Karbonasi Pada Beton Bertulang

Pengertian Karbonasi

Karbonasi adalah sebuah proses kimia yang melibatkan pengikatan karbon dioksida (CO2) ke dalam suatu senyawa kimia atau bahan organik. Proses karbonasi dapat terjadi secara alami, misalnya ketika CO2 dalam udara bereaksi dengan air untuk membentuk asam karbonat yang kemudian bereaksi dengan batu kapur atau dolomit untuk membentuk karbonat kalsium atau magnesium. Proses karbonasi juga dapat diinduksi atau ditingkatkan secara artifisial dalam skala industri untuk menghasilkan bahan-bahan seperti semen, kapur tohor, atau soda api. 

Karbonasi pada beton terjadi ketika CO2 dalam udara bereaksi dengan hidratasi kalsium dalam beton, yang kemudian membentuk karbonat kalsium. Proses karbonasi pada beton dapat menyebabkan penurunan pH dalam beton, sehingga menyebabkan korosi pada baja tulangan yang terkandung di dalam beton. Korosi pada baja tulangan dapat menyebabkan kerusakan struktural pada beton dan mengancam keamanan struktur.

Untuk mencegah karbonasi pada beton, biasanya digunakan bahan tambahan seperti bahan pengurang air, fly ash, atau slag semen untuk meningkatkan ketahanan beton terhadap karbonasi. Selain itu, penggunaan pelapis permukaan atau cat juga dapat membantu melindungi beton dari pengaruh lingkungan yang dapat menyebabkan terjadinya karbonasi.

Beton merupakan bahan bangunan yang dibentuk oleh pengerasan campuran semen, air, agegat halus, agregat kasar, dan kadang – kadang campuran bahan adiktif lain. Bahan yang tebentuk mempunyai kekuatan tekan yang tinggi dan ketahan tarik yang rendah. Untuk mengatasi kelemahan pada daerah tarik pada beton maka dibutuhkan tulangan yang memiliki kekuatan tarik yang besar. Menurut hasil penelitian Radomir Folic, struktur beton berinteraksi dengan lingkungan secara mikro maupun makro. Untuk menggambarkan dampak yang ditimbulkan oleh pengaruh lingkungan perlu untuk mengetahui kondisi suhu permukaan, kelembaban dan kemungkinan adanya paparan uap air laut yang mengandung klorida. Respon beton terhadap kondisi lingkungan secara umum berupa penyusutan, pemuaian dan kembang susut akibat merespon kondisi suhu dan kondisi kelembaban, kedalaman karbonasi dan penetrasi klorida.

Klasifikasi paparan lingkungan telah diberikan pada standar EN 1990. Dimana fokusnya ada pada struktur beton dan interaksinya dengan lingkungan termasuk diantaranya lingkungan air laut. Penting untuk mencegah pengaruh negative lingkungan dan menyesuaikan respon struktur beton dengan penyesuaian pada kualitas beton yang digunakan, semakin daktil beton maka semakin sulit lingkungan mempengaruhinya, sebaliknya semakin porus dan kualitas betonnya maka semakin mudah lingkungan merusaknya dengan apa yang dikenal dengan istilah degradasi material beton.

Pengertian Karbonasi Pada Beton Bertulang

Proses karbonasi dalam siklus hidup beton semen memiliki dua efek yang berbeda. Pertama, aksi konkrit berkarbonasi sebagai semacam tempat penyimpan yang secara permanen menyerap secara siknifikan jumlah CO2 di atmosfer. Karbonasi penutup mengancam ketahanan struktur dengan mengurangi kemampuan pelindung beton untuk penguatan. Dalam pendekatan biasa untuk proses karbonasi, diasumsikan bahwa proses ini mengalami kemajuan jauh ke dalam beton dengan laju yang semakin menurun, namun tidak terbatas (yaitu, hanya dibatasi oleh dimensi elemen). Ada juga indikasi, bagaimanapun, yang memungkinkan pertimbangan dari sifat diri mengakhiri proses karbonasi, akibat pengurangan perkembangan kapasitas difusi beton, yang disegel oleh produk karbonasi.

