Serangan Klorida pada Beton

Haloo semua, nama saya Elicohen Dima Sagala NIM 15515012. Sekarang saya sedang kuliah di prodi S1 Teknik Kelautan Institut Teknologi Bandung. Postingan ini merupakan bagian dari mata kuliah KL 2105 "Bahan Bangunan Laut" dengan dosen Alamsyah Kurniawan, Ph.d

Langsung saja kita mulai.

Penetrasi klorida kedalam beton bertulang adalah penyebab utama korosi pada struktur beton di lingkungan laut. Serangan ion klorida ini unik karena aksi utamanya adalah menimbulkan korosi pada tulangan beton dan relatif tidak menyebabkan kerusakan pada material betonnya sendiri.

Ion klorida menyerang lapisan pasif dan ketika konsentrasinya pada permukaan tulangan sudah mencapai jumlah tertentu, bahkan pada nilai pH yang tinggi, lapisan pasif tulangan bisa hancur.

Korosi yang disebabkan klorida diawali dengan pembetukan lubang-lubang di lokasi-lokasi dimana lapisan pasifnya hancur. Mekanisme khusus ini disebut sebagai korosi pitting atau korosi sumuran.

Gambar 1.1. Korosi Pitting

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.

Jika pada serangan karbonasi seluruh lapisan pasif tulangan akan mengalami depasivasi setelah terjadinya penurunan nilai pH beton dan berakibat pada korosi merata (general/uniform corrosion),maka pada serangan klorida mekanisme awalnya adalah pembentukan lubang-lubang di lokasi-lokasi dimana tulangannya telah di devasipasi.

Gambar 1.2 Korosi Seragam

Mekanisme penetrasi klorida kedalam beton

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

2Fe → 2 Fe²⁺+ 4e^-

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

2Fe²⁺+ 4Cl^-→ 2 FeCl₂

2FeCl₂+ 4H₂O → 2Fe(OH)₂+ 4HCl

2FeCl₂+ 4H₂O → 2Fe(OH)₂+ 4HCl

Komponen besi klorida (FeCl₂) yang terlarut dalam air pori beton akan meningkatkan keasaman lingkunganlubang 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

Gambar 1.3. Siklus retak - korosi - retak pada beton

Masa/Umur Layan (Service Life)

Adalah 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 1010dan £ 5 x 108 per tahun).

Untuk menaksir umur dan durabilitas dari struktur beton di laut maka dibutuhkan prediksi dari proses penetrasi ion klorida kedalam beton.  

 

1. Koefisien difusi ion klorida

2. Jumlah konsentrasi klorida kritis pada permukaan tulangan.

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

Gambar 1.4. Mekanisme kerusakan beton oleh korosi baja tulangan

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

Gambar 1.5. Tahapan kerusakan korosi dan umur layan struktur beton bertulang

Pemodelan Umur Layandidasarkan pada kerusakan yang disebabkan oleh korosi tulangan:

1. Model bebas korosi

    Penentuan umur layan didasarkan pada ketentuan tidak boleh ada korosi

2. Model kerusakan korosi yang masih diterima

    Penentuan umur layan didasarkan pada ketentuan boleh ada korosi namun masih pada             batas    yang bisa diterima

3. Model Kerusakan akhir

    Penentuan umur layan didasarkan pada kondisi ultimate dari struktur (runtuh).

a. Perioda Inisiasi:

Dimulai dari saat klorida melakukan penetrasi melalui selimut beton sampai ketika konsentrasinya di permukaan tulangan mencapai nilai ambang batas tertentu (treshold value) yang menyebabkan terjadinya depasivasi tulangan

b. Perioda propagasi:

Dimulai ketika tulangan yang sudah mengalami depasivasi mengalami kerusakan korosi lebih jauh lagi sampai akhirnya beton mengalami retak-retak dan spalling yang mengindikasikan kerusakan korosi yang sudah parah

Jika awal terjadinya korosi diambil sebagai kondisi batas kerusakan struktur, maka akhir perioda inisiasimerupakan kondisi batas →umur layan dari struktur(model 1). 

Jika kondisi batas diambil pada garis kerusakan yang masih bisa di toleransi pada tahap propagasi, maka umur layan struktur adalah jumlah dari perioda inisiasi ditambah perioda propagasi sampai pada batas kerusakan yang tidak bisa diterima lagi (model 2)

Sampai saat ini, penelitian lebih banyak difokuskan pada pengembangan formula di tahap inisiasi prediksi umur layan struktur beton akibat penetrasi klorida didasari padaperioda inisiasi korosidari tulangan.

