Penggunaan, Manfaat, dan Pertanyaan Utama Beton Bertulang Serat

Beton berfungsi sebagai fondasi konstruksi modern, dengan peningkatan berkelanjutan dalam kinerjanya menjadi fokus utama dalam rekayasa. Munculnya beton bertulang serat (FRC) telah membawa vitalitas baru pada material penting ini. Namun, hal ini juga menimbulkan banyak pertanyaan: Apa sebenarnya serat itu? Apa yang membedakan serat makro dari serat mikro? Bagaimana seharusnya jenis dan dosis serat yang tepat dipilih? Artikel ini memberikan eksplorasi mendalam tentang beton bertulang serat, membahas masalah aplikasi praktis dan menawarkan panduan untuk membangun bangunan yang lebih kuat dan tahan lama.

Serat memainkan peran penting dalam beton, berfungsi sebagai bahan penguat daripada hanya sebagai bahan tambahan. Seperti yang didefinisikan dalam ACI CT-18 (Terminologi Beton), serat menjembatani retakan, mengikat beton menjadi satu dan secara signifikan meningkatkan kinerja keseluruhannya.

Perbedaan utama antara serat makro dan serat mikro terletak pada ukurannya, biasanya diukur dengan diameter ekivalen atau kerapatan linier. Dalam industri FRC, kerapatan linier sering dinyatakan dalam denier, yang mewakili massa (dalam gram) dari 9.000 meter serat.

Perbedaan utama antara serat mikro dan serat makro meliputi:

• Serat sintetis: ASTM D7508/D7508M menetapkan persyaratan untuk serat makro, serat mikro, dan serat hibrida (kombinasi keduanya). Standar ini juga menggunakan kekuatan tarik dan panjang potong sebagai sifat pembeda tambahan.
• Serat mikro alami: ASTM D7357 menguraikan persyaratan kepatuhan untuk serat selulosa yang digunakan dalam FRC.
• Serat baja: Diklasifikasikan sebagai serat makro, ASTM A820/A820M menetapkan persyaratan minimum untuk serat baja dalam aplikasi FRC.

• Serat mikro: Terutama mengontrol retakan susut plastis. Pada dosis tipikal, mereka tidak memberikan kontrol retakan suhu atau susut, juga tidak meningkatkan sifat beton lainnya. Namun, serat mikro fibrilasi yang digunakan pada dosis minimum 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) dapat menggantikan tulangan kawat las ringan (WWR) untuk kontrol retakan suhu dan susut.
• Serat makro: Secara signifikan meningkatkan kinerja beton, termasuk kekuatan sisa pasca-retak, transfer beban melintasi retakan, peningkatan daya tahan, ketangguhan lentur, ketahanan terhadap kelelahan, ketahanan terhadap benturan, dan kapasitas geser.

Berbagai jenis serat makro sintetis ada, masing-masing dengan keunggulan unik. Di luar sifat fisik seperti kekuatan tarik, modulus elastisitas, komposisi material, atau bentuk, perbedaan yang kurang jelas termasuk kinerja pencampuran, kecenderungan menggumpal, kualitas hasil akhir permukaan, dan karakteristik ikatan dengan beton.

Kunci keberhasilan penggunaan serat makro sintetis terletak pada pemilihan dosis yang tepat yang memenuhi persyaratan kinerja dan kebutuhan kemampuan kerja/penyelesaian. Serat yang lebih kuat atau yang memiliki karakteristik ikatan yang lebih baik mungkin memerlukan lebih sedikit material daripada alternatif yang lebih lemah. Produsen harus menyediakan data uji untuk mendukung rekomendasi dosis, dengan uji coba campuran direkomendasikan ketika ada ketidakpastian.

