Tanah Lempung TINJAUAN PUSTAKA

2.5 Tanah Lempung

clay 2.5.1 Defenisi Lempung Berdasarkan sudut pandang beberapa ahli, lempung memiliki defenisi antara lain: 1. Terzaghi 1987 Mendefenisikan tanah lempung sebagai tanah dengan ukuran mikrokonis sampai dengan sub mikrokonis yang berasal dari pelapukan unsur-unsur kimiawi penyusun batuan. Tanah lempung sangat keras dalam keadaan kering dan tak mudah terkelupas hanya dengan jari tangan. Permeabilitas lempung sangat rendah, bersifat plastis pada kadar air sedang. Pada keadaan air yang lebih tinggi tanah lempung akan bersifat lengket kohesif dan sangat lunak. 2. Das. Braja M 1988 Mendefenisikan bahwa tanah lempung sebagian besar terdiri dari partikel mikroskopis dan sub-mikroskopis tidak dapat dilihat dengan jelas bila hanya dengan mikroskopis biasa yang berbentuk lempengan-lempengan pipih dan merupakan partikel-partikel dari mika, mineral-mineral lempung clay mineral, dan mineral-mineral yang sangat halus lain. Tanah lempung sangat keras dalam kondisi kering dan bersifat plastis pada kadar air sedang. Namun pada kadar air yang lebih tinggi lempung akan bersifat lengket kohesif dan sangat lunak. Universitas Sumatera Utara 3. Bowles 1991 Mendefinisikan tanah lempung sebagai deposit yang mempunyai partikel berukuran lebih kecil atau sama dengan 0,002 mm dalam jumlah lebih dari 50 . 4. Hardiyatmo 1992 Mengatakan bahwa sifat-sifat yang dimiliki dari tanah lempung antara lain ukuran butiran halus lebih kecil dari 0,002 mm, permeabilitas rendah, kenaikan air kapiler tinggi, bersifat sangat kohesif, kadar kembang susut yang tinggi dan proses konsolidasi lambat. Dalam klasifikasi tanah secara umum, partikel tanah lempung memiliki diameter 2µm atau sekitar 0,002 mm USDA, AASHTO, USCS.Dibeberapa kasus partikel berukuran antara 0,002 mm sampai 0,005 mm masih digolongkan sebagai partikel lempung ASTM-D-653.Dari segi mineral tanah dapat juga disebut sebagai tanah bukan lempung non clay soil meskipun terdiri dari partikel-partikel yang sangat kecil partikel-partikel quartz, feldspar, mika dapat berukuran sub mikroskopis tetapi umumnya tidak bersifat plastis. Partikel- partikel dari mineral lempung umumnya berukuran koloid, merupakan gugusan kristal berukuran mikro, yaitu 1 µm 2 µm merupakan batas atasnya. Tanah lempung merupakan hasil proses pelapukan mineral batuan induknya, yang salah satu penyebabnya adalah air yang mengandung asam atau alkali, oksigen, dan karbondioksida. Universitas Sumatera Utara

