini terbentuk senyawa kalsium silikat hidrat dan kalsium aluminat hidrat yang tidak larut yang memiliki sifat sementit. Sebutan pozzolana berasal dari salah satu endapan utama abu vulkanik yang digunakan oleh bangsa Romawi di Italia, di Pozzuoli. Definisi modern dari pozzolana mencakup semua material vulkanik( batu apung atau abu vulkanik), yang sebagian besar terdiri dari kaca vulkanik halus, yang digunakan sebagai pozzolan. Perhatikan perbedaannya dengan istilah pozzolan, yang tidak memiliki kaitan dengan asal material tertentu, berbeda dengan pozzolana, yang hanya dapat digunakan untuk pozzolan yang berasal dari gunung berapi, yang terutama terdiri dari kaca vulkanik.

Penggunaan historis
Pozzolana seperti tanah Santorin digunakan di Mediterania Timur sejak 500-400 SM. Meskipun dipelopori oleh bangsa Yunani kuno, bangsa Romawilah yang pada akhirnya sepenuhnya mengembangkan potensi pasta kapur-pozzolan sebagai fase pengikat pada beton Romawi yang digunakan untuk bangunan dan konstruksi bawah air. Vitruvius berbicara tentang empat jenis pozzolana: hitam, putih, abu-abu, dan merah, yang semuanya dapat ditemukan di daerah vulkanik Italia, seperti Napoli. Biasanya, pozzolana dicampur dua banding satu dengan kapur sebelum dicampur dengan air. Pelabuhan Romawi di Cosa dibangun dari beton pozzolana-kapur yang dituangkan di bawah air, tampaknya menggunakan tabung panjang untuk meletakkannya dengan hati-hati tanpa membiarkan air laut bercampur dengannya. Ketiga dermaga tersebut masih terlihat sampai sekarang, dengan bagian bawah air yang secara umum berada dalam kondisi yang sangat baik bahkan setelah lebih dari 2.100 tahun.

Geokimia dan mineralogi
Komponen utama yang aktif secara pozzolanik dari batu apung dan abu vulkanik adalah kaca yang sangat berpori. Sifat abu dan batu apung yang mudah berubah, atau sangat reaktif, membatasi kemunculannya sebagian besar di daerah vulkanik yang baru saja aktif. Sebagian besar pozzolan alami yang digunakan secara tradisional termasuk dalam kelompok ini, yaitu batu apung vulkanik dari Pozzuoli, tanah Santorin, dan bagian yang tidak koheren dari trass Jerman.

Komposisi kimia dari pozzolana bervariasi dan mencerminkan jenis vulkanisme regional. SiO2 menjadi komponen kimia utama, sebagian besar batu apung dan abu yang tidak berubah termasuk dalam kisaran komposisi menengah (52-66 wt% SiO2) hingga asam (>66 wt% SiO2) untuk jenis batuan gelas yang diuraikan oleh IUGS. Piroklastik basa (45-52 wt% SiO2) dan ultrabasa (<45 wt% SiO2) lebih jarang digunakan sebagai pozzolan. Al2O3 hadir dalam jumlah yang cukup besar di sebagian besar pozzolan, Fe2O3 dan MgO hadir dalam proporsi yang kecil saja, seperti halnya jenis batuan yang umum atau lebih asam. Kandungan CaO dan alkali biasanya tidak terlalu banyak tetapi dapat sangat bervariasi dari satu pozzolana ke pozzolana lainnya.

Komposisi mineralogi batuan piroklastik yang tidak berubah terutama ditentukan oleh keberadaan fenokris dan komposisi kimia dari magma induk. Komponen utamanya adalah gelas vulkanik yang biasanya hadir dalam jumlah lebih dari 50 persen. Pozzolan yang mengandung kaca vulkanik yang jauh lebih sedikit, seperti trakhit dari Volvic (Prancis) dengan hanya 25 wt% kurang reaktif. Selain kandungan kaca dan morfologinya yang terkait dengan luas permukaan spesifik, cacat dan tingkat regangan pada kaca juga tampaknya memengaruhi aktivitas pozzolan. Mineral terkait yang umum terdapat sebagai fenokris besar adalah anggota dari seri larutan padat feldspar plagioklas. Pada batuan piroklastik di mana alkali mendominasi Ca, K-feldspar seperti sanidin atau albite Na-feldspar  ditemukan. Leusit hadir dalam Latium pozzolana yang kaya K dan miskin silika. Kuarsa biasanya hadir dalam jumlah kecil dalam pozzolan asam, sementara piroksen dan/atau fenokris olivin sering ditemukan pada bahan yang lebih basa. Xenokris atau fragmen batuan yang tergabung selama peristiwa letusan dan pengendapan yang dahsyat juga ditemukan. Mineral zeolit, opal CT, dan lempung sering kali hadir dalam jumlah kecil sebagai produk perubahan dari gelas vulkanik. Meskipun zeolitisasi atau pembentukan opal CT secara umum bermanfaat untuk aktivitas pozzolan, pembentukan tanah liat memiliki efek buruk pada kinerja campuran kapur-pozzolan atau semen campuran.

Penggunaan modern
Pozzolana berlimpah di lokasi tertentu dan banyak digunakan sebagai tambahan untuk semen Portland di negara-negara seperti Italia, Jerman, Kenya, Uganda, Turki, Cina, dan Yunani. Dibandingkan dengan pozzolan produk sampingan industri, pozzolan dicirikan oleh rentang komposisi yang lebih besar dan variabilitas yang lebih besar dalam sifat fisik. Aplikasi pozzolana dalam semen Portland terutama dikendalikan oleh ketersediaan lokal dari deposit yang sesuai dan persaingan dengan bahan semen tambahan produk sampingan industri yang dapat diakses. Sebagian karena habisnya sumber-sumber yang terakhir dan cadangan pozzolana yang luas yang tersedia, sebagian karena keuntungan teknis yang telah terbukti dari penggunaan pozzolana yang cerdas, penggunaannya diharapkan akan sangat diperluas di masa depan.

Reaksi pozzolan
Reaksi pozzolanik adalah reaksi kimia yang terjadi pada semen portland yang mengandung pozzolan. Reaksi ini merupakan reaksi utama yang terlibat dalam beton Romawi yang ditemukan pada zaman Romawi Kuno. Dasar dari reaksi pozzolanik adalah reaksi asam-basa sederhana antara kalsium hidroksida (sebagai Portlandite) dan asam silikat.

Disadur dari: en.wikipedia.org
 

 

Dampak lingkungan dari beton, pembuatannya, dan aplikasinya, sangat kompleks, sebagian disebabkan oleh dampak langsung dari konstruksi dan infrastruktur, serta emisi CO2; antara 4-8% dari total emisi CO2 global berasal dari beton. Komponen utama dari beton adalah semen, yang memiliki dampak lingkungan dan sosialnya sendiri dan berkontribusi besar terhadap beton.

Industri semen adalah salah satu penghasil utama karbon dioksida, salah satu gas rumah kaca. Beton menyebabkan kerusakan pada lapisan bumi yang paling subur, yaitu lapisan tanah lapisan atas. Beton digunakan untuk membuat permukaan keras yang berkontribusi terhadap limpasan permukaan yang dapat menyebabkan erosi tanah, polusi air, dan banjir. Sebaliknya, beton adalah salah satu alat yang paling ampuh untuk pengendalian banjir yang tepat, dengan cara membendung, mengalihkan, dan membelokkan air banjir, aliran lumpur, dan sejenisnya. Beton berwarna terang dapat mengurangi efek pulau panas perkotaan, karena albedo yang lebih tinggi. Namun, vegetasi asli menghasilkan manfaat yang lebih besar. Debu beton yang dilepaskan oleh pembongkaran bangunan dan bencana alam dapat menjadi sumber utama polusi udara yang berbahaya. Kehadiran beberapa zat dalam beton, termasuk bahan tambahan yang berguna dan tidak diinginkan, dapat menyebabkan masalah kesehatan karena toksisitas dan radioaktivitas(biasanya terjadi secara alami). 

Beton basah sangat basa dan harus selalu ditangani dengan peralatan pelindung yang tepat. Daur ulang beton meningkat sebagai tanggapan terhadap peningkatan kesadaran lingkungan, undang-undang, dan pertimbangan ekonomi. Sebaliknya, penggunaan beton mengurangi penggunaan bahan bangunan alternatif seperti kayu, yang merupakan bentuk alami penyerapan karbon.

Debu beton
Pembongkaran bangunan dan bencana alam seperti gempa bumi sering kali melepaskan debu beton dalam jumlah besar ke atmosfer lokal. Debu beton disimpulkan sebagai sumber utama polusi udara yang berbahaya setelah gempa bumi besar Hanshin.

Kontaminasi racun dan radioaktif
Kehadiran beberapa zat dalam beton, termasuk bahan tambahan yang berguna dan tidak diinginkan, dapat menyebabkan masalah kesehatan. Unsur radioaktif alami(K, U, Th, dan Rn) dapat hadir dalam berbagai konsentrasi di dalam beton, tergantung pada sumber bahan baku yang digunakan. Sebagai contoh, beberapa batu secara alami memancarkan Radon, dan Uranium pernah menjadi hal yang umum ditemukan dalam limbah tambang. Zat-zat beracun juga dapat digunakan secara tidak sengaja sebagai hasil kontaminasi dari kecelakaan nuklir. Debu dari puing-puing atau pecahan beton pada saat pembongkaran atau penghancuran dapat menyebabkan masalah kesehatan yang serius, tergantung pada apa yang telah dimasukkan ke dalam beton. Namun, memasukkan bahan berbahaya ke dalam beton tidak selalu berbahaya dan bahkan mungkin bermanfaat. Dalam beberapa kasus, memasukkan senyawa tertentu seperti logam dalam proses hidrasi semen dapat melumpuhkannya dalam keadaan tidak berbahaya dan mencegahnya dilepaskan secara bebas di tempat lain.

Emisi karbon dioksida dan perubahan iklim
Industri semen adalah salah satu dari dua produsen karbon dioksida (CO2) terbesar di dunia, menghasilkan hingga 5% dari emisi gas buatan manusia di seluruh dunia, di mana 50% di antaranya berasal dari proses kimiawi dan 40% dari pembakaran bahan bakar.CO2 yang dihasilkan untuk pembuatan beton struktural (dengan menggunakan ~14% semen) diperkirakan mencapai 410 kg/m3 (~180 kg/ton @ densitas 2,3 g/cm3) (berkurang menjadi 290 kg/m3 dengan penggantian 30% abu terbang pada semen). [Emisi CO2 dari produksi beton berbanding lurus dengan kandungan semen yang digunakan dalam campuran beton; 900 kg CO2 diemisikan untuk pembuatan setiap ton semen, menyumbang 88% dari emisi yang terkait dengan rata-rata campuran beton. Pembuatan semen menyumbang gas rumah kaca baik secara langsung melalui produksi karbondioksida saat kalsium karbonat terurai secara termal, menghasilkan kapur dan karbondioksida,  dan juga melalui penggunaan energi, terutama dari pembakaran bahan bakar fosil.

Salah satu bagian dari siklus hidup beton yang perlu diperhatikan adalah energi yang terkandung dalam beton yang sangat rendah per satuan massa. Hal ini terutama karena bahan yang digunakan dalam konstruksi beton, seperti agregat, pozzolan, dan air, relatif berlimpah dan sering kali dapat diambil dari sumber-sumber lokal. Ini berarti transportasi hanya menyumbang 7% dari energi yang terkandung dalam beton, sementara produksi semen menyumbang 70%. Beton memiliki total energi yang terkandung sebesar 1,69 GJ/tonne, lebih rendah per satuan massa dibandingkan dengan bahan bangunan lainnya selain kayu. Namun, struktur beton seringkali memiliki massa yang besar, sehingga perbandingan ini tidak selalu relevan secara langsung dengan pengambilan keputusan. Selain itu, nilai ini hanya didasarkan pada proporsi campuran hingga 20% fly ash. Diperkirakan bahwa penggantian 1% semen dengan fly ash akan mengurangi konsumsi energi sebesar 0,7%. Dengan beberapa campuran yang diusulkan mengandung sebanyak 80% fly ash, hal ini dapat mewakili penghematan energi yang cukup besar.
Laporan tahun 2022 dari Boston Consulting Group menemukan bahwa investasi dalam bentuk semen yang lebih ramah lingkungan akan menghasilkan pengurangan gas rumah kaca yang lebih besar, per dolarnya, daripada investasi dalam banyak teknologi ramah lingkungan lainnya-meskipun investasi dalam alternatif daging nabati akan menghasilkan pengurangan yang jauh lebih besar daripada ini.

Mitigasi
Perbaikan desain
Ada minat yang semakin besar untuk mengurangi emisi karbon yang terkait dengan beton baik dari sektor akademis maupun industri, terutama dengan adanya kemungkinan penerapan pajak karbon di masa depan. Beberapa pendekatan untuk mengurangi emisi telah disarankan.

Produksi dan penggunaan semen
Salah satu alasan mengapa emisi karbon sangat tinggi adalah karena semen harus dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi agar klinker dapat terbentuk. Penyebab utama dari hal ini adalah alite (Ca3SiO5), mineral dalam beton yang mengeras dalam waktu beberapa jam setelah dituang dan oleh karena itu bertanggung jawab atas sebagian besar kekuatan awalnya. Namun, alite juga harus dipanaskan hingga 1.500 °C dalam proses pembentukan klinker. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa alite dapat digantikan oleh mineral lain, seperti belite (Ca2SiO4). Belite juga merupakan mineral yang sudah digunakan dalam beton. Belite memiliki suhu pemanggangan 1.200°C, yang secara signifikan lebih rendah daripada alite. Selain itu, belite sebenarnya lebih kuat setelah beton mengeras. Namun, belite membutuhkan waktu beberapa hari atau bulan untuk mengeras secara sempurna, sehingga membuat beton menjadi lemah lebih lama. Penelitian saat ini berfokus pada penemuan kemungkinan aditif pengotor, seperti magnesium, yang dapat mempercepat proses pengeringan. Perlu juga dipertimbangkan bahwa belite membutuhkan lebih banyak energi untuk digiling, yang dapat membuat kekuatan penuhnya sama atau bahkan lebih tinggi dari alite..

Pendekatan lain adalah penggantian sebagian klinker konvensional dengan alternatif seperti abu terbang, abu dasar, dan terak, yang semuanya merupakan produk sampingan dari industri lain yang jika tidak, akan berakhir di tempat pembuangan sampah. Fly ash dan bottom ash berasal dari pembangkit listrik tenaga panas bumi, sedangkan slag adalah limbah dari tanur tinggi di industri besi. Bahan-bahan ini perlahan-lahan mulai populer sebagai bahan tambahan, terutama karena berpotensi meningkatkan kekuatan, mengurangi kepadatan, dan memperpanjang daya tahan beton.

Hambatan utama untuk implementasi fly ash dan slag yang lebih luas mungkin sebagian besar disebabkan oleh risiko konstruksi dengan teknologi baru yang belum terpapar pada pengujian lapangan yang panjang. Hingga pajak karbon diterapkan, perusahaan tidak mau mengambil risiko dengan resep campuran beton baru meskipun hal ini dapat mengurangi emisi karbon. Namun, ada beberapa contoh beton "hijau" dan implementasinya. Salah satu contohnya adalah perusahaan beton bernama Ceratech yang telah mulai memproduksi beton dengan 95% fly ash dan 5% aditif cair. Contoh lainnya adalah I-35W Saint Anthony Falls Bridge, yang dibangun dengan campuran beton baru yang mencakup komposisi semen Portland, fly ash, dan terak yang berbeda, bergantung pada bagian jembatan dan persyaratan sifat materialnya. Beberapa perusahaan rintisan sedang mengembangkan dan menguji metode produksi semen alternatif. Sublime dari Somerville, Massachusetts menggunakan proses elektrokimia tanpa tungku, dan Fortera menangkap karbon dioksida dari pabrik konvensional untuk membuat semen jenis baru. Blue Planet dari Los Gatos, California menangkap karbon dioksida yang diemisikan untuk memproduksi beton sintetis. CarbonCure Technologies dari Halifax, Nova Scotia telah memasang sistem mineralisasi karbon di ratusan pabrik beton di seluruh dunia, menyuntikkan dan menyimpan karbon dioksida secara permanen di dalam beton saat sedang dicampur.

