Serangan Klorida pada Beton

Hello Bloggers setia.. Saya Michael Agung Sanjaya Siagian (15515003). Sekarang saya sedang duduk di bangku perkuliahan dengan jurusan Teknik Kelautan Institut Teknologi Bandung. Postingan berikut ini adalah bagian dari salah satu mata kuliah teknik kelautan yang sedang saya ambil sekarang yaitu “Bahan Bangunan Laut” dengan dosen yang mengajar ialah Alamsyah Kurniawan.

Untuk postingan kali ini, tentunya sejalan dengan postingan – postingan saya yang sebelumnya yaitu seputar material beton. Namun untuk postingan kali ini, akan dibahas adalah Bagaimana suatu struktur beton dalam serangan Klorida (Cl-).

Check it out...

Serangan klorida pada beton dimulai dari penetrasi klorida ke dalam beton bertulang atau keadaan ini disebut korosi struktur beton di lingkungan laut. Ion klorida hanya menyerang/menimbulkan korosi pada tulangan beton dan relatif tidak menyebabkan kerusakan pada material betonnya.

Ion Klorida hanya menyerang Tulangan Beton

Ion klorida (Cl-) yang terpenetrasi ke dalam struktur beton akan menyerang lapisan pasif (Ion Hidroksida / OH-) ketika konsentrasi Ion klorida tersebut pada permukaan tulangan sudah mencapai konsentrasi kritisnya (Ccr) atau pH yang tinggi dapat menghancurkan lapisan pasif pada tulangan tersebut.

Korosi akibat serangan ion klorida diawali dengan pembentukan lubang - lubang di lokasi dimana lapisan pasifnya hancur atau mekanisme ini disebut sebagai korosi Pittting atau korosi sumuran

Serangan karbonasi dan iion kolirda tentunya berbeda. Perbedaannya terletak pada :

Serangan karbonasi - Depasivasi pada seluruh lapisan pasif pada tulangan setelah terjadinya penurunan nilai pH beton. Depasivasi merata pada seluruh lapisan pasif (Uniform Corrosion).
Seranagan klorida - korosi Pitting hanya pada lokasi dimana lapisan pasif beton hancur akibat ion klorida tersebut, Terrbentuknya lubang - lubang di daerah tertentu saja (Pitting Corrosion).
Serangan karbonasi - Menyerang dan merusakkan material penyusun betonnya tanpa menyerang tulangan beton.
Serangan klorida - Menyerang tulangan beton saja.

Pitting Corrosion

Uniform Corrosion

Proses Pitting Corrosion

Proses terjadinya Pitting Corrosion :

Diawali dengan penetrasi ion klorida dan oksigen dengan proses difusi akibat beton yang tidak kedap udara dan air.
Setelah ion klorida masuk ke dalam struktur beton, ion klorida hanya menyerang tulangan beton yang dilindungi dengan lapisan pasifnya. Ketika konsentrasi kritis ion klorida terpenuhi, muliai saat itulah terjadinya korosi pada tulangan beton.
Adanya korosi pada tulangan beton menyebabkan timbulnya karat. Timbulnya karat menyebaban bertambahnnya volume disekitar lokasi terjadinya korosi yang pada akhirnya akan merusak beton yang sifatnya lebih kaki, mempertahankan keadaannya, dan ketika tidak mampu lagi menahan bentuk aslinya beton tersebut akhirnya retak dan spalling pun tidak terhindari lagi.

Korosi Pitting merupakan serangan korosi yang paling berbahaya untuk tulangan, karena keberadaan daerah anoda yang amat aktif dan terlokalisasi yang dikombinasi dengan daerah katoda yang luas serta proses korosinya yang self-catalysis, akan menyebabkan reduksi yang cepat dari luas penampang tulangan, seringkali tanpa adanya indikasi kerusakan yang tampak pada permukaan beton.

