Sejarah semen
Asal mula semen hidrolik berasal dari Yunani dan Romawi kuno. Bahan yang digunakan adalah kapur dan abu vulkanik yang secara perlahan bereaksi dengan air untuk membentuk massa yang keras. Hal ini membentuk bahan penyemenan mortar dan beton Romawi lebih dari 2.000 tahun yang lalu dan pekerjaan konstruksi berikutnya di Eropa barat. Abu vulkanik yang ditambang di dekat tempat yang sekarang menjadi kota Pozzuoli, Italia, sangat kaya akan mineral aluminosilikat esensial, yang memunculkan semen pozzolana klasik pada era Romawi. Hingga hari ini istilah pozzolana, atau pozzolan, mengacu pada semen itu sendiri atau aluminosilikat yang terbagi secara halus yang bereaksi dengan kapur dalam air untuk membentuk semen. (Sementara itu, istilah semen berasal dari kata Latin caementum, yang berarti serpihan batu seperti yang digunakan dalam adukan semen Romawi-bukan bahan pengikat itu sendiri).
Semen portland adalah penerus dari kapur hidrolik yang pertama kali dikembangkan oleh John Smeaton pada tahun 1756 ketika ia dipanggil untuk mendirikan Mercusuar Eddystone di lepas pantai Plymouth, Devon, Inggris. Perkembangan berikutnya, yang terjadi sekitar tahun 1800 di Inggris dan Prancis, adalah bahan yang diperoleh dengan membakar bintil-bintil batu kapur tanah liat. Segera setelah itu di Amerika Serikat, bahan serupa diperoleh dengan membakar bahan yang terbentuk secara alami yang disebut "batu semen." Bahan-bahan ini termasuk dalam kelas yang dikenal sebagai semen alami, sekutu semen portland tetapi lebih ringan dibakar dan tidak memiliki komposisi yang terkontrol.
Penemuan semen portland biasanya dikaitkan dengan Joseph Aspdin dari Leeds, Yorkshire, Inggris, yang pada tahun 1824 mengambil paten untuk bahan yang dihasilkan dari campuran sintetis batu kapur dan tanah liat. Dia menyebut produk tersebut "semen portland" karena kemiripan bahan tersebut, ketika dibentuk, dengan batu portland, batu kapur yang digunakan untuk bangunan di Inggris. Produk Aspdin mungkin terlalu ringan untuk menjadi semen portland yang sebenarnya, dan prototipe yang sebenarnya mungkin adalah yang diproduksi oleh Isaac Charles Johnson di Inggris tenggara sekitar tahun 1850. Pembuatan semen portland dengan cepat menyebar ke negara-negara Eropa lainnya dan Amerika Utara. Selama abad ke-20, pembuatan semen menyebar ke seluruh dunia. Pada tahun 2019, Cina dan India telah menjadi pemimpin dunia dalam produksi semen, diikuti oleh Vietnam, Amerika Serikat, dan Mesir.
Bahan baku
Komposisi
Semen portland pada dasarnya terdiri dari senyawa kapur (kalsium oksida, CaO) yang dicampur dengan silika (silikon dioksida, SiO2) dan alumina (aluminium oksida, Al2O3). Kapur diperoleh dari bahan baku berkapur (mengandung kapur), dan oksida lainnya berasal dari bahan argillaceous (tanah liat). Bahan baku tambahan seperti pasir silika, oksida besi (Fe2O3), dan aluminium terhidrasi yang mengandung bauksit, Al(OH)3-dapat digunakan dalam jumlah yang lebih kecil untuk mendapatkan komposisi yang diinginkan.
Bahan baku berkapur yang paling umum adalah batu kapur dan kapur, tetapi bahan baku lainnya, seperti endapan karang atau kerang, juga digunakan. Tanah liat, serpih, batu tulis, dan lumpur muara adalah bahan baku berkapur yang umum digunakan. Marl, lempung berkapur yang padat, dan batuan semen mengandung komponen berkapur dan argillaceous dalam proporsi yang terkadang mendekati komposisi semen. Bahan baku lainnya adalah terak tanur sembur, yang sebagian besar terdiri dari kapur, silika, dan alumina, serta dicampur dengan bahan berkapur dengan kandungan kapur yang tinggi. Kaolin, tanah liat putih yang mengandung sedikit oksida besi, digunakan sebagai komponen argillaceous untuk semen portland putih. Limbah industri, seperti abu terbang dan kalsium karbonat dari pembuatan bahan kimia, merupakan bahan baku lain yang mungkin digunakan, tetapi penggunaannya lebih kecil dibandingkan dengan bahan alami.
