Fiber Reinforced Concrete

Fiber Reinforced Concrete atau Beton Bertulang Serat dapat didefinisikan sebagai bahan komposit yang terdiri dari campuran semen, mortar atau beton dan serat-serat yang tidak beraturan, terpisah, dan tersebar merata. Fiber Reinforced Concrete memiliki berbagai jenis dan sifat dengan banyak keunggulan. Continuous meshes, woven fabrics, dan long wires atau rods tidak dianggap sebagai serat diskrit. Serat adalah sepotong kecil bahan penguat yang memiliki sifat karakteristik tertentu. Dimana serat bisa melingkar atau datar. 

Serat sering digambarkan dengan parameter yang disebut "rasio aspek". Rasio aspek serat adalah rasio panjangnya dengan diameternya. Rasio aspek tipikal berkisar antara 30 hingga 150. Fiber Reinforced Concrete (FRC) adalah beton yang mengandung bahan berserat yang meningkatkan integritas strukturalnya. Beton ini berisi serat diskrit pendek yang terdistribusi secara merata dan berorientasi secara acak. Serat termasuk serat baja, serat kaca, serat sintetis, dan serat alami.

Bersamaan serat yang berbeda ini, karakter Fiber Reinforced Concrete berubah dengan beton yang bervariasi antara lain bahan serat, geometri, distribusi, orientasi, dan kepadatan. Fibre-reinforcement tidak hanya digunakan pada shotcrete, tetapi juga dapat digunakan pada beton normal. 

Beton normal yang diperkuat serat sebagian besar digunakan untuk lantai dan perkerasan di permukaan tanah, tetapi dapat dipertimbangkan untuk berbagai bagian konstruksi (balok, tang, pondasi, dll) baik tanpa tulangan atau dengan tulangan. Beton yang diperkuat dengan serat (biasanya baja, kaca atau serat "plastik") lebih murah daripada dengan tulangan, namun juga meningkatkan kekuatan tarik berkali- kali. 

Bentuk, dimensi, dan panjang serat itu penting. Serat tipis dan pendek seperti serat kaca yang berbentuk rambut pendek, hanya akan efektif pada jam-jam pertama setelah beton dituang (mengurangi retak selama beton mengeras) tetapi tidak akan meningkatkan kuat tarik beton.

Pengaruh Serat pada Beton

Serat biasanya digunakan pada beton untuk mengontrol retak susut plastis dan retak susut pengeringan. Serat juga menurunkan permeabilitas beton dan mengurangi bleeding. Beberapa jenis serat menghasilkan ketahanan benturan, abrasi, dan impact yang lebih besar pada beton. 

Umumnya, serat tidak meningkatkan kuat lentur beton, sehingga tidak dapat menggantikan penahan momen atau tulangan baja struktural. Beberapa serat mengurangi kekuatan beton. Jumlah serat yang ditambahkan ke dalam campuran beton diukur sebagai persentase dari total volume komposit (beton dan serat) yang disebut fraksi volume (Vf). Vf biasanya berkisar dari 0,1 hingga 3%. Rasio aspek (l/d) dihitung dengan membagi panjang serat (l) dengan diameternya (d). 

Serat dengan penampang non-lingkaran perlu menggunakan diameter yang setara untuk perhitungan aspek rasio. Jika modulus elastisitas serat lebih tinggi dari matriks (pengikat beton atau mortar), serat akan membantu memikul beban dengan meningkatkan kekuatan tarik material. Peningkatan rasio aspek serat biasanya membagi kekuatan lentur dan ketangguhan matriks. Namun, serat yang terlalu panjang cenderung "berbentuk bola (menggumpal)" dalam campuran dan menimbulkan masalah kinerja beton. Beberapa penelitian terbaru menunjukkan bahwa penggunaan serat dalam beton memiliki efek terbatas pada ketahanan benturan bahan beton. Temuan ini sangat penting karena secara tradisional orang berpikir daktilitas meningkat ketika beton diperkuat dengan serat. Hasilnya juga menunjukkan bahwa serat mikro lebih baik dalam ketahanan benturan dibandingkan dengan serat yang lebih panjang.

