31
Padasekitartahun1776, Coulombmemperkenalkanhubunganlinearyang terjadi antara tegangan normal dan tegangan geser.
τ
f
= c + tan ∅
2.14 Dimana:
c = kohesi
kgcm
2
Ø = sudut geser internal º
Gambar 2.12 Grafik Hubungan Tegangan Normal dan TeganganGeser
2.2. Bahan-Bahan Penelitian
2.2.1. Tanah Lempung 2.1.2.1 Defenisi Lempung
Tanah lempung merupakan tanah dengan ukuran mikrokopis sampai dengan sub-mikroskopis tidak dapat dilihat dengan jelas hanya dengan mikroskopis biasa
yang berbentuk lempengan-lempengan pipih dan merupakan partikel-partikel dari mika, mineral-mineral lempung clay mineral, dan mineral-mineral sangat halus
lain. Dari segi material bukan ukurannya, yang disebut tanah lempung mineral
Universitas Sumatera Utara
32
lempung adalah tanah yang mempunyai partikel-partikel mineral tertentu yang “menghasilkan sifat-sifat plastis pada tanah bila dicampur dengan air” Grim, 1953.
Dalam klasifikasi tanah secara umum, partikel tanah lempung memiliki diameter 2µm atau sekitar 0,002 mm USDA, AASHTO, USCS.Di beberapa kasus
partikel berukuran antara 0,002 mm sampai 0,005 mm masih digolongkan sebagai partikel lempung ASTM-D-653. Sifat-sifat yang dimiliki lempung Hardiyatmo,
1999 adalah sebagai berikut: 1.
Ukuran butir halus, kurang dari 0,002 mm 2.
Permeabilitas rendah 3.
Kenaikan air kapiler tinggi 4.
Bersifat sangat kohesif 5.
Kadar kembang susut yang tinggi 6.
Proses konsolidasi lambat
2.1.2.2. Lempung dan Mineral Penyusunnya
Mineral lempung merupakansenyawasilikat yangkompleksyang terdiri darialuminium,magnesium danbesi.Duaunitdasardariminerallempungadalah silika
tetrahedradan aluminium oktahedra. Setiap unittetrahedra terdiri dari empatatom oksigenyangmengelilingisatuatom silikondanunitoktahedraterdiri
darienamgugusionhidroksilOHyangmengelilingiatomaluminiumDas, 2008. Satuan struktur dasar dari mineral lempung terdiri dari silika tetrahedron dan
aluminium octahedron.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
Universitas Sumatera Utara
33
masing-masing lembaran. Unit-unitsilikatetrahedraberkombinasimembentuklembaransilikasilicasheet
dan unit-unit oktahedraberkombinasi membentuk lembaran oktahedra gibbsite sheet
. Bilalembaransilikaituditumpukdiataslembaranoktahedra,atom-atomoksigen
tersebut akan menggantikan posisi ion hidroksil pada oktahedra untuk memenuhi keseimbangan muatan mereka.
a b
c d
e Gambar 2.13StrukturAtomMineral Lempung a silicatetrahedra; bsilica sheet ;
c aluminium oktahedra ; d lembaran oktahedra gibbsite ; e lembaran silika – gibbsite Das, 2008.
Universitas Sumatera Utara
34
Lempung terdiri dari berbagai mineral penyusun, antara lain mineral lempung kaolinite, montmorillonite, dan illite group dan mineral-mineral lain dengan ukuran
sesuai dengan batasan yang ada mika group, serpentinite group 1.
Kaolinite Kaolinite adalahhasil pelapukan sulfat atau air yang mengandung
karbonatpadatemperatursedang. Dimanakaolinitemurniumumnya berwarnaputih,putihkelabu,kekuning-kuningan ataukecoklat-coklatan.
