Disetujui: 10 April 2020
Jl. Soekarno Hatta No. 9, Malang 65141, Indonesia
© 2020 Politeknik Negeri Malang
E-mail: lusiani1891@polinema.ac.id

## Aplikasi Response Surface Methodology pada Optimasi Penambahan Blast Furnace Slag Terhadap Waktu Pengikatan dan Kuat Tekan Semen
Hardjono Hardjono, Cucuk Evi Lusiani * , Agung Ari Wibowo, Mochammad Agung Indra Iswara
Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Malang, Jl. Soekarno Hatta No. 9, Malang 65141, Indonesia
*E-mail: lusiani1891@polinema.ac.id

## ABSTRAK
Produksi  semen  setengah  jadi  ( clinker )  membutuhkan  energi  yang  tinggi  sehingga  menggunakan  batu  bara dalam jumlah besar. Hal ini menyebabkan biaya produksi dari pabrik semen juga tinggi. Kebutuhan energi yang besar  untuk  menghasilkan clinker tersebut  dapat  dikurangi  dengan  menambahan blast  furnace  slag sebagai campuran  pembuatan  semen.  Campuran clinker dapat  menghasilkan  produk  semen  yang  memiliki  waktu pengikatan  dan  kuat  tekan  sesuai  SNI.  Pengaruh  penambahan blast  furnace  slag sebagai  campuran clinker terhadap  waktu  pengikatan  dan  kuat  tekan  semen  dapat  dioptimalkan  dengan response  surface  methodology (RSM) menggunakan Central Composite Design (CCD). Optimasi dengan menggunakan RSM bertujuan untuk mengetahui kondisi optimum pada penambahan blast furnace slag dan clinker terhadap variabel respon berupa waktu  pengikatan  awal,  waktu  pengikatan  akhir,  dan  kuat  tekan.  Hasil  uji  ANOVA  dan  analisis response surface menunjukkan  bahwa  penambahan blast  furnace  slag sebagai  campuran  dalam  pembuatan  semen memberikan pengaruh yang signifikan terhadap waktu pengikatan awal, waktu pengikatan akhir, dan kuat tekan. Penambahan  5% blast  furnace  slag dengan  92,5% clinker pada  campuran clinker dan gypsum merupakan kondisi optimum yang memberikan pengaruh signifikan terhadap variabel respon.
Kata kunci: Blast furnace slag , clinker, response surface methodology.

## ABSTRACT
The production of clinker consumes high energy and causes high production cost of cement industry. It can be reduced by adding blast furnace slag a s a mixt ure in cement production. The blast furnace slag - clinker mixture can produce cement with setting time and compressive strength according to SNI. The effect of the addition of blast furnace slag as a clinker mixture to the setting time and compressive strength of cement can be optimized by response surface methodology (RSM) using Central Composite Design (CCD). Optimization by using RSM aims to determine the optimum condition of the blast furnace slag  – clinker mixture to the initial setting time, final setting time, and compressive strength.  ANOVA test results and response surface analysis  show that the addition of blast furnace slag into the cement mixture has a significant influence on the initial setting time, final setting time, and compressive strength. The addition of 5% blast furnace slag with  92.5% clinker in the mixture of clinker and gypsum is the optimum condition which gives a significant effect on the response variable.
Keywords : Blast furnace slag , clinker, response surface methodology .