Karbonasi merupakan salah satu reaksi yang terjadi pada beton yang mengakibatkan terjadinya kerusakan pada beton. Dimana air dan gas karbon dioksida bereaksi untuk membentuk asam karbonat. Karbonasi dapat terjadi secara alami maupun buatan. Proses karbonasi ini mengasilkan penurunan pH beton sehingga tulangan yang terdapat di dalam beton kehilangan lapisan pelindungnya terhadap korosi.

Karbonasi pada beton terjadi karena adanya unsur kalsium pada beton yang tercampur dan bereaksi dengan karbon dioksida yang ada di udara dan berubah menjadi kalsium karbonat. Ada sekitar 25-50% pasta semen yang mengandung kalsium hidroksida (Ca(OH)₂) dengan rata-rata nilai pH untuk pasta semen segar sebesar 12,5 dan untuk nilai pH pasta semen yang terkarbonasi sebesar 7. Proses karbonasi berlangsung menurut reaksi sebagai berikut:

$$\begin{gathered} \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + {\mathrm{CO}}_2 \to {\mathrm{CaCO}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \\ \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + {\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3 \to {\mathrm{CaCO}}_3 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \\ \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + \mathrm{Ca}\left({\mathrm{HCO}}_3\right) \to 2{\mathrm{CaCO}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \\ \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + 2{\mathrm{NaHCO}}_3 \to {\mathrm{CaCO}}_2 + {\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \end{gathered}$$

Proses karbonasi ini berlangsung dari permukaan beton ke bagian dalam beton yang akhirnya mencapai bidang kontak baja beton. Apabila proses karbonasi telah mencapai bidang kontak baja-beton, pH lingkungan pada bidang kontak baja-beton turun sampai < 9,5. Kedalaman yang terkena dampak dari permukaan beton dapat dengan mudah ditampilkan dengan menggunakan larutan indikator phenolphthalein. Beton dapat mengalami dua tipe karbonasi yaitu:

1. Karbonasi pelapukan, karbonasi tipe ini terjadi Ketika karbon dioksida dari udara menembus beton dan bereaksi dengan hidroksida, yaitu dari kalsium hidroksida dan kalsium silikat hidrat untuk membentuk kalsit.
2. Karbonasi dini, karbonasi dini terjadi jika reaksi karbonasi terjadi bersamaan denganterjadinya reaksi hidrasi semen dimana campuran beton segar terekpos langsung ke CO2.

Faktor Yang Mempengaruhi Karbonasi

Karbonisasi pada beton dapat menyebabkan terjadinya proses korosi pada tulangan beton dan proses penyusutan (shrinkage). Berikut ini faktor – faktor yang mempengaruhi karbonasi pada beton:

1. Konsentrasi gas CO2, biasanya tingkat CO2 tinggi di kota besar karena polusi.
2. Kelembaban, idealnya 50% - 70%, Ketika lebih rendah ada sedikit air dan ketika lebih tinggi air menghambat difusi karbon dioksida.
3. Suhu, karbonasi lebih tinggi di lingungan yang panas.
4. Sistem pori beton, ditentukan oleh rasio air terhadap semen, tingkat hidrasi dan jenis pengikat.
5. Porositas dan permeabilitas.