Korosi Pitting juga tidak nampak dari luar beton, karena menyerang lapisan pasif pada tulangan beton saja.

Mekanisme penetrasi klorida kedalam beton

Richardson (2010) memberikan penjelasan mekanisme korosi yang terjadi pada lingkungan yang kaya klorida, adalah sebagai berikut :

2Fe → 2Fe2+ + 4e-

Ion Fe positif akan bereaksi dengan ion klorida membentuk komponen besi klorida (FeCl2)

2Fe2+ + 4Cl- → 2 FeCl2

2FeCl2 + 4H2O → 2Fe(OH)2 + 4HCl

Komponen besi klorida (FeCl2) yang terlarut dalam air pori beton akan meningkatkan keasaman lingkungan lubang korosi karena akan menurunkan nilai pH beton, dan ini akan mengakibatkan oksidasi lebih jauh dari besi tulangan.
Klorida bebas yang di regenerasi dalam proses ini akan meningkatkan laju korosi pada lubang sumuran.

Siklus Retak-Korosi-Retak pada Beton di Lingkungan Laut

Struktur beton adalah tidak kedap udara dan air (Microcracks). Sehingga mobilitas zat - zat dalam pori beton sangat mungkin terjadi.
Beton tidak kedap udara dan air menyebabkan :

Meningkatnya permeabilitas beton (Kemampuan berpindahnya zat/Udara dan air)
Terdapat kemungkinan terjadinya serangan kimia - Penguraian pasta semen.
Beton yang dapat mengalami perbedaan suhu/humiditas tidak hanya pada sisi luar beton.
Beban impact dari benda-benda yang terapung.

Permeabilitas beton menjadi tinggi akibat Microcracks tersebut dipadukan dengan adanya faktor air laut dan udara sekitar mengakibatkan vesar kemungkinannya terjadi Korosi Tulangan
Korosi tulangan menyebabkan bertambahnya volume di sekitar tulangan beton akibat timbulnya karat. Sifat beton yang kaku mempertahankan bentuk aslinya ketika tidak mampu lagi menahan tekanan dari dalam akibat karat tersebut beton akan mengalami Cracks yang berujung pada Spalling.
Cracks yang timbul menyebabkan semakin meningkatnya permeabilitas beton itu sendiri.

Masa/Umur Layan (Service Life)

Umur Layan - perioda saat struktur dapat memenuhi fungsi strukturalnya.
Kebutuhan untuk memprediksi umur layan yang akurat didasarkan pada :

Struktur beton bertulang di lingkungan laut umumnya hanya memiliki umur layan setengah kali dari umur layan prediksinya
Biaya rehabilitasi struktur beton bertulang akibat kerusakan korosi amat tinggi (di US dan di Inggris masing-masing mecapai US$ 5 x 1010 dan £ 5 x 108 per tahun). Akibat dari biaya maintenance yang besar, diharapkan dapat membuat struktur beton dengan durabilitas yang tinggi, yang sangat bergantung saat Mix Design

Faktor utama dalam memprediksi dan menaksir umur dan durabilitas struktur beton di laut :

Koef Difusi ion klorida (Cl-)
Konsentrasi klorida Kritis (Cr) pada permukaan tulangan beton.

Mekanisme Korosi pada tulangan beton

Mekanisme kerusakan struktur beton yang diakibatkan oleh korosi baja tulangan (Tuutti, 1982)

Pemodelan kerusakan korosi dan umur layan dari struktur beton bertulang (Tuutti, 1982)

Pemodelan Umur Layan didasarkan pada keruakan yang disebabkan oleh korosi tulangan :

Model Bebas Korosi - Penentuan Umur Layan didasarkan pada ketentuan tidak boleh ada korosi.
Model mengalami korosi, namun kerusakan korosi masih bisa diterima akibat adanya ion hidroksi pada permukaan tulangan atau ion klorida pada permukaan tulangan beton yang belum pada konsetrasi kritisnya - Penentuan umur layan didasarkan pada ketentuan boleh ada korosi namun masih pada batas yang bisa diterima
Model mengalami kerusakan akhir - Penentuan umur layan didasarkan pada kondisi Ultimate dari struktur (Runtuh).