Serat mikro terutama mengontrol retakan susut plastis. Penelitian menunjukkan bahwa mereka memberikan kapasitas penahan beban yang dapat diabaikan dalam beton yang mengeras pada dosis tipikal. Dosis serat mikro yang lebih tinggi dapat mempersulit pencampuran karena peningkatan jumlah serat dan luas permukaan, yang berpotensi menyebabkan masalah kemampuan kerja dan hilangnya slump yang signifikan.

Dibandingkan dengan serat yang lebih pendek dengan jenis yang sama, serat yang lebih panjang memiliki luas permukaan yang lebih besar, meningkatkan penjangkaran dalam beton yang mengeras dan meningkatkan kinerja pasca-retak pada dosis yang setara. Namun, panjang optimal ada untuk setiap jenis serat, tergantung pada bentuk spesifik, karakteristik kekakuan, dan kuat tekan beton.

Uji coba campuran pra-proyek yang mempertimbangkan metode penempatan dan persyaratan penyelesaian membantu menentukan panjang serat yang ideal, mencegah masalah seperti penggumpalan atau tonjolan serat permukaan.

Serat makro sintetis (terutama filamen tunggal yang besar dan kasar) dapat memberikan kekuatan sisa yang sebanding dengan serat baja, tergantung pada dosisnya. Faktor lain seperti deformasi yang diantisipasi dan kondisi lingkungan juga harus memengaruhi pemilihan serat. Untuk beberapa aplikasi struktural yang membutuhkan serat baja, alternatif sintetis belum divalidasi.

Meskipun serat makro sintetis biasanya memiliki kekuatan tarik dan modulus elastisitas yang lebih rendah daripada serat baja, mereka menyediakan lebih banyak serat untuk menjembatani potensi retakan. Jika didosis dengan benar, total kapasitas transfer tegangan melintasi retakan harus setara. Kekuatan penampang yang efektif juga bergantung pada kualitas ikatan matriks serat—serat berkekuatan tinggi dengan ikatan yang tidak memadai membuat kandidat tulangan yang buruk. Kinerja FRC mencerminkan perilaku komposit, bukan sifat serat individu.

Beton bertulang serat (FRC) menggabungkan serat diskrit (biasanya hingga 2,5 inci atau 64 mm) dalam beton semen hidrolik. Polimer bertulang serat (FRP) menggunakan serat yang jauh lebih panjang yang tertanam dalam matriks polimer tanpa semen atau agregat.

Jumlah serat yang dibutuhkan tergantung pada kriteria kinerja FRC yang ditentukan. Untuk serat mikro yang mengontrol susut plastis, rasio pengurangan retak (CRR) memandu penentuan dosis per ASTM C1579. Untuk serat makro dalam beton yang mengeras, dosis harus memenuhi kekuatan sisa yang ditentukan (ASTM C1399), kekuatan lentur setara pasca-retak (ASTM C1609), atau kapasitas penyerapan energi (ASTM C1550), dengan mempertimbangkan jenis/ketebalan elemen, kekuatan beton, spesifikasi tulangan, dan persyaratan pembebanan.

Banyak pemasok menyediakan alat desain (khususnya untuk pelat) untuk menghitung dosis yang sesuai.

Untuk pelat, dosis minimum biasanya ditetapkan oleh produsen berdasarkan pengujian produk standar untuk memenuhi persyaratan atau standar industri.

ANSI/SDI C-2017 untuk dek logam komposit menetapkan dosis serat makro minimum 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) untuk serat sintetis dan 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) untuk serat baja bila digunakan untuk kontrol suhu/susut. Di bawah persyaratan UL, batas atas adalah 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) untuk serat sintetis dan 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) untuk serat baja. Tulangan serat saat ini tidak menggantikan baja momen negatif dalam rakitan dek komposit.

Dosis di bawah rekomendasi pabrikan atau persyaratan kode tidak disarankan. Insinyur harus berkonsultasi dengan produsen serat jika tidak yakin tentang aplikasi atau dosis.