Selain itu beberapa faktor yang dapat mempengaruhi terjadinya karbonasi pada beton adalah sebagai berikut:

1. Paparan udara yang kaya akan CO2: Salah satu faktor utama yang mempengaruhi karbonasi pada beton adalah paparan udara yang kaya akan gas CO2. Udara perkotaan atau lingkungan yang padat lalu lintas dapat memiliki kadar gas CO2 yang lebih tinggi dan dapat mempercepat terjadinya karbonasi.
2. Kadar air dalam beton: Kadar air dalam beton dapat mempengaruhi kecepatan terjadinya karbonasi. Beton dengan kadar air yang tinggi lebih rentan terhadap karbonasi karena air dapat mempermudah penetrasi gas CO2 ke dalam beton.
3. pH beton: pH beton yang rendah dapat memicu terjadinya karbonasi. Karbonasi dapat menyebabkan penurunan pH beton yang selanjutnya dapat mempercepat terjadinya karbonasi pada beton.
4. Kualitas beton: Kualitas beton, seperti kekuatan, permeabilitas, dan densitas, dapat mempengaruhi kecepatan terjadinya karbonasi. Beton yang kuat, padat, dan memiliki permeabilitas rendah lebih tahan terhadap karbonasi.
5. Jenis semen: Jenis semen yang digunakan dalam campuran beton juga dapat mempengaruhi kecepatan terjadinya karbonasi. Semen dengan kadar C3A yang lebih rendah dan lebih banyak mineral tambahan seperti fly ash dan slag dapat menunda terjadinya karbonasi.
6. Kelembaban: Kelembaban pada lingkungan sekitar beton juga dapat mempengaruhi terjadinya karbonasi. Kelembaban yang tinggi dapat mempercepat terjadinya karbonasi pada beton.

Dampak Karbonasi Pada Beton Bertulang

Beton digunakan dalam konstruksi karena memiliki struktur yang kuat, akan tetapi hal ini tidak menjadi jaminan beton tidak akan rusak. Secara umum kerusakan beton akibat serangan kimia dapat disebabkan oleh berbagai sebab seperti karbonasi, klorida, sulfat, leaching, dekalsifikasi, dan pengaruh kualitas air. Karbonasi pada beton akan menyebaban pH dalam pori beton menurun. Apabila telah mengalami karbonasi penuh pH larutan pori dapat menurun mencapi pH 8. Padahal, beton bertulang membutuhkan tingkat pH yang tinggi untuk menjamin terjadi lapisan pelindung pasif pada pemukaan baja tulangan.

Penurunan pH ini menyebabkan terjadinya gangguan bahkan hilangnya lapisan pelindung pasif sehingga baja tulangan rentan terhadap korosi. Apabila terjdi korosi, volume karat yang terbentuk akan memiliki volume berkali-kali lipat lebih besar dari volume reaktannya sehingga timbul gaya desak keluar yang menyebabkan retakan pada selimut beton. Hal ini menjadi permasaahan serius apabila baja tulangan terekpos di lingkungan yang menganung banyak senyawa agresif, misalnya ion klorida.

Karbonasi pada beton bertulang dapat memiliki dampak yang serius pada integritas struktural beton dan dapat mengurangi masa pakai bangunan. Beberapa dampak dari karbonasi pada beton bertulang adalah sebagai berikut:

1. Korosi pada baja tulangan: Karbonasi pada beton bertulang dapat menyebabkan penurunan pH dalam beton, yang dapat memicu korosi pada baja tulangan yang terkandung di dalam beton. Korosi pada baja tulangan dapat mengurangi kekuatan struktural beton dan mempercepat kerusakan beton.
2. Penurunan kekuatan beton: Karbonasi dapat menyebabkan penurunan kekuatan beton, terutama jika beton tidak dilindungi dengan baik dan baja tulangan terkena korosi. Hal ini dapat mengurangi kapasitas struktural beton dan membahayakan keselamatan pengguna bangunan.
3. Kerentanan terhadap retak: Karbonasi dapat menyebabkan beton bertulang menjadi lebih mudah retak. Retakan pada beton dapat mempercepat korosi baja tulangan dan memperburuk kerusakan struktural.
4. Kerusakan estetika: Karbonasi dapat menyebabkan kerusakan estetika pada beton bertulang, seperti perubahan warna dan penampilan permukaan yang kasar atau rapuh. Hal ini dapat mengurangi nilai estetika bangunan dan memengaruhi nilai properti.