## 1.  PENDAHULUAN
Tuntutan global untuk mengurangi penggunaan  sumber  daya  alam  berlebih menjadikan industri semen harus mengurangi  penggunaan  bahan  bakar  batu bara  terutama  dalam  memproduksi  semen setengah  jadi  ( clinker ). Clinker dihasilkan dari  pemanasan  di kiln pada  suhu  operasi
1400°C.  Untuk  mengurangi  kebutuhan energi yang besar dalam pembuatan clinker , beberapa  material  sebagai  bahan  campuran semen seperti blast furnace slag (BFS) dapat ditambahkan  [1].  BFS adalah  produk  dari produksi  besi  seperti  pada  PT  Krakatau Steel,  yang  telah  diselidiki  dan  digunakan secara  luas,  khususnya  sebagai  bahan
tambahan  untuk  semen  atau  bahan  yang diaktivasi  dengan  alkali.  BFS  ditambahkan sebagai bahan tambahan di finish mill untuk selanjutnya dicampur dengan clinker .
Penelitian  tentang  penggunaan  BFS  sebagai bahan  campuran  dalam  pembuatan  semen telah  dilakukan  sejak  1999.  Osborne  [2] melakukan penelitian tentang durability dari beton portland BFS.  Penelitian  tersebut melaporkan  bahwa  penambahan  BFS  dapat mengurangi  biaya  produksi  dan  konsumsi energi dalam pembuatan semen dibandingkan dengan semen portland
normal.
Penelitian lain juga dilakukan oleh Escalante-Garcia, dkk. [3]
yang menunjukkan  bahwa  beton  yang  dibuat dengan  penambahan activated  slag dapat memberikan  efek  lingkungan  yang  lebih rendah.  Hal  ini  dikarenakan  pada  semen portland dengan penambahan activated slag tidak membutuhkan  proses termal  dan  tidak terdapat  dekarboksinasi  dari  CaCO 3 .  Selain itu,  semen portland dengan  penambahan activated  slag dapat  lebih  tahan  terhadap grinding ,  dan  ukuran  partikel  yang  lebih kasar  dapat  mengurangi  biaya  proses pembuatan semen.
Penelitian  tentang  penambahan  BFS  pada pembuatan  semen  juga  dilakukan  oleh Samsuri,  dkk.  [4].  Penelitian  tersebut menyatakan  bahwa  penambahan  BFS  dapat mengurangi  penggunaan clinker dengan hasil  semen  yang  tetap  memiliki  nilai  kuat tekan  dan  waktu  pengikatan  sesuai  Standar Nasional  Indonesia  (SNI).  BFS  memiliki sifat  seperti  terak  yang  mengandung  oksida besi dan silikat dapat memberikan pengaruh terhadap  kuat  tekan.  Berdasarkan  SNI  15- 2049-2004, syarat fisika utama untuk semen OPC  dalam  pengujian  kuat  tekan  adalah umur 3, 7, dan 28 hari [5].
Besarnya  pengaruh  penambahan  BFS pada pembuatan semen dapat dilihat dari lamanya waktu  pengikatan  awal,  waktu  pengikatan akhir,  dan  nilai  kuat  tekan  sebagai  variabel respon.  Hubungan  antara  variabel  proses terhadap  variabel  respon  dapat  dianalisis menggunakan response surface
methodology (RSM).  Umumnya,  RSM diawali  dengan  langkah  mengidentifikasi variabel bebas atau faktor yang mempengaruhi proses kemudian dilanjutkan dengan  menganalisis  pengaruh  variabel bebas  terhadap  variabel  respon  [6].    Tujuan dari  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui kondisi  optimal  dari  penambahan  BFS terhadap  waktu  pengikatan  awal,  waktu pengikatan  akhir,  dan  nilai  kuat  tekan  dari semen  yang  dihasilkan  dengan  RSM menggunakan Central  Composite  Design (CCD).

## 2. METODE PENELITIAN 2.1. Optimasi dengan RSM
Penelitian ini menggunakan rancangan RSM untuk mendapatkan respon waktu pengikatan  awal,  waktu  pengikatan  akhir, dan  kuat  tekan  yang  optimal  dari  semen yang  dibuat  setelah  hari  ke-28.  Terdapat empat  tahap  dalam  aplikasi  RSM,  yaitu: tahap pembuatan rancangan formulasi, tahap formulasi,  tahap  analisis  respon,  dan  tahap analisis data.

## 2.2. Tahap pembuatan rancangan
formulasi
Rancangan  respon  dilakukan  menggunakan software Design  Expert  11 dengan  CCD. Beberapa  variabel  yang  digunakan  dalam penelitian ini, antara lain;
 Variabel  tetap: Feed gypsum masuk  ke mill yaitu  2,5  %  dari  total  berat  semen; Waktu  tinggal  di mill selama  60  menit; dan  Ukuran  partikel  semua  material sebesar 325 Mesh.
 Variabel bebas dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel  1. Penentuan  variabel  bebas  dan simbol perlakuan pada penelitian.
Variabel bebas Simbol
Range dan level -1 0 1 Blast furnace slag A 0 5 10 Clinker B 87,5 92,5 97,5
 Variabel  respon  yang  dioptimumkan: waktu  pengikatan  awal  (Y 1 );  waktu
pengikatan  akhir  (Y 2 );  dan  kuat  tekan (Y 3 ) dari semen yang dihasilkan.

