Fly Ash

Fly ash (fly ash) merupakan sisa dari hasil pembakaran batu bara pada pembangkit listrik yang dikategorikan sebagai limbah B3. Fly ash mempunyai titik lebur sekitar 1300 °C dan mempunyai kerapatan massa (densitas), antara 2.0 – 2.5 g/cm3. Fly ash adalah salah satu residu yang dihasilkan dalam pembakaran dan terdiri dari partikel-partikel halus. Abu yang tidak naik disebut bottom ash. 

Pengaruh kadar pemakaian fly ash dalam campuran beton terutama tergantung dari jenis/tipe semen dan kelas fly ash yang digunakan. Yang perlu diperhatikan adalah kualitas fly ash yang digunakan, karena fly ash yang beredar banyak di pasaran saat ini belum merupakan produk yang terkontrol dengan baik seperti halnya semen atau bahan additive pozolan yang sudah dikemas dan ber-merk lainnya. Perhitungan kandungan fly ash harus memperhitungkan pula kandungan fly ash yang sudah dicampurkan dalam semen (misal jenis PPC dan PCC). 

Secara prinsip, pemakaian fly ash dan penentuan kandungannya tidak dapat disamakan antar negara, daerah maupun batching plant, karena sifat dan karakter beton segar dan beton setelah mengeras adalah sangat tergantung dari :

• tipe/jenis semen yang digunakan

• kelas fly ash yang digunakan dan kualitas pengontrolan mutunya

• kandungan senyawa kimia dalam fly ash, yang tidak diatur dalam ASTM, ACI maupun SNI bisa berbeda dalam tiap material fly ash yang digunakan dan pengaruhnya yang bervariasi pada sifat dan karakter beton

• agregat halus yang digunakan dan kandungan senyawa kimia yang terbawa di dalamnya

• agregat kasar yang digunakan dan kandungan senyawa kimia yang terbawa di dalamnya

Oleh karena itu sangat disarankan penentuan kadar fly ash adalah melalui analisa data pengaruh dari berbagai kadar pemakaian fly ash dalam campuran beton secara jangka panjang, untuk tiap area dan batching plant, karena perbedaan jenis semen, sumber fly ash dan quarry agregat mempengaruhi beton yang dihasilkan.

Aplikasi Fly Ash

Fly ash memberikan bahan prima yang sangat baik yang digunakan pada semen campuran, ubin mosaik, dan blok berongga antara lain. Fly ash dapat digunakan sebagai bahan utama di balok, paving atau batu bata; Namun, salah satu aplikasi yang paling penting adalah perkerasan PCC. Trotoar PCC menggunakan sejumlah besar beton dan mengganti fly ash memberikan manfaat ekonomi yang signifikan. Fly ash juga telah digunakan untuk jalan-jalan paving dan sebagai tanggul dan tambang terisi, dan ini mulai diterima oleh pemerintah Federal, khususnya Federal Highway Administration.

Berbagai penelitian mengenai pemanfaatan fly ash batubara sedang dilakukan untuk meningkatkan nilai ekonomisnya serta mengurangi dampak buruknya terhadap lingkungan. Saat ini umumnya fly ash batubara digunakan dalam pabrik semen sebagai salah satu bahan campuran pembuat beton. Selain itu, fly ash batu bara memiliki berbagai kegunaan yang amat beragam, diantaranya:

• penyusun beton untuk jalan dan bendungan

• penimbun lahan bekas pertambangan

• recovery magnetik, cenosphere dan karbon

• bahan baku keramik, gelas, batu bata, dan refraktori

• bahan penggosok (polisher)

• pengisi aspal, plastik, dan kertas

• pengganti dan bahan baku semen

• aditif dalam pengolahan limbah (waste stabilization)

• konversi menjadi zeolit dan adsorben

Penggunaan fly ash dalam berbagai kebutuhan konstruksi didasari oleh pertimbangan :

• teknis (manfaat yang diperoleh dari sifat dan properti/karakter material fly ash)

• lingkungan (memanfaatkan limbah untuk kepentingan yang berguna)

• ekonomi (menghasilkan beton yang lebih murah)

Beberapa keberatan atas pemakaian fly ash, selain karena faktor teknis yang memunculkan efek merugikan, adalah karena faktor pengaruh kandungan bahan berbahaya dalam fly ash.

