Tulangan Kompos: Melindungi Infrastruktur Masa Depan dari Stres Iklim

Di seluruh dunia, struktur beton berada di bawah serangan seperti belum pernah terjadi sebelumnya. Tidak hanya lalu lintas yang meningkat di jalan, jembatan dan overpass, perubahan iklim juga meningkatkan peristiwa cuaca ekstrem, termasuk badai keras dan hujan lebat yang mengakibatkan banjir bandang dan peristiwa destruktif lainnya. Di bawah stres seperti itu, beton dapat retak. Ini memungkinkan kerusakan yang cepat dalam lingkungan agresif melalui paparan elemen seperti air laut, yang korosif terhadap tulangan baja.

"Retakan menciptakan jalur untuk agen lingkungan agresif untuk mencapai tulangan dan/atau tulangan pra-tekan dan memulai proses oksidasi korosif," menjelaskan situs inovasi struktur Florida Dept. of Transportation (FDOT, Tallahassee, Florida, AS). "Pendekatan inovatif untuk mengatasi masalah besar ini adalah dengan mengganti tulangan baja tradisional dan benang tulangan dengan fiber-reinforced polymer (FRP)." FDOT telah menjadi pemimpin dalam penggunaan dan pengujian tulangan FRP, serta pengembangan standar desain dan penggunaan, seperti yang dikeluarkan oleh American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan, AS). Meskipun tulangan kompos terutama dibuat dengan serat kaca (GFRP atau GRP), produk juga telah dikembangkan menggunakan basalt (BFRP) atau serat karbon (CFRP).

"Dengan sejarah korosi yang panjang dan mahal di seluruh dunia, baja tidak lagi dianggap opsi hemat biaya dalam lingkungan agresif," kata Nick Crofts, CEO produsen tulangan GFRP Mateenbar (Dubai, Uni Emirat Arab dan Concord, North Carolina, AS), suplai terkemuka untuk proyek tulangan GFRP terbesar di dunia. Proyek ini adalah saluran mitigasi banjir panjang 23 kilometer dan lebar hingga 80 meter di Jizan, Arab Saudi. Meskipun tulangan GFRP telah ada selama 30-40 tahun, kata Crofts, proyek kunci seperti Saluran Banjir Jizan sekarang mendorongnya ke infrastruktur mainstream. Pertumbuhan ini sudah membenarkan pabrik baru Mateenbar di Arab Saudi dan AS.

Teknologi Tulangan GFRP Pionir

Tulangan GFRP Mateenbar dikembangkan oleh Pultron Composites (Gisborne, Selandia Baru), pionir dan spesialis dalam teknologi pultrusion dan inovasi produk. Mateenbar mengatasi tantangan unik pasar tulangan, yang tidak hanya menuntut volume tinggi dan harga rendah, tetapi juga memerlukan produk untuk ditentukan oleh arsitek dan/atau insinyur proyek. Jadi, pabrik pertama Mateenbar pada tahun 2008 dibangun di dekat pelanggan potensial dan firma insinyur proyek di Dubai, Uni Emirat Arab, wilayah yang dikenal dengan proyek infrastruktur besar dan penggunaan pionir kompos dalam konstruksi. Pultron tetap menjadi mitra strategis Mateenbar dan suplai kunci untuk teknologi dan pengembangan produk khusus.

Langkah Manufaktur

Pabrik Mattenbar menggunakan teknologi canggih Pultron untuk menghasilkan tulangan pultruded yang sangat konsisten pada throughput tinggi tanpa emisi senyawa organik volatile (VOC). "Kami menginjeksi resin dan mengeringkan di dalam cetakan pultrusion baja yang dirancang," kata Crofts.

"Tulangan ini adalah produk teraktingkat dengan performa dimensi lebih baik dari ±1%," katanya. "Tidak ada alasan untuk melihat resin di lantai atau debu di udara. Serat yang digunakan adalah ECR glass tahan karat dari Owens Corning (Toledo, Ohio, AS) dan resin adalah varian kami sendiri dari vinyl ester bertulang epoksi. Ini memaksimalkan ketawanan, kekuatan dan daya tahan, dan jauh lebih unggul daripada tulang dasar polyester dengan akhir epoksi."

Batang bundar yang dipultruded kemudian dimesin untuk membuat profil spiral yang memungkinkan adhesi beban di dalam beton. "Itu juga merupakan operasi tertutup," Crofts menunjukkan, "menggunakan booth mesin yang dilengkapi sistem penyaringan udara Donaldson (Bloomington, Minnesota, AS). Kami kemudian menerapkan film resin di luar untuk meningkatkan penanganan. Tulangan Mateenbar diproduksi dengan panjang hingga 80 kaki, dipotong sesuai panjang yang diperlukan. "Seringkali terlihat panjang 40 kaki untuk sebagian besar proyek infrastruktur dan konstruksi," kata Crofts.