## 2.3. Tahap Formulasi
Berdasarkan  kombinasi  perlakuan  yang diperoleh  pada  tahap  sebelumnya,  maka langkah  selanjutnya  adalah  formulasi  atau pembuatan  campuran  semen.  Data  hasil percobaan  pada  penelitian  yang  dianalisis menggunakan RSM dapat dilihat pada Tabel 2.

## 2.4. Tahap Analisis Respon
Setiap  variabel  respon  (Y)  kemudian dianalisis  ANOVA  satu  persatu.  Model ANOVA  yang  digunakan  adalah  CCD. Model  ANOVA  yang  terdapat  pada design ini adalah Linear, Quadratic, Special Cubic, dan Cubic .  Model  yang  memberikan signifikansi pada ANOVA dan non signifikansi  pada lack  of  fit dipilih  untuk menganalisis variabel. Model ANOVA yang digunakan dalam penelitian ini adalah model quadratic seperti  pada  penjelasan  di  tahap analisis data.

## 2.5. Tahap Analisis Data
Analisis  data  dilakukan  dengan  analisis quadratic  model untuk  mendapatkan  model optimasi dengan persamaan sebagai berikut:
Y = β o +  β 1 X 1 +β 2 X 2 +  β 11 X 1 2 +  β 22 X 2 2 + β 12 X 1 X 2 +ε Keterangan: Y : variabel respon X 1 , X 2 : variabel bebas β o : parameter konstan β 1 , β 2 : paramater linier β 11, β 22 : parameter variabel kuadrat
β 12 : interaksi ε : random eror Desain eksperimental yang umum digunakan ada dua, yaitu:
1. Central Composite Design (CCD)
2. Box-Behnken Design (BBD)
Kedua desain tersebut ditentukan dari desain faktorial  sederhana  atau  faktorial  pecahan. Desain  yang digunakan dalam penelitian  ini adalah  CCD    dengan  formula  seperti  yang ditunjukkan pada Tabel 3 [7].
Tabel  2. Data  penambahan blast  furnace  slag dan clinker terhadap  waktu  pengikatan  awal, waktu pengikatan akhir, dan kuat tekan menggunakan central composite design (CCD).
Run Factor 1 Factor 2 Response 1 Response 2 Response 3 A: Penambahan BFS   B: Clinker Waktu Pengikatan Awal   Waktu Pengikatan Akhir  Kuat Tekan (%) (%) (menit) (menit) (kg/cm 2 ) 1 5 85,4 90,8 222 408 2 -2,07107 92,5 107 255 350 3 5 99,6 90,8 222 408 4 10 87,5 117,5 240 412 5 12,0711 92,5 117,5 240 412 6 0 87,5 107 255 350 7 5 92,5 90,8 222 408 8 5 92,5 90,8 222 408 9 5 92,5 90,8 222 408 10 0 97,5 107 255 350 11 5 92,5 90,8 222 408 12 5 92,5 90,8 222 408 13 10 97,5 117,5 240 412
Tabel  3. Formula  untuk Central  Composite Design (CCD).
Perlakuan X 1 X 2 1 -1.000 -1.000 2 -1.000 1.000 3 1.000 -1.000 4 1.000 1.000 5 0.000 0.000 6 0.000 0.000 7 0.000 0.000 8 0.000 0.000 9 0.000 0.000 10 1.414 0.000 11 -1.414 0.000 12 0.000 1.414 13 0.000 -1.414
Keterangan:  -1  =  nilai  terendah,  0  =  nilai tengah/medium, 1 = nilai tertinggi.