Kandungan magnesium (magnesium oksida, MgO) dalam bahan baku harus rendah karena batas yang diizinkan dalam semen portland adalah 4 hingga 5 persen. Pengotor lain dalam bahan baku yang harus dibatasi secara ketat adalah senyawa fluor, fosfat, oksida logam dan sulfida, dan alkali yang berlebihan.
Bahan baku penting lainnya adalah gipsum, sekitar 5 persen yang ditambahkan ke klinker semen yang dibakar selama penggilingan untuk mengontrol waktu pengikatan semen. Semen portland juga dapat dibuat dalam proses gabungan dengan asam sulfat menggunakan kalsium sulfat atau anhidrit sebagai pengganti kalsium karbonat. Sulfur dioksida yang dihasilkan dalam gas buang saat pembakaran diubah menjadi asam sulfat dengan proses normal.
Ekstraksi dan pengolahan
Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan semen diekstraksi dengan cara penggalian untuk batuan keras seperti batu gamping, batu tulis, dan beberapa serpih, dengan bantuan peledakan jika diperlukan. Beberapa endapan ditambang dengan metode bawah tanah. Batuan yang lebih lunak seperti kapur dan tanah liat dapat digali langsung dengan ekskavator.
Material yang digali diangkut ke pabrik peremukan dengan truk, gerbong kereta api, ban berjalan, atau kereta gantung. Bahan-bahan tersebut juga dapat diangkut dalam keadaan basah atau bubur melalui pipa. Di daerah di mana batu kapur dengan kandungan kapur yang cukup tinggi tidak tersedia, beberapa proses benefisiasi dapat digunakan. Flotasi buih akan menghilangkan kelebihan silika atau alumina dan dengan demikian meningkatkan kualitas batu kapur, tetapi ini adalah proses yang mahal dan hanya digunakan jika tidak dapat dihindari.
Pembuatan semen
Ada empat tahap dalam pembuatan semen portland: (1) menghancurkan dan menggiling bahan mentah, (2) mencampur bahan dalam proporsi yang benar, (3) membakar campuran yang telah disiapkan dalam kiln, dan (4) menggiling produk yang terbakar, yang dikenal sebagai "klinker", bersama dengan sekitar 5 persen gipsum (untuk mengontrol waktu pengikatan semen). Ketiga proses pembuatan tersebut dikenal sebagai proses basah, kering, dan semidry, dan disebut demikian karena bahan baku digiling basah dan diumpankan ke kiln sebagai bubur, digiling kering dan diumpankan sebagai bubuk kering, atau digiling kering lalu dibasahi untuk membentuk bintil-bintil yang diumpankan ke kiln.
Diperkirakan sekitar 4-8 persen emisi karbon dioksida (CO2) dunia berasal dari pembuatan semen, yang menjadikannya kontributor utama pemanasan global. Beberapa solusi untuk emisi gas rumah kaca ini adalah hal yang umum dilakukan di sektor lain, seperti meningkatkan efisiensi energi pabrik semen, mengganti bahan bakar fosil dengan energi terbarukan, serta menangkap dan menyimpan CO2 yang dikeluarkan. Selain itu, mengingat sebagian besar emisi merupakan bagian intrinsik dari produksi klinker, maka semen baru dan formulasi alternatif yang mengurangi kebutuhan klinker menjadi area fokus yang penting.
Penghancuran dan penggilingan
Semua bahan kecuali bahan lunak dihancurkan terlebih dahulu, seringkali dalam dua tahap, dan kemudian digiling, biasanya dalam pabrik bola atau tabung yang berputar dan berisi muatan bola gerinda baja. Penggilingan ini dilakukan secara basah atau kering, tergantung pada proses yang digunakan, tetapi untuk penggilingan kering, bahan mentah mungkin perlu dikeringkan terlebih dahulu dalam pengering silinder yang berputar.