Beberapa sumber menyediakan panduan desain untuk beton bertulang serat makro dalam berbagai aplikasi struktural:

• ACI 544.4R-18: Panduan Desain dengan FRC
• ACI 360R-10: Panduan Desain Pelat
• ACI 322-14: Persyaratan Kode Beton Perumahan

Produsen serat dapat menawarkan panduan tambahan khusus produk.

Spesifikasi FRC serat makro harus berbasis kinerja dan spesifik aplikasi, menggunakan metode yang disetujui dari ACI 544.4R untuk menghitung parameter karakteristik seperti:

• Kekuatan sisa rata-rata (ASTM C1399)
• Kekuatan sisa atau kekuatan lentur setara (ASTM C1609)

Contoh spesifikasi: "Dosis serat harus memberikan kekuatan sisa minimum 200 psi (1,4 MPa) dalam beton 4.000 psi (28 MPa)." Kepatuhan harus diverifikasi melalui data uji pabrikan sesuai dengan standar ASTM yang relevan.

Untuk shotcrete, kinerja shotcrete bertulang serat (FRS) ditentukan oleh kapasitas penyerapan energi (ASTM C1550 atau EN 14488-5). Contoh spesifikasi: "Dosis serat harus memberikan penyerapan energi minimum 280 J pada 7 hari dalam shotcrete 4.000 psi (28 MPa)."

Kinerja pasca-retak FRC dapat dievaluasi melalui ASTM C1609, C1399, atau C1550 (penyerapan energi). Insinyur harus menentukan nilai yang sesuai berdasarkan maksud desain dan tingkat kinerja yang diperlukan, dengan mengacu pada ACI 544.4R untuk panduan.

Serat tertentu (misalnya, baja) di dekat permukaan beton di lingkungan yang terpapar dapat berkarat. Meskipun korosi lokal seperti itu tidak membahayakan integritas struktural, dampak estetisnya harus dievaluasi sebelumnya. Serat sintetis dan alami tidak korosif dan inert secara kimia, tidak terpengaruh oleh kondisi lingkungan.

Meskipun serat biasanya tidak meningkatkan kekuatan lentur retak pertama beton (modulus patahan, ASTM C78), mereka meningkatkan kapasitas lentur pelat dan kekuatan kelelahan. Nilai ketangguhan khusus serat yang sesuai memungkinkan bagian beton yang lebih tipis untuk menopang beban desain.

ANSI/SDI C-2017 mengizinkan serat makro baja atau sintetis (pada dosis yang ditentukan pabrikan yang memenuhi persyaratan minimum) untuk menggantikan tulangan kawat las (WWR) untuk kontrol retak, bukan ketahanan terhadap tegangan struktural.

Di bawah evaluasi UL dan ICC-ES, beberapa serat mikro diakui sebagai alternatif WWR dalam rakitan lantai/langit-langit berperingkat api tertentu.

Masalah historis ini terutama terjadi dengan serat mikro sintetis ketika teknik penyelesaian yang tidak tepat digunakan. Serat mikro monofilamen modern (biasanya terbatas pada 1,0–1,5 lb/yd³ atau 0,6–0,9 kg/m³) dan serat makro meminimalkan efek ini. Pencampuran, penempatan, dan penyelesaian yang tepat menghasilkan permukaan yang sangat baik. Tonjolan serat permukaan tidak membahayakan integritas pelat—obor rosebud dapat melelehkan serat yang terbuka jika masalah estetika muncul.

Meskipun beberapa bahan sintetis (misalnya, nilon) menyerap sejumlah kecil air batch, serat polipropilena/polietilena umum bersifat hidrofobik. Pengurangan slump yang jelas pada dosis yang lebih tinggi dihasilkan dari serat yang bertindak sebagai agen kohesif daripada penyerapan air.

Menambahkan air mengurangi kekuatan beton. Ketika kandungan serat yang tinggi memengaruhi kemampuan kerja, bahan tambahan kimia—bukan air tambahan—harus digunakan.