Pentingnya Serat pada Beton

• Serat meningkatkan kekuatan tarik beton.
• Serat mengurangi rongga udara dan rongga air yang melekat pada porositas gel.
• Serat meningkatkan daya tahan beton.
• Serat seperti grafit dan kaca memiliki ketahanan yang sangat baik terhadap mulur, sedangkan hal yang sama tidak berlaku untuk sebagian besar resin. Oleh karena itu, orientasi dan volume serat memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinerja rangkak tulangan/tendon.
• Beton bertulang sendiri merupakan material komposit, dimana tulangan berperan sebagai serat penguat dan beton sebagai matriksnya. Oleh karena itu sangat penting diketahui bahwa perilaku di bawah tekanan termal untuk kedua bahan harus serupa sehingga deformasi diferensial beton dan tulangan dapat diminimalkan.
• Penambahan serat-serat kecil, berjarak rapat dan tersebar merata ke beton akan bertindak sebagai penahan retak dan secara substansial akan meningkatkan sifat statis dan dinamisnya.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Sifat Fiber Reinforced Concrete
Faktor-faktor yang mempengaruhi Fiber Reinforced Concrete antara lain:

1. Kekakuan Matriks Serat Relatif
Modulus elastisitas matriks harus jauh lebih rendah daripada serat untuk transfer tegangan yang efisien. Modulus serat yang rendah seperti nilon dan polipropilen tidak mungkin memberikan peningkatan kekuatan, tetapi memberikan dampak pada penyerapan energi yang besar dan oleh karena itu, dapat meningkatkan ketangguhan dan ketahanan yang lebih besar.

Serat modulus tinggi seperti baja, kaca dan karbon memberikan kekuatan dan kekakuan pada komposit. Ikatan antar muka antara matriks dan serat juga menentukan efektivitas transfer tegangan, dari matriks ke serat. Ikatan yang baik sangat penting untuk meningkatkan kekuatan tarik komposit.

2. Volume Serat
Kekuatan komposit sangat tergantung pada jumlah serat yang digunakan di dalamnya. Gambar dibawah menunjukkan pengaruh volume terhadap ketangguhan dan kekuatan. Dapat dilihat bahwa peningkatan volume serat, meningkatkan kira-kira linier, kekuatan tarik dan ketangguhan komposit. Penggunaan persentase serat yang lebih tinggi kemungkinan akan menyebabkan segregasi dan kekerasan beton dan mortar. 

Pengaruh volume serat dalam lentur

Pengaruh volume serat dalam ketegangan

3. Rasio Aspek Serat

Faktor penting lainnya yang mempengaruhi sifat dan perilaku komposit adalah aspek rasio serat. Pada rasio aspek 75, peningkatan rasio aspek dapat meningkatkan beton ultimit secara linier. Di luar 75, kekuatan dan ketangguhan relatif berkurang. Tabel dibawah menunjukkan pengaruh rasio aspek terhadap kekuatan dan ketangguhan. 

Tipe Beton	Aspect ratio	Kekuatan Relatif	Kekerasan Relatif
Beton Polos	0	1	1
Dengan Fiber	25	1.5	2.0
Fiber Acak	50	1.6	8.0
Fiber Tersebar	75	1.7	10.5
	100	1.5	8.5

Tabel Rasio aspek serat

4. Orientasi Serat

Salah satu perbedaan antara tulangan konvensional dan tulangan serat adalah pada tulangan konvensional, tulangan berorientasi pada arah yang diinginkan sedangkan serat berorientasi secara acak. Untuk melihat pengaruh keacakan, dilakukan pengujian spesimen mortar yang diperkuat dengan serat 0,5%. Dalam satu set spesimen, serat disejajarkan dengan arah beban, sedangkan yang kedua dalam arah tegak lurus terhadap beban, dan yang ketiga didistribusikan secara acak. Diamati bahwa serat sejajar sejajar dengan beban yang diterapkan menawarkan lebih banyak kekuatan tarik dan ketangguhan daripada serat yang didistribusikan secara acak atau tegak lurus.

5. Kemampuan Kerja dan Pemadatan Beton
Penggabungan serat baja mengurangi kemampuan kerja secara signifikan. Situasi ini mempengaruhi konsolidasi campuran segar. Bahkan getaran eksternal yang berkepanjangan gagal untuk memadatkan beton. Volume serat di situasi ini tergantung pada panjang dan diameter serat. Konsekuensi lain dari kemampuan kerja yang buruk adalah distribusi serat yang tidak seragam. Secara umum, kemampuan kerja dan standar pemadatan campuran ditingkatkan melalui peningkatan rasio air/semen atau dengan menggunakan beberapa jenis campuran pereduksi air.