Bahan-bahan lunak dipecah dengan pengadukan yang kuat dengan air di pabrik pencucian, menghasilkan bubur halus, yang dilewatkan melalui saringan untuk menghilangkan partikel-partikel yang terlalu besar.
Pencampuran
Perkiraan pertama komposisi kimia yang diperlukan untuk semen tertentu diperoleh dengan penggalian selektif dan kontrol bahan baku yang diumpankan ke pabrik penghancuran dan penggilingan. Kontrol yang lebih baik diperoleh dengan mengambil material dari dua atau lebih batch yang mengandung campuran mentah dengan komposisi yang sedikit berbeda. Pada proses kering, campuran ini disimpan di dalam silo; sedangkan pada proses basah, tangki lumpur digunakan. Pencampuran bahan kering secara menyeluruh di dalam silo dipastikan dengan agitasi dan sirkulasi yang kuat yang disebabkan oleh udara bertekanan. Dalam proses basah, tangki bubur diaduk dengan cara mekanis atau udara bertekanan atau keduanya. Bubur, yang mengandung 35 sampai 45 persen air, kadang-kadang disaring, mengurangi kadar air menjadi 20 sampai 30 persen, dan cake filter kemudian diumpankan ke kiln. Hal ini mengurangi konsumsi bahan bakar untuk pembakaran.
Pembakaran
Tempat pembakaran yang paling awal di mana semen dibakar secara batch adalah bottle kiln, diikuti oleh chamber kiln dan kemudian oleh shaft kiln yang kontinu. Shaft kiln dalam bentuk modern masih digunakan di beberapa negara, tetapi cara pembakaran yang dominan adalah rotary kiln. Tanur ini - dengan panjang hingga 200 meter (660 kaki) dan diameter enam meter pada pabrik proses basah tetapi lebih pendek untuk proses kering - terdiri dari cangkang baja berbentuk silinder yang dilapisi dengan bahan tahan api. Mereka berputar perlahan pada sumbu yang miring beberapa derajat ke arah horizontal. Umpan bahan baku, yang dimasukkan di ujung atas, bergerak perlahan-lahan ke bawah tungku ke ujung bawah, atau ujung pembakaran. Bahan bakar untuk pembakaran dapat berupa batu bara bubuk, minyak, atau gas alam yang disuntikkan melalui pipa. Suhu di ujung pembakaran berkisar antara sekitar 1.350 hingga 1.550 ° C (2.460 hingga 2.820 ° F), tergantung pada bahan baku yang dibakar. Beberapa bentuk penukar panas biasanya dimasukkan di ujung belakang kiln untuk meningkatkan perpindahan panas ke bahan mentah yang masuk dan dengan demikian mengurangi panas yang hilang dalam gas limbah. Produk yang dibakar keluar dari kiln sebagai butiran-butiran kecil klinker. Gumpalan-gumpalan ini masuk ke dalam pendingin, di mana panas dipindahkan ke udara yang masuk dan produk didinginkan. Klinker dapat segera digiling menjadi semen atau disimpan di tempat penimbunan untuk digunakan di kemudian hari.
Dalam proses semidry, bahan baku, dalam bentuk bintil yang mengandung 10 hingga 15 persen air, diumpankan ke parut rantai yang bergerak sebelum diteruskan ke tanur putar yang lebih pendek. Gas panas yang berasal dari kiln dihisap melalui nodul mentah pada jeruji, memanaskan nodul tersebut.
Emisi debu dari kiln semen dapat menjadi gangguan yang serius. Di daerah berpenduduk padat, biasanya dan sering kali diwajibkan untuk memasang penahan angin topan, sistem filter kantong, atau pengendap debu elektrostatik di antara pintu keluar kiln dan cerobong cerobong asap. Lebih dari 50 persen emisi dari produksi semen secara intrinsik terkait dengan produksi klinker dan merupakan produk sampingan dari reaksi kimia yang mendorong proses saat ini. Ada potensi untuk mencampur klinker dengan bahan alternatif untuk mengurangi kebutuhan klinker itu sendiri dan dengan demikian membantu mengurangi dampak iklim dari proses pembuatan semen.