Perioda Inisiasi
Dimulai saat ion klorida mengalami penetrasi ke dalam struktur beton melalui selimut beton sampai pada permukaan tulangan baja yang diselimuti ion hidroksi dimana ion klorida pada permukaan tulangan baja sudah mencapai Treshold Value-nya / Nilai ambang batas / Konsentrasi Kritisnya / Saat seluruh ion hidroksi sudah bereaksi dengan ion klorida yang menyebabkan terjadinyadepasivasi tulangan pada suatu titik terjadinya korosi.
Perioda Propagasi
Dimulai saat struktur beton sudah mengalami korosi (Depasivasi pada suatu titik mulai ada) dan berakhir pada beton mengalami Cracks akibat mempertahankan bentuk awalnya dan Spalling pun tidak terhindarkan lagi, mengindikasikan kerusakan pada beton yang sudah parah.

Pada saat td(1)
Jika awal terjadinya korosi adalah sebagai kondisi batas kerusakan struktur, maka akhir perioda inisiasi merupakan kondisi batas umur layan dari struktur (Model 1).
Pada saat ta(2)
Jika kondisi batas diambil pada suatu garis kerusakan yang masih bisa ditoleransikan, maka umur layan struktur adalah jumlah dari prioda inisiasi ditambah perioda propagasi (max) yaitu sampai pada bats kerusakan yang tidak bisa diterima lagi (Model 2).

Struktur beton yang berada pada Zona Splash memiliki resiko korosi terbesar akibat ketersediaan air dan oksigen dalam jumlah banyak maka penyebaran korosi akibat ion klorida berlangsung dengan sangat cepat sehingga perioda propagasi dapat diabaikan.
Prediksi umur layan sama dengan prediksi perioda inisiasi pada tulangan beton adalah prediksi laju penetrasi ion klorida sampai konsentrasi kritis/nilai ambang batsion klorida terpenuhi.
Prediksi umur layan adalah masalah yang kompleks akibat banyak mekanisme transportasi yang mempengaruhinya juga kombinasinya.

Mekanisme Penetrasi Ion Klorida Melalui Selimut Beton

Mekanisme yang terlibat :

Difusi - Dominan pada Zona terendam
Gaya kapiler - Zona pasang-surut dan Zona Splash
Permeasi dan difusi - Zona Pasang-surut dan Zona splash

Yang paling sering digunakan saat sebagai mekanisme untuk mengestimasi penetrasi klorida ke dalam tulangan beton adalah mekanisme difusi. Model yang digunakan untuk mekanisme difusi klorida tersebut adalah model yang diturunkan dari Hukum Fick Kedua yaitu memprediksikan umur layan dengan melibatkan perhitungan dari koefisien difusi klorida. Koefisien difusi klorida merupakan parameter kunci yang digunakan untuk mengukuer laju penetrasi klorida ke dalam beton melalui proses difusi.

Hukum kedua Fick (Persamaan Difusi)

Dimana :

• C = C(x,t) adalah konsentrasi klorida pada jarak x dari permukaan, pada waktu t
• Dc adalah koefisien difusi (m2/detik).

Difusi

Langkah - langkah untuk mengestimasi penetrasi klorida :

Pengambilan sample beton yang mengandung klorida :

Concrete core
Drilling

Analisa kandungan klorida pada sample beton : dengan metode titrasi
Hasil analisa konsentrasi ion klorida di plot pada berbagai kedalaman yang berbeda dari permukaan beton : dihasilkan profil klorida yang terkandung dalam beton
Dari profil klorida yang didapat dari persamaan difusi Fick kedua, koef difusi dan konsentrasi ion klorida pada jarak dari permukaan beton dapat dihitung.