6. Ukuran Agregat Kasar
Ukuran maksimum agregat kasar harus dibatasi hingga 10 mm, untuk menghindari pengurangan kekuatan komposit yang berarti. Serat juga bertindak sebagai agregat. Meskipun memiliki geometri yang sederhana, pengaruhnya terhadap sifat beton segar sangatlah kompleks. Gesekan antara partikel dengan serat dan antara serat dengan agregat dapat mengontrol orientasi dan distribusi serat yang mengakibatkan sifat komposit. Admixture pengurang gesekan dan admixtures yang meningkatkan kekompakan campuran dapat meningkatkan campuran secara signifikan.

7. Pencampuran
Pencampuran beton bertulang serat perlu hati-hati untuk menghindari penggulungan serat, segregasi dan pada umumnya sulitnya pencampuran bahan secara merata. Peningkatan aspek rasio, persentase volume dan ukuran dan kuantitas agregat kasar mengintensifkan kesulitan dan kecenderungan balling. Kandungan serat baja lebih dari 2% volume dan rasio aspek lebih dari 100 sulit untuk dicampur. Penting diketahui bahwa serat harus tersebar merata di seluruh campuran. Hal ini dapat dilakukan dengan penambahan serat sebelum ditambahkan air. Saat mencampur dalam mixer laboratorium, memasukkan serat melalui keranjang wiremesh akan membantu pemerataan serat. Untuk penggunaan di lapangan, metode lain yang sesuai harus diadopsi.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Daya Tahan Fiber Reinforced Concrete (FRC)

Berikut ini adalah faktor yang mempengaruhi durabilitas  Fiber Reinforced Concrete:

• Suhu ekstrim dan api
• Pembekuan dan pencairan
• Degradasi dan penggetasan karena serangan alkali dan pengaruh bundel
• Pelapukan dan penskalaan
• Ketahanan terhadap korosi

Berbagai Jenis Fiber Reinforced Concrete

Berikut ini adalah berbagai jenis serat yang umumnya digunakan dalam industri konstruksi:

1. Steel Fiber Reinforced Concrete / Beton Bertulang Serat Baja

Serat baja adalah tulangan logam. Serat baja dalam jumlah tertentu dalam beton dapat menyebabkan perubahan kualitatif pada sifat fisik beton. Itu dapat sangat meningkatkan ketahanan terhadap retak, benturan, kelelahan, dan tekukan, keuletan, daya tahan, dan lain-lain. Untuk meningkatkan perilaku jangka panjang, meningkatkan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan stres, SFRC digunakan dalam struktur seperti lantai, perumahan, pracetak, jembatan, terowongan, perkerasan tugas berat, dan pertambangan. 

Jenis serat baja yang didefinisikan oleh ASTM A820 adalah,:

Tipe I:  cold-drawn wire

Tipe II; cut sheet

Tipe III: melt-extracted

Tipe IV: mill cut 

Tipe V: modified cold-drawn wire

Jenis serat baja bulat yang umum dipakai, diproduksi dengan memotong kawat bulat menjadi pendek. Diameter tipikal terletak pada kisaran 0,25 hingga 0,75 mm. Serat baja yang memiliki bentuk persegi panjang diproduksi dengan menimbun lembaran setebal 0,25 mm. Serat juga dapat dibuat dari kawat baja ringan yang ditarik. Sesuai dengan IS:280-1976 dengan diameter kawat bervariasi dari 0,3 hingga 0,5mm telah digunakan secara praktis di India. 

Serat baja bulat diproduksi dengan memotong kawat atau serat lembaran yang memiliki bentuk tipikal mulai dari ketebalan 0,15 hingga 0,41 mm dan lebar 0,25 hingga 0,90 mm diproduksi dari lembaran datar. Karena serat individu cenderung mengelompok bersama, distribusi seragam serat dalam matriks seringkali sulit. Hal ini dapat dihindari dengan menambahkan bundel serat yang terpisah selama proses pencampuran.

2. Beton Polypropylene Fiber Reinforced (PFR)

Beton bertulang serat polipropilen atau Polypropylene fiber reinforced concrete juga dikenal sebagai polipropena atau PP. Ini adalah serat sintetis yang diubah dari propilena dan digunakan dalam berbagai aplikasi. Serat ini biasanya digunakan pada beton untuk mengontrol keretakan akibat susut plastis dan susut pengeringan. Serat ini juga mengurangi permeabilitas beton dan mengurangi bleeding.

