STUDI SIFAT FISIK, MEKANIK DAN THERMAL SHOCK KOMPOSIT FLY ASH DAN LIMBAH GELAS YANG DIBUAT MELALUI PROSES SINTER TANPA TEKANAN

Muhammad Balfas, Ir.,MT., Prof. Ir. Jamasri, Ph.D.

2011 | Disertasi | S3 Teknik Mesin

Abu terbang batubara (coal fly ash) merupakan limbah yang dihasilkan dalam jumlah yang sangat melimpah namun pemanfatannya masih sangat terbatas pada bidang konstruksi tertentu. Komposisi kimia fly ash umumnya didominasi oleh oksida-oksida seperti CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3, MgO dan oksida lainnya yang merupakan raw material yang baik untuk pembuatan komposit glassceramics. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pemanfaatan coal fly ash dan limbah gelas dalam pembuatan bahan komposit fly ash dan limbah gelas (FA-GL) melalui proses sinter tanpa tekanan (pressureless sintering). Penelitian diawali dengan karakterisasi bahan dasar yang meliputi as-received fly ash, calcined fly ash dan serbuk limbah gelas. Untuk menghindari perubahan komposisi akibat pengaruh LOI (lost on ignition) pada saat sinter maka dilakukan kalsinasi terhadap as-received fly ash pada temperatur 800°. Distribusi besar butir partikel diperoleh melalui pengayakan terhadap calcined fly ash. Pembuatan spesimen komposit FA-GL dilakukan pada variasi komposisi campuran fly ash–gelas (%berat) yaitu FG55, FG73, FG82, FG91 dan FG100 kemudian dikompaksi pada variasi tekanan 70, 100 dan 130 MPa. Green body yang terbentuk disinter pada variasi temperatur 900, 950, 1000, 1050 dan 1100°C. Pengamatan struktur mikro dilakukan dengan SEM, komposisi kimia dengan EDX dan fase kristal dengan XRD. Selanjutnya dilakukan uji densitas, porositas, serapan air, kekerasan dan kekuatan bending. Spesimen yang memberikan sifatsifat terbaik dipilih sebagai acuan untuk pembuatan spesimen uji thermal shock. Pemberian efek thermal shock dilakukan dengan memanaskan ulang spesimen pada berbagai variasi temperatur kemudian dicelup ke dalam air pada temperatur kamar dan setelah dikeringkan kemudian diuji bending. Hasil penelitian menunjukkan pengurangan berat fly ash 1,433 % setelah kalsinasi selama 2 jam pada temperatur 800 °C. Parameter pembuatan seperti komposisi campuran, tekanan kompaksi dan temperatur sinter sangat berpengaruh terhadap sifat bahan komposit FA-GL yang dihasilkan. Nilai densitas tertinggi adalah 2,103 ± 0,038 g/cm3 diperoleh pada spesimen FG55 dengan tekanan kompaksi 130 MPa dan temperatur sintering 1100 °C sedangkan nilai porositas dan serapan air tertinggi adalah 36,055 ± 0,023 % dan 21,540 ± 0,012 % diperoleh pada spesimen tanpa penambahan limbah gelas (FG100) dengan tekanan kompaksi 70 MPa dan temperatur sinter 900 °C. Nilai kekerasan tertinggi adalah 2205,205 ± 539,684 MPa diperoleh pada spesimen FG55 dengan tekanan kompaksi 130 MPa dan temperatur sinter 1100°C. Kekuatan bending tertinggi adalah 44,533 ± 4,162 MPa diperoleh pada spesimen FG55 pada tekanan kompaksi 130 MPa dan temperatur sinter 1050°C. Kekuatan bending akan berkurang drastis sekitar 80,92 % jika bahan mengalami perbedaan temperatur ΔT = 285 °C. Nilai ketangguhan retak tertinggi adalah 1,665 ± 0,038 MPa.m0,5 diperoleh dari spesimen FG55 dengan tekanan kompaksi 130 MPa dan temperatur sinter 1100 °C. Parameter pembuatan dengan sifat-sifat optimum diperoleh pada komposisi FG55 dengan tekanan kompaksi 130 MPa dan temperatur sinter 1050 °C.

Coal fly ash is an overwhelmingly produced waste, but the utilization is still very limited in certain construction fields. The chemical composition of fly ash is generally dominated by various kinds of oxides such as CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3, MgO, and other oxides, which are good raw materials for making the glass-ceramics composites. The aim of this study is to find out the utilization of coal fly ash and glass waste in making the composites materials of fly ash and glass waste (FA-GL) by a pressureless sintering process. The study was started by characterizing several raw materials including as-received fly ash, calcined fly ash, and glass waste powder. To avoid any change in composition resulted from the effect of LOI (lost on ignition) during a sintering process, calcination was done on as-received fly ash at a temperature of 800 °C. Distribution of particle size was obtained by sieving the calcined fly ash. The making of glass-ceramics specimen was done in various fly ash–glass composites (% of weight), i.e. FG55, FG73, FG82, FG91, and FG100 in various compaction pressures of 70, 100 and 130 MPa. Formed green body was sintered at various temperatures of 900, 950, 1000, 1050 and 1100 °C. The observation of microstructure was done using SEM, chemical composition using EDX, and crystal phases in the materials using XRD. Furthermore, density, porosity, water absorption, hardness, and bending strength tests were done. Specimens with treatments giving the best properties were selected as references in making the specimens for thermal shock treatment. The giving of thermal shock effect was done by reheating specimens at various temperatures, then quenched into water at a room temperature, while after dried, a bending strength test was done. Result of the study shows that the weight of fly ash will decrease 1.433 % resulted from calcination for 2 hours at a temperature of 800 °C. Manufacturing parameters such as mixture composition, compacting pressure and sintering temperature greatly affects the properties of FA-GL composite materials produced. The highest value of density is 2.103 ± 0.038 g/cm3 with porosity of 17.726 ± 1.164 % and water absorption of 8.834 ± 0.624 was obtained from specimens of FG55 with compacting pressure of 130 MPa and sintering temperature of 1100 °C. The highest hardness value of 2205.205 ± 539.684 MPa is obtained from speciment of FG55 at a temperature of 1100 °C with compacting pressure of 130 MPa. The highest value of bending strength of 44.533 ± 4.162 MPa is obtained from speciment of FG55 at a temperature of 1050 °C with compacting pressure of 130 MPa. The bending strength will sharply decrease around 80.92 % from its original strength if the materials has a temperature difference of ΔT is 285 °C. The highest fracture toughness of 1.665 ± 0.038 MPa.m0.5 is obtained from speciment of FG55 with compaction pressure of 130 MPa and a sintering temperature of 1100 °C. Manufacturing parameters with optimum properties is obtained from mixture composition of FG55 with compacting pressure of 130 MPa and sintering temperature of 1050 °C.

Kata Kunci : fly ash, komposit FA-GL, sifat mekanis, sinter tanpa tekanan, thermal shock