Menghitung Kadar Fly Ash

Perhitungan kadar fly ash dilakukan dengan membagi berat fly ash (termasuk berat fly ash yang sudah ada dalam semen yang digunakan) dengan berat total fly ash + semen.

Contoh :

Jika kandungan semen OPC dalam desain mix adalah 255 kg dan kandungan fly ash adalah 45 kg, maka kadar fly ash dalam desain mix tersebut adalah 15% :

kandungan fly ash =  [(45) / (255+45)]  x 100%   =   15%

Kadar penggunaan fly ash yang banyak dipraktekkan saat ini :

fly ash kelas F : 15-25%

fly ash kelas C : 15-40%

Kadar Fly Ash dalam Beton

Dengan teknologi yang ada saat ini, sebenarnya dengan berbagai kadar penggunaan fly ash untuk menggantikan semen dalam campuran beton, campuran beton dapat dirancang untuk tetap memenuhi kuat tekan karakteristik yang dituntut oleh Konsultan Perencana/Desain, dengan tetap harus mewaspadai pengaruh jangka panjangnya.

Di bawah ini beberapa pandangan dan rekomendasi umum kadar pemakaian fly ash sebagai bahan pertimbangan, keputusan nilai kadar yang akan dipakai dalam proyek disarankan ditetapkan berdasar pertimbangan data dari batching plant atau literatur pengujian yang menggunakan bahan yang berasal dari daerah yang sama dengan batching plant yang menyuplai beton ke proyek, dengan memperhatikan efek jangka panjang penggunaan fly ash yang telah diamati pada data referensi tersebut.

Pandangan konvensional dalam penentuan kadar fly ash menetapkan kadar maksimal 10% untuk pemakaian dalam beton konstruksi bangunan, yang tidak terpengaruh oleh lingkungan korosif (sulfat, air laut, dsb), dengan pertimbangan :

• hampir semua penelitian memastikan bahwa dengan kadar fly ash 10% memberikan kepastian peningkatan mutu beton

• beberapa penelitian menunjukkan penambahan fly ash di atas 10% beresiko mengalami penurunan kuat tekan/mutu beton secara jangka panjang (walaupun cukup banyak pula penelitian yang menunjukkan kadar fly ash di atas 10% masih meningkatkan mutu beton sampai umur 90 hari)

• relatif aman terhadap susut, karena walaupun secara teoritis penambahan fly ash seharusnya mengurangi susut beton terutama susut plastis dan pengeringan, dalam prakteknya masih ditemui penambahan fly ash justru memperbesar susut beton

Pemakaian umum fly ash, memberikan kadar yang bervariasi tergantung manfaat yang diinginkan dari penggunaan fly ash untuk pemakaian pada gedung pada umumnya direkomendasikan oleh Peraturan standar ACI, ASTM, SNI memberikan rentang nilai 15% - 25% penggantian semen dengan fly ash.

Jenis Fly Ash

Fly ash tidak memiliki kemampuan mengikat seperti halnya semen, namun dengan kehadiran air dan ukurannya yang halus, silika oksida (SiO2) yang dikandung di dalam fly ash akan bereaksi secara kimia dengan kalsium hidroksida yang terbentuk dari proses hidrasi semen dan menghasilkan zat yang memiliki kemampuan yang mengikat.

Penggolongan fly ash pada umumnya dilakukan dengan memperhatikan kadar senyawa kimiawi (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3), kadar CaO (high calcium dan low calcium), dan kadar karbon (high carbon dan low carbon). Kandungan karbon berpengaruh pada Loss on Ignition, yang ditetapkan LOI tidak boleh lebih dari 6% (fly ash kelas F dan C) atau 10 % (fly ash kelas N). Canadian Standard CSA A-23.5 mengatur kadar CaO dalam fly ash yang diperbolehkan dan pengklasifikasiannya yaitu :

• Type F memiliki kadar CaO < 8%

• Type CI memiliki kadar CaO 8-20%

• Type CH memiliki kadar CaO > 20%

Fly ash yang dapat digunakan untuk campuran pengganti sebagian semen dalam beton diatur dalam ACI Manual of Concrete Practice 1993 Part 1 226.3R-3 dan ASTM C 618 (Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete), dan dibagi menjadi 3 kelas :

• Fly Ash tipe C

Fly Ash tipe C merupakan fly ash yang mengandung CaO di atas 10% yang dihasilkan dari pembakaran lignit atau sub-bituminus batubara (batubara muda). Untuk fly ash tipe C, kadar total dari SiO2, Al2O3, Fe2O3 lebih besar dari 50%. Kadar CaO mencapai 10%. Kadar CaO > 10%   (ASTM 20%, CSA menetapkan angka 8-20% untuk tipe CI dan di atas 20% untuk CH )

Kadar karbon (C) sekitar 2%. Dalam campuran beton, jumlahan fly ash yang digunakan sebanyak 15%-35% dari berat silinder.