Profil Klorida Tipikal

Untuk struktur beton yang berada pada zona terendam dan zona pesang surut (Tidal), nilai konsentrasi ion klorida dianggap konstan ke ke segala titik pada beton

Dimana :

Cs: konsentrasi klorida permukaan
D : koefisien difusi
x : jarak kedalaman dari permukaan yang terekspos

Plot of Error Function

Untuk struktur beton yang berada pada zona Splash, nilai konsentrasi ion klorida merupakan fungsi waktu, tidak konstan.

Dimana :

A : Nilai laju pendekatan ion klorida pada permukaan beton.

Untuk zona splash, persamaan difusi yang sama dengan zona terendam bisa digunakan tetapi dengan nilai koefisien difusi (D) yang telah dimodifikasi.

Asumsi - asumsi persamaan Difusi Fick :

Anggapan Proses difusinya Non-Steady State
Ion klorida berdifusi dalam satu arah saja atau proses difusinya adalah dalam satu dimensi
Koef. Difusi dan konsentrasi klorida tidak berubah dengan waktu.
Koef. Difusi tidak berubah dengan perubahan kedalaman dari selimut beton
Koef. Difusi tidak berubah dengan perubahan konsentrasi klorida di dalam beton

Koefisien Difusi (Dc)

Koef. Difusi bukanlah suatu konstanta, Koef difusi bergantung pada umur beton, perbandingan air semen, jumlah dan difusivitas agregat, kelembaban relatif, temperatur dan mikro struktur dari pasta semen dan agregat dan jenis dan lamanya perawatan (Curing).

Koef. Difusi adalah fungsi dari lamanya exposure (t), Jarak dari permukaan yang terekspos (x), dan konsentrasi klorida di dalam beton.

Koef. Difusi sangat tergantung pad waktu, dibandingkan dengan jarak dan konsentrasi.

Koef. DIfusi akan menurun dengan waktu.

Koef Difusi Ordinary Portland Cement

Koef. difusi akan meningkat dengan meningkatnya w/c.

Koef. Difusi untuk Blended Cement

Koef. difusi akan meningkat dengan meningkatnya w/c.

Perbandingan antara Ordinary Portland Cement dengan Blended Cement.

Jika dibandingkan dengan kurva pendekatan, nilai koef. difusi jenis Blended Cement memiliki nilai yang lebih kecil.

Variasi D dengan kandungan semen

Pada kasus nilai perbandingan air semen = 0.45, koefisien difusi akan menurun dengan meningkatnya kandungan semen.

Solusi Persamaan Fick

Profil Klorida dan kurva fitting terbalik

Contoh : Profil Klorida pada sebuah jembatan yang berumur 20 tahun

Informasi yang dibutuhkan untuk evaluasi dari kerusakan yang disebabkan oleh serangan klorida.

Penetrasi ion klorida melalui selimut beton
Metode prediksi sederhana :
(23)
Tulangan Baja mengalami korosi
Terjadi Cracks akibat korosi
Nb :
Cs : Kandungan Cl- di permukaan beton - Tergantung dari kondisi lingkungan (Standar Spesifikasi dari JSCE)
x : Tebal selimut beton
Dc : Koef Difusi - Bisa dihitung dari W/C (Standar spesifikasi dari JSCE )

Nilai ambang untuk konsentrasi klorida (Ccr)

Korosi dapat berlangsung ketika ion klorida pada permukaan tulangan sudah pada konsentrasi kritisnya / Treshold Value / Nilai ambang batas klorida, dan ketika terpenuhi terjadi depasivasi tulangan pada suatu titik di permukaan tulangan yang dimulai dari adanya lubang-lubang pada permukaan tulangan disebut Pitting Corrosion.

Parameter yang mempengaruhi nilai Treshold Value :

Internal - Kualitas Beton seperti : jenis semen, w/c ratio, Permeabilitas beton, dll
Eksternal - Kondisi Lingkungan dan pembebanan : Letak struktur , temperatur lingkungan, gelombang, zona pada beton : Splash, terendam, tidal, atmosfir laut.