Struktur beton yang berlokasi di zona splashmemiliki risiko korosi terbesar, sekali korosi berlangsung, maka penyebaranya akan berlangsung amat cepat karena ketersediaan air dan oksigen dalam jumlah yang banyak perioda propagasi dapat diabaikan

Prediksi umur layan prediksi perioda inisiasi pada tulangan betonprediksi laju penetrasi ion klorida kedalam beton sampai konsentrasinya pada permukaan tulangan mencapai nilai ambang batas.

Prediksi umur layan merupakan masalah yang komplekskarena banyak mekanisme tranportasi yang terlibat dalam pemodelan laju penetrasi klorida kedalam beton. Model prediksi yang reliable harus memperhitungkan kombinasi antara beberapa mekanisme transportasi

MEKANISME PENETRASI KLORIDA MELALUI SELIMUT BETON

Mekanisme yang terlibat adalah :

1. Difusi terutama pada zona terendam dan pasang surut

2. Gaya Kapiler terutama pada zona splash

3. Permeasi dan Difusi terutama pada zona splash

Gambar 1.6. Penetrasi klorida pada selimut tabung

Sampai saat ini, mekanisme tranport yang paling sering digunakan untuk estimasi penetrasi klorida kedalam tulangan beton adalah mekanisme difusi.

Model yang paling sering digunakan untuk mekanisme difusi klorida adalah model yang diturunkan dari Hukum Fick kedua. Prediksi umur layan berdasarkan Hukum Fick kedua melibatkan perhitungan dari koefisien difusiklorida.

Koefisien difusi klorida merupakan parameter kunci yang digunakan untuk mengukur laju penetrasi klorida kedalam beton melalui proses difusi.

Hukum Kedua Fick

•C = C(x,t) adalah konsentrasi klorida pada jarak x dari permukaan, pada waktu t

•Dc adalah koefisien difusi (m²/detik)

.

Gambar 1.7. Proses Difusi

Langkah-langkah untuk estimasi penetrasi klorida

1. Pengambilan sample beton yang mengandung klorida dilakukan concrete core, drilling

2. Analisa kandungan klorida pada sample beton dilakukan titrasi

3. Hasil analisa konsentrasi ion klorida selanjutnya di plot pada berbagai kedalaman yang berbeda           dari permukaan beton dilakukan menghasilkan profil klorida

4. Dari profil klorida yang diperoleh dan dengan menggunakan persamaan difusi Fick kedua,                   koefisien difusi dankonsentrasi klorida pada permukaan betondapat dihitung. 

a. Algoritma untuk estimasi penetrasi klorida

    1. Pengambilan beberapa contoh data dari struktur beton yang terkontaminasi klorida

    2. Data yang dikumpulkan diambil dan dimasukkan dalam persamaan difusi fick

    3. Akan diperoleh Koefisien Difusi (D) dari Ion Klorida dan Konsentrasi Klorida pada Permukaan         (Selimut) Beton

b. Profil Klorida Tipikal

Gambar 1.8. Profil Tipikal Klorida

Solusi Persamaan Difusi Fick

Untuk struktur beton pada zona terendamdan zona pasang surut (nilai konsentrasi ion klorida dianggap konstan).

Cs: konsentrasi klorida permukaan ;

D:koefisien difusi ;

x : jarak kedalaman dari permukaan yang terekspos

Untuk struktur beton pada zona splash

(Nilai konsentrasi ion klorida merupakan fungsi waktu, tidak konstan )

A : nilai laju pelekatan ion klorida pada permukaan beton

Alternatif lain

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

Asumsi-asumsi untuk Persamaan Difusi Fick

1. Proses difusinya dianggap non-steady state.

2. Ion klorida berdifusi hanya ke satu arah atau proses difusinya adalah satu dimensi.

3. Koefisien difusi dan konsentrasi klorida dipermukaan beton tidak berubah dengan waktu.

4. Koefisien difusinya tidak berubah dengan perubahan kedalaman selimut beton

5. Koefisien difusinya tidak berubah dengan perubahan konsentrasi klorida didalam beton

Koefisien Difusi (Dc)

1. Koefisien difusi bukan suatu konstanta, tetapi tergantung 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).

2. Koefisien difusi bukan suatu konstanta, untuk suatukondisi exposure tertentu koefisien difusi adalah fungsi dari lamanya exposure (t), jarak dari permukaan yang terekspos (x), dan konsentrasi klorida didalam beton.