Fly ash kelas C disebut juga high-calcium fly ash

Karena kandungan CaO yang cukup tinggi, fly ash tipe C mempunyai sifat cementitious selain juga sifat pozolan.

Oleh karena fly ash tipe C mengandung kadar CaO yang cukup tinggi dan mempunyai sifat cementitious,  jika terkena air atau kelembaban, akan berhidrasi dan mengeras dalam waktu sekitar 45 menit.

• Fly Ash tipe F

Fly Ash tipe F merupakan fly ash yang mengandung CaO lebih kecil dari 10% yang dihasilkan dari pembakaran antrasit atau bituminus batubara. Fly ash tipe F mempunyai kadar total dari SiO2, Al2O3, Fe2O3 kurang dari 70%. Kadar CaO fly ash tipe F kurang dari 5%. Kadar karbon (C) berkisar antara 5% - 10%. Dalam campuran beton, jumlahan fly ash yang digunakan sebanyak 15%-25% dari berat silinder. Fly ash kelas F disebut juga low-calcium fly ash, yang tidak mempunyai sifat cementitious dan hanya bersifat pozolanic.

• Fly ash kelas N

Pozzolan alam atau hasil pembakaran yang dapat digolongkan antara lain tanah diatomic, opaline chertz, shales, tuff dan abu vulkanik, yang mana biasa diproses melalui pembakaran atau tidak melalui proses pembakaran. Selain itu juga mempunyai sifat pozzolan yang baik

kiri ke kanan : fly ash (Class C), metakaolin (calcined clay), silica fume, fly ash (Class F), slag, calcined shale.

Yang Perlu Diperhatikan dalam Penggunaan Fly Ash

• Beberapa penelitian menunjukkan hasil kadar 10% atau 20% sebagai kadar optimum fly ash untuk peningkatan mutu beton.

• Kadar maksimum fly ash yang direkomendasikan untuk permukaan beton yang dilapis dengan keramik adalah 15%

• Jangan memakai fly ash jika pada permukaan beton diaplikasikan material finishing yang akan bereaksi dengan fly ash (floor hardener, epoxy, cat, waterproofing, dsb)

• Jangan memakai fly ash untuk struktur atau elemen struktur yang memerlukan kekuatan awal yang tinggi

• Jangan menggunakan fly ash untuk lantai yang difinish trowel

• untuk pemakaian pada jalan beton, pada umumnya dipakai kadar fly ash 15% - 40%, dengan pertimbangan utama peningkatan kekuatan abrasi dan kepadatan beton, selain memperlambat waktu setting yang memberi waktu untuk finishing alur permukaan jalan beton.

• untuk pemakaian di lingkungan korosif (serangan sulfat atau air laut) pada umumnya dipakai kadar yang lebih tinggi, dapat mencapai 60%, dengan pertimbangan utama penambahan ketahanan terhadap serangan sulfat dan reaktifitas alkali-silika serta peningkatan kekedapan air.

• untuk pemakaian di pembetonan massal pada elemen struktur yang berdimensi besar dapat dipakai kadar yang cukup tinggi pula, antara 40-60%, dengan pertimbangan utama mengurangi panas hidrasi dan memperlambat waktu setting.

• walaupun berbagai penelitian memberikan hasil yang berbeda tentang penurunan mutu beton pada pemakaian fly ash yang berlebihan (ada yang menyatakan di atas 10%, 15%, 20%, 25% maupun 30%), hampir semua penelitian sepakat bahwa penggantian semen dengan fly ash di atas 25% memberikan efek penurunan kuat tekan jangka panjang, hal ini perlu diperhatikan dalam merancang mutu beton yang digunakan jika memakai kadar fly ash  di atas 25% harus memperhitungkan penurunan mutu dalam jangka panjang.

