PENGUJIAN SIFAT FISIK BATUAN

BAB I

PENDAHULUAN

Batuan mempunyaai sifat-sifat tertentu  yang  perlu diketahui dalam mekanika batuan dan dapat  dikelompokkan menjadi dua, yaitu:

1.      sifat fisik batuan seperti bobot isi, “specific gravity”, Porositas, absorpsi,  “void ratio"

2.      sifat mekanik batuan seperti kuat  tekan,  kuat  tarik, modulus elastisitas, "Poisson's ratio"

Kedua sifat batuan tersebut dapat ditentukan baik di labo­ratorium maupun di lapangan (insitu).

Penentuan sifat fisik dan mekanik batuan di laborato­nun pada umumnya dilakukan  terhadap  percontoh  (sample) yang diambil di lapangan. Satu percontoh  dapat  digunakan untuk menentukan kedua sifat batuan tersebut. Pertama-tama adalah  penentuan  sifat  fisik  batuan   yang   merupakan pengujian  tak  merusak  (non  destructive  test), kemudian dilanjutkan dengan pengujian sifat mekanik  batuan    yang merupakan  pengujian merusak (destructive  test)  sehingga percontoh batu hancur.

Pengujian terhadap batuan  dapat  dilakukan yang di laboratoriun mekanika batuan meliputi:

1.      Uji Sifat Fisik, untuk menentukan

q  Bobot isi asli  (g _nat)

q  Bobot isi kering (g_dry)

q  Bobot isi jenuh  (g_sat)

q  Berat jenis semu (r _tr )

q  Kadar air asli  (r _app)

q  Kadar air jenuh (absorption), ( W_sat )

q  Derajat kejenuhan ( S )

q  Porositas ( n )

q  Angka pori ( e )

2. Uji Kuat Tekan Uniaksial, untuk menentukan :

q  Kuat tekan uniaksial (s_c )

q  Batas elastik (s_E )

q  Modulus elastisitas ( E )

q  Nisbah Poisson (n )

3. Uji Triaksial, untuk inenentukan

q  Selubung kekuatan ( strength envelope )

q  Kuat geser ( shear strength )

q  Sudut geser dalam (  j )

q  Kohesi ( C )

4.Uji Geser Langsung, untuk menentukan

q  Garis "Coulomb's shear strength"

q  Kuat geser ( Shear Strength )

q  Sudut geser dalam  (j  )

q  Kohesi ( C )

5.Uji Kecepatan Rambat Gelombang Ultrasonik

Parameter yang diukur :

q  Kecepatan rambat gelombang tekan ( Vp)

Kecepatan rambat gelombang geser ( Vs )

Untuk nengetahui :

Konstanta elastik secara dinamik

8. Uji Kuat Tarik Tidak Langsung ( Brazillian Test)

Untuk mengetahui:

Kuat tarik (s ) secara tidak tangsung.

7.    Uji Schmidt Hammer, untuk mengetahtii

Kuat tekan uniaksial berdasarkan jumlah "rebound"

8.   Uji Beban Titik Kuat tekan ( Point Load Test ), untuk mengetahui uniaksial secara tidak langsung.

Dan  uji sifat fisik dan  uji  sifat  mekanik  batuan yang dapat dilakukan di laboratorium tersebut,  pada  saat ini di laboratorium mekanika batuan Jurusan Teknik Pertam­bangan, FTM, ITM Medan baru dapat dilaksanakan  pengujian  sifat  fisik  dan  pengujian  kuat   tekan uniaksial.

BAB II

PENGUJIAN SIFAT FISIK

2.1.TEORI

Sifat fisik batuan yang ditentukan meliputi

 

a.      Bobot isi asli  (natural density) :

 

b.     Bobot isi kering (dry density)

 

c.      Bobot isi jenuh (saturated density)

 

d.     "Apperent specific gravity"          

 

e.      “True specific gravity

 

f.       Kadar air asli  (natural water content):

 

g.      "Saturated water content"

 

h.    Derajat kejenuhan

 

i.       Porositas (n)

 

j.      Angka pori/Void ratio (e)

Dengan :

W _n   :  Berat percontoh asli  (natural)

W_o :Berat percontoh kering (setelah di oven selama 24 jam dengan temperatur + 90 ⁰)

W_w :   Berat percontoh jenuh (setelah dijenuhkan selama 24 jam)

Ws :    Berat jenuh tergantung dalam air

Wo –Ws:     Volume percontoh tanpa pori-pori

Ww – Ws:   Volume percontoh total.

