Reaksi Hidrasi Semen

Reaksi yang terjadi di dalam semen portland adalah reaksi kimia antara senyawa potensial dengan air, senyawa-senyawa kalsium silikat, kalsium aluminat dan kalsium ferit hidrat yang terjadi berupa struktur larutan padat yang spesifik dan akan mengeras. Reaksi selanjutnya adalah interaksi antar senyawa hidrat tersebut, masing-masing saling mengikat membentuk strukrur baru yang kokoh, kaku dan kuat yang biasa disebut pasta, mortar atau beton.

Reaktifitas dan komposisi mineral utama serta bahan tambahanReaksi hidrasi yang terjadi sangat ditentukan oleh reaktifitas masing-masing senyawa utama. Senyawa C3A adalah yang paling reaktif, senyawa ini bereaksi dengan cepat, kemudian disusul oleh senyawa-senyawa C3S dan C2S. Jadi reaksi hidrasi semen portland akan berjalan dengan cepat sesuai dengan reaktifnya senyawa utama. Untuk mengatur kecepatan reaksi sesuai yang diinginkan perlu ditambahkan bahan tambahan, senyawa gypsum ditambahkan sebagai pengendali reaktifitas senyawa C3A.

KehalusanKecepatan reaksi hidrasi semen portland akan bertambah besar dengan semakin halusnya ukuran partikel. Sebaliknya, jika ukuran partikel semakin kasar, reaksi hidrasi akan berjalan semakin lambat. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut, jika ukuran partikel semakin halus, berarti luas permukaan total semakin besar. Bertambah luasnya permukaan menyebabkan kemungkinan terjadinya kontak antara air dengan permukaan butiran akan menjadi besar. Akibatnya kemungkinan terjadinya reaksi antara air dengan butiran juga menjadi lebih besar atau dengan perkataan lain, kecepatan reaksi bertambah besar.

Perbandingan air dan semen portlandAir dan semen portland merupakan reaktan dalam reaksi hidrasi, perbandingan konsentrasi antara kedua reaktan tersebut dan produk yang dihasilkan akan mempengaruhi kesetimbangan reaksi, kesetimbangan reaksi merupakan salah satu parameter dari kecepatan reaksi.

WaktuDengan bertambahnya waktu, kecepatan reaksi masing-masing senyawa potensial akan berkurang sebab komposisi senyawa utama mulai habis bereaksi.

TemperaturKecepatan reaksi akan bertambah dengan kenaikan temperatur. Demikian juga reaksi yang terjadi di dalam semen portland akan bertambah cepat karena naiknya temperatur. Hal ini disebabkan karena reaksinya bersifat eksoterm yaitu dengan melepas sejumlah panas. Jadi tanpa tambahan panas dari luar pun reaksi ini akan bertambah cepat dengan kenaikan temperatur akibat panas yang dilepaskan selama reaksi hidrasi.

Mekanisme reaksiMekanisme reaksi hidrasi senyawa utama semen portland adalah sebagai berikut :

Senyawa kalsium silikat (C3S dan C2S)Reaksi antara senyawa C3S dan C2S dengan air menghasilkan kalsium silikat hidrat, CSH, dan kalsium hidroksida, Ca(OH)2. Perbedaan reaksi antara kedua senyawa tersebut dalam hal kecepatan dan panas reaksinya, kecepatan dan panas reaksi C3S lebih besar dari pada C2S. Panas reaksi C3S yang ditimbulkan sekitar 500 J/gram Panas reaksi C2S yang ditimbulkan sekitar 350 J/gram. Senyawa-senyawa CSH yang dihasilkan merupakan komponen utama dalam penyumbang kekuatan semen portland, dan biasa disebut dengan tobermorite gel. Senyawa C3S merupakan komponen penentu kekuatan awal semen portland, pada umur 1 – 28 hari, hal ini disebabkan reaksi hidrasinya yang berlangsung cepat dan kadarnya yang tinggi. Sedangkan C2S merupakan komponen penentu kekuatan akhir semen portland, peranannya baru terlihat 28 hari setelah pengikatan.

Senyawa kalsium aluminat (C3A)Reaksi antara senyawa C3A dan air berlangsung sangat cepat dan menghasilkan panas sekitar 1350 J/gram. Reaksi yang terjadi terdiri dari beberapa tahap tergantung pada lingkungannya. Senyawa C3A memainkan peranan yang sangat penting dalam pengembangan kekuatan awal, 1 sampai dengan 3 hari, hal ini disebabkan karena panas hidrasinya yang cukup tinggi sehingga dapat mempercepat reaksi hidrasi secara keseluruhan. Karena senyawa hasil hidrasinya mempunyai daya rekat yang relatif rendah, sumbangan kekuatan yang diberikan senyawa C3A relatif kecil. Kadar senyawa C3A dalam semen portland mempengaruhi sifat fisik semen portland, dalam hal ini pemuaian dan ketahanan terhadap sulfat. Semakin tinggi kadar senyawa C3A, semakin tinggi pemuaian yang terjadi dan semakin tidak tahan terhadap serangan sulfat. Pemuaian yang terjadi disebabkan banyak terbentuknya senyawa ettringite, sedangkan senyawa ettringite merupakan senyawa yang mempunyai volum yang sangat besar. Ketahanan terhadap serangan sulfat dapat diterangkan sebagai berikut, alkali sulfat bereaksi dengan kalsium hidroksida bebas membentuk senyawa gypsum,

Ca(OH)2 + (Na/K)2SO4 + 2H2O ——–> CaSO4.2H2O +2NaOH,

(gipsum)

senyawa gypsum yang terbentuk akan bereaksi dengan senyawa C3A membentuk senyawa ettringite, senyawa ettringite merupakan senyawa yang mempunyai volum yang sangat besar sehingga menyebabkan pemuaian dan dapat menimbulkan keretakan pada beton.

Senyawa kalsium aluminoferrit (C4AF)Reaksi hidrasi senyawa C4AF berlangsung cepat dan menghasilkan panas sekitar160 J/gram. Reaksi yang terjadi terdiri dari beberapa tahap tergantung pada lingkungannya.

Senyawa kalsium oksida bebas (CaO-bebas)

CaO + H2O ——–> Ca(OH)2

Senyawa magnesium oksida bebas (MgO)

MgO + H2O ——-> Mg(OH)2

Senyawa Mg(OH)2 cenderung membentuk senyawa hidrat, senyawa hidrat yang dihasilkan mempunyai volum yang relatif besar sehingga manyebabkan pemuaian.

Senyawa kalsium sulfat hemihidratSenyawa kalsium sulfat dihidrat (gypsum) relatif tidak stabil terhadap temperatur. Di Dalam semen portland, senyawa kalsium sulfat mempunyai kandungan air hidrat antara 2 sampai dengan 0.5, hal ini disebabkan proses yang terjadi di “cement mill”. Senyawa kalsium sulfat yang mengandung air hidrat kurang dari 2 dan sampai dengan 0.5 disebut senyawa kalsium sulfat hemihidrat.