Graphene Concrete : Beton yang Ditambahkan Nanomaterial?

(sumber : https://firstgraphene.net/applications/concrete/)

Concrete itu apa sih? Konkret?

Kata concrete di sini bukan sebagai kata sifat yang berarti ‘nyata’ ya, Sob. Concrete di sini berarti beton Sob, material yang sering digunakan dalam bidang konstruksi. Concrete atau beton merupakan kombinasi partikel-partikel yang saling melekat satu sama lain dan menghasilkan suatu material yang memiliki sifat seperti batu ketika mengeras. Beton sangat banyak digunakan dalam konstruksi karena mudah dirawat, mudah dibentuk, terjangkau, kuat, tahan api, dan tahan lama. Beton dibuat dengan mencampurkan pasir, batu, air, dan semen. Semen merupakan bahan utama penyusun beton yang terbentuk dari limestone (CaCO3), pasir, lempung, bauksit, dan bijih besi. Jika dicampurkan dengan air, akan terjadi reaksi kimia yang menyebabkan semen memadat dan merekatkan material-material lain penyusun beton.

Karena fungsinya yang sangat penting sebagai perekat beton, semen sangat diperlukan dalam konstruksi. Namun, proses pembuatan semen tidak ramah lingkungan karena mengemisikan karbon dalam jumlah besar. Bahkan, 8–10% emisi karbon secara global merupakan akibat proses pembuatan semen, Sob.

Emang proses produksinya gimana?

Pertama, material penyusun semen dihancurkan, dicampur dengan aditif, dan digiling hingga menghasilkan campuran yang homogen. Kemudian, campuran tersebut dikeringkan hingga kandungan air kurang dari 1%. Campuran material-material yang telah berbentuk serbuk tersebut kemudian dipanaskan hingga berubah menjadi oksida. Dalam proses yang disebut kalsinasi ini, terjadi reaksi pembentukan lime (CaO) dari limestone.

CaCO3 → CaO + CO2

Proses Pembuatan Semen (sumber : https://www.understanding-cement.com/kiln.html)

Selanjutnya, dilakukan proses Kiln yang menjadi inti dari proses pembuatan semen, Sob. Dalam proses ini, material melewati silinder panjang horizontal yang sedikit dimiringkan dan diputar pada sumbunya agar material dapat bergerak ke ujung silinder. Proses ini menghasilkan produk yang disebut clinker. Clinker berfungsi sebagai pengikat dalam produk semen, Sob. Clinker dapat bereaksi dengan air dan menghasilkan berbagai jenis hidrat (molekul yang mengandung air) yang berwujud pasta. Salah satu jenis hidrat yang dihasilkan adalah hidrat kalsium silikat atau C-S-H (3 CaO · 2 SiO2 · 4 H2O). Pasta yang sudah terhidrasi tersebut akan mulai mengeras dan kekuatan mekanik semen pun meningkat, Sob.

Proses Kiln menggunakan pemanasan hingga 1500°C sehingga memerlukan energi yang sangat besar. Selain itu, proses pembuatan semen menghasilkan 2.5 miliar ton CO2 setiap tahun. Angka tersebut tidak kecil, Sob. Oleh karena itu, dilakukan berbagai upaya untuk mengurangi jejak karbon yang dihasilkan dari produksi semen, salah satunya adalah dengan menggunakan graphene, Sob.

Graphene? Apa tuh?

Strutktur Graphene (sumber : https://www.graphenea.com/pages/graphene#.Y6Rf13ZBzGI)

Graphene atau grafena adalah selembar (monolayer) atom karbon yang berikatan kuat dengan struktur heksagonal seperti sarang lebah. Graphene merupakan material tertipis karena ketebalannya setara dengan diameter satu atom karbon. Oleh sebab itu, material ini disebut hanya memiliki dua dimensi. Walaupun tipis, material ini memiliki sifat yang luar biasa loh, Sob. Graphene 100–300 kali lebih kuat daripada baja, memiliki konduktivitas termal dan listrik yang tinggi, dan mampu menyerap cahaya, mulai dari cahaya tampak hingga inframerah. Graphene disebut-sebut sebagai “wonder material” dan dijanjikan dapat memberi dampak besar dalam aplikasi elektronik, biologi, kimia, magnetik, dan lain-lain. Bahkan, ada yang mengatakan bahwa graphene dapat mewujudkan terciptanya lift ke luar angkasa lho! Tapi kayaknya mimpi itu masih sangat jauh dari kenyataan ya, Sob.