Untuk menghindari dampak karbonasi pada beton bertulang, penting untuk mencegah terjadinya karbonasi dan melindungi baja tulangan dengan baik. Pencegahan karbonasi pada beton dan perawatan yang baik dapat membantu menjaga integritas struktural beton dan memperpanjang masa pakai bangunan.

Cara Untuk Mengukur Kedalaman Karbonasi

Perlunya uji tingkat kebonasi adalah untuk mengetahui apakah selimut beton masih melindungi tulangan baja di dalamnya. Kedalaman karbonasi terbentuk dalam perambatan/pergerakan karbon dioksida di dalam sampel beton. Nilai alkalinitas beton dinyatakan dengan nilai pH, dengan perambatan /pergerakan karbon dioksida menyebabkan reaksi yang mengurangi alkalinitas tersebut. Ini akan mempengaruhi permukaan baja dan kemudian merusak lapisan perlindungan pasif disekitar batang baja, proses korosi pun akan terjadi. Oleh karena itu, sangat penting untuk menentukan kedalaman beton yang mengubah ke karbonasi dan seberapa jauh dari atau dekat dengan jeruji baja itu.

Proses terjadinya karbonasi dapat diselidiki menggunkan cairan phenolphthalein. Phenolphthalein merupakan pewarna yang berperan sebagai indikator dalam tirasi asam basa. Jika beton tidak teredintifikasi mengalami karbonasi maka phenolphthalein akan berubah wana menjadi merah muda. Beton secara alami memiliki pH yang tinggi karena pembentukan kalsium hidroksida Ketika semen porland bereaksi dengan air. Oleh karna itu, apabila larutan phenolphthalein diaplikasikan pada beton normal ia akan berubah warna mejadi merah muda. Hal ini menunjuka betn memiliki pH diatas 12. Namun jika tidak berubah warna, ini menunjukkan beton telah mengaami karbonasi.

Phenolphthalein adalah salah satu indikator kimia yang digunakan untuk mengetahui sifat asam atau basa pada material melalui perubahan warna yang dihasilkan ketika telah meneteskan Phenolphthalein (Brady dkk, 1997). Apabila setelah diteteskan maka terjadi perubahan warna maka material tersebut bersifat basa, namun jika tidak terjadi perubahan warna maka material tersebut bersifat asam. Parker (1983) menyatakan bahwa rentang pH Phenolphthalein adalah antara 8,4 ~ 10, yang ditunjukkan oleh respon warna pada merah sangat tua (violet 3) ~ merah sangat muda (magenta 1). Untuk membuat indicator, setiap 1gr Phenolphthalein dilarutkan ke dalam 50 ml atau 100 ml alkohol murni.

Test karbonisasi ini dilakukan dengan cara membuat lubang kecil pada beton sampai perkiraan ketebalan seliut beton, kemudian lobang yang telah dibuat dibersihkan dari debu dan kotoran. Selanjutnya menyemprotkan bahan phenolphthalein kedalam beton. Setelah itu dapat ditarik kesimpulan apabila, bagian beton yang masih dalam kondisi baik (bersifat basa) akan bewarna pink/ungu, sedangkan bagian yang telah terkarbonasi, pHnya sudah mejadi 7(netral) ataubahkan dibawah 7 (asam) tidak akan berubah warna.
Berdasarkan surat edaran mentri pekerjaan umum dan perumahan rakyat nomor 25/SE/M/2015 tentang “Pedoman metode uji pengukuran kedalaman karbonasi beton keras”, berikut tata cara pengujian karbonasi.