• untuk kadar sampai 25% masih terdapat perbedaan hasil penelitian, ada yang menyatakan masih memberikan peningkatan mutu dan ada yang menunjukkan penurunan mutu pada kadar di atas 10%.

• penggunaan fly ash harus disertai dengan aplikasi perawatan / curing beton yang baik karena efek fly ash bereaksi dengan senyawa sisa hidrasi semen yang dapat mengakibatkan sifat yang diharapkan memberi manfaat tidak tercapai dan efek yang merugikan terkadang muncul

• tingkat variasi fly ash yang dihasilkan, karena merupakan bahan limbah dan belum optimalnya quality control atas produk fly ash dan penggunaannya, memungkinkan pula variasi dalam sifat dan pengaruh penambahan fly ash dalam campuran beton yang membuat manfaat yang diharapkan tidak tercapai dan efek yang merugikan justru timbul

Kekurangan Fly Ash

Kekurangan penggunaan fly ash meliputi:

• Keuntungan kekuatan lebih lambat.

• Batasan musiman

• Tingkatkan pencampuran dengan air.

• Peningkatan penskalaan garam yang dihasilkan oleh fly ash yang lebih tinggi.

Kelebihan Fly Ash

Abu terbang bisa menjadi pengganti semen Portland yang hemat biaya di beberapa pasar. Selain itu, fly ash bisa dikenali sebagai produk ramah lingkungan karena merupakan produk sampingan dan memiliki energi yang terkandung rendah. Ini juga tersedia dalam dua warna, dan agen pewarna dapat ditambahkan di tempat kerja. Selain itu, fly ash juga membutuhkan sedikit air daripada semen Portland dan lebih mudah digunakan dalam cuaca dingin. Manfaat lainnya termasuk:

• Menghasilkan berbagai waktu yang telah ditentukan.

• Tahan cuaca dingin

• Keuntungan kekuatan yang lebih tinggi, tergantung penggunaannya.

• Dapat digunakan sebagai campuran.

• Dapat mengganti semen Portland.

• Dianggap sebagai bahan non-shrink.

• Menghasilkan beton padat dan permukaan yang lebih halus dengan detail lebih tajam.

• Besar kemampuan kerja.

• Mengurangi masalah retak, permeabilitas dan pendarahan

• Mengurangi panas hidrasi.

• Menghasilkan rasio air / semen yang lebih rendah untuk kemerosotan serupa bila dibandingkan dengan campuran fly ash.

• Mengurangi emisi CO2

Sifat Fly Ash yang Dimanfaatkan

Beberapa sifat atau karakter dari fly ash yang diharapkan untuk dimanfaatkan dan memberikan kelebihan bagi campuran beton, adalah :

a. spherical Shape (bentuk partikel yang hampir bulat sempurna), yang menghasilkan ball bearing effect untuk "melumasi" adukan pasta dan mortar semen sehingga mempunyai kemampuan alir (flowability) dan workability yang lebih baik.

b. ukuran partikel yang sangat halus, yang membuat fly ash mampu mengisi celah kecil dalam komposisi adukan beton, sehingga meningkatkan kepadatan beton sehingga lebih impermeable (kedap air), lebih tahan terhadap abrasi, dan memperkecil susut beton

c. dalam kadar tertentu dan lingkungan yang mendukung (kelembaban cukup dan suhu normal/kamar), kandungan senyawa silika atau silika + alumina akan mengikat senyawa sisa hasil hidrasi semen (kalsium hidroksida) yang tidak mempunyai kemampuan mengikat, menjadi senyawa baru yang mempunyai sifat cementitious (mengikat) sehingga dalam taraf tertentu akan meningkatkan kekuatan beton yang dihasilkan

d. dalam kadar tertentu, membantu meningkatkan ketahanan terhadap sulfat dan garam alkali

e. mengurangi reaktifitas silika-alkali

f. mengurangi potensi bleeding dan segregasi

g. memperpanjang waktu setting sehingga memberikan waktu lebih banyak untuk pengerjaan beton segar

h. mengurangi panas hidrasi, sehingga diharapkan mengurangi kemungkinan terjadinya retak selama proses setting dan hardening beton

i. membuat biaya produksi beton menjadi lebih murah, karena secara ekonomis fly ash lebih murah dari semen