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN
BFS  sebagai  bahan  aditif  pada  semen portland menjadi alternatif yang dipertimbangkan oleh industri semen. Penggunaan  bahan  ini  dapat  memberikan penurunan  konsumsi  bahan  baku  alami, energi  dan  khususnya,  penurunan  emisi  gas CO 2 dalam  produksi  semen  [2-3].  Hal  ini dikarenakan penambahan BFS dapat mengurangi  penggunaan clinker sehingga penggilingan slag untuk  penggantian  semen hanya  membutuhkan  25%  dari  energi  yang dibutuhkan  untuk  memproduksi  semen portland [8].
Pengaruh  campuran blast  furnace  slag- clinker terhadap  waktu  pengikatan  dan  kuat tekan  dari  semen  yang  dihasilkan  dapat dievaluasi  dengan  13  perlakuan  yang  dapat dilihat  pada  Tabel  2.  Perlakuan  tersebut selanjutnya  diuji  menggunakan  ANOVA untuk  mengetahui  model  persamaan  yang menghubungkan  variabel  bebas  terhadap variabel  respon.  Hasil  uji  ANOVA  dan persamaan  kuadratik  untuk  ketiga  variabel respon dapat dilihat pada Tabel 4 dan 5. Berdasarkan  hasil  uji  ANOVA,  model kuadratik memberikan pengaruh yang signifikan  terhadap  variabel  respon  (waktu pengikatan  awal,  waktu  pengikatan  akhir,
dan kuat tekan) dengan nilai p<0,05. Hal ini menunjukkan  bahwa  model  kuadratik  dapat digunakan  untuk  memprediksi  kondisi respon optimum akibat pengaruh penambahan blast  furnace  slag-clinker sebagai  campuran  untuk  menghasilkan semen.
Gambar  plot  pada  analisis response  surface untuk  pengaruh  penambahan blast  furnace slag - clinker terhadap variabel respon dapat dilihat pada Gambar 1-3.
Gambar 1 dan 2 menunjukkan bahwa waktu pengikatan awal dan waktu pengikatan akhir optimum  terjadi  pada  penambahan  5%  BFS dengan  92,5% clinker .  Waktu  pengikatan awal pada komposisi ini terjadi selama 90,8 menit  dengan  waktu  pengikatan  akhir  222 menit.  Menurut  Hariawan  [9],  waktu pengikatan  awal  pada  semen portland tidak kurang  dari  45  menit  dengan  waktu pengikatan akhir tidak lebih dari 375 menit. Countour  plot dan response  surface pada Gambar 3 memperlihatkan bahwa hasil kuat tekan  untuk  semen  yang  dibuat  setelah  hari ke-28  mengalami  kondisi  optimum  pada penambahan  5%  BFS  dan  92,5% clinker dengan  nilai  sebesar  408  kg/cm 2 .  Ini menunjukkan  bahwa  semen  memiliki  kuat tekan  yang  baik  saat  campuran  BFS  tidak terlalu tinggi. Dubey, dkk. [10] menyatakan bahwa  properti  semen  dapat  dipertahankan sesuai  SNI  pada  penambahan  BFS  dengan rentang  komposisi  penambahan  5-30%.  Hal yang  mempengaruhi  kuat  tekan  semen adalah  kandungan  SiO 2 dan  CaO  yang  ada di  dalam  material.  Berdasarkan  analisis komposisi  bahan,  BFS  mengandung  SiO 2 sebesar  34,8%  dan  CaO  sebesar  45,2%. Hariawan  [9]  melaporkan  bahwa  kadar  C 3 S (3CaO.SiO 2 )  di  dalam  semen  memberikan kontribusi  yang  besar  pada  tekanan  awal semen sedangkan C 2 S (2CaO.SiO 2 ) memberikan kontribusi pada kekuatan tekan dalam umur yang panjang.
Berdasarkan  Gambar  1-3  dapat  dilihat bahwa  penambahan  5%  BFS  dengan  92,5% clinker merupakan  kondisi  optimum  yang memberikan  pengaruh  signifikan  terhadap waktu  pengikatan  awal  (90,8  menit),  waktu
pengikatan akhir (222 menit), dan kuat tekan (408 kg/cm 2 ) pada pembuatan semen setelah 28 hari.
Tabel  4. Hasil  uji  ANOVA  dari  pengaruh  penambahan blast  furnace  slag-clinker terhadap waktu pengikatan awal, waktu pengikatan akhir, dan kuat tekan.
Respon Model Mean Square f-value p-value R 2 Keterangan Waktu pengikatan awal Quadratic 283,42 8,45 0,007 0,8579 signifikan Waktu pengikatan akhir Quadratic 420,71 8,8 0,0063 0,8627 signifikan Kuat Tekan Quadratic 1518,37 20,08 0,0005 0,9348 signifikan
Tabel  5. Model  persamaan  kuadratik  hasil  uji  ANOVA  dari  waktu  pengikatan  awal,  waktu pengikatan akhir, dan kuat tekan.
Respon Persamaan R 2 Waktu Pengikatan Awal Y 1 = 90,8 + 4,48*A – 13,41* A 2 + 2,68*B 2 0,8579 Waktu Pengikatan Akhir Y 2 = 222 – 6,4* A + 15,94* A 2 + 3,19*B 2 0,8627 Kuat tekan Y 3 = 408 + 26,46* A – 16,87* A 2 – 3,37*B 2 0,9348
Keterangan:  A = blast furnace slag ; B = clinker ; Y 1 = waktu pengikatan awal; Y 2 = waktu pengikatan akhir; Y 3 = kuat tekan
Gambar  1. Contour  plot dan response  surface dari  penambahan blast  furnace  slag dan clinker terhadap waktu pengikatan awal.
Gambar  2. Contour  plot dan response  surface dari  penambahan blast  furnace  slag dan clinker terhadap waktu pengikatan akhir.
Gambar  3. Contour  plot dan response  surface dari  penambahan blast  furnace  slag dan clinker terhadap kuat tekan.