2.5.2 Lempung dan Mineral Penyusun

Mineral lempung merupakan senyawa aluminium silikat yang kompleks.Mineral ini terdiri dari dua lempung kristal pembentuk kristal dasar, yaitu silika tetrahedra dan aluminium oktahedra Das, 1988. Mineral lempung dapat terbentuk dari hampir setiap batuan selama terdapat cukup banyak alkali dan tanah alkalin untuk dapat membuat terjadinya reaksi kimia Grimm, 1968. Tanah lempung sangat keras dalam kondisi kering dan bersifat plastis pada kadar air sedang sedangkan pada kadar air yang lebih tinggi lempung akan bersifat lengket kohesif dan sangat lunak. Kohesif menunjukan bahwa bahwa pada keadaan basah tanah memiliki kemampuan gaya tarik-menarik yang besar sehingga partikel-pertikel itu melekat satu sama lainnya sedangkan plastisitas merupakan sifat yang memungkinkan bentuk bahan itu diubah-ubah tanpa perubahan isi atau tanpa kembali ke bentuk aslinya dan tanpa terjadi retakan- retakan atau terpecah-pecah. Lempung merupakan mineral asli yang mempunyai sifat plastis saat basah, dengan ukuran butir yang sangat halus dan mempunyai komposisi berupa hydrous aluminium dan magnesium silikat dalam jumlah yang besar.Beberapa diantaranya juga mengandung alkali danatau tanah alkalin sebagai komponen dasarnya.Mineral lempung sebagian besar mempunyai struktur berlapis dimana ukuran mineralnya sangat kecil yakni kurang dari 2 µm 1µm = 0,000001m, meskipun ada klasifikasi yang menyatakan bahwa batas atas lempung adalah 0,005 m ASTMdan merupakan partikel yang aktif secara elektrokimiawi yang hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektron. Universitas Sumatera Utara Bowles 1984 menyatakan bahwa sumber utama dari mineral lempung adalah pelapukan kimiawi dari batuan yang mengandung :  felspar ortoklas  felspar plagioklas  mika muskovit yang semuanya dapat disebut silikat aluminium kompleks complex aluminium silicates . Lempung terdiri dari berbagai mineral penyusun, antara lain mineral lempung kaolinite, montmorillonite dan illite group dan mineral-mineral lain yang mempunyai ukuran sesuai dengan batasan yang ada mika group, serpentinite group .Kaolinit merupakan mineral lempung paling tidak aktif yang pernah diamati. Satuan struktur dasar dari mineral lempung terdiri dari silika tetrahedron dan aluminium oktahedron. Satuan-satuan dasar tersebut bersatu membentuk struktur lembaran dan jenis-jenis mineral lempung tersebut tergantung dari komposisi susunan satuan struktur dasar atau tumpuan lembaran serta macam ikatan antara masing-masing lembaran Das, 1988. Unit-unit silika tetrahedra berkombinasi membentuk lembaran silika silica sheet dan, unit-unit oktahedra berkombinasi membentuk lembaran oktahedra gibbsite sheet.Bila lembaran silika itu ditumpuk di atas lembaran oktahedra, atom-atom oksigen tersebut akan menggantikanposisi ion hidroksil pada oktahedra untuk memenuhi keseimbangan muatan mereka. Universitas Sumatera Utara a b c d e Gambar 2.7 Struktur Atom Mineral Lempung a silica tetrahedra ; b silica sheet ; c aluminium oktahedra ; d lembaran oktahedra gibbsite ; e lembaran silika – gibbsite Das, 2008.

2.5.2.1 Kaolinite

Istilah “kaolinite” dikembangkan dari kata “ Kauling” yang berasal dari nama sebuah bukit yang tinggi di Jauchau Fu, China, dimana lempung kaolinite putih mula-mula diperoleh beberapa abad yang lalu Bowles, 1984. Universitas Sumatera Utara Kaolinite merupakan hasil pelapukan sulfat atau air yang mengandung karbonat pada temperatur sedang dan umumnya berwarna putih, putih kelabu, kekuning- kuningan atau kecoklat-coklatan. Struktur unit kaolinite terdiri dari lembaran-lembaran silika tetrahedral yang digabung dengan lembaran alumina oktahedran gibbsite. Lembaran silika dan gibbsite ini sering disebut sebagai mineral lempung 1 : 1 dengan tebal kira- kira 7,2 Å 1 Å=10 -10 m. Mineral kaolinite berwujud seperti lempengan- lempengan tipisdengan diameter 1000 Å sampai 20000 Å dan ketebalan dari 100 Å sampai 1000 Å dengan luasan spesifik per unit massa ± 15 m 2 gr yang memiliki rumus kimia OH 8 Al 4 Si 4 O 10 Keluarga mineral kaolinite1 : 1 yang lainnya adalah halloysite. Halloysite memiliki tumpukan yang lebih acak dibandingkan dengan kaolinite sehingga molekul tunggal dari air dapat masuk.Halloysite memiliki rumus kimia sebagai berikut. OH 8 Al 4 Si 4 O 10 . 4H 2 O Gambar dari struktur kaolinite dapat dilihat dalam Gambar 2.8. Gambar 2.8 Struktur Kaolinite Das, 2008 Universitas Sumatera Utara