Pabrik semen modern dilengkapi dengan instrumentasi yang rumit untuk mengontrol proses pembakaran. Bahan baku di beberapa pabrik diambil sampelnya secara otomatis, dan komputer menghitung dan mengontrol komposisi campuran bahan baku. Rotary kiln terbesar memiliki hasil produksi melebihi 5.000 ton per hari.
Penggilingan
Klinker dan jumlah gipsum yang dibutuhkan digiling menjadi bubuk halus di pabrik horizontal yang serupa dengan yang digunakan untuk menggiling bahan baku. Bahan dapat langsung melewati pabrik (penggilingan sirkuit terbuka), atau bahan yang lebih kasar dapat dipisahkan dari produk tanah dan dikembalikan ke pabrik untuk digiling lebih lanjut (penggilingan sirkuit tertutup). Kadang-kadang sejumlah kecil bantuan penggilingan ditambahkan ke bahan umpan. Untuk semen penahan udara (dibahas pada bagian berikut), penambahan bahan penahan udara juga dilakukan dengan cara yang sama.
Semen yang sudah jadi dipompa secara pneumatik ke silo penyimpanan yang kemudian diambil untuk dikemas dalam kantong kertas atau untuk dikirim dalam wadah curah.
Semen utama: komposisi dan sifat
Semen Portland
Komposisi kimia
Semen portland terdiri dari empat senyawa utama: trikalsium silikat (3CaO - SiO2), dikalsium silikat (2CaO - SiO2), trikalsium aluminat (3CaO - Al2O3), dan tetra-kalsium aluminoferit (4CaO - Al2O3Fe2O3). Dalam notasi singkat yang berbeda dari simbol atom normal, senyawa-senyawa ini ditetapkan sebagai C3S, C2S, C3A, dan C4AF, di mana C adalah singkatan dari kalsium oksida (kapur), S untuk silika, A untuk alumina, dan F untuk oksida besi. Sejumlah kecil kapur dan magnesium yang tidak tercampur juga ada, bersama dengan alkali dan sejumlah kecil elemen lainnya.
Hidrasi
Konstituen hidrasi yang paling penting adalah kalsium silikat, C2S dan C3S. Setelah bercampur dengan air, kalsium silikat bereaksi dengan molekul air membentuk kalsium silikat hidrat (3CaO - 2SiO2 - 3H2O) dan kalsium hidroksida (Ca[OH]2). Senyawa-senyawa ini diberi notasi singkatan C-S-H (diwakili oleh rumus rata-rata C3S2H3) dan CH, dan reaksi hidrasi secara kasar dapat diwakili oleh reaksi berikut:
2C3S + 6H = C3S2H3 + 3CH
2C2S + 4H = C3S2H3 + CH
Selama tahap awal hidrasi, senyawa induk larut, dan pelarutan ikatan kimianya menghasilkan sejumlah besar panas. Kemudian, untuk alasan yang tidak sepenuhnya dipahami, hidrasi terhenti. Periode diam, atau tidak aktif, ini sangat penting dalam penempatan beton. Tanpa masa dorman, tidak akan ada truk pengangkut semen; penuangan harus dilakukan segera setelah pencampuran.
Setelah masa dorman (yang dapat berlangsung beberapa jam), semen mulai mengeras, karena CH dan C-S-H diproduksi. Ini adalah bahan semen yang mengikat semen dan beton menjadi satu. Saat hidrasi berlangsung, air dan semen terus menerus dikonsumsi. Untungnya, produk C-S-H dan CH menempati volume yang hampir sama dengan semen dan air asli; volume kurang lebih dipertahankan, dan penyusutan dapat dikelola.
Meskipun rumus di atas memperlakukan C-S-H sebagai stoikiometri tertentu, dengan rumus C3S2H3, sama sekali tidak membentuk struktur yang teratur dengan komposisi yang seragam. C-S-H sebenarnya adalah gel amorf dengan stoikiometri yang sangat bervariasi. Rasio C dan S, misalnya, dapat berkisar dari 1:1 hingga 2:1, tergantung pada desain campuran dan kondisi pengawetan.