Polypropylene adalah salah satu serat polipropilena polimer termurah & tersedia berlimpah yang tahan terhadap sebagian besar bahan kimia & akan menjadi matriks semen yang akan memburuk terlebih dahulu di bawah serangan kimia agresif. Titik lelehnya tinggi (sekitar 165 derajat celcius). Sehingga suhu kerja. As (100 derajat celcius) dapat dipertahankan untuk waktu yang singkat tanpa merusak sifat serat. Serat polipropilen yang bersifat hidrofobik dapat dengan mudah dicampur karena tidak memerlukan kontak yang lama selama pencampuran dan hanya perlu merata dalam campuran. Serat pendek polipropilena dalam fraksi volume kecil antara 0,5 hingga 15 digunakan secara komersial dalam beton.

Serat polipropilen termasuk dalam kelompok poliolefin dan sebagian berbentuk kristal dan non-polar. Serat ini memiliki sifat yang mirip dengan polietilen, tetapi lebih keras dan lebih tahan panas. Serat ini terbuat dari bahan kasar putih dengan ketahanan kimia yang tinggi. Polypropylene dibuat dari gas propylene dengan adanya katalis seperti titanium klorida. Serat polipropilen menunjukkan sifat insulasi panas yang baik dan sangat tahan terhadap asam, alkali, dan pelarut organik.

3. GFRC - Glass Fiber Reinforced Concrete atau  Beton Bertulang Serat Kaca

Serat kaca terdiri dari 200-400 filamen individu yang terikat untuk membuat lembaran. Lembaran ini dapat dipotong menjadi berbagai panjang, atau digabungkan untuk membuat kain atau tape. Dengan menggunakan teknik pencampuran konvensional untuk beton normal, tidak mungkin untuk mencampur lebih dari sekitar 2% (berdasarkan volume) serat dengan panjang 25mm. 

Pengaplikasiandari serat kaca adalah untuk memperkuat matriks semen atau mortar yang digunakan dalam produksi produk berbentuk lembaran tipis. Veritas serat kaca yang umum digunakan adalah e-glass. Pada plastik yang diperkuat & AR glass, E-glass memiliki ketahanan yang tidak memadai terhadap alkali yang ada di semen portland di mana AR glass telah meningkatkan karakteristik tahan alkali. Kadang-kadang polimer juga ditambahkan dalam campuran untuk meningkatkan beberapa sifat fisik seperti kelembaban.

4. Polyester fibers atau serat poliester

Serat poliester digunakan dalam beton bertulang serat untuk lantai industri dan gudang, perkerasan dan lapisan atas serta produk pracetak. Serat mikro dan makro poliester digunakan dalam beton untuk memberikan ketahanan yang unggul terhadap pembentukan retak susut plastis dibandingkan kain kawat yang dilas dan untuk meningkatkan ketangguhan dan kemampuan untuk menghasilkan kapasitas struktural ketika dirancang dengan benar. Serat mikro dan makro poliester digunakan dalam beton untuk memberikan ketahanan yang unggul terhadap pembentukan retak susut plastis dibandingkan kain kawat yang dilas dan untuk meningkatkan ketangguhan dan kemampuan untuk menghasilkan kapasitas struktural ketika dirancang dengan benar, masing-masing.

5. Serat asbes

Asbes adalah serat mineral murah yang tersedia secara alami. Asbes telah berhasil dikombinasikan dengan pasta semen portland untuk membentuk produk yang banyak digunakan yang disebut semen asbes. Serat asbes di sini memiliki ketahanan mekanik dan kimia termal sehingga cocok untuk pipa produk lembaran, ubin dan elemen atap bergelombang. Papan semen asbes kira-kira dua atau empat kali lipat dari matriks yang tidak diperkuat. Namun, karena panjangnya yang relatif pendek (10mm), serat tersebut memiliki kekuatan impak yang rendah.