Daripada mikirin lift luar angkasa, lebih baik kita melihat aplikasi graphene yang sudah konkret dulu, Sob. Ternyata material ini juga membawa dampak bagi dunia konstruksi, Sob. First Graphene Ltd., sebuah perusahaan yang bergerak di bidang penyediaan dan inovasi graphene, mengembangkan beton yang diberi aditif graphene. Ternyata, inovasi ini membuahkan hasil yang luar biasa loh, Sob!

Emang pengaruh graphene ke beton apa?

Proses Pencampuran Semen (sumber : https://firstgraphene.net/wp-content/uploads/2021/09/First-Graphene-Case-Study-Concrete-Sept-2021.pdf)

Graphene dapat meningkatkan sifat mekanik beton, Sob. Penambahan graphene kurang dari 0.1% dapat menyebabkan kekuatan tarik dan tekan beton meningkat 27% dan 34% berturut-turut. Selain itu, penambahan graphene juga memperingan struktur beton dan meningkatkan ketahanan retak. Hal ini dapat menurunkan biaya pembangunan keseluruhan sehingga desain infrastruktur yang lebih inovatif dapat terwujud, Sob.

Peningkatan sifat mekanik ini disebabkan oleh peningkatan serapan air dari C-S-H. Kekuatan beton juga meningkat akibat adhesi antara graphene dan semen yang dapat menghambat perambatan retak. Menurut First Graphene Ltd., graphene berfungsi sebagai penguat dalam skala nano (nanoscale reinforcement), seperti steel reinforcement bar namun dalam skala atom.

Walaupun memiliki kekuatan tekan yang tinggi, kekuatan tarik beton umumnya rendah, Sob. Oleh sebab itu, konstruksi berbasis beton menggunakan reinforcing bar (rebar), batang baja yang berfungsi sebagai penguat beton ketika mengalami beban tarik. Rebar dapat terkorosi karena air dari lingkungan dapat masuk melalui porositas beton. Nah, penambahan graphene pada beton dapat mengurangi permeabilitas air, Sob. Hal ini dapat menurunkan tingkat perpindahan ion di dalam beton sehingga mencegah korosi pada rebar. Penurunan tingkat permeabilitas air juga dapat meningkatkan durabilitas beton sehingga struktur berbasis beton dapat lebih tahan lama, Sob.

Steel Reinforcing Bars (sumber : https://en.wikipedia.org/wiki/Rebar)

Terus apa hubungannya sama emisi karbon?

Penambahan graphene dalam semen mengurangi penggunaan clinker hingga 20%, Sob. Hal ini disebabkan oleh kemampuan adhesi yang baik antara graphene dengan semen yang dapat menggantikan peran clinker sebagai perekat. Karena clinker diproduksi dengan proses Kiln yang mengemisikan 2.5 miliar ton CO2 setiap tahun, penurunan penggunaan clinker dapat mereduksi emisi CO2 sebesar 18–20%. Jadi, selain meningkatkan kualitas beton, adisi graphene juga lebih eco-friendly, Sob.

Ternyata, penambahan selembar atom karbon dapat memberi dampak yang sangat besar bagi dunia konstruksi ya, Sob. Penasaran gimana dampaknya dalam bidang-bidang lain? Tunggu di konten-konten Chimp selanjutnya ya, Sob!

Penulis :
Febri Yolanda Pasaribu (Teknik Material 2020)

Editor :
Rizkynadifa Anggarine (Teknik Material 2019)
Annisa Yudiani (Teknik Material 2019)

Referensi:

1. https://firstgraphene.net/applications/concrete/
2. https://www.youtube.com/watch?v=Sew_2qPq5qI
3. https://www.sciencemuseum.org.uk/objects-and-stories/everyday-wonders/building-modern-world-concrete-and-our-environment#what-is-concrete
4. https://civiltoday.com/civil-engineering-materials/cement/81-cement-definition-and-full-details
5. https://civiltoday.com/civil-engineering-materials/cement/106-cement-manufacturing-process
6. https://www.graphenea.com/pages/graphene#.Y6Rf13ZBzGI