Sifat struktural
Kekuatan yang dikembangkan oleh semen portland tergantung pada komposisi dan kehalusannya saat digiling. C3S terutama bertanggung jawab atas kekuatan yang dikembangkan pada minggu pertama pengerasan dan C2S untuk peningkatan kekuatan selanjutnya. Senyawa alumina dan besi yang hadir hanya dalam jumlah yang lebih sedikit memberikan kontribusi yang kecil terhadap kekuatan.
Semen dan beton dapat mengalami kerusakan akibat serangan beberapa bahan kimia alami atau buatan. Senyawa alumina adalah yang paling rentan terhadap serangan kimiawi pada tanah yang mengandung garam sulfat atau air laut, sedangkan senyawa besi dan dua silikat kalsium lebih tahan. Kalsium hidroksida yang dilepaskan selama hidrasi kalsium silikat juga rentan terhadap serangan. Karena semen melepaskan panas saat terhidrasi, beton yang ditempatkan dalam massa yang besar, seperti pada bendungan, dapat menyebabkan suhu di dalam massa meningkat sebanyak 40°C (70°F) di atas suhu di luar. Pendinginan selanjutnya dapat menjadi penyebab keretakan. Panas hidrasi tertinggi ditunjukkan oleh C3A, diikuti secara berurutan oleh C3S, C4AF, dan C2S.
Jenis-jenis semen portland
Lima jenis semen portland distandarisasi di Amerika Serikat oleh American Society for Testing and Materials (ASTM): biasa (Tipe I), dimodifikasi (Tipe II), berkekuatan tinggi (Tipe III), panas rendah (Tipe IV), dan tahan sulfat (Tipe V). Di negara lain, Tipe II dihilangkan, dan Tipe III disebut pengerasan cepat. Tipe V dikenal di beberapa negara Eropa sebagai semen Ferrari.
Ada juga berbagai jenis semen portland khusus lainnya. Semen berwarna dibuat dengan menggiling 5 hingga 10 persen pigmen yang sesuai dengan semen portland putih atau abu-abu biasa. Semen penahan udara dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil zat organik, sekitar 0,05 persen, yang menyebabkan masuknya gelembung udara yang sangat halus ke dalam beton. Hal ini meningkatkan ketahanan beton terhadap kerusakan akibat pembekuan-pencairan di iklim dingin. Bahan penahan udara dapat ditambahkan sebagai bahan terpisah ke dalam campuran saat membuat beton.
Semen rendah alkali adalah semen portland dengan kandungan total alkali tidak lebih dari 0,6 persen. Semen ini digunakan pada beton yang dibuat dengan jenis agregat tertentu yang mengandung suatu bentuk silika yang bereaksi dengan alkali untuk menyebabkan pemuaian yang dapat mengganggu beton.
Semen batu digunakan terutama untuk mortar. Semen ini terdiri dari campuran semen portland dan batu kapur tanah atau bahan pengisi lainnya bersama dengan zat penahan udara atau bahan tambahan anti air. Semen tahan air adalah nama yang diberikan untuk semen portland yang telah ditambahkan bahan anti air. Semen hidrofobik diperoleh dengan menggiling klinker semen portland dengan zat pembentuk lapisan film seperti asam oleat untuk mengurangi laju kerusakan ketika semen disimpan dalam kondisi yang tidak menguntungkan.
Semen sumur minyak digunakan untuk pekerjaan penyemenan dalam pengeboran sumur minyak yang berada pada suhu dan tekanan tinggi. Semen ini biasanya terdiri dari semen portland atau semen pozzolan (lihat di bawah) dengan penghambat organik khusus untuk mencegah semen mengeras terlalu cepat.
Semen terak
Terak butiran yang dibuat dengan mendinginkan secara cepat terak cair yang sesuai dari tanur sembur menjadi dasar dari kelompok semen konstruksi lainnya. Campuran semen portland dan terak berbutir, yang mengandung hingga 65 persen terak, dikenal di negara-negara berbahasa Inggris sebagai semen tanur sembur portland (slag). Eisenportlandzement dan Hochofenzement dari Jerman mengandung terak hingga 40 dan 85 persen. Campuran dengan proporsi lain ditemukan di negara-negara berbahasa Perancis dengan nama-nama seperti ciment portland de fer, ciment métallurgique mixte, ciment de haut fourneau, dan ciment de liatier au clinker. Sifat-sifat semen terak ini secara umum mirip dengan semen portland, tetapi memiliki kandungan kapur yang lebih rendah dan kandungan silika dan alumina yang lebih tinggi. Semen dengan kandungan terak yang lebih tinggi memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap serangan kimia.