Mineralkaoliniteberwujudseperti lempengan-lempengantipisdengan diameter1000Åsampai20000Ådanketebalandari100Åsampai1000 Å
denganluasanspesifikperunit massa±15m
2
gr. Silikatetrahedramerupakanbagiandasar
daristrukturkaoliniteyangdigabungdengansatu lembaranaluminaoktahedrangibbsite danmembentuksatuunitdasar dengantebalsekitar 7,2Å 1Å=10-10msepertiyang
terlihatpada Gambar2.14a.Hubunganantarunit dasarditentukanolehikatanhidrogen dan gaya bervalensi sekunder. Kedua lembaran terikat bersama-sama, sedemikian
rupa sehingga ujung dari lembaran silika dan satu dari lapisan lembaran oktahedra membentuk sebuah lapisan tunggal. Dalam kombinasi lembaran silika dan
aluminium, keduanya terikat oleh ikatan hidrogen Gambar 2.14b. Pada keadaan tertentu, partikel kaolinite mungkin lebih dari seratus tumpukan yang sukar
dipisahkan. Karena itu, mineral ini stabil dan air tidak dapat masuk di antara lempengannya untuk menghasilkan pengembangan atau penyusutan pada sel
satuannya. Mineral kaolinite memiliki rumus kimia sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
35
OH
8
Al
4
Si
4
O
10
Gambar struktur kaolinite dapat dilihat pada Gambar 2.14
Gambar 2.14 a Diagram skematik struktur kaolinite Lambe, 1953 b Struktur atom kaolinite Grim, 1959
2. Montmorillonite
Montmorillonite adalah nama yang diberikan pada mineral lempung yang ditemukan di Montmorillon, Perancis pada tahun 1847. Montrnorillonite, disebut
juga dengan smectite, adalah mineral yang dibentuk oleh dua lembaran silika dan satu lembaran aluminium gibbsite Gambar 2.15a. Lembaran oktahedra terletak di
antara dua lembaran silika dengan ujung tetrahedra tercampur dengan hidroksil dari lembaran oktahedra untuk membentuk satu lapisan tunggal Gambar 2.15b.
Universitas Sumatera Utara
36
Gambar 2.15 a Diagram skematik struktur montmorrilonite Lambe, 1953 b Struktur atom montmorrilonite Grim, 1959
Mineral montmorillonite memiliki rumus kimia sebagai berikut: OH
4
Si
8
Al
4
O
20
. nH
2
O Dimana:
nH
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 tetrahedra mengapit satu lempeng aluminium oktahedral ditengahnya.
Dalam lembaran oktahedra terdapat substitusi parsial aluminium oleh magnesium. Karena adanya gaya ikatan van der Waals yang lemah di antara ujung
lembaran silika dan terdapat kekurangan muatan negatif dalam lembaran oktahedra, air dan ion-ion yang berpindah-pindah dapat masuk dan memisahkan lapisannya.
Jadi, kristal montmorillonite sangat kecil, tapi pada waktu tertentu mempunyai gaya tarik yang kuat terhadap air. Tanah-tanah yangmengandung montmorillonite sangat
Universitas Sumatera Utara
37
mudah mengembang oleh tambahan kadar air, yang selanjutnya tekanan pengembangannya dapat merusak struktur ringan dan perkerasan jalan raya.
3. Illite
Illite adalah bentuk mineral lempung yang terdiri dari mineral-mineral kelompok illite.Bentuk susunan dasarnya terdiri dari sebuah lembaran aluminium
oktahedra yang terikat di antara dua lembaran silika tetrahedra.Dalam lembaran oktahedra, terdapat substitusi parsial aluminium oleh magnesium dan besi, dan
dalam lembaran tetrahedra terdapat pula substitusi silikon oleh aluminium Gambar 2.16.Lembaran-lembaran terikat besama-sama oleh ikatan lemah ion-ion kalium
yang terdapat di antara lembaran-lembarannya. Ikatan-ikatan dengan ion kalium K
+
lebih lemah daripada ikatan hidrogen yang mengikat satuan kristal kaolinite, tapi lebih kuat daripada ikatan ionik yang membentuk kristal montmorillonite. Susunan
Illite tidak mengembang oleh gerakan air di antara lembaran-lembarannya. 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 :
Kalium K 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.
Universitas Sumatera Utara
38
Gambar struktur kaolinite dapat dilihat pada Gambar 2.16
Gambar 2.16 Diagram Skematik Struktur Illite Lambe, 1953
2.2.1.3. Sifat Umum Lempung
Bowles 1984 menyatakan beberapa sifat umum mineral lempung antara lain: 1. Hidrasi.
Partikel mineral selalu mengalami hidrasi, hal ini dikarenakan lempung biasanya bermuatan negatif, yaitu partikel dikelilingi oleh lapisan-lapisan molekul
air yang disebut sebagai air terabsorbsi. Lapisan ini umumnya memiliki tebal dua molekul.Oleh karena itu disebut sebagai lapisan difusi ganda atau lapisan ganda.