2.2. PEMBUATAN PERCONI'ON

Pembuatan percontoh dapat dilakukan  di laboratorium atau di lapangan. Pembuatan percontoh di  laboratorium  dilakukan  dari blok batu yang diambil di  lapangan  yang  di bor  dengan pengintai laboratorium. Percontoh  yang  didapat  berbentuk silender dengan diameter yang pada umumnya antara 50-70 mm kemudian dipotong dengan mesin potong batu untuk mendapatkan ukuran tinggi percontoh dua kali  diameternya.  Ukuran percontoh dapat lebih kecil maupun lebih besar dari ukuran yang disebut di atas tergantung dari  maksud pengujian

Pembuatan percontoh juga dapat dilakukan dilapangan yaitu  dengan  melakukan  pemboran  inti  (core  drilling) langsung kedalam batuan yang akan diselidiki  di  lapangan sehingga didapat inti yang berbentuk silinder. Inti tersebut langsung dapat digunakan untuk pengujian di laboratorium dengan syarat tinggi percontoh dua kali diameternya.

2.3. PERALATAN

Peralatan yang dipakai untuk  pengujian sifat-fisik adalah sebagai berikut:

1.      Neraca listrik dengan ketelitian 0,1 gram.

2.      Eksikator dan  pompa  vacuum,  dipakai  pada saat   penjenuhan percontoh.

3.      Oven ,  dipakai  untuk  pengeringan setelah penjenuhan.percontoh

2. 4. PROSEDUR PERCOBAAN

Prosedur  pengujian sifat-sifat fisik dilakukan sebagai berikut

1.  penimbangan berat asli  contoh ( Wn )

2. Penjenuhan contoh dalam eksikator, dengan cara  sebagai berikut

-    Eksikator  pada  bibir  dan  tepi  tutupnya  diolesi vaselin yang rata.

-    Percontoh dimasukkan ke dalam eksikator dengan hati hati kemudian ditutup  dengan  rapat  agar udara luar tidak dapat masuk ketika diisap dengan pompa vacuum.

-    Udara dalam eksikator  diisap  dengan  bantuan  pompa vacuum  selama  15   menit,   dengan   maksud   untuk mengeluarkan udara yang ada dalam percontoh. Pastikan tidak ada kebocoran pada  selang  pengisap  dan  pada penutup eksikator.

-    Setelah 15 menit pengisapan dihentikan, dan kran selang yang dihubungkan ke pompa vacuum ditutup, kemudian ke dalam eksikator masukkan air sehingga percon­toh terendam sepertiganya, air dibiarkan masuk melalui  selang  dengan  sendirinya  akibat perbedaan tekanan dalam  eksikator  yaitu  dengan  membuka kran pada selang  yang dihubungkan ke bak air.

-    Setelah itu tutup kembali kran pada selang yang menuju bak air dan buka kran pada selang yang dihubungkan ke pompa vacuum, selanjutnya penghisapan dilakukan lagi selama 15 menit.

-    Selanjutnya pengisapan dihentikan dan  rnasukkan  lagi air dengan cara seperti tersebut di atas sehingga percontoh terendam dua per tiganya.  Kemudian  lanjutkan lagi  pengisapan  selama 15 menit,  masukkan lagi air hingga seluruh percontoh terendam. Setelah  itu lanjutkan lagi pengisapan selama 15 menit atau sainpai benar- benar tidak ada lagi gelembung udara keluar dan  sisi-sisi peroontoh.  Kemudian,  biarkan  contoh  terendam hingga benar-benar jenuh selaina 24 jam.

3.  Setelah perendaman selama 24 jam, percontoh dalam eksi­kator dikeluarkan dan ditimbang dalam keadaan jenuh dengan segera sehingga didapat berat jenuh (Ww).