2.5.2.2 Illite

Illite adalah mineral lempung yang pertama kali diidentifikasi di Illinois.Mineral illite bisa disebut pula dengan hidrat-mika karena illite mempunyai hubungan dengan mika biasa Bowles, 1984. Mineral illite memiliki rumus kimia sebagai berikut: OH 4 K y Si 8-y . Al y Al 4 . Mg 6 .Fe 4 . Fe 6 O 20 Dimana y adalah antara 1 dan 1,5. Illite memiliki formasi struktur satuan kristal, tebal dan komposisi yang hampir sama dengan montmorillonite. Perbedaannya ada pada :  KaliumK berfungsi sebagai pengikat antar unit kristal sekaligus sebagai penyeimbang muatan.  Terdapat ± 20 pergantian silikon Si oleh aluminiumAl pada lempeng tetrahedral.  Struktur mineral illite tidak mengembang sebagaimana montmorillonite. Pembentukan mineral lempung yang berbeda disebabkan oleh subtitusi kation- kation yang berbeda pada lembaran oktahedral.Bila sebuah anion dari lembaran oktahedral adalah hydroxil dan dua per tiga posisi kation diisi oleh aluminium maka mineral tersebut disebut gibbsite dan bila magnesium disubstitusikan kedalam lembaran aluminium dan mengisi seluruh posisi kation, maka mineral tersebut disebut brucite. Struktur mineral illite dapat dilihat dalam Gambar 2.9 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.9 Struktur Illite Das, 2008

2.5.2.3 Montmorillonite

Montmorillonite adalah nama yang diberikan pada mineral lempung yang ditemukan di Montmorillon, Perancis pada tahun 1847 yang memiliki rumus kimia OH 4 Si 8 Al 4 O 20 . nH 2 O dimananH 2 O adalah banyaknya lembaran yang terabsorbsi air. Mineral montmorillonite juga disebut mineral dua banding satu 2:1 karena satuan susunan kristalnya terbentuk dari susunan dua lempeng silika tetrahedral mengapit satu lempeng alumina oktahedral ditengahnya. Struktur kisinya tersusun atas satu lempeng Al 2 O 3 diantara dua lempeng SiO 2 .Inilah yang menyebabkan montmorillonite dapat mengembang dan mengkerut menurut sumbu C dan mempunyai daya adsorbsi air dan kation lebih tinggi. Tebal satuan unit adalah 9,6 Å 0,96 μm, seperti y ang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Gaya Van Der Walls mengikat satuan unit sangat lemah diantara ujung-ujung atas dari lembaran silika, oleh karena itu lapisan air n.H 2 O dengan kation dapat dengan mudah menyusup dan memperlemah ikatan antar satuan Universitas Sumatera Utara susunan kristal. Sehingga menyebabkan antar lapisan terpisah. Ukuran unit massamontmorillonite sangat besar dan dapat menyerap air dengan sangat kuat sehingga mudah mengalami proses pengembangan.Gambar dari struktur kaolinite dapat dilihat di dalam Gambar 2.10. Gambar 2.10 Struktur Montmorillonite Das, 2008

