Investigation of Additional Thermal and Shrinkage Reinforcement to Minimize Early-age Cracking on High-performance Concrete

Faizal Hanif, Ir. Ali Awaludin, S.T., M.Eng., Ph.D., IPU., ACPE.; Angga Fajar Setiawan, S.T., M.Eng. Ph.D.

2024 | Tesis | S2 Teknik Sipil

Keretakan meluas pada beton usia muda telah diamati pada Pier P87 di Proyek Jalan Raya P87 Jogja-Bawen, Indonesia. Retak yang muncul sejalan dengan proses pengerasan usia beton perlu menjadi perhatian khusus karena dapat menyebabkan kerusakan struktural sebelum struktur terbebani oleh beban layan utama. Langkah-langkah antisipatif diperlukan sebagai tindakan perbaikan sebelum membangun jenis struktur serupa dengan dugaan masalah keretakan yang sama. Solusi alternatif lain yang memenuhi kebutuhan kemudahan konstruksi dan penghematan anggaran adalah aspek penting lainnya yang perlu dipertimbangkan.

Beton massa yang mengeras di dalam bekisting yang terkekang dengan sistem penyangga yang tidak stabil membutuhkan perhatian khusus untuk mengendalikan hidrasi panas yang menghasilkan pemuaian termal. Beton kinerja tinggi (high performance concrete) mensyaratkan kontrol rasio air-semen yang ketat dan berhubungan langsung dengan dominasi susut autogenik (autogenous shrinkage) daripada susut kering (drying shrinkage). Mengaitkan aspek-aspek tersebut dengan sistem perancah bekisting yang tidak stabil dapat menyebabkan potensi kerusakan retak di sepanjang struktur. Ketiadaan tulangan longitudinal yang memadai pada penampang terdalam menjadi dugaan utama penyebab struktur tidak memiliki performa yang baik dalam proses pengerasan sehingga menghasilkan retak 7 hari setelah pengecoran beton. Solusi alternatif yang disarankan adalah melengkapi desain tulangan yang ada dengan tulangan tambahan. ACI 318M-14 dan AASHTO LRFD Section 5.10.8 menetapkan persyaratan tulangan suhu dan susut tambahan untuk menahan risiko retak.

Studi kasus ini menyelidiki hubungan antara retak yang muncul penulangan yang tidak memadai untuk menahan muai panas dan susut autogenik dengan sifat-sifat beton usia dini. Model elemen hingga skala penuh yang disederhanakan dengan konfigurasi tulangan yang bervariasi telah dilakukan untuk mengamati peningkatan kinerja terhadap gradien regangan tarik yang dihasilkan. Studi ini menjelaskan peran penting dari tulangan suhu dan susut sebagai aspek utama dalam proses penyusunan desain struktur yang serupa.

Wide-ranging concrete cracking was observed in Pier P87 Jogja-Bawen Highway Project, Indonesia. Emerging cracks in the concrete maturing process need specific attention because structural damage happens before concrete is loaded by service loading. Anticipatory steps need to be taken as lessons learned before constructing other similar pier caps with suspected similar cracking problems. Alternating solutions towards construction method workability and budget are other important aspects to be considered.

Implanted mass concrete in restrained formwork with unstable supports needs special measures to control generated heat hydration, resulting in thermal expansion. High-performance concrete (HPC) requires meticulous water-to-cement ratio control, linking to autogenous shrinkage domination rather than drying shrinkage. Associating those aspects with unstable formwork support may cause substantial cracking damage potential along the structure. The absence of adequate central innermost longitudinal reinforcements was the alleged reason the structure couldn’t endure the HPC hardening process and produced cracking 7 days after concrete casting. The suggested alternative solution to complement existing reinforcement design with additional reinforcement was examined. ACI 318M-14 and AASHTO LRFD Section 5.10.8 specified additional temperature and shrinkage reinforcement requirements to endure the cracking risk.

This case study investigated the relationship between emerging cracks and inadequate reinforcing steel to withstand thermal expansion and autogenous shrinkage with other early-age concrete maturing properties. Simplified full-scale finite element models with varied reinforcement configurations were conducted to observe tensile strain performance improvement. Additional reinforcement can be implemented as alternating solutions to reduce concrete cracking risks. This study discovered the important roles of temperature and shrinkage reinforcement as valuable aspect checks before finalizing similar structural designs.

Kata Kunci : autogenous shrinkage, finite element, mass concrete, strain gradient, thermal expansion