4,  Timbang lagi percontoh dalam kondisi  jenuh  tergantung dalam air sehingga didapat berat jenuh tergantung dalam air  (Ws)

5.  Kemudian percontoh dikeringkan kembali, dengan cara me­masukkannya ke dalam oven selama 24 jam pada temperatur 90⁰ C

6.  Setelah   dioven  selama 24 jam, timbang percontoh sehingga didapat berat kering ( Wo ).

7.  Hitung sifat-sifat fisik dengan menggunakan persamaan -persamaan seperti yang diuraikan pada sub bab 2.1.

BAB III

PENGUJIAN KUAT TEKAN UNIAKSIAL

3.1.TEORI

Pengujian kuat tekan uniaksial adalah satu cara peng­ujian mekanik batuan yang bertujuan untuk mengetahui :

1. Kuat tekan uniaksial ( s_c  )
2. batas elastik (s_E )
3. Modulus Young rata-rata ( E _avg)
4. Poisson's ratio pada tegangan s1: ( n ).

3.1.1. Kuat Tekan Uniaksial

Kuat tekan uniaksial dari  percontoh batuan adalah

 

                                                                            

Kuat  tekan uniaksial  tersebut  diperhitungkan  pada  saat percontoh batuan mengalami keruntuhan (failure), dengan: F adalah besarnya gaya yang bekerja pada percontoh  batu pada saat terjadi keruntuhan (failure) sehingga pada  grafi­k  (Gambar 3.2.) nenunjukkan keadaan paling puncak (peak). A adalah luas penampang percontoh batuan.

3.1.2.  R e g a n g a n

Pada saat percontoh batuan menerima  beban  pengujian diterapkan secara  teratur  meningkat,  maka  kondisi percontoh batuan  cenderung  mengalami  perubahan  bentuk. ubahan bentuk ini terjadi dalam arah  lateral.  Ñ_d  dan juga arah vertikal,  Ñ_l  sehingga  pada  percontoh  batuan secara langsung mengalami pula perubahan bentuk volumetrik.

Dari  keadaan tersebut  dapatlah  didefinisikan  bahwa perubahan bentuk arah lateral  terhadap  diameter  disebut regangan lateral yang dinyatakan dengan e_l dan perubahan untuk arah vertikal  terhadap  tinggi  disebut   regangan aksial yang dinyatakan dengan e_a serta perubahan bentuk volumetrik disebut “regangan volumetrik”   yang  dinyatakan e_n   (lihat  Gambar 3.1.).

 

Gambar 3.1 Regangan aksial dan Lateral

Sehingga didapat

- Regangan lateral . e_l  =  Ñ_d / d

- Regangan aksial e_a    =  Ñ_l /l

- Regangan volumetrike_l         e_l          =  e_a  + 2e_l

Dari  nilai  -  nilai  regangan  tersebut  oleh  Bieniawski ditentukan sebagai dasar untuk menyatakan  gambaran  tahap utama dan kelakuan batuan, dimana digambarkan dalam suatu grafik hubungan antara  teqangan  aksial  dengan  regangan aksial dan  regangan  tateral  serta regangan volumetrik sebagaimana digambarkan pada grafik ( lihat Gambar 3.2.  ).

 

Gambar 3.2. Kurva Tegangan-Regangan Hasil Uji Kuat Tekan

Dari  grafik tersebut dapat ditentukan sifat mekanik batuan yaitu kuat tekan uniaksial, bats elastik, modulus young dan Poisons ratio

3.1.3.      Batas Elastik

Harga batas elastik ini dinotasikan dengan  s_E  dimana pada grafik (lihat Gambar 3.2.) diukur  pada  saat grafik regangan aksial meninggatkan  keadaan  linier  pada titik tertentu. Titik ini dapat ditentukan dengan sebuah garis  singgung  pada  daerah  linier  dari grafik  tersebut,  sehingga  pada  suatu  kondisi jelas terlihat grafik meninggalkan keadaan linier dengan kelengkungan tertentu hingga mencapai peak. Pada titik tersebut diproyeksikan tegak lurus ke sumbu tegangan aksial sehingga didapatlah nilai batas elastik s_E

            Modulus Young

Harga dari  modulus Young ini dapat  ditentukan dalam hubungan antara perbandingan  selisih harga tegangan aksial (Ñs ) dengan selisih regangan aksial  (Ñs _a) yang diambil pada  perbanding tertentu pada grafik regangan aksial dihitung  pada kondisi linier , atau bagian linier yang terbesar dari kurva (lihat Gambar 3.2) sehingga didapat nilia modulus young rata-rata dalam hubungan sebagai berikut:

               Ñs

E_avg =

             Ñs _a

 

Gambar 3.3. Pengambilan nilai   Ñs   dan   Ñs _a

3.1.5. Poissons Ratio

Harga Poissons ratio didefiniskan sebagai perbandingan antara regangan lateral dan regangan aksial pada kondisi tegangan sebesar s_{I   ,} harga tegangan sebesar s_I  diukur pada titik tertentu dari garis singung yang ditarik sejajar sumbu tegangan  aksial  pada  saat  grafik regangan volumetrik mulai berubah arah. Titik singgung tersebut diproyeksikan tegak lurus sumbu tegangan aksial didapat titik a.  Melalui titik  a.  buat  garis  tegak  lurus sumbu tegangan aksial, sehingga  memotong  kurva  regangan aksial dan lateral. Kemudian  masing-masing  titik  potong tersebut diproyeksikan tegak lurus ke sumbu regangan aksial dan lateral  sehingga  didapatkan  nilal e_ai  dan  e_li  ( Lihat  Gambar 3.4).

Sehingga dari  nilai-nilai tersebut  dapat ditentukan besarnya harga Poissons ratio dalam hubungan sebagai berikut:

 

Gambar 3.4 Pengambilan Nilai e_ai  dan e_li

3.2.   P E R A L A T A N

Peralatan yang dipakai untuk pengujian sifat mekanik adalah sebagai berikut:

1.   Alat pengebor inti, terdiri  dari  beberapa  diameter

2.   Alat pemotong batu.

3,  Gerenda,     kikir,  dan  amplas,  untuk menghaluskan permukaan percontoh.

4.   Squareness,  untuk  mengukur  penyimpangan  kesejajaran permukaan percontoh.

5.   Jangka sorong, untuk mengukur tinggi dan diameter.

6.   Dial gauge , diperlukan beberapa buah ( minimal3 buah ) untuk pengujian kuat tekan  uniaksial   dan  satu  buah untuk squareness.

7.   Mesin kuat tekan uniaksial.

3.2.1."Dial Gauge"

"Dial gauge”  yang digunakan Untuk pengukuran berjumlah tiga buah. Untuk pengukuran deformasi lateral (horisontal) digunakan dua buah "dial gauge”  dan untuk  pengukuran defomasi aksial digunakan satu buah "dial gauge". Masing-masing 'dial gauge" mempunyai  ketelitian 0,01 mm   dengan skala maksimum 10 mm.

3.2.1.1.Cara Pemasangan "Dial Gauge"

Untuk  pengukuran  deformasi  aksial,   'dial   gauge" dipasang vertikal tegak lurus  plat  sisipan  mesin  tekan dengan ujung jarum “dial  gauge" menyentuh  plat  sisipan (lihat Gambar 3.5). Dengan ujung jarum “dial  gauge”   menyentuh  plat  sisipan (lihat Gambar 3.5.).

 

Gambar 3.5. Pemasangan “dial Gauge”

Untuk  pengukuran  deformasi  lateral,  “dial gauge” dipasang horisontal di setengah  tinggi  percontoh dengan kedua “dia1 gauge”  pada  posisi  satu  garis (lihat Gambar 3.5.).

3.2.1.2. Cara Pembacaan “Dial Gauqe”

Pada dasarnya pembacaan "dial gauge” adalah pembacanaan skala perubahan  panjang,   tetapi  diusahakan  agar  dapat  melakukan pembacaan untuk pertambahan panjang maupun pengurangan panjang. Cara pembacaan “dial gauge”, untuk lebih jelasnya, dapat  ditanyakan  langsung  pada  asisten yang bertugas pada saat praktikum berlangsung.

3.2. 2.Mesin Tekan

Mesin tekan MBT berkapasitas 1300 kN atau 130 ton. Dimensi  dan  karakteristik  sesuai   dengan spesifikasi internasional, yaitu ASTH C 39, AASHTO T22, BS 1610, 1881, NFP 18 - 411 dan DIN 51220.