"Rata-rata tulangan lurus kami berdiameter 0,75 inci, dengan modulus tarik 8.700 ksi (60 GPa) yang dibuat dari serat kaca 11.600 ksi (80 GPa); sehingga, konten serat sangat tinggi — lebih dari 80 persen menurut bobot. Tidak ada cara untuk melukkan ini, jadi tulangan GFRP yang dilukkan kami dibuat menggunakan proses dan resin yang berbeda, dengan teknologi milik."

Proyek Tulangan GFRP Terbesar di Dunia

Jizan (juga dieja Jazan) adalah ibukota Wilayah Jizan, yang terletak di sudut barat daya Arab Saudi, utara dari persekutuan dengan Yaman. Banjir bandang yang merusak terjadi selama hujan lebat berkala karena air limbah dari pegunungan di dekatnya. Saluran drainase air hujan beton reinforced panjang 23 kilometer dibangun untuk melindungi zona industri besar yang mencakup rafineri minyak untuk Saudi Aramco (Dhahran, Arab Saudi).

Sampai pandemi COVID-19, Saudi Aramco adalah perusahaan terbesar di dunia dalam hal pendapatan. Ini menangani semua bisnis minyak dan produk turunan Kerajaan dan juga menyumbang 10 persen semua konstruksi di Arab Saudi. "Saudi Aramco menyadari bahwa persentase besar anggaran tahunannya dihabiskan untuk mengganti struktur beton," kata Crofts. "Salinitas tinggi di pasir wilayah dan delta suhu yang tinggi dari siang ke malam menyebabkan retakan yang lebih cepat di beton. Saudi Aramco mulai mencari teknologi alternatif, dan, sebagai anggota ACI, mereka mengambil strategi mereka dari standar tulangan FRP yang dikembangkan, lebih mengadaptasi dan menyempurnakannya sebagai standar Saudi Aramco. Perusahaan kemudian mewajibkan penggunaan tulangan GFRP di lingkungan yang sangat korosif."

Saudi Aramco meminta tender untuk proyek saluran banjir Jizan dan kemudian memilih tiga suplai tulangan GFRP. Mateenbar diberikan 50 persen kontrak. "Kami menunggu beberapa bulan sementara proyek bersiap," Crofts ingat, "dan kemudian, tiba-tiba, semua bahan dibutuhkan segera. Pabrik Dubai beroperasi dengan penuh dalam waktu satu minggu dan menghasilkan hampir 6.000 kilometer tulangan GFRP selama tujuh bulan."

Setelah dikirimkan, tulangan dipasang oleh kontraktor proyek, Al Yamama Group (Dammam, Arab Saudi). "Kira-kira kami akan perlu memberikan banyak bantuan selama pemasangan, tetapi tidak diperlukan," kata Crofts. "Mereka menemukannya jauh lebih cepat dipasang daripada tulangan baja." Dengan berat 25 persen dari tulangan baja, tulangan GRFP memungkinkan penanganan panjang yang lebih lama dengan lebih sedikit orang dan lebih mudah dipindahkan dan diposisikan. "Juga membutuhkan lebih sedikit pipa penempatan," katanya. "Bagian bundar pipa ini digunakan untuk mendukung tulangan pada posisi ketinggian yang tepat di dalam beton."

Setelah tulangan ditempatkan, diikat bersama dengan kawat stainless steel dan diperiksa, siap untuk beton dicurahkan di atas. Tim pemasangan tulangan bergerak begitu cepat, kata Crofts, mereka sebenarnya satu kilometer di sepanjang saluran lebar 40 hingga 80 meter sebelum mereka menyadari operasi penuangan beton tidak bisa mengejar. "Jadi, mereka berhenti dan membiarkan beton mengejar," katanya. "Ini penting karena jika hujan lebat datang, banjir mengisi saluran dengan pasir. Ini terjadi beberapa kali, menyebabkan keterlambatan, tetapi juga menyoroti pentingnya saluran drainase ini."

Setelah beton dicurahkan di atas tulangan, tim pemasangan memadatkan dan menekannya untuk menghilangkan gelembung udara, dan kemudian mengeras selama beberapa hari dan minggu berikutnya. "Tidak ada perbedaan antara GFRP dan tulangan baja untuk langkah-langkah ini," kata Crofts. "Kami selesai menyuplai tulangan pada Januari 2020, dan saluran baru saja selesai."