6. Serat karbon

Serat karbon adalah serat dengan diameter sekitar 5-10 mikrometer dan sebagian besar terdiri dari atom karbon. Serat karbon memiliki beberapa keunggulan termasuk kekakuan tinggi, kekuatan tarik tinggi, berat minim, ketahanan kimia yang tinggi, toleransi suhu tinggi dan ekspansi termal rendah. Serat karbon biasanya dikombinasikan dengan bahan lain untuk membentuk komposit. Ketika diresapi dengan resin plastik dan dipanggang membentuk polimer yang diperkuat serat karbon (sering disebut sebagai serat karbon) yang memiliki rasio kekuatan terhadap berat yang sangat tinggi, dan sangat kaku meskipun agak rapuh. Serat karbon lebih rentan terhadap kerusakan dibandingkan serat kaca sehingga sering diberi lapisan resin. Serat karbon juga dikomposit dengan bahan lain, seperti grafit, untuk membentuk komposit karbon yang lebih kuat dan memiliki toleransi panas yang sangat tinggi.

7. Serat sintetis makro

Serat sintetis makro terbuat dari campuran polimer yang pada awalnya dikembangkan untuk memberikan alternatif serat baja dalam beberapa aplikasi. Awalnya, serat ini diidentifikasi sebagai alternatif potensial untuk serat baja dalam beton semprot, tetapi penelitian dan pengembangan yang meningkat menunjukkan bahwa serat ini memiliki peran dalam desain dan konstruksi pelat yang didukung tanah dan berbagai aplikasi lainnya. Serat ini sangat cocok untuk memberikan penguatan nominal di lingkungan yang agresif, seperti struktur laut dan pantai, karena serat ini tidak mengalami masalah pewarnaan dan pengelupasan yang dapat diakibatkan oleh korosi baja. Selain itu, karena non-konduktor, serat ini telah digunakan dalam pengembangan trem dan kereta api ringan.

8. Serat mikro-sintetis

Serat mikro-sintetis memberikan ketahanan yang unggul terhadap pembentukan retak susut plastis dibandingkan tulangan kawat las, serat ini tidak mampu memberikan ketahanan terhadap bukaan lebar retak lebih lanjut yang disebabkan oleh susut pengeringan, beban struktural, atau bentuk tegangan lainnya. Namun, produk ini harus ditentukan secara teratur untuk semua jenis beton demi meningkatkan ketahanan retak, perlindungan spall, daya tahan dan meningkatkan homogenitas beton selama prosesnya.

9. Serat alami

Serat alami dapat diperoleh secara langsung dari sumber hewani, nabati, atau mineral dan dapat diubah menjadi kain. Serat alam dapat didefinisikan lebih lanjut sebagai kumpulan sel yang diameternya dapat diabaikan dibandingkan dengan panjangnya. Meskipun alam berlimpah bahan berserat, terutama jenis selulosa seperti kapas, kayu, biji-bijian, dan jerami. Penggunaan serat alam dalam pembuatan beton dianjurkan karena beberapa jenis serat ini tersedia secara lokal dan melimpah. Ide menggunakan serat tersebut untuk meningkatkan kekuatan dan daya tahan bahan rapuh bukanlah hal baru; misalnya, jerami dan bulu kuda digunakan untuk membuat batu bata dan plester. Serat alam cocok untuk memperkuat beton dan mudah didapat di negara berkembang.

Serat organik seperti polipropilen mungkin lebih lembam secara kimiawi daripada serat baja atau serat kaca. Sejumlah besar serat nabati dapat digunakan untuk mendapatkan komposit retak ganda. Masalah pencampuran dan dispersi seragam dapat diselesaikan dengan menambahkan superplasticizer.

10. Serat selulosa

Serat selulosa dibuat dengan eter atau ester selulosa, yang dapat diperoleh dari kulit kayu, kayu atau daun tanaman, atau bahan nabati lainnya. Selain selulosa, serat juga dapat mengandung hemiselulosa dan lignin, dengan persentase yang berbeda dari komponen ini mengubah sifat mekanik serat. Aplikasi utama serat selulosa adalah dalam industri tekstil, sebagai filter kimia, dan sebagai komposit penguat serat, karena sifatnya yang mirip dengan serat rekayasa, menjadi pilihan lain untuk biokomposit dan komposit polimer.

Penerapan  Fiber Reinforced Concrete

Aplikasi beton bertulang serat bergantung pada aplikator dan pembangun dalam memanfaatkan karakteristik statis dan dinamis material. Beberapa area penerapannya adalah:

• Landasan pacu
• Parkir Pesawat
• Trotoar
• Lapisan terowongan
• Stabilisasi lereng
• Cangkang tipis
• Dinding
• Pipa
• Lubang got
• Bendungan
• Struktur Hidrolik
• Dek yang ditinggikan
• Jalan
• Jembatan
• Lantai gudang