Titik penambahan yang ideal bervariasi berdasarkan bentuk serat, kekakuan, dan dosis—beberapa berkinerja terbaik sebagai bahan pertama, yang lain setelah semua bahan dimuat. Produsen dapat memberikan panduan, dengan uji coba pra-proyek direkomendasikan untuk menentukan waktu penambahan dan durasi pencampuran yang optimal.

Untuk beton normal, pencampuran selama 4–5 menit setelah semua bahan ditambahkan biasanya direkomendasikan untuk operasi siap pakai.

Semua jenis serat dapat menggumpal karena pencampuran yang tidak memadai, pengurutan yang tidak tepat, atau penambahan ke campuran yang terlalu kering yang kekurangan denda yang cukup untuk melapisi serat. Uji coba pra-proyek membantu memverifikasi kompatibilitas campuran dengan jenis dan dosis serat yang dimaksudkan.

Efek slump tergantung pada:

• Slump campuran awal (dampak yang lebih besar pada slump awal yang lebih rendah)
• Jumlah serat dan dosis (dosis yang lebih tinggi meningkatkan dampak)
• Luas permukaan serat total (luas yang lebih besar meningkatkan dampak)

Perhatikan bahwa pengukuran kerucut slump menunjukkan konsistensi batch, belum tentu kemampuan kerja yang sebenarnya. Meskipun slump visual mungkin tampak berkurang, kemampuan kerja yang sebenarnya mungkin kurang terpengaruh. Uji coba pra-proyek menentukan apakah penyesuaian kemampuan kerja diperlukan.

Serat mikro dapat memengaruhi slump lebih dari serat makro pada rasio panjang-terhadap-diameter dan dosis yang setara karena jumlah serat yang lebih tinggi per pon. Secara umum:

• Serat mikro sintetis (1,0–3,0 lb/yd³ atau 0,6–1,8 kg/m³): Kehilangan slump 1–3 inci (25–75 mm)
• Serat makro sintetis (3,0–10,0 lb/yd³ atau 1,8–6,0 kg/m³) atau serat baja (15–50 lb/yd³ atau 9–29,6 kg/m³): Kehilangan slump 1–5 inci (25–125 mm)

Plasticizer (pengurang air rentang menengah atau tinggi) harus mengimbangi hilangnya slump. Penyesuaian campuran mungkin diperlukan pada dosis tinggi untuk memastikan kandungan pasta yang memadai. Hindari kelebihan air untuk mencegah pengurangan kekuatan dan segregasi.

Serat makro umumnya tidak memengaruhi kandungan udara atau kuat tekan secara merugikan. Perubahan yang dirasakan seringkali berasal dari pencampuran berlebihan, penambahan air, variasi suhu, atau pengukuran kelembaban yang salah dalam agregat. Fluktuasi udara juga dapat berkaitan dengan perubahan slump yang sebenarnya. Perawatan permukaan serat historis tertentu dapat memperkenalkan udara yang tidak diinginkan, tetapi ini sekarang jarang terjadi.

Perubahan berat satuan tergantung pada jenis serat dan penyesuaian desain campuran. Serat sintetis biasanya tidak mengubah berat satuan jika kandungan udara tetap konstan. Serat baja dengan kepadatan lebih tinggi dapat meningkatkan berat satuan tergantung pada fraksi volume dan penyesuaian campuran.

Dalam beton berat normal, serat yang proporsional dan tercampur dengan benar tidak mengapung atau tenggelam karena berat jenis material dan viskositas beton campuran. Serat sebenarnya membantu menangguhkan agregat yang lebih besar dan mencegah segregasi.

Umumnya kompatibel, tetapi beberapa bahan pembantu pemrosesan serat atau hasil akhir putaran mungkin memengaruhi bahan kimia beton lainnya. Selalu verifikasi dengan produsen serat.