Desain, Biaya dan Masa Depan GFRP

Crofts menunjukkan bahwa tulangan GFRP bukan pengganti langsung untuk baja. "Tulangan GFRP memiliki properti yang berbeda dari tulangan baja. Perbedaan ini harus diakomodasi dalam desain. Jadi sedangkan beton reinforced dengan baja biasanya dirancang menurut ACI 318, ini tidak akan cocok untuk tulangan GFRP, yang bergantung pada pedoman desain ACI 440. Sebagai contoh, tulangan GFRP memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi dari baja, tetapi modulus tarik yang lebih rendah. Ini juga elastis hingga titik kegagalan." Crofts mencatat bahwa dalam desain baja, jumlah tulangan biasanya ditentukan oleh kekuatan tarik. Namun, untuk GFRP, modulus biasanya adalah faktor yang menentukan jumlah tulangan yang diperlukan. Memenuhi persyaratan ini biasanya menghasilkan struktur yang akan melebihi persyaratan kekuatan akhir. Ini juga memastikan mode kegagalan yang diinginkan dalam struktur reinforced tulangan GFRP.

Pertimbangan lain adalah produksi lentukan dan bentuk. Crofts mencatat rasio tulangan dilukkan terhadap lurus dalam proyek adalah, rata-rata, sekitar 30 persen. Dengan tulangan baja, fabrikasi ini seringkali diselesaikan di lokasi. "Tulangan dilukkan Mateenbar diproduksi di pabrik lingkungan terkontrol kami dan dikirim langsung ke lokasi tanpa langkah fabrikasi perantara," katanya. "Ini dapat menjadi tantangan dari segi pasokan karena kebutuhan berubah dari satu minggu ke minggu berikutnya. Kami telah menemukan bahwa fleksibilitas dan memiliki pabrik di wilayah yang sama sangat penting."

"Biaya tulangan GFRP 3-4 kali lebih tinggi dari baja jika dihitung dalam dolar per pon," kata Crofts, "karena produk kami memiliki satu-empat densitas. Ukuran yang tepat adalah dolar per kaki karena tulangan sebenarnya ditentukan dan dibeli sebagai fraksi dari volume beton. Saat Anda mengukur biayanya menurut volume, tulangan GFRP bersaing biaya dengan baja."

"Jizan adalah proyek mega pertama yang tidak mengizinkan baja," kata Crofts. "Mereka memiliki tim untuk merancang struktur yang diperlukan dengan umur pakai lebih dari 100 tahun. Beberapa produsen tulangan GFRP sekarang mencari lokasi di Arab Saudi seiring pertumbuhan permintaan." Mateenbar juga membangun pabrik baru di sana, serta satu di Concord, North Carolina, AS, untuk melayani Amerika Utara, yang merupakan pasar kedua terbesar setelah Timur Tengah. Kedua pabrik baru ini modern, fasilitas 100.000 persegi, menggunakan teknologi pultrusion canggih Pultron. Untuk keduanya, peralatan dikirim pada Oktober 2020, dan produksi diharapkan dimulai pada awal tahun 2021.

Seiring pertumbuhan permintaan tulangan GFRP di Timur Tengah, pasar di Amerika Utara terus matang. "Saat ini, aplikasi tulangan GFRP terbesar di Amerika Utara adalah pantai tepi laut dan jembatan di sepanjang pantai atau di mana jalan sangat di garam," kata Croft. "Namun, DOT dan pemilik aset sekarang mencari untuk meningkatkan biaya selama siklus hidup struktur [CQ setuju, lihat "The growing role of composites in infrastructure"], yang termasuk mengurangi kebutuhan perawatan dan membangun infrastruktur yang tahan lama dan berkelanjutan. Insinyur konsultan dan pengguna akhir melihat nilai teknologi tulangan GFRP dan produsen tulangan GFRP bekerja sama pada standar kualitas dan performa. Ada juga pengguna terkemuka, seperti FDOT, yang mempromosikan teknologi dan membantu DOT lainnya, yang telah membantu menyebarkan pengetahuan."

Crofts mencatat bahwa FDOT baru-baru ini menggelar webinar tentang desain beton reinforced tulangan GFRP dengan 200 peserta. Dalam webinar lain, Dr. Antonio Nanni, salah satu peneliti kunci di University of Miami (Miami, Florida, AS) yang bekerja sama dengan FDOT menyatakan, "FRP rebar is ready for prime time." Itu telah terbukti, kata Crofts. "Pekerjaan sekarang adalah bagi lebih banyak perusahaan untuk menentukan dan kontraktor untuk menggunakannya."