Selain itu, produksi beton membutuhkan air dalam jumlah besar, dan produksi global menyumbang hampir sepersepuluh dari penggunaan air industri di seluruh dunia. Jumlah ini mencapai 1,7 persen dari total pengambilan air global. Sebuah studi yang muncul di Nature Sustainability pada tahun 2018 memprediksi bahwa produksi beton di masa depan akan meningkatkan tekanan pada sumber daya air di daerah yang rentan terhadap kondisi kekeringan, menulis, "Pada tahun 2050, 75% dari permintaan air untuk produksi beton kemungkinan akan terjadi di daerah yang diperkirakan akan mengalami tekanan air".

Beton karbon
Karbonatasi, kadang-kadang disebut karbonasi, adalah pembentukan kalsium karbonat (CaCO3) melalui reaksi kimia, yang jika digunakan dalam beton, dapat menyerap karbon dioksida. Kecepatan karbonasi terutama tergantung pada porositas beton dan kadar airnya. Karbonasi pada pori-pori beton hanya terjadi pada kelembaban relatif (RH) 40-90%-ketika RH lebih tinggi dari 90%, karbon dioksida tidak dapat masuk ke dalam pori-pori beton, dan ketika RH lebih rendah dari 40%,CO2 tidak dapat dilarutkan dalam air.

Beton dapat dikarbonasi dengan dua metode utama: karbonasi pelapukan dan karbonasi usia dini. Karbonasi pelapukan terjadi pada beton ketika senyawa kalsium bereaksi dengan karbon dioksida () dari atmosfer dan air () di dalam pori-pori beton. Reaksinya adalah sebagai berikut. Pertama, melalui pelapukan kimiawi,CO2 bereaksi dengan air dalam pori-pori beton membentuk asam karbonat:

Asam karbonat kemudian bereaksi dengan kalsium hidroksida membentuk kalsium karbonat dan air. Setelah kalsium hidroksida (Ca(OH)2) cukup berkarbonasi, komponen utama semen, gel kalsium silikat hidrat (C-S-H), dapat didekarbonasi, yaitu kalsium oksida yang dibebaskan (dapat berkarbonasi).

Karbonasi usia dini adalah ketika CO2 dimasukkan pada tahap awal beton premix segar atau pada saat pengawetan awal, yang dapat terjadi secara alami melalui pemaparan atau dipercepat secara artifisial dengan menambah asupan CO2 secara langsung. Gas karbon dioksida dikonversi menjadi karbonat padat dan dapat disimpan secara permanen di dalam beton. Reaksi CO2 dan kalsium silikat hidrat (C-S-H) dalam semen dijelaskan pada tahun 1974 dalam notasi kimia semen (CCN). 

Sebuah perusahaan Kanada mematenkan dan mengkomersialkan teknologi baru yang menggunakan karbonasi usia dini untuk menyerap CO2. Hal ini dicapai dengan menginjeksikan langsung karbon dioksida cair daur ulang dari penghasil emisi industri pihak ketiga ke dalam tahap pencampuran beton selama proses pembuatan. CO2 kemudian secara kimiawi termineralisasi, menyerap polutan gas rumah kaca dalam infrastruktur beton, bangunan, jalan, dan lain-lain untuk jangka waktu yang lama.

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan dalam Journal of Cleaner Production, para penulis membuat model yang menunjukkan bahwa CO2 yang diserap meningkatkan kekuatan tekan beton sekaligus mengurangi emisi CO2, sehingga memungkinkan pengurangan pemuatan semen sekaligus memiliki "pengurangan 4,6% dalam jejak karbon".

Metode lain yang diusulkan untuk menangkap emisi adalah dengan menyerap CO2 dalam proses pengawetan melalui penggunaan campuran - khususnya, dikalsium silikat dalam fase 𝛾 - saat beton mengeras. Penggunaan fly ash atau bahan pengganti lain yang sesuai secara teoritis dapat menghasilkan emisi CO2 di bawah 0 kg/m3, dibandingkan dengan emisi beton semen Portland yang mencapai 400 kg/m3. Metode produksi beton ini yang paling efektif adalah dengan menggunakan gas buang pembangkit listrik, di mana sebuah ruang terisolasi dapat mengontrol suhu dan kelembapan..

Pada bulan Agustus 2019, semenCO2 tereduksi diumumkan yang "mengurangi jejak karbon secara keseluruhan pada beton pracetak hingga 70%." Bahan dasar semen ini terutama adalah wollastonite () dan rankinite (), berbeda dengan semen Portland tradisional yang berbahan dasar alite () dan belite (). Proses pembuatan beton dengan emisi rendah yang dipatenkan dimulai dengan pengikatan partikel melalui sintering fase cair, yang juga disebut sebagai densifikasi fase cair hidrotermal reaktif (rHLPD). Larutan air dan CO2 menembus partikel, bereaksi pada kondisi sekitar untuk membentuk ikatan yang menghasilkan kalsium silikat (CSC) yang tidak mengandung kapur dan tidak bersifat hidraulik. Perbedaan antara beton Portland tradisional dan beton kalsium silikat berkarbonasi (CSC-C) ini terletak pada reaksi proses pengawetan akhir antara larutan air-CO2 dan keluarga kalsium-silikat. Menurut sebuah studi tentang salah satu semen dengan emisi rendah, yang disebut Solidia, "Pengawetan CSC-C adalah reaksi yang sedikit eksotermis di mana kalsium silikat berkapur rendah di dalam CSC bereaksi dengan CO2 dengan adanya air untuk menghasilkan kalsit (CaCO3) dan silika (SiO2).

Namun, karena metode karbonasi usia dini telah mendapatkan pengakuan karena kemahiran penyerapan karbon yang substansial, beberapa penulis berpendapat bahwa efek pengawetan karbonasi usia dini mungkin menyerah pada pelapukan karbonasi di kemudian hari. Sebagai contoh, sebuah artikel pada tahun 2020 menulis, "Hasil eksperimen menunjukkan bahwa beton berkarbonasi usia dini dengan rasio w/c yang tinggi (>0.65) lebih mungkin terpengaruh oleh pelapukan karbonasi." Artikel ini memperingatkan bahwa hal ini dapat melemahkan kemampuan kekuatan pada tahap korosi selama masa layan.
Perusahaan Italia, Italcementi, merancang sejenis semen yang diduga dapat mengurangi polusi udara dengan memecah polutan yang bersentuhan dengan beton, melalui penggunaan titanium dioksida yang menyerap sinar ultraviolet. Namun, beberapa ahli lingkungan tetap skeptis dan bertanya-tanya apakah bahan khusus tersebut dapat "memakan" cukup banyak polutan untuk membuatnya layak secara finansial. Gereja Jubilee di Roma dibangun dari beton jenis ini..

Aspek lain yang perlu dipertimbangkan dalam beton karbon adalah kerak permukaan akibat kondisi iklim dingin dan paparan garam yang mencairkan es serta siklus pembekuan-pencairan(pelapukan es). Beton yang diproduksi dengan proses pengawetan karbonasi juga menunjukkan kinerja yang unggul ketika mengalami degradasi fisik, misalnya kerusakan akibat pembekuan dan pencairan, terutama karena efek densifikasi pori-pori yang disebabkan oleh pengendapan produk karbonasi.

Sebagian besar emisiCO2 dari beton berasal dari pembuatan semen. Oleh karena itu, metode untuk mengurangi bahan semen dalam setiap campuran beton adalah satu-satunya metode yang diketahui untuk mengurangi emisi.

Fotokatalisis untuk mengurangi kabut asap
Titanium dioksida (TiO2), bahan semikonduktor yang terbukti menunjukkan perilaku fotokatalitik, telah digunakan untuk menghilangkan nitrogen oksida (dilambangkan NOx) dari atmosfer. Spesies NOx, yaitu oksida nitrat dan nitrogen dioksida, adalah gas atmosfer yang berkontribusi pada hujan asam dan pembentukan kabut asap, yang keduanya merupakan hasil dari polusi perkotaan. Karena pembentukan NOx hanya terjadi pada suhu tinggi, nitrogen oksida biasanya diproduksi sebagai produk sampingan dari pembakaran hidrokarbon. Selain berkontribusi pada peristiwa polusi perkotaan, NOx telah terbukti menyebabkan berbagai macam efek kesehatan dan lingkungan yang merugikan, termasuk memicu gangguan pernapasan, bereaksi dengan bahan kimia atmosfer lainnya untuk membentuk produk berbahaya seperti ozon, nitroarenes, dan radikal nitrat, dan berkontribusi pada efek rumah kaca. Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) telah merekomendasikan konsentrasi NOx maksimum 40 μg/ m3. Salah satu cara yang diusulkan untuk mengurangi konsentrasi NOx, terutama di lingkungan perkotaan, adalah dengan menggunakan fotokatalitik TiO2 yang dicampur ke dalam beton untuk mengoksidasi NO dan NO2 membentuk nitrat. Dengan adanya cahaya, TiO2 menghasilkan elektron dan lubang yang memungkinkan NO teroksidasi menjadi NO2 dan NO2 kemudian membentuk HNO3(asam nitrat) melalui serangan radikal hidroksil. 

Sel surya tertanam
Sel surya peka pewarna yang tertanam dalam beton telah diusulkan sebagai metode untuk mengurangi jejak karbon dan energi bangunan. Penggunaan sel surya yang tertanam memungkinkan pembangkitan energi di tempat, yang jika digabungkan dengan baterai, akan memberikan daya yang konstan sepanjang hari. Lapisan atas beton akan menjadi lapisan tipis sel surya yang peka terhadap pewarna. Sel surya peka pewarna sangat menarik karena kemudahan produksi massal, baik melalui roll-printing atau pengecatan, dan efisiensi yang cukup tinggi yaitu 10%. Salah satu contoh komersialisasi konsep ini adalah perusahaan Jerman, Discrete, yang memproduksi produk beton yang disisipi sel surya peka pewarna. Proses mereka menggunakan metode pelapisan semprot untuk mengaplikasikan pewarna organik yang menghasilkan listrik ke beton.

Penyimpanan energi
Penyimpanan energi telah menjadi pertimbangan penting bagi banyak metode pembangkit energi terbarukan, terutama untuk metode yang populer seperti energi surya atau angin, yang keduanya merupakan penghasil energi intermiten yang membutuhkan penyimpanan untuk penggunaan konstan. Saat ini, 96% penyimpanan energi dunia berasal dari hidro yang dipompa, yang menggunakan kelebihan listrik yang dihasilkan untuk memompa air ke bendungan dan kemudian dibiarkan turun dan memutar turbin yang menghasilkan listrik ketika permintaan melebihi pembangkit. Namun, masalah dengan hidro yang dipompa adalah bahwa pengaturannya membutuhkan geografi tertentu yang bisa jadi sulit ditemukan. Konsep serupa yang menggunakan semen sebagai pengganti air telah direalisasikan oleh Energy Vault, sebuah perusahaan rintisan asal Swiss. Mereka menciptakan pengaturan yang menggunakan derek listrik yang dikelilingi oleh tumpukan balok beton seberat 35 ton, yang dapat diproduksi menggunakan produk limbah, untuk menyimpan energi dengan menggunakan pembangkit energi berlebih untuk menggerakkan derek untuk mengangkat dan menumpuk balok beton. Ketika energi dibutuhkan, balok-balok tersebut dibiarkan jatuh dan motor yang diputar akan mengirimkan energi kembali ke jaringan listrik. Pengaturan ini akan memiliki kapasitas penyimpanan sebesar 25-80 MWh.

Perbaikan lainnya
Ada banyak perbaikan lain pada beton yang tidak berhubungan langsung dengan emisi. Baru-baru ini, banyak penelitian yang dilakukan terhadap beton "pintar": beton yang menggunakan sinyal elektrik dan mekanik untuk merespon perubahan kondisi pembebanan. Salah satu jenisnya menggunakan tulangan serat karbon yang memberikan respon elektrik yang dapat digunakan untuk mengukur regangan. Hal ini memungkinkan untuk memantau integritas struktural beton tanpa memasang sensor.

Industri konstruksi dan pemeliharaan jalan mengkonsumsi berton-ton beton padat karbon setiap harinya untuk mengamankan sisi jalan dan infrastruktur perkotaan. Seiring dengan pertumbuhan populasi, infrastruktur ini menjadi semakin rentan terhadap benturan dari kendaraan, menciptakan siklus kerusakan dan limbah yang terus meningkat serta konsumsi beton yang terus meningkat untuk perbaikan (perbaikan jalan sekarang terlihat di sekitar kota kita hampir setiap hari). Sebuah perkembangan besar dalam industri infrastruktur melibatkan penggunaan limbah minyak bumi yang didaur ulang untuk melindungi beton dari kerusakan dan memungkinkan infrastruktur menjadi dinamis, dapat dengan mudah dipelihara dan diperbarui tanpa mengganggu fondasi yang ada. Inovasi sederhana ini mempertahankan fondasi untuk seluruh masa pakai pembangunan.

Bidang penelitian beton lainnya adalah pembuatan beton "tanpa air" tertentu untuk digunakan dalam kolonisasi luar angkasa. Umumnya, beton ini menggunakan belerang sebagai pengikat non-reaktif, yang memungkinkan pembangunan struktur beton di lingkungan tanpa atau sangat sedikit air. Beton ini dalam banyak hal tidak dapat dibedakan dari beton hidraulik normal: beton ini memiliki kepadatan yang sama, dapat digunakan dengan tulangan logam yang ada saat ini, dan kekuatannya benar-benar bertambah lebih cepat daripada beton normal Aplikasi ini belum dieksplorasi di Bumi, tetapi dengan produksi beton yang mewakili dua pertiga dari total penggunaan energi di beberapa negara berkembang, peningkatan apa pun layak dipertimbangkan.

Perubahan penggunaan
Beton adalah salah satu bahan bangunan tertua di dunia. Selama bertahun-tahun, batasan lingkungan yang signifikan telah ditempatkan pada pembuatan dan penggunaan beton karena jejak karbonnya. Produsen menanggapi keterbatasan ini dengan mengubah proses produksi beton, dan mendaur ulang puing-puing beton lama untuk digunakan sebagai agregat dalam campuran beton baru untuk mengurangi emisi ini. Beton telah bertransformasi dari sumber daya alam menjadi proses buatan manusia; bukti penggunaan beton sudah ada sejak lebih dari 8.000 tahun yang lalu. Saat ini, banyak perusahaan konstruksi dan produsen beton telah mengurangi penggunaan semen Portland dalam campuran mereka karena proses produksinya mengeluarkan sejumlah besar gas rumah kaca ke atmosfer.

Alternatif untuk beton
Sebenarnya ada banyak alternatif untuk beton. Salah satunya adalah beton ramah lingkungan yang diproduksi dari bahan limbah daur ulang dari berbagai industri, dan yang lainnya adalah Ashcrete, bahan yang terbuat dari campuran kapur dan air yang berfungsi seperti semen. Terak tungku hitam juga merupakan alternatif yang kuat yang terbuat dari terak besi cair ke dalam air, bersama dengan Micro Silica, Papercrete, semen komposit, dan kaca pasca-konsumen.

Tergantung pada jumlah yang dibutuhkan atau digunakan secara keseluruhan dan jumlah yang dibutuhkan, dalam kombinasi dengan bahan lain, untuk stabilitas struktural per bangunan, banyak bahan lain yang juga memiliki dampak negatif yang besar terhadap lingkungan. Sebagai contoh, meskipun penelitian dan pengembangan untuk mengurangi emisi ini sedang berlangsung, baja menyumbang ~8% dari total emisi gas rumah kaca dunia pada tahun 2021.

Tanah liat
Campuran tanah liat adalah bahan konstruksi alternatif untuk beton yang memiliki jejak lingkungan yang lebih rendah. Pada tahun 2021, prototipe rumah cetak 3D pertama, Tecla, yang dicetak dari tanah dan air yang bersumber secara lokal serta serat dari sekam padi dan bahan pengikat telah selesai dibuat.  Bangunan semacam itu bisa jadi sangat murah, terisolasi dengan baik, stabil dan tahan cuaca, mudah beradaptasi dengan iklim, dapat disesuaikan, dapat diproduksi dengan cepat, hanya membutuhkan sedikit tenaga kerja manual yang mudah dipelajari, membutuhkan lebih sedikit energi, menghasilkan sangat sedikit limbah dan mengurangi emisi karbon dari beton.