3. Koefisien difusi terutama amat tergantung pada waktu, dibanding pada jarak dan konsentrasi

Koefisien difusi akan menurun dengan waktu

Koefisien Difusi untuk Ordinary Portland Cement

Koefisien difusi akan meningkat dengan meningkatnya perbandingan air semen.

Koefisien Difusi untuk Blended Cement

Koefisien difusi akan meningkat dengan meningkatnya perbandingan air semen.

Perbandingan antara OPC and Blended Cement

Membandingkan kedua jenis semen menggunakan kurva pendekatan, nilai koefisien difusi untuk semen jenis blended 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 Difusi Fick

Profil klorida dan kurva fitting terbaik

Profil klorida pada sebuah jembatan yang berumur 20 tahun

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

1. Penetrasi ion klorida melalui selimut beton

2. Tulangan baja mengalami korosi

3. Terjadi retak-retak akibat korosi

Metode prediksi sederhana

Cs：kandungan Cl-di permukaan beton

x ：Tebal selimut beton

Dc：Koefisien difusi yang bisa dihitung dari W/C

Nilai Ambang untuk Konsentrasi Klorida (Ccr)

Ada jumlah konsentrasi kloridatertentu yang harus di penuhi untuk terjadinya depasivasi tulangan yang kemudian akan memulai proses korosi

Kemudian

nilai ambang batas klorida

Kemudian

jumlah konsentrasi klorida kritis yang diperlukan untuk berlangsungnya proses korosi.

Banyak parameter yang mempengaruhi nilai konsentrasi klorida kritis, karenanya ada sejumlah variasi nilai yang bisa digunakan sebagai nilai ambang batas konsentrasi klorida. Parameter-parameter yang mempengaruhi nilai ambang batas, a.l.

►Kualitas beton (jenis semen, perbandingan air semen, transport zat cair dalam beton)

►Kondisi lingkungan dan pembebanan, misalnya apakah struktur terletak pada zona splash atau terletak pada lokasi yang selalu terendam dan temperatur.

Nilai ambang batas klorida bervariasi antara 0,17% dan2,5% berat semen

CEB menetapkankonsentrasi klorida kritis sebesar 0,4% berat semen atau 0.1% berat betonuntuk 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 yang tercantum di berbagai Standar Peraturan

Sumber Klorida

Pada proses pencampuran, ditambahkan kedalam beton, yang menggunakan:

Air laut sebagai air campuran

Akselerator yang mengandung klorida

Agregat yang terkontaminasi klorida

Pada beton yang sudah mengeras, mekanismenya melalui difusi, disebabkan:

Penggunaan garam pengencer

Pembasahan dan pengeringan air laut

Penggunaan bahan kimia yang mengandung klorida

  

Klorida terdapat pada beton dalam bentuk-bentuk berikut :

Ion klorida bebas dalam larutan air pori

Terikat secara kimiawi dengan produk hidrasi semen

Terserap secara fisik kedalam gel semen sebagai klorida terikat

Hanya klorida bebas yang dapat menyebabkan terjadinya korosi. Klorida yang terikat tidak akan menimbulkan korosi sampai klorida tsb larut dalam air pori dan menjadi klorida bebas.

Konsentrasi klorida permukaan (Cs)

Faktor-faktor yang menentukan tingkat konsentrasi klorida permukaan (Cs) dipermukaan struktur beton, antara lain:

1. Lokasi atau jarak dari struktur tsb terhadap sumber klorida → amat menentukan; 

semakin dekat jaraknya dari sumber klorida, nilaiCs akan semakin tinggi.

2. Kondisi lingkungan

seperti: hujan dan arah angina

3. Material

Kondisi permukaan beton → tingkat kekasaran beton

Nilai konsentrasi klorida permukaan tipikal

Profil Klorida Bebas terhadap Zona 

Profil klorida bebas pada beton OPC, tebal selimut beton

= 5 cm, w/c 0.4,setelah 5 tahun

Profil Klorida Bebas terhadap w/c