Mesin ini telah dikalibrasi  dengan  "high  precision electrik load cells” 0leh MBT, sehingga kesalahan maksimum tidak lebih besar dari 1%

Mesin tekan terdiri dari dua kerangka , kerangka pertama memuat silinder hidrolik dan plat penekan, dan kerangka kedua memuat pompa hidrolik dan sistem pemgukur tekanan.

 

Gambar 3.6.Diskripsi Mesin Tekan

3.2.2.1. Deskripsi Mesin Tekan

Deskripsi mesin tekan dapat; diikuti dari gambar 3.6 yang diterangkan sebagai berikut :

1.            Alat pengukur gaya tekan

2.            Kedudukan bola (spercal seat ) , berfungsi untuk menyesuaikan kedudukan plat  tekan  atas  dengan  permukaan percontoh batuan

3.            Plat tekan atas (statis pada saat penekanan)

4.            Plat tekan bawah, dapat bergerak  naik  turun  /  turun sesuai dengan gerakan piston.

5.            Silinder piston.

6.            Motor listrik untuk menaik turunkan plat tekan bawah.

7.            Selang oli berfungsi untuk mengalirkan oli bertekanan tinggi dari tangki oli  ke  dalam  silinder  piston  dan alat pengukur gaya

8.            Steker penghubung arus listrik.

9.            Saklar mesin tekan

10.        Gagang (handle) untuk menghidupkan motor listrik  agar plat tekan bawah bergerak naik / turun.

11.        Alat pengatur kecepatan pembebanan

12.        Jarum merah pada alat pengukur gaya. berfungsi sebagai petunjuk gaya maksimum ketika percontoh batuan hancur.

13.        Jarum hitam pada alat pengukur gaya. Berfungsi sebagat petunjuk  besarnya  gaya yang dialami percontoh batuan pada waktu tertentu.

14.        Alat untuk menggerakkan jarum merah kembali ke skala 0.

15.        Lampu indikasi plat tekan bawah naik/turun

3.2.2.2.Spesifikasi Teknik

q   Kapasitas gaya maksimum     1300 kN

q   Tekanan maksimum (pada diameter 15 cm) 73,56 Mpa

q   Jangkauan piston maksimum     11 cm

q   Jarak maksimum antara plat  tekan atas dan bawah =35 cm

q   Jarak minimum antara plat tekan atas dan bawah = 30 cm

q   Diameter plat tekan      15 cm

q   Diameter alat pengukur gaya      20 cm

q   Batas alat pengukur gaya tekan      300 kN

q   Satuan skala terkecil alat pengukur gaya 2,5 kN

q   Tanaga (power) 0,75 HP

q   Spesifikasi arus listrik 220V/1200 watt- 50/60 Hz

q   Kapasitas oli 7 dm³

3.2.2.3. Prinsip Kerja

Percontoh batuan diletakkan di pusat antara plat  tekan atas dan plat  tekan bawah mesin tekan, mesin dihidupkan maka oli   bertekanan tinggi akan masuk ke  dalam silinder. Piston di dalam  silinder bergerak ke atas samapai permukaan percontoh batu rnenyentuh plat tekan bagian atas. Karena kedua permukaan percontoh batuan telah menyentuh plat tekan sehingga kenaikan piston terhambat akibatnya perconto batuan mengalami pembebaban. Besarnya gaya yang membebani perconto batu ini ditransmisikan ke sisitem alat pengukur gaya.

Alat pengukur gaya terdiri dari dua buah jarum penunujuk, yaitu jarum merah dan jarum hitam. Jarum hitam nenunjukkan gaya yang membebani percontoh batu,   sedangkan jarum merah digerakkan oleh jarum  hitam.   Bila  percontoh batu hancur (failure), gaya yang membebani percontoh  batu berkurang,  jarum  hitam  akan  bergerak  kembali  ke  nol sedangkan jarum merah tertinggal pada skala terakhir  yang ditunjukkan jarum hitam. maka  gaya  maksimum  yang  mampu ditahan oleh percontoh batu ditunjukkan oleh jarum merah.