Limpasan permukaan
Limpasan permukaan, ketika air mengalir dari permukaan yang kedap air, seperti beton yang tidak berpori, dapat menyebabkan erosi tanah yang parah dan banjir. Limpasan perkotaan cenderung mengambil bensin, oli motor, logam berat, sampah, dan polutan lainnya dari trotoar, jalan raya, dan tempat parkir. Tanpa adanya atenuasi, tutupan kedap air di daerah perkotaan membatasi perembesan air tanah dan menyebabkan lima kali lipat jumlah limpasan yang dihasilkan oleh hutan dengan ukuran yang sama. Laporan tahun 2008 dari Dewan Riset Nasional Amerika Serikat mengidentifikasi limpasan perkotaan sebagai sumber utama masalah kualitas air.

Dalam upaya untuk menangkal efek negatif dari beton kedap air, banyak proyek pengerasan jalan baru telah mulai menggunakan beton kedap air, yang menyediakan tingkat pengelolaan air hujan otomatis. Beton tembus air dibuat dengan peletakan beton yang hati-hati dengan proporsi agregat yang dirancang khusus, yang memungkinkan limpasan permukaan meresap dan kembali ke air tanah. Hal ini mencegah banjir dan berkontribusi pada pengisian air tanah. Jika dirancang dan dilapisi dengan benar, beton tembus air dan area beraspal lainnya juga dapat berfungsi sebagai penyaring air otomatis dengan mencegah zat-zat berbahaya seperti minyak dan bahan kimia lainnya melewatinya. Sayangnya, masih terdapat kekurangan dalam aplikasi beton tembus air dalam skala besar: kekuatannya yang lebih rendah dibandingkan beton konvensional membatasi penggunaannya pada area dengan beban rendah, dan harus diletakkan dengan benar untuk mengurangi kerentanan terhadap kerusakan akibat pembekuan dan penumpukan sedimen.

Panas perkotaan
Baik beton maupun aspal merupakan kontributor utama dari apa yang dikenal sebagai efek pulau panas perkotaan. Menurut Departemen Urusan Ekonomi dan Sosial Perserikatan Bangsa-Bangsa, 55% populasi dunia tinggal di daerah perkotaan dan 68% populasi dunia diproyeksikan menjadi perkotaan pada tahun 2050; selain itu, "dunia diproyeksikan akan menambah 230 miliar m2 (2,5 triliun kaki2) bangunan pada tahun 2060, atau area yang setara dengan seluruh stok bangunan global saat ini. Hal ini setara dengan penambahan seluruh Kota New York ke planet ini setiap 34 hari selama 40 tahun ke depan." Akibatnya, permukaan beraspal menjadi perhatian utama karena konsumsi energi tambahan dan polusi udara yang ditimbulkannya.

Potensi penghematan energi di suatu area juga tinggi. Dengan suhu yang lebih rendah, permintaan akan pendingin ruangan secara teoritis berkurang, sehingga menghemat energi. Namun, penelitian mengenai interaksi antara trotoar reflektif dan bangunan telah menemukan bahwa, kecuali jika bangunan di dekatnya dilengkapi dengan kaca reflektif, radiasi matahari yang dipantulkan oleh trotoar dapat meningkatkan suhu bangunan, sehingga meningkatkan kebutuhan pendingin ruangan.

Selain itu, perpindahan panas dari trotoar, yang mencakup sekitar sepertiga dari kota di Amerika Serikat, juga dapat mempengaruhi suhu dan kualitas udara setempat. Permukaan yang panas menghangatkan udara kota melalui konveksi, sehingga penggunaan material yang menyerap lebih sedikit energi matahari, seperti perkerasan dengan albedo tinggi, dapat mengurangi aliran panas ke dalam lingkungan perkotaan dan memoderasi UHIE. Albedo berkisar antara 0,05 hingga 0,35 untuk permukaan material perkerasan yang saat ini digunakan. Selama masa pakai, material perkerasan yang dimulai dengan albedo yang tinggi cenderung kehilangan reflektansi, sementara material dengan albedo awal yang rendah dapat meningkatkan reflektansi.

Design Trust for Public Space menemukan bahwa dengan sedikit meningkatkan nilai albedo di New York City, efek menguntungkan seperti penghematan energi dapat dicapai, dengan penggantian aspal hitam dengan beton berwarna terang. Namun, pada musim dingin hal ini dapat merugikan karena es akan terbentuk lebih mudah dan bertahan lebih lama pada permukaan berwarna terang karena akan lebih dingin akibat berkurangnya energi yang diserap dari berkurangnya sinar matahari di musim dingin.

Aspek lain yang perlu dipertimbangkan adalah efek kenyamanan termal, serta perlunya lebih banyak strategi mitigasi, yang tidak mengancam kesehatan dan kesejahteraan pejalan kaki terutama selama gelombang panas. Sebuah studi yang muncul di Building and Environment pada tahun 2019 melakukan eksperimen untuk memproyeksikan dampak gelombang panas dan interaksi material albedo tinggi di kota Milan, Italia utara. Dengan menghitung "Indeks Kenyamanan Luar Ruangan Mediterania" (MOCI) dengan adanya gelombang panas, di mana bahan albedo tinggi digunakan di semua permukaan. Penelitian ini mengidentifikasi adanya penurunan iklim mikro di mana terdapat banyak material albedo tinggi. Penggunaan bahan albedo tinggi ditemukan "menyebabkan pembentukan beberapa pantulan antar dan akibatnya peningkatan variabel mikrometeorologi seperti suhu radiasi rata-rata dan suhu udara. Untuk lebih jelasnya, perubahan ini menyebabkan peningkatan MOCI yang pada jam-jam sore hari bahkan dapat mencapai 0,45 unit.".

Konfigurasi perkotaan secara keseluruhan harus tetap menjadi perhatian ketika membuat keputusan karena orang-orang terpapar pada kondisi cuaca dan kenyamanan termal. Penggunaan material albedo tinggi dalam lingkungan perkotaan dapat memberikan efek positif dengan kombinasi yang tepat dari teknologi dan strategi lain seperti: vegetasi, material reflektif, dll. Langkah-langkah mitigasi panas perkotaan dapat meminimalkan dampak terhadap iklim mikro serta habitat manusia dan satwa liar.

Tindakan pencegahan penanganan
Penanganan beton basah harus selalu dilakukan dengan peralatan pelindung yang tepat. Kontak dengan beton basah dapat menyebabkan luka bakar kimiawi pada kulit karena sifat kaustik campuran semen dan air (termasuk air hujan). Memang, pH air semen segar sangat basa karena adanya kalium dan natrium hidroksida bebas dalam larutan (pH ~ 13,5). Mata, tangan, dan kaki harus dilindungi dengan benar untuk menghindari kontak langsung dengan beton basah dan dicuci tanpa penundaan jika perlu.

Daur ulang beton
Daur ulang beton adalah metode yang semakin umum digunakan untuk membuang struktur beton. Puing-puing beton dulunya secara rutin dikirim ke tempat pembuangan akhir untuk dibuang, tetapi daur ulang meningkat karena kesadaran lingkungan yang lebih baik, undang-undang pemerintah, dan manfaat ekonomi.
Beton, yang harus bebas dari sampah, kayu, kertas, dan bahan lainnya, dikumpulkan dari lokasi pembongkaran dan dimasukkan ke dalam mesin penghancur, sering kali bersama dengan aspal, batu bata, dan bebatuan.

Beton bertulang mengandung tulangan dan bala bantuan logam lainnya, yang dikeluarkan dengan magnet dan didaur ulang di tempat lain. Bongkahan agregat yang tersisa disortir berdasarkan ukurannya. Bongkahan yang lebih besar dapat melewati mesin penghancur lagi. Potongan beton yang lebih kecil digunakan sebagai kerikil untuk proyek konstruksi baru. Kerikil dasar agregat diletakkan sebagai lapisan paling bawah di jalan, dengan beton atau aspal baru diletakkan di atasnya. Beton daur ulang yang dihancurkan terkadang dapat digunakan sebagai agregat kering untuk beton baru jika bebas dari kontaminan, meskipun penggunaan beton daur ulang membatasi kekuatan dan tidak diperbolehkan di banyak yurisdiksi. Pada tanggal 3 Maret 1983, sebuah tim peneliti yang didanai pemerintah (VIRL research.codep) memperkirakan bahwa hampir 17% dari TPA di seluruh dunia merupakan produk sampingan dari limbah berbasis beton.

Disadur dari: en.wikipedia.org 

Semen portland adalah jenis semen yang paling umum digunakan secara umum di seluruh dunia sebagai bahan dasar beton, mortar, plesteran, dan nat non-khusus. Semen ini dikembangkan dari jenis kapur hidrolik lainnya di Inggris pada awal abad ke-19 oleh Joseph Aspdin, dan biasanya dibuat dari batu kapur. Ini adalah bubuk halus, diproduksi dengan memanaskan batu kapur dan mineral tanah liat dalam kiln untuk membentuk klinker, menggiling klinker, dan menambahkan 2 hingga 3 persen gipsum. Beberapa jenis semen Portland tersedia. Yang paling umum, yang disebut semen Portland biasa (OPC), berwarna abu-abu, tetapi semen Portland putih juga tersedia. Namanya diambil dari kemiripannya dengan batu Portland yang digali di Pulau Portland di Dorset, Inggris. Penamaannya diambil dari nama Joseph Aspdin yang mendapatkan hak paten pada tahun 1824. Putranya, William Aspdin, dianggap sebagai penemu semen Portland "modern" karena pengembangannya pada tahun 1840-an.

Biaya rendah dan ketersediaan batu kapur, serpih, dan bahan alami lainnya yang digunakan dalam semen Portland menjadikannya bahan bangunan yang relatif murah. Penggunaannya yang paling umum adalah dalam produksi beton, material komposit yang terdiri dari agregat (kerikil dan pasir), semen, dan air.

Sejarah

Semen Portland dikembangkan dari semen alami yang dibuat di Inggris sejak pertengahan abad ke-18. Namanya diambil dari kemiripannya dengan batu Portland, sejenis batu bangunan yang digali di Pulau Portland di Dorset, Inggris.

Pengembangan semen portland modern (kadang-kadang disebut semen portland biasa atau normal) dimulai pada tahun 1756, ketika John Smeaton bereksperimen dengan kombinasi batu kapur yang berbeda dan bahan tambahan, termasuk trass dan pozzolan, yang dimaksudkan untuk pembangunan mercusuar, yang sekarang dikenal sebagai Smeaton's Tower. Pada akhir abad ke-18, semen Romawi dikembangkan dan dipatenkan pada tahun 1796 oleh James Parker. Semen Romawi dengan cepat menjadi populer, tetapi sebagian besar digantikan oleh semen portland pada tahun 1850-an. Pada tahun 1811, James Frost memproduksi semen yang disebutnya sebagai semen Inggris. James Frost dilaporkan telah mendirikan pabrik untuk membuat semen buatan pada tahun 1826. Pada tahun 1811, Edgar Dobbs dari Southwark mematenkan semen jenis yang ditemukan 7 tahun kemudian oleh insinyur Prancis Louis Vicat. Semen Vicat adalah kapur hidrolik buatan, dan dianggap sebagai "cikal bakal" semen Portland.

Nama semen portland tercatat dalam direktori yang diterbitkan pada tahun 1823 yang dikaitkan dengan William Lockwood dan mungkin yang lainnya. Dalam paten semen tahun 1824, Joseph Aspdin menyebut penemuannya sebagai "semen portland" karena kemiripannya dengan batu portland. Semen Aspdin tidak seperti semen portland modern, tetapi merupakan langkah awal dalam pengembangan semen portland modern, dan disebut sebagai "proto-portland cement".

William Aspdin telah meninggalkan perusahaan ayahnya, untuk membentuk perusahaan semen sendiri. Pada tahun 1840-an, William Aspdin, tampaknya secara tidak sengaja, memproduksi kalsium silikat yang merupakan langkah tengah dalam pengembangan semen portland. Pada tahun 1848, William Aspdin lebih lanjut memperbaiki semennya. Kemudian, pada tahun 1853, dia pindah ke Jerman, di mana dia terlibat dalam pembuatan semen. William Aspdin membuat apa yang bisa disebut "semen meso-portland" (campuran semen portland dan kapur hidrolik). Isaac Charles Johnson lebih lanjut menyempurnakan produksi "semen meso-portland" (tahap pengembangan menengah), dan mengklaim sebagai bapak semen portland yang sebenarnya.

Pada tahun 1859, John Grant dari Metropolitan Board of Works, menetapkan persyaratan untuk semen yang akan digunakan dalam proyek saluran pembuangan London. Ini menjadi spesifikasi untuk semen portland. Perkembangan selanjutnya dalam pembuatan semen portland adalah diperkenalkannya rotary kiln, yang dipatenkan oleh Frederick Ransome pada tahun 1885 (Inggris) dan 1886 (AS); yang memungkinkan campuran yang lebih kuat, lebih homogen, dan proses pembuatan yang berkelanjutan. Tanur "tak berujung" Hoffmann yang disebut-sebut dapat memberikan "kontrol sempurna atas pembakaran" telah diuji coba pada tahun 1860 dan terbukti menghasilkan semen dengan kualitas yang unggul. Semen ini dibuat di Portland Cementfabrik Stern di Stettin, yang merupakan pabrik pertama yang menggunakan tanur Hoffmann. Asosiasi Produsen Semen Jerman mengeluarkan standar untuk semen Portland pada tahun 1878.

Semen portland telah diimpor ke Amerika Serikat dari Jerman dan Inggris, dan pada tahun 1870-an dan 1880-an, semen ini diproduksi oleh semen Eagle Portland di dekat Kalamazoo, Michigan. Pada tahun 1875, semen portland pertama diproduksi di Coplay Cement Company Kiln di bawah arahan David O. Saylor di Coplay, Pennsylvania. Pada awal abad ke-20, semen portland buatan Amerika telah menggantikan sebagian besar semen portland yang diimpor.

Komposisi

ASTM C150 mendefinisikan semen portland sebagai:

semen hidrolik (semen yang tidak hanya mengeras dengan bereaksi dengan air tetapi juga membentuk produk kedap air) yang diproduksi dengan menghancurkan klinker yang pada dasarnya terdiri dari silikat kalsium hidrolik, biasanya mengandung satu atau lebih bentuk kalsium sulfat sebagai bahan tambahan antar tanah.

Standar Eropa EN 197-1 menggunakan definisi sebagai berikut:

Klinker semen portland adalah bahan hidrolik yang harus terdiri dari setidaknya dua pertiga massa kalsium silikat, (3 CaO-SiO2, dan 2 CaO-SiO2), sisanya terdiri dari fase klinker yang mengandung aluminium dan besi serta senyawa lainnya. Rasio CaO terhadap SiO2 tidak boleh kurang dari 2,0. Kandungan magnesium oksida(MgO) tidak boleh melebihi 5,0% massa.

(Dua persyaratan terakhir telah ditetapkan dalam Standar Jerman, yang dikeluarkan pada tahun 1909).

Klinker membentuk lebih dari 90% semen, bersama dengan sejumlah kalsium sulfat (CaSO4, yang mengontrol waktu yang ditetapkan), dan hingga 5% konstituen minor (pengisi) sebagaimana diizinkan oleh berbagai standar. Klinker adalah bintil (diameter, 0,2-1,0 inci [5,1-25,4 milimeter]) dari bahan yang disinter yang dihasilkan ketika campuran mentah dengan komposisi yang telah ditentukan dipanaskan hingga suhu tinggi. Reaksi kimia utama yang membedakan semen Portland dari kapur hidrolik lainnya terjadi pada suhu tinggi ini (>1.300 ° C (2.370 ° F)) saat belite (Ca2SiO4) bergabung dengan kalsium oksida (CaO) untuk membentuk alite (Ca3SiO5).

Manufaktur

Klinker semen portland dibuat dengan memanaskan, di dalam kiln semen, campuran bahan mentah hingga suhu kalsinasi di atas 600 °C (1.112 °F) dan kemudian suhu fusi, sekitar 1.450 °C (2.640 °F) untuk semen modern, untuk menyinter bahan menjadi klinker.

Bahan-bahan dalam klinker semen adalah alite, belite, trikalsium aluminat, dan tetracalcium alumino ferit. Aluminium, besi, dan magnesium oksida hadir sebagai fluks yang memungkinkan silikat kalsium terbentuk pada suhu yang lebih rendah, dan berkontribusi kecil terhadap kekuatan. Untuk semen khusus, seperti jenis tahan panas rendah (LH) dan tahan sulfat (SR), perlu untuk membatasi jumlah trikalsium aluminat (3 CaO-Al2O3) yang terbentuk.