Jenis lain dari semen yang mengandung terak adalah semen supersulfat yang terdiri dari terak berbutir yang dicampur dengan 10 hingga 15 persen gipsum atau anhidrit yang dibakar dengan keras atau anhidrit (kalsium sulfat anhidrat alami) dan beberapa persen semen portland. Sifat kekuatan semen supersulfat mirip dengan semen portland, tetapi memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap berbagai bentuk serangan kimia. Semen pozzolan adalah campuran semen portland dan bahan pozzolan yang dapat berupa bahan alami atau buatan. Pozzolan alami terutama merupakan bahan yang berasal dari gunung berapi tetapi termasuk beberapa tanah diatom. Bahan buatan termasuk abu terbang, lempung yang dibakar, dan serpih. Pozzolan adalah bahan yang meskipun tidak bersifat semen, mengandung silika (dan alumina) dalam bentuk reaktif yang dapat digabungkan dengan kapur di hadapan air untuk membentuk senyawa dengan sifat semen. Campuran kapur dan pozzolana masih digunakan namun sebagian besar telah digantikan oleh semen pozzolan modern. Hidrasi fraksi semen portland melepaskan kapur yang diperlukan untuk bergabung dengan pozzolana.
Semen alumina tinggi
Semen alumina tinggi adalah semen yang mengeras dengan cepat yang dibuat dengan cara melebur campuran bauksit dan batu kapur pada suhu 1.500 hingga 1.600 °C (2.730 hingga 2.910 °F) di dalam tanur gema atau tanur listrik, atau di dalam tanur putar. Bauksit juga dapat dibuat dengan cara disintering pada suhu sekitar 1.250°C (2.280°F). Bauksit yang sesuai mengandung 50 hingga 60 persen alumina, hingga 25 persen oksida besi, tidak lebih dari 5 persen silika, dan 10 hingga 30 persen air hidrasi. Batu kapur harus mengandung sedikit silika dan magnesia. Semen mengandung 35 hingga 40 persen kapur, 40 hingga 50 persen alumina, hingga 15 persen oksida besi, dan sebaiknya tidak lebih dari sekitar 6 persen silika. Senyawa penyemenan utama adalah kalsium aluminat (CaO - Al2O3).
Semen alumina tinggi mendapatkan proporsi tinggi dari kekuatan utamanya dalam waktu 24 jam dan memiliki ketahanan yang tinggi terhadap serangan kimia. Semen ini juga dapat digunakan pada lapisan tahan api untuk tungku. Bentuk semen yang berwarna putih, mengandung proporsi minimal oksida besi dan silika, memiliki sifat tahan api yang luar biasa.
Semen yang mengembang dan tidak menyusut
Semen yang mengembang dan tidak menyusut sedikit mengembang pada saat hidrasi, sehingga mengimbangi penyusutan kecil yang terjadi saat beton segar mengering untuk pertama kalinya. Semen yang mengembang pertama kali diproduksi di Perancis sekitar tahun 1945. Jenis Amerika adalah campuran semen portland dan bahan ekspansif yang dibuat dengan mengaduk campuran kapur, bauksit, dan gipsum.
Plester gipsum
Plester gipsum digunakan untuk plesteran, pembuatan papan gipsum dan lempengan, dan dalam satu bentuk bahan permukaan lantai. Semen gipsum ini terutama diproduksi dengan memanaskan gipsum alami (kalsium sulfat dihidrat, CaSO4 - 2H2O) dan mendehidrasinya untuk menghasilkan kalsium sulfat hemihidrat (CaSO4 - 1/2H2O) atau kalsium sulfat anhidrat (bebas air). Gipsum dan anhidrit yang diperoleh sebagai produk sampingan dalam pembuatan bahan kimia juga digunakan sebagai bahan baku.
Disadur dari: www.britannica.com