3.2.2.4. Pengoperasian Mesin Tekan

1. Hubungkan mesin tekan dengan  listrik  bertegangan  220 Volt, motor dalam koridisi tidak bekerja.
2. Letakkan percontoh batu  di  pusat   antara  dua plat tekan.
3. Gerakkan jarum merah, ( 12 ) , ke skala  nol  dengan  cara memutar kenob (14).
4. Hidupkan aliran listrik dengan menekan tombol (12).
5. Gerakkan gagang (10) ke posisi (15) up'' dan putar (11) untuk mengatur kecepatan pembebaban
6. Setelah percontoh batu menyentuh plat tekan atas, dan jarum hitam pada  alat  pengukur  gaya  telah  bergerak meninggalkan skala nol, amati  proses  pembebanan,  dan matikan motor bila jarum hitam bergerak kembali ke skala no;. Jarum merah menunjukkan beban (gaya) maksimun yang mampu diterima percontoh batu.
7. Pengujian telah selesai, gagang  (10)   dikembalikan   ke posisi netral.

3.3.PROSEDUR PERCOBAAN

Prosedur pengujian kuat tekan uniaksial dilakukan Sebagai berikut:

3.3.1.preparasi Percontoh

Setelab   dilakukan   pembuatan   percontoh,    dimana pembuatan percontohnya  sama  dengan  pembuatan  percontoh pada uji sifat fisik, maka pada tahapan preparasi ini per­contoh disempurnakan, permukaan percontoh dihaluskan, dan dilakukan pengukuran diameter dan tinggi percontoh. Untuk jelasnya diurutkan sebagai berikut:

1.      Haluskan perukaan percto dengan menggunkan amplas, kikir atau gerenda

2.      Ukur kesejajaran permukaan perconto dengan menggunakan alat squareenes (tidak lebih besar dari satu kali puaran dial pengukur)

3.      Ukur diameter perconto, dilakykan daa kali pada  penampang bawah,masing- masing dalam kedudukan saling tegak lurus ( lihat Gambar 3.7.).

 

Gambar 3.7. Cara Pengukuran Daimeter Percontoh

4.      Ukur tinggi  percontoh,  dilakukan masing sejajar sumbu  aksial  dan saling tegak lurus ( 1ihat Gambar 3. 8 ) . yang  sangat penting adalah ukuran  tinggi percontoh barus berukuran 2            sampai dengan 2,5 kali diameter percontoh. Apabila tidak sesuai dengan ukuran tersebut, maka kuat tekan yang dihasilkan dari pengujian harus dikoreksi. Untuk ukuran tinggi yang lebih kecil dua kali diameternya, kuattekan yang dihasilkan dari pengujian dapat dikoreksi dengan menggunakan ruus Protodyakonov

 

Gambar 3.8. Cara Pengukuran Tinggi Percontoh

3.3.2.Urutan Pengujian

Urutan pengujian kuat tekan uniaksial percontoh adalah sebagai berikut:

1. Contoh dimasukkan pada alat uji kuat tekan uniaksial..
2. Pasang “dial gauge” pada kondisi sempurna, sehingga pebacaan awal kedudukan  dial  gauge  tetap  dalam  keadaan benar,  yaitu 2 (dua) buah dial gauge untuk mengukur regangan lateral dan satu buah  untuk mengukur regangan aksial
3. Atur kedudukan jarum penunjuk besaran gaya yang bekerja pada kedudukan awal.
4. Hidupkan mesin dengan kedudukan piston pada kondisi belumbekarja
5. Gerakan gagang (10) ke arah “up”
6. Putar (11) pada posisi yang  tepat, untuk mengatur kecepatan beban
7. Setelah percontoh menyentuh plat landasan atas, atur dial gauge pada kedudukan nol
8. Amati proses pembebaban, pencatatan yang dilakukan adalah pergerakan deformasi latelar pada dua dial pengukur oleh 2 orang, pencatatan dial deformasi aksial oleh satu orang dan pencatatan jarum pembebaban aksial oleh satu orang, serta satu orang operator
9. Secara terus enerus amati proses pembebaban dengan teliti. Hentikan pembebaban setelah jarum hitam pembaca bergerak kembali ke dudukan nol. Jarum merah adalah jejak pembebenan maksimum pada saat percontoh mengalami keruntuhan
10. Dengan demikian pengujian telah selesai dan kembalikan kedudukan gagang (13) ke arah netral
11. Data-data hasil pembacaan pengujian kemudian diolah, sehingga dapat ditentukan sifat-sifat mekanik, seperti yang telah diterangkan pada bab 3.1