Bahan baku utama untuk pembuatan klinker biasanya adalah batu kapur(CaCO3) yang dicampur dengan bahan kedua yang mengandung tanah liat sebagai sumber alumino-silikat. Biasanya, batu kapur yang tidak murni yang mengandung tanah liat atau SiO2 digunakan. Kandungan CaCO3 dari batu kapur ini dapat mencapai 80%. Bahan baku sekunder (bahan dalam campuran mentah selain batu kapur) tergantung pada kemurnian batu kapur. Beberapa bahan yang digunakan adalah tanah liat, serpih, pasir, bijih besi, bauksit, abu terbang, dan terak. Ketika kiln semen dibakar dengan batu bara, abu batu bara bertindak sebagai bahan baku sekunder.

Penggilingan semen

Untuk mencapai kualitas pengaturan yang diinginkan pada produk jadi, sejumlah (2-8%, tetapi biasanya 5%) kalsium sulfat (biasanya gipsum atau anhidrit) ditambahkan ke klinker, dan campuran tersebut digiling halus untuk membentuk bubuk semen jadi. Hal ini dilakukan di pabrik semen. Proses penggilingan dikontrol untuk mendapatkan bubuk dengan rentang ukuran partikel yang luas, di mana biasanya 15% massa terdiri dari partikel berdiameter di bawah 5 μm, dan 5% partikel di atas 45 μm. Ukuran kehalusan yang biasanya digunakan adalah 'luas permukaan spesifik', yang merupakan total luas permukaan partikel per satuan massa semen. Laju reaksi awal (hingga 24 jam) semen pada penambahan air berbanding lurus dengan luas permukaan spesifik. Nilai umumnya adalah 320-380 m2-kg-1 untuk semen tujuan umum, dan 450-650 m2-kg-1 untuk semen 'pengerasan cepat'. Semen diangkut dengan sabuk atau pompa bubuk ke silo untuk disimpan. Pabrik semen biasanya memiliki ruang silo yang cukup untuk satu hingga 20 minggu produksi, tergantung pada siklus permintaan lokal. Semen dikirim ke pengguna akhir dalam bentuk kantong, atau dalam bentuk bubuk curah yang ditiupkan dari kendaraan bertekanan ke dalam silo pelanggan. Di negara-negara industri, 80% atau lebih semen dikirim dalam bentuk curah.

Pengaturan dan pengerasan

Semen mengeras ketika dicampur dengan air melalui serangkaian reaksi kimia yang kompleks yang masih belum dipahami secara menyeluruh. Konstituenyang berbeda secara perlahan mengkristal, dan saling mengunci antar kristal memberikan kekuatan pada semen. Karbon dioksida secara perlahan diserap untuk mengubah portlandit (Ca(OH)2) menjadi kalsium karbonat yang tidak larut. Setelah pengaturan awal, perendaman dalam air hangat akan mempercepat pengaturan. Gipsum ditambahkan sebagai penghambat untuk mencegah pengaturan kilat (atau cepat).

Penggunaan

Penggunaan semen portland yang paling umum adalah dalam produksi beton. Beton adalah material komposit yang terdiri dari agregat(kerikil dan pasir), semen, dan air. Sebagai bahan konstruksi, beton dapat dicetak dalam hampir semua bentuk yang diinginkan, dan setelah dikeraskan, dapat menjadi elemen struktural (penahan beban). Beton dapat digunakan dalam konstruksi elemen struktural seperti panel, balok, dan perabot jalan, atau dapat dicor di tempat untuk bangunan atas seperti jalan dan bendungan. Beton ini dapat dipasok dengan beton yang dicampur di lokasi, atau dapat disediakan dengan beton 'siap pakai' yang dibuat di lokasi pencampuran permanen. Semen portland juga digunakan dalam mortar (dengan pasir dan air saja), untuk plester dan screed, dan pada nat (campuran semen/air yang dimasukkan ke dalam celah untuk mengkonsolidasikan fondasi, dasar jalan, dll.).

Ketika air dicampur dengan semen portland, produk akan mengeras dalam beberapa jam, dan mengeras dalam beberapa minggu. Proses ini dapat sangat bervariasi, tergantung pada campuran yang digunakan dan kondisi pengawetan produk, tetapi beton biasa mengeras dalam waktu sekitar 6 jam dan mengembangkan kekuatan tekan 8 MPa dalam 24 jam. Kekuatannya meningkat menjadi 15 MPa pada 3 hari, 23 MPa pada 1 minggu, 35 MPa pada 4 minggu, dan 41 MPa pada 3 bulan. Pada prinsipnya, kekuatan terus meningkat secara perlahan selama air tersedia untuk hidrasi yang berkelanjutan, tetapi beton biasanya dibiarkan mengering setelah beberapa minggu dan hal ini menyebabkan pertumbuhan kekuatan berhenti.

Jenis

Umum

ASTM C150

Terdapat lima jenis semen portland, dengan variasi dari tiga jenis yang pertama menurut 

ASTM C150.

Semen portland tipe I dikenal sebagai semen umum atau semen untuk keperluan umum. Umumnya diasumsikan kecuali jenis lain ditentukan. Semen ini umumnya digunakan untuk konstruksi umum, terutama saat membuat beton pracetak, dan beton prategang pracetak yang tidak boleh bersentuhan dengan tanah atau air tanah. Komposisi senyawa yang khas dari jenis ini adalah:

55% (C3S), 19% (C2S), 10% (C3A), 7% (C4AF), 2,8% MgO, 2,9% (SO3), 1,0% kehilangan pengapian, dan 1,0% CaO bebas (menggunakan notasi kimia semen).

Batasan komposisi adalah bahwa (C3A) tidak boleh melebihi 15%.

Tipe II memberikan ketahanan sulfat yang moderat, dan mengeluarkan lebih sedikit panas selama hidrasi. Jenis semen ini harganya hampir sama dengan tipe I. Komposisi komposisinya yang khas adalah:

51% (C3S), 24% (C2S), 6% (C3A), 11% (C4AF), 2,9% MgO, 2,5% (SO3), 0,8% kehilangan pengapian, dan 1,0% CaO bebas.

Batasan komposisi adalah bahwa (C3A) tidak boleh melebihi 8%, yang mengurangi kerentanannya terhadap sulfat. Tipe ini untuk konstruksi umum yang terpapar serangan sulfat sedang, dan dimaksudkan untuk digunakan ketika beton bersentuhan dengan tanah dan air tanah, terutama di Amerika Serikat bagian barat karena kandungan sulfur yang tinggi pada tanah. Karena harganya yang mirip dengan tipe I, tipe II banyak digunakan sebagai semen untuk keperluan umum, dan sebagian besar semen portland yang dijual di Amerika Utara memenuhi spesifikasi ini.

Tipe III memiliki kekuatan awal yang relatif tinggi. Komposisi komposisinya yang khas adalah:

57% (C3S), 19% (C2S), 10% (C3A), 7% (C4AF), 3,0% MgO, 3,1% (SO3), 0,9% kehilangan pengapian, dan 1,3% CaO bebas.

Semen ini mirip dengan tipe I, tetapi digiling lebih halus. Beberapa produsen membuat klinker terpisah dengan kandungan C3Sdan/atau C3Ayang lebih tinggi, tetapi hal ini semakin jarang terjadi, dan klinker tujuan umum biasanya digunakan, digiling dengan luas permukaan tertentu yang biasanya 50-80% lebih tinggi. Kadar gipsum juga dapat ditingkatkan sedikit. Hal ini memberikan beton yang menggunakan semen jenis ini kuat tekan tiga hari yang sama dengan kuat tekan tujuh hari tipe I dan II. Kuat tekan tujuh harinya hampir sama dengan kuat tekan 28 hari tipe I dan II. Satu-satunya kekurangannya adalah kekuatan enam bulan tipe III sama atau sedikit lebih rendah dari tipe I dan II. Oleh karena itu, kekuatan jangka panjang dikorbankan. Biasanya digunakan untuk pembuatan beton pracetak, di mana kekuatan satu hari yang tinggi memungkinkan pergantian cetakan yang cepat. Semen ini juga dapat digunakan dalam konstruksi dan perbaikan darurat, serta konstruksi pangkalan mesin dan instalasi gerbang.

Semen portland tipe IV umumnya dikenal dengan panas hidrasinya yang rendah. Komposisi senyawa khasnya adalah:

28% (C3S), 49% (C2S), 4% (C3A), 12% (C4AF), 1,8% MgO, 1,9% (SO3), 0,9% kehilangan pengapian, dan 0,8% CaO bebas.

Persentase (C2S) dan (C4AF) relatif tinggi dan (C3S) dan (C3A) relatif rendah. Batasan untuk jenis ini adalah persentase maksimum (C3A) adalah tujuh, dan persentase maksimum (C3S) adalah tiga puluh lima. Hal ini menyebabkan panas yang dilepaskan oleh reaksi hidrasi berkembang pada laju yang lebih lambat. Akibatnya, kekuatan beton berkembang dengan lambat. Setelah satu atau dua tahun, kekuatannya lebih tinggi dari jenis lainnya setelah proses curing penuh. Semen ini digunakan untuk struktur beton yang sangat besar, seperti bendungan, yang memiliki rasio permukaan dan volume yang rendah. Jenis semen ini umumnya tidak disediakan oleh produsen, tetapi beberapa mungkin mempertimbangkan pesanan khusus dalam jumlah besar. Jenis semen ini sudah tidak diproduksi selama bertahun-tahun, karena semen portland-pozzolan dan tambahan terak tan ur sembur yang digiling menawarkan alternatif yang lebih murah dan lebih dapat diandalkan.

Tipe V digunakan jika ketahanan terhadap sulfat penting. Komposisi senyawa khasnya adalah:

38% (C3S), 43% (C2S), 4% (C3A), 9% (C4AF), 1,9% MgO, 1,8% (SO3), 0,9% kehilangan pengapian, dan 0,8% CaO bebas.

Semen ini memiliki komposisi (C3A) yang sangat rendah yang menyebabkan ketahanan sulfat yang tinggi. Kandungan maksimum (C3A) yang diperbolehkan adalah 5% untuk semen portland tipe V. Batasan lainnya adalah komposisi (C4AF) + 2(C3A) tidak boleh melebihi 20%. Tipe ini digunakan pada beton yang terpapar pada tanah alkali dan sulfat air tanah yang bereaksi dengan (C3A) yang menyebabkan pemuaian yang mengganggu. Tipe ini tidak tersedia di banyak tempat, meskipun penggunaannya umum di Amerika Serikat bagian barat dan Kanada. Seperti halnya tipe IV, semen portland tipe V sebagian besar telah digantikan oleh penggunaan semen biasa dengan tambahan terak tanur sembur butiran tanah atau semen campuran tersier yang mengandung terak dan abu terbang.

Tipe Ia, IIa, dan IIIa memiliki komposisi yang sama dengan tipe I, II, dan III. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa pada Ia, IIa, dan IIIa, zat penahan udara ditumbuk ke dalam campuran. Penahan udara harus memenuhi spesifikasi opsional minimum dan maksimum yang terdapat pada manual ASTM. Jenis-jenis ini hanya tersedia di Amerika Serikat bagian timur dan Kanada, hanya secara terbatas. Tipe ini merupakan pendekatan yang buruk untuk pemasukan udara yang meningkatkan ketahanan terhadap pembekuan pada suhu rendah.

Tipe II (MH) dan II (MH) a memiliki komposisi yang serupa dengan tipe II dan IIa, tetapi dengan panas yang ringan.

Norma EN 197

Norma Eropa EN 197-1 mendefinisikan lima kelas semen umum yang terdiri dari semen portland sebagai konstituen utama. Kelas-kelas ini berbeda dari kelas ASTM.

CSA A3000-08

Standar Kanada menjelaskan enam kelas utama semen, empat di antaranya juga dapat dipasok sebagai campuran yang mengandung batu kapur tanah (di mana akhiran L hadir dalam nama kelas).

Semen portland putih

Semen portland putih atau semen portland biasa putih (WOPC) mirip dengan semen portland biasa berwarna abu-abu dalam segala hal, kecuali tingkat keputihannya yang tinggi. Untuk mendapatkan warna ini diperlukan bahan baku dengan kemurnian tinggi (kandungan Fe2O3 rendah), dan beberapa modifikasi pada metode pembuatannya, antara lain suhu tanur yang lebih tinggi yang diperlukan untuk menyinter klinker tanpa adanya oksida besi yang berfungsi sebagai fluks pada klinker normal. Karena Fe2O3 berkontribusi dalam menurunkan titik leleh klinker (biasanya 1450°C), maka semen putih membutuhkan suhu sintering yang lebih tinggi (sekitar 1600°C). Oleh karena itu, harganya agak lebih mahal daripada produk abu-abu. Persyaratan utamanya adalah memiliki kandungan besi yang rendah yang harus kurang dari 0,5 wt.% yang dinyatakan sebagai Fe2O3 untuk semen putih, dan kurang dari 0,9 wt.% untuk semen putih. Hal ini juga membantu untuk memiliki oksida besi sebagai oksida besi (FeO) yang diperoleh melalui kondisi yang sedikit berkurang di dalam kiln, yaitu beroperasi dengan nol oksigen berlebih di pintu keluar kiln. Hal ini memberikan warna hijau pada klinker dan semen. Oksida logam lainnya seperti Cr2O3 (hijau), MnO (merah muda), TiO2 (putih), dan lain-lain, dalam kadar yang kecil, juga dapat memberikan semburat warna, sehingga untuk proyek tertentu, yang terbaik adalah menggunakan semen dari satu bets.

Masalah keamanan

Kantong semen secara rutin memiliki peringatan kesehatan dan keselamatan yang tercetak di atasnya, karena tidak hanya semen yang sangat basa, tetapi proses pengaturannya juga bersifat eksotermik. Akibatnya, semen basah bersifat sangat kaustik dan dapat dengan mudah menyebabkan luka bakar kulit yang parah jika tidak segera dicuci dengan air. Demikian pula, bubuk semen kering yang bersentuhan dengan selaput lendir dapat menyebabkan iritasi mata atau pernapasan yang parah. Reaksi debu semen dengan kelembapan di sinus dan paru-paru juga dapat menyebabkan luka bakar kimiawi, serta sakit kepala, kelelahan, dan kanker paru-paru.

Produksi semen dengan kadar alkalinitas yang relatif rendah (pH<11) merupakan area yang sedang dalam penyelidikan.

Di Skandinavia, Prancis, dan Inggris, tingkat kromium (VI), yang dianggap beracun dan menyebabkan iritasi kulit, tidak boleh melebihi 2 bagian per juta (ppm).

Di Amerika Serikat, Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Kerja (OSHA) telah menetapkan batas legal(batas paparan yang diizinkan) untuk paparan semen portland di tempat kerja sebesar 50 mppcf (juta partikel per kaki kubik) selama 8 jam kerja per hari. Institut Nasional untuk Keselamatan dan Kesehatan Kerja (NIOSH) telah menetapkan batas paparan yang direkomendasikan (REL) sebesar 10 mg/m3 paparan total dan 5 mg/m3 paparan pernapasan selama 8 jam kerja. Pada tingkat 5.000 mg/m3, semen portland langsung berbahaya bagi kehidupan dan kesehatan.

Efek lingkungan

Pembuatan semen portland dapat menyebabkan dampak lingkungan pada semua tahap proses. Ini termasuk emisi polusi udara dalam bentuk debu; gas; kebisingan dan getaran saat mengoperasikan mesin dan selama peledakan di tambang; konsumsi bahan bakar dalam jumlah besar selama pembuatan; pelepasan CO2 dari bahan baku selama proses produksi, dan kerusakan pedesaan akibat penggalian. Peralatan untuk mengurangi emisi debu selama penggalian dan pembuatan semen digunakan secara luas, dan peralatan untuk menjebak dan memisahkan gas buang semakin banyak digunakan. Perlindungan lingkungan juga mencakup pengintegrasian kembali tambang ke dalam pedesaan setelah ditutup dengan mengembalikannya ke alam atau membudidayakannya kembali.

Semen portland bersifat kaustik, sehingga dapat menyebabkan luka bakar kimiawi. Serbuknya dapat menyebabkan iritasi atau, jika terpapar secara parah, kanker paru-paru, dan dapat mengandung sejumlah komponen berbahaya, termasuk silika kristal dan kromium heksavalen. Masalah lingkungan adalah konsumsi energi yang tinggi yang diperlukan untuk menambang, memproduksi, dan mengangkut semen, serta polusi udara terkait, termasuk pelepasan gas rumah kaca karbon dioksida, dioksin, NOx, SO2, dan partikulat. Produksi semen portland menyumbang sekitar 10% dari emisi karbon dioksida dunia. Badan Energi Internasional telah memperkirakan bahwa produksi semen akan meningkat antara 12 dan 23% pada tahun 2050 untuk memenuhi kebutuhan populasi dunia yang terus bertambah. Ada beberapa penelitian yang sedang berlangsung yang menargetkan penggantian semen portland yang sesuai dengan bahan semen tambahan.