Nilai ambang batas klorida bervariasi antara 0,17% dan 2,5% berat semen

CEB menetapkan konsentrasi klorida kritis sebesar 0,4% berat semen atau 0.1% berat beton untuk estimasi penetrasi klorida pada struktur beton bertulang yang memiliki kualitas baik.

Nilai ambang batas klorida

0,2% berat semen - lingkungan laut (splash)

0,4% berat semen - lingkungan yang tidak terlalu agresif

Nilai ambang batas klorida berbagai standar peraturan :

BS 8110 (1985) : 0,4% berat semen
ACI 222 (1994) : 0,2% berat semen
AS 3600 (1994) : 0,8% (kg/m3) berat semen
CEB-FIP : 0.4% berat semen

Sumber Klorida

Pada proses mix design, ditambahkan ke dalam beton

Air laut sebagai air campuran
Akselerator yang mengandung klorida
Agregat yang terkontaminasi klorida

Pada beton yang sudah mengeras, dengan mekanisme difusi

Penggunaan garam pengencer
Pembasahan dan pengeringan air laut
Penggunaan bahan kimia yang mengandung klorida

Bentuk klorida dalam beton :

Ion Klorida pada larutan air pori
Terikat secara kimiawi dengan produk hidrasi semen.
Terserap secara fisik kedalam gel semen sebagai klorida terikat.

Klorida yang dapat menyebabkan korosi adalah klorida dalam bentuk ion bebasnya. Klorida yang terikat dalam suatu senyawa tidak menimbulkan korosi sampai senyawa klorida tersebut larut ke dalam air pori dan menjadi ion klorida yang bebas.
Faktor - faktr yang mempengaruhi besarnya konsentrasi permukaan (Cs) pada permukaan struktur beton, yakni :

Jarak titik terhadap sumber klorida (Permukaan tulangan baja) sangat menentukan besarnya Cs ; Semakin dekat ke permukaan tulangan beton, maka semakin tinggi nilai Cs
Kondisi Lingkungan (Faktor Luar), yakni hujan dan arah angin
Material penyusun beton (Faktor dalam), Kondisi permukaan beton yang berupa tingkat kekasaran beton.

Investigator	Explosure Classes	Recommended Cs value (wt. of concrete)
Bamforth (1996)	Splash zone	Portland Blended	0.75 % 0.9 %
	Spray zone	Portland Blended	0.5 % 0.6 %
	Marine atmosphere zone	Portland Blended	0.25 % 0.3 %
Habucho et. al. (2001)	> 4.5 m above sea level	0.565 %
	< 3 m above sea level	1 % - 1.1 %
Helland (1999)	Splash zone	0.9 %
Maage et. al. (1997)	0.9 %
Yokozeki (1997)	f’c < 50 N/mm2 ; f’c = 50 N/mm2	0.71 %
	f’c > 50 N/mm2	0.92 %

Profil Klorida bebas terhadap zona

Contoh : Profil klorida bebas pada beton OPC, tebal selimut beton = 5 cm, w/c 0.4, setelah 5 tahun

Profil klorida bebas trhadap w/c ratio

Contoh : Profil klorida bebas pada beton OPC, tebal selimut beton = 5 cm, pada zona pasang surut tinggi setelah 5 tahun

Soal Latihan

Diketahui ketebalan selimut beton suatu struktur bangunan laut = 75 mm. Bilamana diinginkan bangunan tersebut mempunyai umur layan minimal 50 tahun, tentukan nilai koefisien diffusivitas klorida maximum yang harus dimiliki oleh bahan beton yang digunakan? (Cs = 0,35 %; nilai ambang klorida = 0,1 %).

Gunakan grafik pada slide 33 untuk perhitungan fungsi error.

Penyelesaian :