2. Aktivitas Hasil pengujianindex properties dapat digunakan untuk mengidentifikasi
tanahekspansif.Hardiyatmo2006 merujukpadaSkempton1953
Universitas Sumatera Utara
39
mendefinisikanaktivitastanah lempungsebagaiperbandinganantaraIndeks
PlastisitasIPdenganprosentase butiranyanglebihkecildari0,002mmyangdinotasikandenganhurufC,disederhanakandal
ampersamaan:
A =
PI fraksitanahlempung
2.15
Dimana untuknilai A 1,25 tanah digolongkan aktif dan bersifat ekspansif. Pada nilai1,25A 0,75 tanah digolongkan normalsedangkan
tanahdengannilaiA 0,75 digolongkantidak aktif. Nilai- nilai khas dari aktivitas dapat dilihat pada Tabel 2.5
Tabel 2.5 Aktivitas Tanah Lempung
Minerologi Tanah Lempung Nilai Aktivitas
Kaolinite 0,4–0,5
Illite 0,5–1,0
Montmorillonite 1,0–7,0
Sumber: Sifat-Sifat Fisis dan Geoteknis Tanah Mekanika Tanah, Bowles, 1984 3. Flokulasi dan Disperse
Flokulasimerupakanperistiwa penggumpalanpartikellempung didalam larutanair akibatminerallempung umumnyamempunyaipH7. Flokulasilarutandapat
dinetralisir denganmenambahkanbahan-bahan yangmengandungasam ionH+, sedangkan penambahanbahan-bahanalkaliakanmempercepatflokulasi.Untuk
menghindari flokulasi larutan air dapat ditambahkan zatasam. Lempung yang baru saja terflokulasi dapat dengan mudah didispersikan kembali ke dalam larutan dengan
Universitas Sumatera Utara
40
menggoncangnya, menandakan bahwa tarikan antar partikel jauh lebih kecil dari gaya goncangan. Apabila lempung tersebut telah didiamkan 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.
Pengaruh Zat Cair Faseairyang beradadi dalamstrukturtanah lempungadalahairyang tidak
murnisecarakimiawi.Pada pengujiandilaboratoriumuntuk
batasAtterberg, ASTMmenentukanbahwa airsuling
ditambahkansesuaidengankeperluan. Pemakaianairsulingyang
relatifbebasiondapatmembuathasilyangcukup berbedadariapayangdidapatkandari
tanahdi lapangandenganairyang telah
terkontaminasi.Air yangberfungsi sebagai penentu sifat plastisitas dari lempung. Satu molekulair memilikimuatan positif danmuatannegatifpada ujungyang
berbedadipolar.Fenomenahanyaterjadipadaairyangmolekulnyadipolar dantidakterjadipadacairanyangtidakdipolarsepertikarbontetrakolrida
Ccl
4
yangjikadicampurlempungtidakakanterjadiapapun. Sifat dipolar air dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut
Gambar 2.17 Sifat Dipolar Molekul Air Das, 2008
Universitas Sumatera Utara
41
Terdapat 3 mekanisme yang menyebabkan molekul air dipolar dapat tertarik oleh permukaan partikel lempung secara elektrik:
1. Tarikan antar permukaan negatif dan partikel lempung dengan ujung positif
dipolar. 2.
Tarikan antara kation-kation dalam lapisan ganda dengan muatan negatif dari ujung dipolar. Kation-kation ini tertarik oleh permukaan partikel lempung
yang bermuatan negatif. 3.
Andil atom-atom hidrogen dalam molekul air,yaitu ikatan hidrogen antara atom oksigen dalam partikel lempung dan atom oksigen dalam molekul-
molekul air hydrogen bonding.
Gambar 2.18 Tarik Menarik Molekul Dipolar Pada Lapisan Ganda Air biasanya tidak banyak mempengaruhi kekuatan tanah kohesif. Sebagai
contoh, kuat geser tanah pasir mendekati sama pada kondisi kering maupun jenuh air. Tetapi, jika air berada pada lapisan pasir yang tidak padat, beban dinamis seperti
gempa bumi dan getaran lainnya sangat mempengaruhi kuat gesernya. Sebaliknya, tanah butiran halus khususnya tanah lempung akan banyak dipengaruhi oleh air.
Karena pada tanah berbutir halus, luas permukaan spesifik menjadi lebih besar, variasi kadar air akan mempengaruhi plastisitas tanahnya.
Mekanisme 1
Mekanisme 2 Mekanisme 3
Universitas Sumatera Utara
42
2.2.2. Semen 2.2.2.1. Umum