Catatan dan Laporan Epidemiologi Paparan Sulfur Dioksida di Pabrik Semen Portland, dari Pusat Pengendalian Penyakit, menyatakan:

Pekerja di fasilitas semen portland, terutama yang membakar bahan bakar yang mengandung sulfur, harus menyadari efek akut dan kronis dari paparan SO2 [sulfur dioksida], dan konsentrasi puncak dan konsentrasi penuh SO2 harus diukur secara berkala..

Sebuah upaya penelitian independen dari AEA Technology untuk mengidentifikasi isu-isu penting bagi industri semen saat ini menyimpulkan bahwa isu-isu lingkungan, kesehatan dan keselamatan yang paling penting yang dihadapi industri semen adalah pelepasan atmosfer (termasuk emisi gas rumah kaca, dioksin, NOx, SO2, dan partikulat), kecelakaan, dan paparan pekerja terhadap debu.

Secara keseluruhan, dengan tenaga nuklir atau tenaga air, dan manufaktur yang efisien, emisi CO2 dapat dikurangi hingga 0,7 kg (1,5 lb) per kg semen, tetapi dapat menjadi dua kali lipat lebih tinggi. Dorongan inovasi untuk masa depan adalah untuk mengurangi sumber 1 dan 2 dengan modifikasi kimiawi semen, dengan penggunaan limbah, dan dengan mengadopsi proses yang lebih efisien. Meskipun manufaktur semen jelas merupakan penghasil emisi CO2 yang sangat besar, beton (yang terdiri dari semen sekitar 15%) cukup baik dibandingkan dengan sistem bangunan modern lainnya dalam hal ini. Bahan-bahan tradisional seperti mortar berbahan dasar kapur serta metode konstruksi berbahan dasar kayu dan tanah menghasilkan emisi CO2 yang jauh lebih sedikit.

Pabrik semen yang digunakan untuk pembuangan atau pengolahan limbah

Karena suhu tinggi di dalam kiln semen, dikombinasikan dengan atmosfer pengoksidasi (kaya oksigen) dan waktu tinggal yang lama, kiln semen digunakan sebagai opsi pemrosesan untuk berbagai jenis aliran limbah; memang, kiln semen secara efisien menghancurkan banyak senyawa organik berbahaya. Aliran limbah juga sering mengandung bahan yang mudah terbakar yang memungkinkan penggantian sebagian bahan bakar fosil yang biasanya digunakan dalam proses tersebut.

Bahan limbah yang digunakan dalam kiln semen sebagai suplemen bahan bakar:

• Ban mobil dan truk - sabuk baja mudah ditoleransi di dalam kiln

• Lumpur cat dari industri mobil

• Limbah pelarut dan pelumas

• Daging dan tepung tulang - limbah rumah jagal karena masalah kontaminasi bovine spongiform encephalopathy  

• Limbah plastik

• Lumpur limbah

• Sekam padi

• Limbah tebu  

• Ikatan kereta api kayu bekas (bantalan rel kereta api)

• Spent cell liner dari industri peleburan aluminium (juga disebut spent pot liner)

Pembuatan semen portland juga memiliki potensi untuk mendapatkan keuntungan dari penggunaan produk sampingan industri dari aliran limbah. Ini termasuk khususnya:

• Terak

• Abu terbang (dari pembangkit listrik)

• Asap silika (dari pabrik baja)

• Gipsum sintetis (dari desulfurisasi)

Disadur dari: en.wikipedia.org

 

Keramik adalah salah satu dari berbagai bahan yang keras, rapuh, tahan panas, dan tahan korosi yang dibuat dengan membentuk dan kemudian membakar bahan anorganik, bukan logam, seperti tanah liat, pada suhu tinggi.  Contoh umum adalah gerabah, porselen, dan batu bata.

Keramik paling awal yang dibuat oleh manusia adalah dinding bata yang digunakan untuk membangun rumah dan bangunan lainnya, sedangkan benda tembikar (pot, bejana, atau vas) atau patung-patung yang terbuat dari tanah liat, baik dengan sendirinya atau dicampur dengan bahan lain seperti silika, dikeraskan dan disinter dalam api adalah kepercayaan umum tentang bagaimana keramik dibuat. Kemudian, keramik diglasir dan dibakar untuk menciptakan permukaan yang halus dan berwarna, mengurangi porositas melalui penggunaan lapisan keramik amorf seperti kaca di atas substrat keramik kristal. Keramik sekarang mencakup produk rumah tangga, industri, dan bangunan, serta berbagai macam bahan yang dikembangkan untuk digunakan dalam teknik keramik tingkat lanjut, seperti semikonduktor.

Kata keramik berasal dari kata Yunani Kuno κεραμικός (keramikós), yang berarti "dari atau untuk tembikar" (dari κέραμος (kéramos) 'tanah liat tembikar, genteng, tembikar'). Penyebutan paling awal yang diketahui tentang akar kata keramik adalah bahasa Yunani Mycenaean ke-ra-me-we, pekerja keramik, yang ditulis dalam aksara suku kata Linear B.  Kata keramik dapat digunakan sebagai kata sifat untuk mendeskripsikan bahan, produk, atau proses, atau dapat juga digunakan sebagai kata benda, baik dalam bentuk tunggal maupun jamak, yaitu keramik.

Bahan

Bahan keramik adalah bahan anorganik, oksida logam, nitrida, atau karbida. Beberapa elemen, seperti karbon atau silikon, dapat dianggap sebagai keramik. Bahan keramik bersifat rapuh, keras, kuat dalam kompresi, dan lemah dalam geseran dan tegangan. Mereka tahan terhadap erosi kimiawi yang terjadi pada bahan lain yang terkena lingkungan asam atau kaustik. Keramik umumnya dapat bertahan pada suhu yang sangat tinggi, mulai dari 1.000 ° C hingga 1.600 ° C (1.800 ° F hingga 3.000 ° F).

Kristalinitas bahan keramik sangat bervariasi. Paling sering, keramik yang dibakar adalah keramik yang divitrifikasi atau semi-vitrifikasi, seperti halnya gerabah, periuk, dan porselen. Kristalinitas dan komposisi elektron yang bervariasi dalam ikatan ionik dan kovalen menyebabkan sebagian besar bahan keramik menjadi isolator termal dan listrik yang baik (diteliti dalam teknik keramik). Dengan berbagai macam pilihan yang memungkinkan untuk komposisi/struktur keramik (hampir semua elemen, hampir semua jenis ikatan, dan semua tingkat kristalinitas), cakupan subjeknya sangat luas, dan atribut yang dapat diidentifikasi (kekerasan, ketangguhan, konduktivitas listrik) sulit untuk ditentukan untuk kelompok secara keseluruhan. Sifat umum seperti suhu leleh tinggi, kekerasan tinggi, konduktivitas buruk, modulus elastisitas tinggi, ketahanan kimia, dan keuletan rendah adalah norma,  dengan pengecualian yang diketahui untuk masing-masing aturan ini (keramik piezoelektrik, suhu transisi gelas, keramik superkonduktif).

Komposit seperti fiberglass dan serat karbon, meskipun mengandung bahan keramik, tidak dianggap sebagai bagian dari keluarga keramik.

Bahan keramik kristal yang sangat berorientasi tidak dapat menerima berbagai macam pemrosesan. Metode untuk menanganinya cenderung masuk ke dalam salah satu dari dua kategori: membuat keramik dalam bentuk yang diinginkan melalui reaksi in situ atau "membentuk" serbuk ke dalam bentuk yang diinginkan dan kemudian disinter untuk membentuk benda padat. Teknik pembentukan keramik meliputi pembentukan dengan tangan (terkadang termasuk proses rotasi yang disebut "melempar"), pengecoran selip, pengecoran pita (digunakan untuk membuat kapasitor keramik yang sangat tipis), pencetakan injeksi, pengepresan kering, dan variasi lainnya.

Banyak ahli keramik tidak menganggap bahan dengan karakter amorf (non-kristal) (yaitu, kaca) sebagai keramik, meskipun pembuatan kaca melibatkan beberapa langkah proses keramik dan sifat mekaniknya mirip dengan bahan keramik. Namun, perlakuan panas dapat mengubah kaca menjadi bahan semi-kristal yang dikenal sebagai kaca-keramik.

Bahan baku keramik tradisional meliputi mineral tanah liat seperti kaolinit, sedangkan bahan yang lebih baru meliputi aluminium oksida, yang lebih dikenal sebagai alumina. Bahan keramik modern, yang diklasifikasikan sebagai keramik canggih, termasuk silikon karbida dan tungsten karbida. Keduanya dihargai karena ketahanan abrasinya dan oleh karena itu digunakan dalam aplikasi seperti pelat aus pada peralatan penghancur dalam operasi pertambangan. Keramik canggih juga digunakan dalam industri medis, listrik, elektronik, dan baju besi.

Sejarah

Manusia tampaknya telah membuat keramik mereka sendiri setidaknya selama 26.000 tahun, dengan menggunakan tanah liat dan silika yang dipanaskan dengan panas tinggi untuk melebur dan membentuk bahan keramik. Tembikar paling awal yang ditemukan sejauh ini berada di Eropa tengah bagian selatan dan berupa pahatan figur, bukan piring. Tembikar paling awal yang diketahui dibuat dengan mencampurkan produk hewani dengan tanah liat dan dibakar hingga 800 °C (1.500 °F). Meskipun fragmen tembikar telah ditemukan hingga 19.000 tahun, baru sekitar 10.000 tahun kemudian tembikar biasa menjadi hal yang umum. Masyarakat awal yang tersebar di sebagian besar Eropa dinamai berdasarkan penggunaan tembikarnya: budaya Corded Ware. Orang-orang Indo-Eropa awal ini menghias tembikar mereka dengan membungkusnya dengan tali saat masih basah. Ketika keramik dibakar, tali akan terbakar namun meninggalkan pola dekoratif berupa alur-alur yang rumit pada permukaannya.

Penemuan roda pada akhirnya mengarah pada produksi tembikar yang lebih halus dan lebih merata menggunakan teknik pembentukan roda (melempar), seperti roda tembikar. Keramik awal berpori-pori, menyerap air dengan mudah. Hal ini menjadi berguna untuk lebih banyak barang dengan ditemukannya teknik glazur, yang melibatkan pelapisan tembikar dengan silikon, abu tulang, atau bahan lain yang dapat meleleh dan berubah menjadi permukaan seperti kaca, sehingga bejana tidak mudah tembus air.

Arkeologi

Artefak keramik memiliki peran penting dalam arkeologi untuk memahami budaya, teknologi, dan perilaku masyarakat di masa lalu. Keramik merupakan salah satu artefak yang paling umum ditemukan di situs arkeologi, umumnya dalam bentuk pecahan tembikar yang disebut serpihan. Pemrosesan serpihan yang terkumpul dapat dilakukan dengan dua jenis analisis utama: teknis dan tradisional.

Analisis tradisional melibatkan pemilahan artefak keramik, serpihan, dan fragmen yang lebih besar ke dalam tipe-tipe tertentu berdasarkan gaya, komposisi, manufaktur, dan morfologi. Dengan membuat tipologi ini, dimungkinkan untuk membedakan antara gaya budaya yang berbeda, tujuan keramik, dan keadaan teknologi masyarakat, di antara kesimpulan lainnya. Selain itu, dengan melihat perubahan gaya pada keramik dari waktu ke waktu, dimungkinkan untuk memisahkan (seriasi) keramik ke dalam kelompok-kelompok diagnostik yang berbeda (kumpulan). Perbandingan artefak keramik dengan kumpulan yang diketahui tanggalnya memungkinkan untuk menentukan kronologis dari potongan-potongan ini..

Pendekatan teknis untuk analisis keramik melibatkan pemeriksaan yang lebih teliti terhadap komposisi artefak dan serpihan keramik untuk menentukan sumber bahan dan, melalui ini, kemungkinan lokasi pembuatannya. Kriteria utamanya adalah komposisi tanah liat dan temper yang digunakan dalam pembuatan benda yang diteliti: temper adalah bahan yang ditambahkan ke tanah liat selama tahap produksi awal dan digunakan untuk membantu proses pengeringan selanjutnya. Jenis temper termasuk potongan kerang, pecahan granit, dan serpihan tanah yang disebut 'grog'. Temper biasanya diidentifikasi dengan pemeriksaan mikroskopis dari bahan temper. Identifikasi tanah liat ditentukan oleh proses pembakaran keramik dan pemberian warna menggunakan notasi Warna Tanah Munsell. Dengan memperkirakan komposisi tanah liat dan temper dan menemukan wilayah di mana keduanya diketahui terjadi, penetapan sumber material dapat dilakukan. Berdasarkan penetapan sumber artefak, penyelidikan lebih lanjut dapat dilakukan terhadap situs pembuatannya.

Properti 

Sifat fisik dari setiap bahan keramik adalah hasil langsung dari struktur kristal dan komposisi kimianya. Kimia solid-state mengungkapkan hubungan mendasar antara struktur mikro dan sifat, seperti variasi kepadatan lokal, distribusi ukuran butir, jenis porositas, dan konten fase kedua, yang semuanya dapat dikorelasikan dengan sifat keramik seperti kekuatan mekanik σ dengan persamaan Hall-Petch, kekerasan, ketangguhan, konstanta dielektrik, dan sifat optik yang ditunjukkan oleh bahan transparan.

Ceramografi adalah seni dan ilmu pengetahuan tentang persiapan, pemeriksaan, dan evaluasi struktur mikro keramik. Evaluasi dan karakterisasi struktur mikro keramik sering diimplementasikan pada skala spasial yang serupa dengan yang biasa digunakan dalam bidang nanoteknologi yang sedang berkembang: dari nanometer hingga puluhan mikrometer (µm). Ini biasanya berada di antara panjang gelombang minimum cahaya tampak dan batas resolusi mata telanjang.

Struktur mikro mencakup sebagian besar butiran, fase sekunder, batas butir, pori-pori, retakan mikro, cacat struktural, dan lekukan mikro kekerasan. Sebagian besar sifat mekanik, optik, termal, listrik, dan magnetik secara signifikan dipengaruhi oleh struktur mikro yang diamati. Metode fabrikasi dan kondisi proses umumnya ditunjukkan oleh struktur mikro. Akar penyebab dari banyak kegagalan keramik terlihat jelas pada struktur mikro yang dibelah dan dipoles. Sifat fisik yang merupakan bidang ilmu dan teknik material meliputi yang berikut ini:

Sifat mekanis

Sifat mekanik penting dalam bahan struktural dan bangunan serta kain tekstil. Dalam ilmu material modern, mekanika fraktur merupakan alat penting dalam meningkatkan kinerja mekanis material dan komponen. Ilmu ini menerapkan fisika tegangan dan regangan, khususnya teori elastisitas dan plastisitas, pada cacat kristalografi mikroskopis yang ditemukan pada material nyata untuk memprediksi kegagalan mekanis makroskopis benda. Fraktografi banyak digunakan dengan mekanika fraktur untuk memahami penyebab kegagalan dan juga memverifikasi prediksi kegagalan teoretis dengan kegagalan dalam kehidupan nyata.

Material keramik biasanya merupakan material yang terikat secara ionik atau kovalen. Material yang disatukan oleh salah satu jenis ikatan tersebut akan cenderung patah sebelum deformasi plastis terjadi, yang menghasilkan ketangguhan yang buruk pada material ini. Selain itu, karena bahan-bahan ini cenderung berpori, pori-pori dan ketidaksempurnaan mikroskopis lainnya bertindak sebagai konsentrator tegangan, mengurangi ketangguhan lebih lanjut, dan mengurangi kekuatan tarik. Hal ini dikombinasikan untuk menghasilkan kegagalan yang dahsyat, berlawanan dengan mode kegagalan logam yang lebih ulet.

Bahan-bahan ini memang menunjukkan deformasi plastis. Namun, karena struktur material kristal yang kaku, hanya ada sedikit sistem slip yang tersedia untuk dislokasi bergerak, sehingga mereka berubah bentuk dengan sangat lambat.

Untuk mengatasi perilaku getas, pengembangan material keramik telah memperkenalkan kelas material komposit matriks keramik, di mana serat keramik tertanam dan dengan lapisan khusus membentuk jembatan serat di setiap retakan. Mekanisme ini secara substansial meningkatkan ketangguhan retak dari keramik tersebut. Rem cakram keramik adalah contoh penggunaan bahan komposit matriks keramik yang diproduksi dengan proses tertentu.