## 4.  KESIMPULAN
Penambahan  BFS  sebagai  campuran  dalam pembuatan  semen  memberikan  pengaruh yang  signifikan  (p<0,05)  baik  terhadap waktu  pengikatan  awal  (90,8  menit),  waktu pengikatan akhir (222 menit), dan kuat tekan (408 kg/cm 2 ) pada pembuatan semen setelah 28  hari.  Penambahan  5% blast  furnace  slag dengan  92,5% clinker pada  campuran clinker dan gypsum merupakan  kondisi optimum yang memberikan pengaruh signifikan terhadap variabel respon.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Dalam  penyusunan  jurnal  ini,  penulis mengucapkan  terima  kasih  kepada  Usman Harmuji  dan  Muhammad  Rahmatulloh Shodiqin yang telah membantu mengerjakan penelitian  ini  dan  juga  kepada  Politeknik Negeri  Malang  yang  telah  membantu  di bidang finansial untuk terlaksananya penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] F. Alemayehu, O. Sahu,
Minimalization of Variation in Clinker
Quality, Advances in Materials, vol. 2, no. 2, hal. 23-28, 2013.
[2] G.  J.  Osborne,  Durability  of  portland blast-furnace  slag  cement  concrete, Cement  and  Concrete  Composite ,  vol. 21, no. 1, hal. 11-21, 1999.
[3] J.  I.  Escalante-Garcia,  L.  J.  Espinoza- Perez, A. Gorokhovsky, L. Y. Gomez- Zamorano, Coarse blast furnace slag as a  cementitious  material,  comparative study  as  a  partial  replacement  of
Portland  cement  and  as  an  alkali activated  cement, Construction  and Building Materials , vol. 23, no. 7, hal.
2511-2517, 2009.
[4] S.  Samsuri,  N.  Tjahjono,  C.  Fatma  P., Pengaruh Granulated  Blast  Furnace Slag dalam  Semen  terhadap  Kapasitas Produksi,  Kuat  Tekan  Mortar,  dan Nilai  Ekonomis, Widya  Teknika, vol.
24, no. 2, hal. 67-71, 2016.
[5] SNI  15-2049-2004, Semen  Portland,
Badan Standarisasi Indonesia.
[6] H. Niawanti, N. P. Putri, N. Rabimardani, S. Amalia, C. E. Lusiani, Modelling of Tannin Mass Transfer on the Averrhoa  Bilimbi Leaf  Extraction using  Box-Behnken  Design, Eurasian Journal of  Biosciences , vol. 13, no. 2, hal. 2327-2335, 2019.
[7] D.  C.  Montgomery,  Design  and Analysis of Experiments, Third Edition.  New  York:  John  Wiley  and Sons, 1991.
[8] A.  Ehrenberg,  CO 2 Emissions  and Energy  Consumption  of  Granulated Blast  Furnace  Slag,  in:  EUROSLAG
(3rd  European  Slag  Conference), Keyworth, UK, hal. 151–166, 2002.
[9] J.  B.  Hariawan,  Pengaruh  Perbedaan Karakteristik  Tipe  Semen  Ordinary Portland  Cement  (OPC)  dan  Portland Composite  Cement  (PCC)  terhadap Kuat  Tekan  Mortar  dan  Setting  Time, Universitas Gunadarma, 2007.
[10] A.  Dubey,  R.  Chandak,  R.  K.  Yadav, Effect  of  Blast  Furnace  Slag  Powder on  Compressive  Strength  of  Concrete, International Journal of Scientific  and Engineering  Research, vol.  3,  no.  8, hal. 1-5, 2012.