2.5.3 Sifat Umum Lempung

Mineral lempung memiliki karakteristik yang sama. Bowles 1984 menyatakan beberapa sifat umum mineral lempung antara lain : 1. Hidrasi. Partikelmineralselalu mengalami hidrasi, hal ini dikarenakan lempung biasanyabermuatannegatif, yaitu partikel dikelilingi oleh lapisan-lapisan molekul airyangdisebut sebagai airterabsorbsi. Lapisan iniumumnyamemiliki tebalduamolekul.Oleh karenaitu disebutsebagailapisan difusigandaataulapisanganda. Universitas Sumatera Utara 2. Aktivitas. Aktivitastanah lempung adalah perbandinganantaraIndeks PlastisitasIPdenganpersentase butiranlempung,dan dapat disederhanakandalampersamaan: � = �� ������ ����ℎ ������� Dimana : persentase lempung diambil sebagai fraksi tanah yang 2 µm untuknilaiA Aktivitas, A 1,25 : tanah digolongkanaktifdan bersifatekspansif 1,25A0,75 : tanah digolongkannormal A0,75 : tanah digolongkantidakaktif. Nilai- nilaikhasdariaktivitasdapatdilihatpadaTabel 2.4. Tabel2.4 AktivitastanahlempungBowles,1984 MinerologiTanahLempung NilaiAktivitas Kaolinite 0,4–0,5 Illite 0,5–1,0 Montmorillonite 1,0–7,0 3 . Flokulasi dan disperse Mineral lempung hampir selalu menghasilkan larutan tanah – air yang bersifat alkalin Ph 7 sebagai akibat dari muatan negatif netto pada satuan mineral. Flokulasi larutan dapat dinetralisir dengan menambahkan bahan- bahan yang mengandung asam ion H + , sedangkan penambahan bahan- Universitas Sumatera Utara bahan alkali akan mempercepat flokulasi. Untuk menghindari flokulasi larutan air dapat ditambahkan zat asam. Lempung yang baru saja terflokulasi dapat dengan mudah didispersikan kembali ke dalam larutan dengan menggoncangnya, menandakan bahwa tarikan antar partikel jauh lebih kecil dari gaya goncangan. Apabila lempung tersebut telahdidiamkan beberapa waktu dispersi tidak dapat tercapai dengan mudah, yang menunjukkan adanya gejala tiksotropik, dimana kekuatan didapatkan dari lamanya waktu. Sebagai contoh, tiang pancang yang dipancang ke dalam lempung lunak yang jenuh akan membentuk kembali struktur tanah di dalam suatu zona di sekitar tiang tersebut. Kapasitas beban awal biasanya sangat rendah, tetapi sesudah 30 hari atau lebih, beban desain akan dapat terbentuk akibat adanya adhesi antara lempung dan tiang R.F.Craig, Mekanika Tanah. 4 . PengaruhZatcair Air berfungsi sebagai penentu plastisitas tanah lempung.Molekulair berperilakusepertibatang-batangkecilyang mempunyai muatan positifdisatusisidanmuatan negatif disisilainnya hal ini dikarenakan molekul air merupakan molekul dipolar. Sifat dipolarairterlihatpadaGambar2.11. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.11 SifatdipolarmolekulairDas,2008 Molekul bersifat dipolar, yang berarti memiliki muatan positif dan negatif pada ujung yang berlawanan, sehingga dapat tertarik oleh lempung secara elektrik dalam 3 kasus,hal ini disebut dengan hydrogen bonding , yaitu: 1. Tarikanantarpermukaannegatifdanpartikellempungdenganujungpo sitif dipolar. 2. Tarikanantarakation- kationdalamlapisangandadenganmuatannegatifdari ujung dipolar. Kation-kation ini tertarik oleh permukaan partikel lempung yangbermuatannegatif. 3. Andilatom-atom hidrogendalammolekul air,yaituikatanhidrogen antara atomoksigendalammolekul-molekulair. Universitas Sumatera Utara Gambar2.12MolekulairdipolardalamlapisangandaHardiyatmo,2002 Mineral lempung yang berbeda memiliki defisiensi dan tendensi yang berbeda untuk menarik exchangeablecation. Exchangeable cation adalah keadaan dimana kation dapat dengan mudah berpindah dengan ion yang bervalensi sama dengan kation asli. Montmorillonite memiliki defisiensi dan daya tarik exchangeable cationyang besar daripada kaolinite.Kalsium dan magnesium merupakan exchangeable cationyang paling dominanpada tanah, sedangkan potassium dan sodium merupakan yang paling tidak dominan.Ada beberapa faktor yang mempengaruhi exchangeable cation, yaitu valensi kation, besarnya ion dan besarnya ion hidrasi.Kemampuan mendesak dari kation-kation dapat dilihat dari besarnya potensi mendesak sesuai urutan berikut: Al +3 Ca +2 Mg +2 NH +4 K + H + Na + Li + Kation Li+ tidak dapat mendesak kation lain yang berada dikirinya Das, 2008 Semakin luas permukaan spesifik tanah lempung, air yang tertarik secara elektrik disekitar partikel lempung yang disebut air lapisan ganda jumlahnya akan semakin besar. Air lapisan ganda inilah yang menyebabkan sifat plastis pada tanah lempung.Konsentrasi air resapan dalam mineral lempung memberi bentuk dasar dari susunan tanahnya sebagai berikut, tiap partikelnya terikat satu sama lain lewat lapisan air serapannya. Selain itu jarak antara partikel juga akan mempengaruhi hubungan tarik menarik atau tolak menolak antar partikel tanah lempung yang diakibatkan oleh pengaruh ikatan hidrogen, gaya Van der Walls serta macamikatan kimia dan organiknya. Bertambahnya jarak akan mengurangi gaya antar partikel. Universitas Sumatera Utara Sehingga ikatan antar partikel tanah yang disusun oleh mineral lempung akan sangat dipengaruhi oleh besarnya jaringan muatan negatif pada mineral, tipe, konsentrasi dan distribusi kation-kation yang berfungsi untuk mengimbangi muatannya. Pada penelitian ini akan dilakukan usaha penggantian kation-kation yang terdapat pada lempung dengan kation-kation dari bahan gypsum yang dicampurkan dengan abu ampas tebu dengan variasi yang berbeda-beda.

2.6 Stabilisasi Tanah