Para ilmuwan sedang berupaya mengembangkan bahan keramik yang dapat menahan deformasi yang signifikan tanpa patah. Bahan pertama yang dapat berubah bentuk pada suhu kamar ditemukan pada tahun 2024.

Mencontoh es untuk meningkatkan sifat mekanik

Jika keramik mengalami pembebanan mekanis yang substansial, keramik dapat mengalami proses yang disebut ice-templating, yang memungkinkan beberapa kontrol terhadap struktur mikro produk keramik dan oleh karena itu beberapa kontrol terhadap sifat mekanik. Insinyur keramik menggunakan teknik ini untuk menyesuaikan sifat mekanik dengan aplikasi yang diinginkan. Secara khusus, kekuatannya meningkat ketika teknik ini digunakan. Templating es memungkinkan pembuatan pori-pori makroskopis dalam pengaturan searah. Aplikasi teknik penguatan oksida ini penting untuk sel bahan bakar oksida padat dan perangkat penyaringan air.

Untuk memproses sampel melalui templating es, suspensi koloid berair disiapkan untuk mengandung bubuk keramik terlarut yang tersebar merata di seluruh koloid,  misalnya Yttria-stabil zirkonia (YSZ). Larutan tersebut kemudian didinginkan dari bawah ke atas pada platform yang memungkinkan pendinginan searah. Hal ini memaksa kristal es untuk tumbuh sesuai dengan pendinginan searah, dan kristal es ini memaksa partikel YSZ terlarut ke bagian depan pemadatan  dari batas antarfase padat-cair, sehingga menghasilkan kristal es murni yang berbaris searah di samping kantong-kantong terkonsentrasi dari partikel koloid. Sampel kemudian dipanaskan dan pada saat yang sama tekanannya dikurangi cukup untuk memaksa kristal es menjadi luhur dan kantong YSZ mulai menganil bersama untuk membentuk mikrostruktur keramik yang selaras secara makro. Sampel kemudian disinter lebih lanjut untuk menyelesaikan penguapan sisa air dan konsolidasi akhir dari struktur mikro keramik.

Selama proses ice-templating, beberapa variabel dapat dikontrol untuk memengaruhi ukuran pori dan morfologi struktur mikro. Variabel-variabel penting ini adalah pemuatan padatan awal koloid, laju pendinginan, suhu dan durasi sintering, dan penggunaan aditif tertentu yang dapat memengaruhi morfologi struktur mikro selama proses berlangsung. Pemahaman yang baik tentang parameter-parameter ini sangat penting untuk memahami hubungan antara pemrosesan, struktur mikro, dan sifat mekanik bahan berpori anisotropik.

Sifat listrik

Semikonduktor

Beberapa keramik adalah semikonduktor. Sebagian besar adalah oksida logam transisi yang merupakan semikonduktor II-VI, seperti seng oksida. Meskipun ada prospek untuk memproduksi LED biru secara massal dari seng oksida, namun para ahli keramik sangat tertarik pada sifat listrik yang menunjukkan efek batas butir. Salah satu yang paling banyak digunakan adalah varistor. Ini adalah perangkat yang menunjukkan sifat resistansi yang turun tajam pada tegangan ambang batas tertentu. Setelah tegangan pada perangkat mencapai ambang batas, terjadi kerusakan struktur listrik  di sekitar batas butir, yang mengakibatkan hambatan listriknya turun dari beberapa megohm hingga beberapa ratus ohm. Keuntungan utama dari ini adalah bahwa mereka dapat membuang banyak energi, dan mereka dapat mengatur ulang sendiri; setelah tegangan di seluruh perangkat turun di bawah ambang batas, ketahanannya kembali menjadi tinggi. Hal ini membuatnya ideal untuk aplikasi perlindungan lonjakan arus; karena ada kontrol atas tegangan ambang batas dan toleransi energi, mereka dapat digunakan dalam semua jenis aplikasi. Demonstrasi terbaik dari kemampuan mereka dapat ditemukan di gardu listrik, di mana mereka digunakan untuk melindungi infrastruktur dari sambaran petir. Keramik ini memiliki respons yang cepat, perawatan yang rendah, dan tidak mengalami penurunan kualitas yang berarti, menjadikannya perangkat yang ideal untuk aplikasi ini. Keramik semikonduktor juga digunakan sebagai sensor gas. Ketika berbagai gas dilewatkan di atas keramik polikristalin, hambatan listriknya berubah. Dengan penyetelan pada campuran gas yang mungkin, perangkat yang sangat murah dapat diproduksi.

Superkonduktivitas

Dalam beberapa kondisi, seperti suhu yang sangat rendah, beberapa keramik menunjukkan superkonduktivitas suhu tinggi. [Alasannya tidak diketahui, tetapi ada dua kelompok utama keramik superkonduktor.

Ferroelektrik dan superset

Piezoelektrik, sebuah hubungan antara respons listrik dan mekanik, ditunjukkan oleh sejumlah besar bahan keramik, termasuk kuarsa yang digunakan untuk mengukur waktu pada jam tangan dan barang elektronik lainnya. Perangkat tersebut menggunakan kedua sifat piezoelektrik, menggunakan listrik untuk menghasilkan gerakan mekanis (menyalakan perangkat) dan kemudian menggunakan gerakan mekanis ini untuk menghasilkan listrik (menghasilkan sinyal). Satuan waktu yang diukur adalah interval alami yang diperlukan agar listrik diubah menjadi energi mekanik dan kembali lagi.

Efek piezoelektrik umumnya lebih kuat pada bahan yang juga menunjukkan piroelektrik, dan semua bahan piroelektrik juga bersifat piezoelektrik. Bahan-bahan ini dapat digunakan untuk mengkonversi antara energi panas, mekanik, atau listrik; misalnya, setelah sintesis dalam tungku, kristal piroelektrik yang dibiarkan mendingin tanpa tekanan yang diterapkan umumnya membangun muatan statis ribuan volt. Bahan-bahan tersebut digunakan dalam sensor gerak, di mana kenaikan suhu yang kecil dari benda hangat yang memasuki ruangan sudah cukup untuk menghasilkan tegangan yang dapat diukur dalam kristal.

Pada gilirannya, piroelektrik terlihat paling kuat pada bahan yang juga menampilkan efek feroelektrik, di mana dipol listrik yang stabil dapat diorientasikan atau dibalikkan dengan menerapkan medan elektrostatik. Piroelektrik juga merupakan konsekuensi penting dari feroelektrik. Ini dapat digunakan untuk menyimpan informasi dalam kapasitor feroelektrik, elemen RAM feroelektrik.

Bahan yang paling umum adalah timbal zirkonat titanat dan barium titanat. Selain penggunaan yang disebutkan di atas, respons piezoelektriknya yang kuat dieksploitasi dalam desain pengeras suara frekuensi tinggi, transduser untuk sonar, dan aktuator untuk gaya atom dan pemindaian mikroskop terowongan.

Koefisien termal positif

Peningkatan suhu dapat menyebabkan batas butir tiba-tiba menjadi isolasi pada beberapa bahan keramik semikonduktor, sebagian besar campuran titanat logam berat. Suhu transisi kritis dapat disesuaikan pada rentang yang luas dengan variasi kimia. Pada bahan tersebut, arus akan melewati bahan sampai pemanasan joule membawanya ke suhu transisi, di mana pada saat itu sirkuit akan rusak dan aliran arus akan berhenti. Keramik semacam itu digunakan sebagai elemen pemanas yang dapat dikendalikan sendiri, misalnya, sirkuit pencairan bunga es jendela belakang mobil.

Pada suhu transisi, respons dielektrik material secara teoretis menjadi tidak terbatas. Meskipun kurangnya kontrol suhu akan mengesampingkan penggunaan praktis apa pun dari bahan tersebut di dekat suhu kritisnya, efek dielektrik tetap sangat kuat bahkan pada suhu yang jauh lebih tinggi. Titanate dengan suhu kritis jauh di bawah suhu kamar telah menjadi identik dengan "keramik" dalam konteks kapasitor keramik karena alasan ini.

Sifat optik

Bahan transparan secara optik berfokus pada respons bahan terhadap gelombang cahaya yang masuk dari berbagai panjang gelombang. Filter optik selektif frekuensi dapat digunakan untuk mengubah atau meningkatkan kecerahan dan kontras gambar digital. Transmisi gelombang cahaya terpandu melalui pandu gelombang selektif frekuensi melibatkan bidang serat optik yang sedang berkembang dan kemampuan komposisi kaca tertentu sebagai media transmisi untuk berbagai frekuensi secara bersamaan (serat optik multi-mode) dengan sedikit atau tanpa gangguan antara panjang gelombang atau frekuensi yang saling bersaing. Mode resonansi energi dan transmisi data melalui perambatan gelombang elektromagnetik (cahaya) ini, meskipun bertenaga rendah, hampir tidak memiliki rugi-rugi. Pandu gelombang optik digunakan sebagai komponen dalam sirkuit optik terintegrasi (misalnya dioda pemancar cahaya, LED) atau sebagai media transmisi dalam sistem komunikasi optik lokal dan jarak jauh. Yang juga penting bagi ilmuwan material yang sedang berkembang adalah sensitivitas material terhadap radiasi di bagian inframerah termal (IR) dari spektrum elektromagnetik. Kemampuan mencari panas ini bertanggung jawab atas beragam fenomena optik seperti penglihatan malam dan pendaran IR.

Dengan demikian, ada peningkatan kebutuhan di sektor militer untuk material berkekuatan tinggi dan kuat yang memiliki kemampuan untuk mentransmisikan cahaya (gelombang elektromagnetik) di wilayah spektrum tampak (0,4 - 0,7 mikrometer) dan inframerah menengah (1 - 5 mikrometer). Bahan-bahan ini diperlukan untuk aplikasi yang membutuhkan lapis baja transparan, termasuk rudal dan pod berkecepatan tinggi generasi mendatang, serta perlindungan terhadap alat peledak improvisasi (IED).

Pada tahun 1960-an, para ilmuwan di General Electric (GE) menemukan bahwa di bawah kondisi produksi yang tepat, beberapa keramik, terutama aluminium oksida (alumina), dapat dibuat tembus cahaya. Bahan tembus pandang ini cukup transparan untuk digunakan sebagai wadah plasma listrik yang dihasilkan pada lampu jalan natrium bertekanan tinggi. Selama dua dekade terakhir, jenis keramik transparan tambahan telah dikembangkan untuk aplikasi seperti kerucut hidung untuk rudal pencari panas, jendela untuk pesawat tempur, dan penghitung kilau untuk pemindai tomografi terkomputasi. Bahan keramik lainnya, umumnya membutuhkan kemurnian yang lebih tinggi dalam pembuatannya daripada yang disebutkan di atas, termasuk bentuk beberapa senyawa kimia, termasuk:

1. Barium titanat: (sering dicampur dengan strontium titanat) menampilkan ferroelektrik, yang berarti bahwa respons mekanis, elektrik, dan termalnya adalah c

2. Sialon (silikon aluminium oksinitrida) memiliki kekuatan tinggi; ketahanan terhadap guncangan termal, ketahanan terhadap bahan kimia dan keausan, dan kepadatan rendah. Keramik ini digunakan dalam penanganan logam cair non-besi, pin las, dan industri kimia.

3. Silikon karbida (SiC) digunakan sebagai susceptor dalam tungku gelombang mikro, bahan abrasif yang umum digunakan, dan sebagai bahan tahan api.

4. Silikon nitrida (Si3N4) digunakan sebagai bubuk abrasif.

5. Steatite (magnesium silikat) digunakan sebagai isolator listrik.

6. Titanium karbida Digunakan dalam perisai masuk kembali pesawat ulang-alik dan jam tangan anti gores.

7. Uranium oksida (UO2), digunakan sebagai bahan bakar dalam reaktor nuklir.

8. Yttrium barium tembaga oksida (YBa2Cu3O7-x), superkonduktor suhu tinggi.

9. Seng oksida (ZnO), yang merupakan semikonduktor, dan digunakan dalam konstruksi varistor.

10. Zirkonium dioksida (zirkonia), yang dalam bentuk murni mengalami banyak perubahan fasa antara suhu kamar dan suhu sintering praktis, dapat "distabilkan" secara kimiawi dalam beberapa bentuk yang berbeda. Konduktivitas ion oksigennya yang tinggi merekomendasikannya untuk digunakan dalam sel bahan bakar dan sensor oksigen otomotif. Dalam varian lain, struktur metastabil dapat memberikan ketangguhan transformasi untuk aplikasi mekanis; sebagian besar bilah pisau keramik terbuat dari bahan ini. Zirkonia yang distabilkan sebagian (PSZ) jauh lebih tidak rapuh daripada keramik lainnya dan digunakan untuk alat pembentuk logam, katup dan pelapis, bubur abrasif, pisau dapur, dan bantalan yang mengalami abrasi parah.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Kimia Keramik mempelajari hubungan antara keramik serta sifat fisik dan kimianya. Banyak dari hubungan ini telah lama diketahui oleh para ahli teknologi, namun munculnya perangkat lunak komputer yang mengotomatisasi penerjemahan dan analisis dari arsip ke publikasi telah membuat ilmu ini dapat diakses oleh masyarakat umum. Pada produk pembakaran, sifat fisik kaca (muai panas, kekerasan, indeks bias, warna, titik leleh, jangkauan, dll.) tidak hanya berkaitan dengan bahannya. Sifat-sifat kaca cair, seperti viskositas dan luas permukaan, juga bersifat kimia.

Digunakan oleh teknisi peralatan makan keramik, kerajinan tangan, bahan pembersih, kaca, fiberglass, kaca, kaca dan industri terkait.

Dalam kimia keramik, glasir yang dibakar dianggap tersusun dari oksida (contohnya adalah SiO2, Al2O3, B2O3, Na2O, K2O, CaO, Li2O, MgO, ZnO, MnO, Fe2O3, CoO). Setiap oksida diketahui menyumbangkan sifat spesifik pada kaca yang dibakar. Banyak pemasok bahan mempublikasikan analisis kimia produk mereka yang menyebutkan persentase oksida ini serta komponen yang mudah menguap (komponen yang terbakar selama pembakaran menghasilkan gas dan asap seperti H2O, CO2, SO3).

Misalnya, pada keramik tradisional berikut adalah beberapa contoh penerapan kimia keramik yang dapat dicapai.

• Memperbaiki cacat glasir seperti crazing, melepuh, pin-holing, settling, clouding, leaching, crawling, marking, scratching, powdering 

• Gantikan frit, gunakan bahan yang lebih baik dan lebih murah, atau ganti bahan yang sudah tidak tersedia lagi

• Menyesuaikan suhu leleh glasir, kilap, karakter permukaan dan warna (pada keramik, warna adalah masalah kimia)

• Identifikasi kelemahan (misalnya kedekatan dengan zona pembakaran yang mudah menguap, penggunaan bahan yang tidak dapat diandalkan) pada kaca untuk menghindari masalah 

• Membuat dan mengoptimalkan glasir dasar untuk bekerja dengan warna atau noda yang sulit dan untuk efek khusus yang bergantung pada kekeruhan, kristalisasi, atau variegasi 

• Buat glasir dari awal dan gunakan bahan asli dengan persentase setinggi mungkin 

Dalam badan keramik, sifat fisik produk pembakaran akhir seringkali lebih terkait dengan kurva pembakaran, sifat fisik (misalnya ukuran dan bentuk partikel, riwayat dekomposisi) bahan bahan dan mineralogi serta interaksi antara berbagai jenis partikel.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Teknik keramik adalah ilmu pengetahuan dan teknologi untuk menciptakan benda-benda dari bahan anorganik non-logam. Hal ini dilakukan dengan aksi panas, atau pada suhu yang lebih rendah menggunakan reaksi pengendapan dari larutan kimia dengan kemurnian tinggi. Istilah ini mencakup pemurnian bahan mentah, studi dan produksi senyawa kimia yang bersangkutan, pembentukannya menjadi komponen dan studi tentang struktur, komposisi, dan sifat-sifatnya.

Bahan keramik dapat memiliki struktur kristal atau sebagian kristal, dengan tatanan jarak jauh pada skala atom. Keramik kaca mungkin memiliki struktur amorf atau seperti kaca, dengan susunan atom yang terbatas atau pendek. Keramik ini terbentuk dari massa cair yang membeku saat didinginkan, dibentuk dan dimatangkan oleh panas, atau disintesis secara kimiawi pada suhu rendah dengan menggunakan, misalnya, sintesis hidrotermal atau sol-gel.