Peralatan dan bahan

Peralatan dan bahan yang digunakan untuk mengukur kedalaman karbonasi pada beton adalah:

1. Mesin bor dengan kemampuan melubangi beton.
2. Mata bor beton dengan diameter minimal 10 mm.
3. Alat penyemprot udara bertekanan.
4. Jangka sorong dengan ketelitian 0,1mm.
5. Botol penyemprot dengan ukkuran yang disesuaikan dengan kebutuhan ari lubag bor.
6. Tisu/kain.
7. Etanol
8. Air suling.
9. Larutan phenolphthalein dengan konsentrasi 1%.

Prosedur pengukuran

Pengukuran kedalaman karbonasi dilakukan dengan cara ebagai berikut:

1. Tentukan lokasi yang akan di ukur, sekurang – kurangnya 3 lokasi per elemen.
2. Lakukan pengeboran pada lokasi pengukuran sampai kedalaman ±10mm.
3. Bersihkan lubang yang telah di bor dengan cara menyemprotkkan udara bertekanan.
4. Segera semprotkan larutan phenolphthalein pada lubang, amati peruahan warna yang terjadi.
5. Apabila terjadi perubahan warna beton menjadi merah muda, maka kedalaman karbonasi diukur dari permukaan beton sampai dengan batas perubahan warna tersebut pada 4 posisi pengukuran kemudian diambil rata – ratanya. Hasil pengukuran dinyatakan hingga ketelitian 0,1 mm.
6. Jika dalam 10 detik beton belum berubah warna, ulangi Langkah b samapai d pada lubang yang sama degan meperdalam lubang.
7. Tutup lubang bekas pengukuran tersebut dengan adukan mortar tida susut dengan mutu minimal sama dengan mutu beton yang telah dilubangi.

Pencegahan Karbonasi

Adapun upaya dan cara yang dapat ditempuh untuk mencegah terjadinya karbonasi antara lain:

1. Pemakaian bahan bermutu baik
2. Mempertebal selimut beton
3. Menggunkan beton kedap air (seara teoritis tidak ada)
4. Penambahan dimensi struktur
5. Menerapkan cara penempatan beton yang tepat
6. Perlindungan permukaan (coatings), namun besifat sementara karena jika pelindungnya cacat atau rusak maka proses karbonasi akan terjadi

Selain itu mencegah karbonasi pada beton dapat dilakukan melalui:

1. Penggunaan bahan tambahan: Bahan tambahan seperti fly ash, slag semen, atau bahan pengurang air dapat digunakan untuk meningkatkan ketahanan beton terhadap karbonasi. Bahan tambahan ini dapat meningkatkan kekuatan beton dan mengurangi permeabilitasnya terhadap air dan gas CO2.
2. Penggunaan pelapis permukaan atau cat: Pelapis permukaan atau cat dapat membantu melindungi beton dari pengaruh lingkungan yang dapat menyebabkan terjadinya karbonasi. Pelapis permukaan atau cat dapat membantu mengurangi penetrasi gas CO2 ke dalam beton dan melindungi baja tulangan dari korosi.
3. Perawatan yang baik: Perawatan yang baik pada beton sangat penting untuk mencegah karbonasi. Beton yang terkena air atau uap air dalam waktu lama dapat mengalami karbonasi lebih cepat. Oleh karena itu, perawatan yang baik, seperti menjaga beton tetap kering dan menghindari paparan air atau uap air yang berlebihan, dapat membantu mencegah terjadinya karbonasi.
4. Penggunaan baja tulangan yang berkualitas tinggi: Penggunaan baja tulangan yang berkualitas tinggi dan dilindungi dengan baik dapat membantu mencegah korosi pada baja tulangan. Hal ini dapat membantu menjaga integritas struktural beton dan mencegah kerusakan yang disebabkan oleh karbonasi.
5. Pemilihan desain yang tepat: Desain beton yang tepat juga dapat membantu mencegah karbonasi. Misalnya, penggunaan tebal pelapis beton, penggunaan bahan tambahan, atau penempatan baja tulangan yang tepat dapat membantu mencegah terjadinya karbonasi.