Karakter khusus dari bahan keramik memunculkan banyak aplikasi dalam teknik material, teknik elektro, teknik kimia, dan teknik mesin. Karena keramik tahan panas, keramik dapat digunakan untuk banyak tugas yang tidak dapat dilakukan oleh bahan seperti logam dan polimer. Bahan keramik digunakan dalam berbagai industri, termasuk pertambangan, kedirgantaraan, obat-obatan, kilang, industri makanan dan kimia, ilmu pengemasan, elektronik, listrik industri dan transmisi, dan transmisi gelombang cahaya terpandu.

Sejarah

Kata "keramik" berasal dari kata Yunani κεραμικός(keramikos) yang berarti tembikar. Kata ini terkait dengan akar kata bahasa Indo-Eropa yang lebih tua "membakar." "Keramik" dapat digunakan sebagai kata benda dalam bentuk tunggal untuk merujuk pada bahan keramik atau produk pembuatan keramik, atau sebagai kata sifat. Keramik adalah pembuatan benda-benda dari bahan keramik. Teknik keramik, seperti banyak ilmu pengetahuan lainnya, berevolusi dari disiplin ilmu yang berbeda menurut standar saat ini. Teknik ilmu material dikelompokkan dengan teknik keramik hingga hari ini.

Abraham Darby pertama kali menggunakan kokas pada tahun 1709 di Shropshire, Inggris, untuk meningkatkan hasil proses peleburan. Kokas sekarang digunakan secara luas untuk memproduksi keramik karbida. Pembuat keramik Josiah Wedgwood membuka pabrik keramik modern pertama di Stoke-on-Trent, Inggris, pada tahun 1759. Ahli kimia Austria Carl Josef Bayer, yang bekerja untuk industri tekstil di Rusia, mengembangkan proses untuk memisahkan alumina dari bijih bauksit pada tahun 1888. Proses Bayer masih digunakan untuk memurnikan alumina untuk industri keramik dan aluminium. Kakak beradik Pierre dan Jacques Curie menemukan piezoelektrik dalam garam Rochelle sekitar tahun 1880. Piezoelektrik adalah salah satu sifat utama elektrokeramik.

E.G. Acheson memanaskan campuran kokas dan tanah liat pada tahun 1893, dan menemukan carborundum, atau silikon karbida sintetis. Henri Moissan juga mensintesis SiC dan tungsten karbida dalam tungku busur listriknya di Paris pada waktu yang hampir bersamaan dengan Acheson. Karl Schröter menggunakan sintering fase cair untuk mengikat atau "menyemen" partikel tungsten karbida Moissan dengan kobalt pada tahun 1923 di Jerman. Tepi karbida yang disemen (terikat dengan logam) sangat meningkatkan daya tahan alat pemotong baja yang dikeraskan. W.H. Nernst mengembangkan zirkonia yang distabilkan secara kubik pada tahun 1920-an di Berlin. Bahan ini digunakan sebagai sensor oksigen dalam sistem pembuangan. Keterbatasan utama penggunaan keramik dalam bidang teknik adalah kerapuhan.

Militer

Persyaratan militer Perang Dunia II mendorong perkembangan, yang menciptakan kebutuhan akan bahan berkinerja tinggi dan membantu mempercepat perkembangan ilmu pengetahuan dan teknik keramik. Sepanjang tahun 1960-an dan 1970-an, jenis keramik baru dikembangkan sebagai respons terhadap kemajuan energi atom, elektronik, komunikasi, dan perjalanan luar angkasa. Penemuan superkonduktor keramik pada tahun 1986 telah memacu penelitian yang intens untuk mengembangkan komponen keramik superkonduktor untuk perangkat elektronik, motor listrik, dan peralatan transportasi.

Ada peningkatan kebutuhan di sektor militer akan bahan berkekuatan tinggi dan kuat yang memiliki kemampuan untuk mentransmisikan cahaya di sekitar wilayah spektrum tampak (0,4-0,7 mikrometer) dan inframerah menengah (1-5 mikrometer). Bahan-bahan ini diperlukan untuk aplikasi yang membutuhkan pelindung transparan. Armor transparan adalah bahan atau sistem bahan yang dirancang agar transparan secara optik, namun melindungi dari fragmentasi atau benturan balistik. Persyaratan utama untuk sistem lapis baja transparan adalah tidak hanya mengalahkan ancaman yang ditunjuk tetapi juga memberikan kemampuan multi-hit dengan distorsi yang diminimalkan pada area sekitarnya. Jendela lapis baja transparan juga harus kompatibel dengan peralatan penglihatan malam. Material baru yang lebih tipis, ringan, dan menawarkan kinerja balistik yang lebih baik sedang dicari.

Komponen solid-state semacam itu telah digunakan secara luas untuk berbagai aplikasi di bidang elektro-optik termasuk: serat optik untuk transmisi gelombang cahaya terpandu, sakelar optik, penguat dan lensa laser, host untuk laser solid-state dan bahan jendela optik untuk laser gas, dan perangkat pencari panas inframerah (IR ) untuk sistem pemandu rudal dan penglihatan malam hari IR.

Industri modern

Sekarang menjadi industri bernilai miliaran dolar per tahun, teknik dan penelitian keramik telah memantapkan dirinya sebagai bidang ilmu pengetahuan yang penting. Aplikasi terus berkembang karena para peneliti mengembangkan jenis keramik baru untuk melayani tujuan yang berbeda.

• Keramik zirkonium dioksida digunakan dalam pembuatan pisau. Bilah pisau keramik akan tetap tajam lebih lama daripada pisau baja, meskipun lebih rapuh dan dapat patah dengan menjatuhkannya ke permukaan yang keras.

• Keramik seperti alumina, boron karbida dan silikon karbida telah digunakan dalam rompi antipeluru untuk menangkis tembakan senapan senjata ringan. Pelat semacam itu umumnya dikenal sebagai pelat balistik. Bahan serupa digunakan untuk melindungi kokpit beberapa pesawat militer, karena bobotnya yang ringan.

• Bagian silikon nitrida digunakan dalam bantalan bola keramik. Kekerasannya yang lebih tinggi berarti bahwa mereka jauh lebih tidak rentan terhadap keausan dan dapat menawarkan masa pakai lebih dari tiga kali lipat. Mereka juga lebih sedikit berubah bentuk di bawah beban yang berarti mereka memiliki lebih sedikit kontak dengan dinding penahan bantalan dan dapat menggelinding lebih cepat. Dalam aplikasi kecepatan sangat tinggi, panas dari gesekan selama penggulungan dapat menyebabkan masalah pada bantalan logam; masalah yang dikurangi dengan penggunaan keramik. Keramik juga lebih tahan terhadap bahan kimia dan dapat digunakan di lingkungan basah di mana bantalan baja akan berkarat. Kelemahan utama dalam menggunakan keramik adalah biaya yang jauh lebih tinggi. Dalam banyak kasus, sifat isolasi listriknya mungkin juga berharga pada bantalan.

• Pada awal 1980-an, Toyota meneliti produksi mesin keramik adiabatik yang dapat berjalan pada suhu lebih dari 6000 ° F (3300 ° C). Mesin keramik tidak memerlukan sistem pendingin dan karenanya memungkinkan pengurangan berat badan yang besar sehingga efisiensi bahan bakar menjadi lebih baik. Efisiensi bahan bakar mesin juga lebih tinggi pada suhu tinggi, seperti yang ditunjukkan oleh teorema Carnot. Pada mesin logam konvensional, sebagian besar energi yang dilepaskan dari bahan bakar harus dibuang sebagai limbah panas untuk mencegah peleburan bagian logam. Terlepas dari semua sifat yang diinginkan ini, mesin seperti itu tidak diproduksi karena pembuatan komponen keramik dengan presisi dan daya tahan yang dibutuhkan sulit dilakukan. Ketidaksempurnaan pada keramik dapat menyebabkan keretakan, yang dapat menyebabkan kegagalan peralatan yang berpotensi berbahaya. Mesin semacam itu mungkin dilakukan di laboratorium, tetapi produksi massal tidak mungkin dilakukan dengan teknologi saat ini.

• Pekerjaan sedang dilakukan dalam mengembangkan komponen keramik untuk mesin turbin gas. Saat ini, bahkan bilah yang terbuat dari paduan logam canggih yang digunakan di bagian panas mesin memerlukan pendinginan dan pembatasan suhu operasi yang cermat. Mesin turbin yang dibuat dengan keramik dapat beroperasi lebih efisien, sehingga memberikan jangkauan dan muatan yang lebih besar bagi pesawat untuk sejumlah bahan bakar.

• Baru-baru ini, ada kemajuan dalam keramik yang mencakup biokeramik, seperti implan gigi dan tulang sintetis. Hidroksiapatit, komponen mineral alami dari tulang, telah dibuat secara sintetis dari sejumlah sumber biologis dan kimiawi dan dapat dibentuk menjadi bahan keramik. Implan ortopedi yang terbuat dari bahan ini mudah melekat pada tulang dan jaringan lain di dalam tubuh tanpa penolakan atau reaksi inflamasi. Oleh karena itu, bahan ini sangat diminati untuk pengiriman gen dan perancah rekayasa jaringan. Sebagian besar keramik hidroksiapatit sangat berpori dan tidak memiliki kekuatan mekanis dan digunakan untuk melapisi perangkat ortopedi logam untuk membantu membentuk ikatan pada tulang atau sebagai pengisi tulang. Keramik ini juga digunakan sebagai pengisi sekrup plastik ortopedi untuk membantu mengurangi peradangan dan meningkatkan penyerapan bahan plastik ini. Saat ini sedang dilakukan penelitian untuk membuat bahan keramik hidroksiapatit kristal nano yang kuat dan padat untuk perangkat penahan beban ortopedi, menggantikan bahan ortopedi logam dan plastik asing dengan mineral tulang sintetis yang terbentuk secara alami. Pada akhirnya, bahan keramik ini dapat digunakan sebagai pengganti tulang atau dengan penggabungan kolagen protein, tulang sintetis.

• Bahan keramik yang mengandung aktinida yang tahan lama memiliki banyak aplikasi seperti bahan bakar nuklir untuk membakar Pu berlebih dan sumber iradiasi alfa yang lembam secara kimiawi untuk catu daya kendaraan ruang angkasa tak berawak atau untuk menghasilkan listrik bagi perangkat mikroelektronik. Baik penggunaan maupun pembuangan aktinida radioaktif memerlukan imobilisasi dalam bahan inang yang tahan lama. Radionuklida berumur panjang limbah nuklir seperti aktinida diimobilisasi menggunakan bahan kristal yang tahan lama secara kimiawi berdasarkan keramik polikristalin dan kristal tunggal yang besar.

Kaca-keramik

Bahan kaca-keramik memiliki banyak kesamaan sifat dengan kaca dan keramik. Kaca-keramik memiliki fase amorf dan satu atau lebih fase kristal dan diproduksi dengan apa yang disebut "kristalisasi terkontrol", yang biasanya dihindari dalam pembuatan kaca. Kaca-keramik sering mengandung fase kristal yang terdiri dari 30% [m/m] hingga 90% [m/m] dari komposisinya berdasarkan volume, menghasilkan berbagai bahan dengan sifat termomekanik yang menarik.

Dalam pemrosesan keramik-kaca, kaca cair didinginkan secara bertahap sebelum dipanaskan dan dianil. Dalam perlakuan panas ini, sebagian kaca mengkristal. Dalam banyak kasus, yang disebut 'agen nukleasi' ditambahkan untuk mengatur dan mengontrol proses kristalisasi. Karena biasanya tidak ada pengepresan dan sintering, keramik kaca tidak mengandung fraksi volume porositas yang biasanya ada pada keramik sinter.

Istilah ini terutama mengacu pada campuran lithium dan aluminosilikat yang menghasilkan berbagai bahan dengan sifat termomekanik yang menarik. Yang paling penting secara komersial memiliki perbedaan karena tahan terhadap guncangan termal. Dengan demikian, keramik-kaca menjadi sangat berguna untuk memasak di atas meja. Koefisien ekspansi termal negatif (TEC) dari fase keramik kristal dapat diseimbangkan dengan TEC positif dari fase kaca. Pada titik tertentu (~70% kristal), keramik-kaca memiliki TEC bersih mendekati nol. Jenis keramik-kaca ini menunjukkan sifat mekanik yang sangat baik dan dapat mempertahankan perubahan suhu yang berulang-ulang dan cepat hingga 1000 ° C.

Langkah-langkah pemrosesan

Proses keramik tradisional umumnya mengikuti urutan ini: Penggilingan → Pencampuran → Pencampuran → Pembentukan → Pengeringan → Pembakaran → Perakitan.

• Penggilingan adalah proses di mana bahan dikurangi dari ukuran besar ke ukuran yang lebih kecil. Penggilingan dapat melibatkan pemecahan bahan yang disemen (dalam hal ini partikel individu mempertahankan bentuknya) atau penghancuran (yang melibatkan penggilingan partikel itu sendiri ke ukuran yang lebih kecil). Penggilingan umumnya dilakukan dengan cara mekanis, termasuk gesekan (yang merupakan tabrakan partikel-ke-partikel yang menghasilkan pemecahan gumpalan atau geseran partikel), kompresi (yang menerapkan gaya yang menghasilkan rekahan), dan tumbukan (yang menggunakan media penggilingan atau partikel itu sendiri untuk menyebabkan rekahan). Peralatan penggilingan gesekan meliputi wet scrubber (juga disebut planetary mill atau wet attrition mill), yang memiliki dayung di dalam air yang menciptakan pusaran di mana material bertabrakan dan pecah. Pabrik kompresi termasuk jaw crusher, roller crusher dan cone crusher. Pabrik tumbukan termasuk ball mill, yang memiliki media yang menggulingkan dan mematahkan material. Penabrak poros menyebabkan gesekan dan kompresi partikel-ke-partikel.

• Batching adalah proses penimbangan oksida sesuai resep, dan mempersiapkannya untuk pencampuran dan pengeringan.

• Pencampuran terjadi setelah batching dan dilakukan dengan berbagai mesin, seperti mixer pita pencampur kering (sejenis mixer semen), mixer Mueller, dan pabrik pesek. Pencampuran basah umumnya melibatkan peralatan yang sama.

• Pembentukan adalah membuat bahan campuran menjadi bentuk-bentuk tertentu, mulai dari mangkuk toilet hingga isolator busi. Pembentukan dapat melibatkan: (1) Ekstrusi, seperti mengekstrusi "siput" untuk membuat batu bata, (2) Pengepresan untuk membuat bagian yang berbentuk, (3) Pengecoran slip, seperti dalam membuat mangkuk toilet, wastafel dan ornamen seperti patung keramik. Pembentukan menghasilkan bagian "hijau", siap untuk dikeringkan. Bagian hijau bersifat lunak, lentur, dan lama kelamaan akan kehilangan bentuk. Penanganan produk hijau akan mengubah bentuknya. Misalnya, batu bata hijau dapat "diremas", dan setelah diremas akan tetap seperti itu.

• Pengeringan adalah menghilangkan air atau pengikat dari bahan yang terbentuk. Pengeringan semprot banyak digunakan untuk menyiapkan bubuk untuk operasi pengepresan. Pengering lainnya adalah pengering terowongan dan pengering berkala. Panas yang terkendali diterapkan dalam proses dua tahap ini. Pertama, panas menghilangkan air. Langkah ini membutuhkan kontrol yang cermat, karena pemanasan yang cepat menyebabkan keretakan dan cacat permukaan. Bagian yang dikeringkan lebih kecil daripada bagian hijau, dan rapuh, sehingga perlu penanganan yang hati-hati, karena benturan kecil akan menyebabkan keretakan dan patah.

• Sintering adalah di mana bagian yang dikeringkan melewati proses pemanasan terkontrol, dan oksida diubah secara kimiawi untuk menyebabkan ikatan dan pemadatan. Bagian yang dibakar akan lebih kecil daripada bagian yang dikeringkan.

Metode pembentukan

Teknik pembentukan keramik meliputi pelemparan, slipcasting, pengecoran pita, pengecoran beku, pencetakan injeksi, pengepresan kering, pengepresan isostatik, pengepresan isostatik panas (HIP), pencetakan 3D, dan lain-lain. Metode untuk membentuk serbuk keramik menjadi bentuk yang rumit, sangat diinginkan dalam banyak bidang teknologi. Metode seperti itu diperlukan untuk memproduksi komponen struktural bersuhu tinggi yang canggih seperti komponen mesin panas dan turbin. Bahan selain keramik yang digunakan dalam proses ini dapat mencakup: kayu, logam, air, plester, dan epoksi-sebagian besar akan dihilangkan setelah pembakaran. Epoksi yang diisi keramik, seperti Martyte, kadang-kadang digunakan untuk melindungi baja struktural dalam kondisi pelampiasan knalpot roket.

Teknik-teknik pembentukan ini terkenal karena menyediakan alat dan komponen lain dengan stabilitas dimensi, kualitas permukaan, kepadatan yang tinggi (mendekati teoritis) dan keseragaman mikrostruktur. Meningkatnya penggunaan dan keragaman bentuk khusus keramik menambah keragaman teknologi proses yang akan digunakan.

Dengan demikian, serat penguat dan filamen terutama dibuat dengan proses polimer, sol-gel, atau CVD, tetapi proses peleburan juga dapat diterapkan. Bentuk khusus yang paling banyak digunakan adalah struktur berlapis, dengan pengecoran pita untuk substrat dan paket elektronik yang menjadi unggulan. Foto-litografi semakin diminati untuk pemolaan konduktor dan komponen lain yang tepat untuk kemasan tersebut. Proses pengecoran atau pembentukan pita juga semakin diminati untuk aplikasi lain, mulai dari struktur terbuka seperti sel bahan bakar hingga komposit keramik.

Struktur lapisan utama lainnya adalah pelapisan, di mana penyemprotan lelehan sangat penting, tetapi deposisi uap kimia dan fisik serta metode kimia (misalnya, sol-gel dan pirolisis polimer) semuanya mengalami peningkatan penggunaan. Selain struktur terbuka dari pita yang dibentuk, struktur yang diekstrusi, seperti penyangga katalis sarang lebah, dan struktur yang sangat berpori, termasuk berbagai busa, misalnya, busa retikulasi, semakin banyak digunakan.

Densifikasi benda serbuk yang terkonsolidasi terus dicapai terutama dengan sintering (tanpa tekanan). Namun, penggunaan sintering tekanan dengan pengepresan panas semakin meningkat, terutama untuk non-oksida dan bagian dari bentuk sederhana di mana kualitas yang lebih tinggi (terutama homogenitas mikrostruktur) diperlukan, dan ukuran yang lebih besar atau beberapa bagian per pengepresan dapat menjadi keuntungan.

Proses sintering

Prinsip-prinsip metode berbasis sintering adalah sederhana ("sinter" berakar dari bahasa Inggris "cinder"). Penembakan dilakukan pada suhu di bawah titik leleh keramik. Setelah benda yang disatukan secara kasar yang disebut "green body" dibuat, benda tersebut dibakar dalam tungku pembakaran, di mana proses difusi atom dan molekuler memunculkan perubahan signifikan pada fitur mikrostruktur utama. Hal ini mencakup penghapusan porositas secara bertahap, yang biasanya disertai dengan penyusutan bersih dan pemadatan komponen secara keseluruhan. Dengan demikian, pori-pori pada benda dapat menutup, menghasilkan produk yang lebih padat dengan kekuatan dan ketangguhan patah yang jauh lebih besar.

Perubahan besar lainnya dalam tubuh selama proses pembakaran atau sintering adalah pembentukan sifat polikristalin dari padatan. Pertumbuhan butiran yang signifikan cenderung terjadi selama sintering, dengan pertumbuhan ini tergantung pada suhu dan durasi proses sintering. Pertumbuhan butiran akan menghasilkan beberapa bentuk distribusi ukuran butiran, yang akan berdampak signifikan pada sifat fisik akhir material. Secara khusus, pertumbuhan butiran yang tidak normal di mana butiran tertentu tumbuh sangat besar dalam matriks butiran yang lebih halus akan secara signifikan mengubah sifat fisik dan mekanik keramik yang diperoleh. Dalam benda yang disinter, ukuran butiran adalah produk dari parameter pemrosesan termal serta ukuran partikel awal, atau mungkin ukuran agregat atau kelompok partikel yang muncul selama tahap awal pemrosesan.

Struktur mikro akhir (dan dengan demikian sifat fisik) dari produk akhir akan dibatasi oleh dan tunduk pada bentuk templat struktural atau prekursor yang dibuat pada tahap awal sintesis kimia dan pembentukan fisik. Oleh karena itu, pentingnya bubuk kimia dan pemrosesan polimer yang berkaitan dengan sintesis keramik industri, gelas, dan keramik kaca.

Ada banyak kemungkinan penyempurnaan proses sintering. Beberapa yang paling umum adalah dengan menekan green body untuk memulai densifikasi dan mengurangi waktu sintering yang dibutuhkan. Kadang-kadang pengikat organik seperti polivinil alkohol ditambahkan untuk menyatukan badan hijau; ini terbakar selama pembakaran (pada 200-350 ° C). Kadang-kadang pelumas organik ditambahkan selama pengepresan untuk meningkatkan densifikasi. Hal yang umum dilakukan adalah menggabungkannya, dan menambahkan pengikat dan pelumas ke dalam bubuk, kemudian menekannya. (Formulasi aditif kimia organik ini merupakan seni tersendiri. Hal ini sangat penting dalam pembuatan keramik berkinerja tinggi seperti yang digunakan oleh miliaran orang untuk elektronik, kapasitor, induktor, sensor, dll.)

Bubur dapat digunakan sebagai pengganti bubuk, dan kemudian dicetak menjadi bentuk yang diinginkan, dikeringkan dan kemudian disinter. Memang, tembikar tradisional dibuat dengan metode jenis ini, menggunakan campuran plastik yang dikerjakan dengan tangan. Jika campuran bahan yang berbeda digunakan bersama-sama dalam keramik, suhu sintering terkadang di atas titik leleh satu komponen kecil - sintering fase cair. Hal ini menghasilkan waktu sintering yang lebih pendek dibandingkan dengan sintering solid state. Sintering fase cair seperti itu melibatkan proses difusi yang lebih cepat dan dapat menyebabkan pertumbuhan butiran yang tidak normal.

Kekuatan keramik

Kekuatan suatu material bergantung pada struktur mikronya. Proses rekayasa yang dilakukan pada suatu material dapat mengubah struktur mikronya. Berbagai mekanisme penguatan yang mengubah kekuatan material termasuk mekanisme penguatan batas butir. Jadi, meskipun kekuatan luluh dimaksimalkan dengan mengecilnya ukuran butiran, pada akhirnya, ukuran butiran yang sangat kecil membuat material menjadi rapuh. Dipertimbangkan bersamaan dengan fakta bahwa kekuatan luluh adalah parameter yang memprediksi deformasi plastis pada material, seseorang dapat membuat keputusan yang tepat tentang cara meningkatkan kekuatan material tergantung pada sifat mikrostrukturnya dan efek akhir yang diinginkan.

Hubungan antara tegangan luluh dan ukuran butir digambarkan secara matematis dengan persamaan Hall-Petch yaitu

di mana ky adalah koefisien penguatan (konstanta yang unik untuk setiap material), σo adalah konstanta material untuk tegangan awal untuk gerakan dislokasi (atau resistensi kisi terhadap gerakan dislokasi), d adalah diameter butiran, dan σy adalah tegangan luluh.

Secara teoritis, suatu bahan dapat dibuat sangat kuat jika butirannya dibuat sangat kecil. Sayangnya, hal ini tidak mungkin dilakukan karena batas bawah ukuran butiran adalah satu sel satuan material. Meskipun demikian, jika butiran suatu bahan berukuran satu sel satuan, maka bahan tersebut sebenarnya adalah amorf, bukan kristal, karena tidak ada tatanan jarak jauh, dan dislokasi tidak dapat didefinisikan dalam bahan amorf. Telah diamati secara eksperimental bahwa struktur mikro dengan kekuatan luluh tertinggi adalah ukuran butir sekitar 10 nanometer, karena butir yang lebih kecil dari ini mengalami mekanisme luluh yang lain, yaitu pergeseran batas butir. Memproduksi material teknik dengan ukuran butir ideal ini sulit dilakukan karena keterbatasan ukuran partikel awal yang melekat pada material nano dan teknologi nano.

Model Faber-Evans

Model Faber-Evans, yang dikembangkan oleh Katherine Faber dan Anthony G. Evans, dikembangkan untuk memprediksi peningkatan ketangguhan retak pada keramik akibat defleksi retak di sekitar partikel fase kedua yang rentan terhadap retakan mikro pada suatu matriks. Model ini mempertimbangkan morfologi partikel, rasio aspek, jarak, dan fraksi volume fase kedua, serta pengurangan intensitas tegangan lokal pada ujung retak saat retak dibelokkan atau bidang retak melengkung. Tortuositas retak aktual diperoleh melalui teknik pencitraan, yang memungkinkan input langsung dari sudut defleksi dan pembengkokan ke dalam model.

Model ini menghitung laju pelepasan energi regangan rata-rata dan membandingkan peningkatan ketangguhan retak yang dihasilkan dengan retak datar melalui matriks polos. Besarnya ketangguhan ditentukan oleh regangan ketidaksesuaian yang disebabkan oleh ketidaksesuaian kontraksi termal dan ketahanan mikrofraktur antarmuka partikel/matriks. Ketangguhan menjadi nyata dengan distribusi ukuran yang sempit dari partikel berukuran tepat, dan para peneliti biasanya menerima bahwa efek defleksi pada material dengan butiran yang kurang lebih sama dapat meningkatkan ketangguhan patah sekitar dua kali lipat dari nilai batas butir.

Model ini mengungkapkan bahwa peningkatan ketangguhan bergantung pada bentuk partikel dan fraksi volume fase kedua, dengan morfologi yang paling efektif adalah batang dengan rasio aspek tinggi, yang dapat menyumbang empat kali lipat peningkatan ketangguhan patah. Ketangguhan muncul terutama dari puntiran bagian depan retakan di antara partikel, seperti yang ditunjukkan oleh profil defleksi. Partikel dan bola berbentuk cakram kurang efektif dalam ketangguhan. Ketangguhan retak, terlepas dari morfologinya, ditentukan oleh puntiran bagian depan retak pada konfigurasi yang paling parah, daripada kemiringan awal bagian depan retak. Hanya untuk partikel berbentuk cakram, kemiringan awal bagian depan retak memberikan ketangguhan yang signifikan; namun, komponen puntiran masih mengesampingkan ketangguhan yang berasal dari kemiringan.

Fitur penting tambahan dari analisis defleksi termasuk munculnya asymptotic toughening untuk ketiga morfologi pada fraksi volume lebih dari 0,2. Juga dicatat bahwa pengaruh yang signifikan pada ketangguhan oleh partikel bola diberikan oleh distribusi jarak antar partikel; ketangguhan yang lebih besar diberikan ketika bola hampir bersentuhan sehingga sudut puntir mendekati π/2. Prediksi ini memberikan dasar untuk desain material keramik dua fase dengan ketangguhan tinggi.

Fase kedua yang ideal, selain mempertahankan kompatibilitas kimiawi, harus ada dalam jumlah 10 hingga 20 persen volume. Jumlah yang lebih besar dapat mengurangi peningkatan ketangguhan karena partikel yang tumpang tindih. Partikel dengan rasio aspek yang tinggi, terutama yang memiliki morfologi berbentuk batang, paling cocok untuk ketangguhan maksimum. Model ini sering digunakan untuk menentukan faktor-faktor yang berkontribusi terhadap peningkatan ketangguhan patah pada keramik yang pada akhirnya berguna dalam pengembangan material keramik canggih dengan kinerja yang lebih baik.

Teori pemrosesan kimia

Keseragaman mikrostruktur

Dalam pemrosesan keramik halus, ukuran dan bentuk partikel yang tidak beraturan dalam bubuk yang khas seringkali menyebabkan morfologi pengepakan yang tidak seragam yang menghasilkan variasi kepadatan pengepakan dalam bubuk kompak. Aglomerasi serbuk yang tidak terkendali karena gaya van der Waals yang menarik juga dapat menimbulkan ketidakhomogenan mikrostruktur.

Tekanan diferensial yang berkembang sebagai akibat dari penyusutan pengeringan yang tidak seragam secara langsung berkaitan dengan laju penghilangan pelarut, dan dengan demikian sangat bergantung pada distribusi porositas. Tegangan tersebut telah dikaitkan dengan transisi plastis ke getas pada benda yang terkonsolidasi, dan dapat menyebabkan perambatan retak pada benda yang tidak dibakar jika tidak dihilangkan.

Selain itu, setiap fluktuasi dalam kepadatan kemasan dalam kemasan saat disiapkan untuk kiln sering diperkuat selama proses sintering, menghasilkan densifikasi yang tidak homogen. Beberapa pori-pori dan cacat struktural lainnya yang terkait dengan variasi kepadatan telah terbukti memainkan peran yang merugikan dalam proses sintering dengan tumbuh dan dengan demikian membatasi kepadatan titik akhir. Tekanan diferensial yang timbul dari densifikasi yang tidak homogen juga telah terbukti menghasilkan perambatan retakan internal, sehingga menjadi kelemahan pengontrol kekuatan.

Oleh karena itu, akan lebih baik untuk memproses material sedemikian rupa sehingga secara fisik seragam dalam hal distribusi komponen dan porositas, daripada menggunakan distribusi ukuran partikel yang akan memaksimalkan densitas hijau. Penahanan kumpulan partikel yang terdispersi secara seragam dari partikel yang berinteraksi kuat dalam suspensi membutuhkan kontrol total atas interaksi partikel-partikel. Koloid monodisperse memberikan potensi ini.

Serbuk monodisperse dari silika koloid, misalnya, dapat distabilkan secara memadai untuk memastikan tingkat keteraturan yang tinggi dalam kristal koloid atau padatan koloid polikristalin yang dihasilkan dari agregasi. Tingkat keteraturan tampaknya dibatasi oleh waktu dan ruang yang memungkinkan untuk membangun korelasi jarak jauh.

Struktur koloid polikristalin yang rusak seperti itu tampaknya akan menjadi elemen dasar dari ilmu material koloid sub-mikrometer, dan oleh karena itu, memberikan langkah pertama dalam mengembangkan pemahaman yang lebih ketat tentang mekanisme yang terlibat dalam evolusi mikrostruktur dalam sistem anorganik seperti keramik polikristalin.

Perakitan sendiri

Perakitan sendiri adalah istilah yang paling umum digunakan dalam komunitas ilmiah modern untuk menggambarkan agregasi spontan partikel (atom, molekul, koloid, misel, dll.) Tanpa pengaruh kekuatan eksternal apa pun. Kelompok besar partikel semacam itu diketahui merakit diri mereka sendiri menjadi susunan yang stabil secara termodinamika dan terdefinisi dengan baik secara struktural, cukup mengingatkan pada salah satu dari 7 sistem kristal yang ditemukan dalam metalurgi dan mineralogi (mis. kubik berpusat pada wajah, kubik berpusat pada tubuh, dll.). Perbedaan mendasar dalam struktur kesetimbangan adalah dalam skala spasial sel satuan (atau parameter kisi) pada setiap kasus tertentu.

Dengan demikian, perakitan mandiri muncul sebagai strategi baru dalam sintesis kimia dan nanoteknologi. Perakitan mandiri molekuler telah diamati dalam berbagai sistem biologis dan mendasari pembentukan berbagai macam struktur biologis yang kompleks. Kristal molekuler, kristal cair, koloid, misel, emulsi, polimer yang dipisahkan fasa, film tipis, dan monolayer yang dirakit sendiri, semuanya merupakan contoh jenis struktur yang sangat teratur yang diperoleh dengan menggunakan teknik ini. Ciri khas dari metode ini adalah pengorganisasian sendiri tanpa adanya kekuatan eksternal.

Selain itu, karakteristik mekanik utama dan struktur keramik biologis, komposit polimer, elastomer, dan bahan seluler sedang dievaluasi ulang, dengan penekanan pada bahan dan struktur yang terinspirasi oleh biologi. Pendekatan tradisional berfokus pada metode desain bahan biologis menggunakan bahan sintetis konvensional. Ini termasuk kelas baru biomaterial yang unggul secara mekanis berdasarkan fitur dan desain mikrostruktur yang ditemukan di alam. Cakrawala baru telah diidentifikasi dalam sintesis bahan yang terinspirasi dari bahan hayati melalui proses yang merupakan karakteristik sistem biologis di alam. Hal ini mencakup perakitan mandiri komponen dalam skala nano dan pengembangan struktur hirarkis.

Disadur dari: en.wikipedia.org