Terbit online pada laman web jurnal :
https://ejournal.sttp-yds.ac.id/index.php/js/index

## SAINSTEK
|    ISSN (Print) 2337-6910    |    ISSN (Online) 2460-1039    |
Analisa  Filler  Nanomicro  Graphene  pada  Campuran  Beton  dengan  Variasi Faktor Air Semen
Muhammad Shalahuddin a *, Andre Novan b , Gussyafri c , Fakhri d , Amun Amri e
a,b,c,d,e Jurusan Teknik Sipil Universitas Riau, Kampus Bina Widya, Jl HR Soebrntas km 12,5, Pekanbaru  28293, Indonesia

## I NFORMASI A RTIKEL

## A B S T R A C T
Sejarah Artikel: Diterima Redaksi: 10 Juni 2024 Revisi Akhir: 28 Juni 2024
Diterbitkan Online : 29 Juni 24
Kebutuhan material modern memerlukan komponen struktural dengan ketahanan dan kekuatan yang lebih baik. Informasi karakteristik beton lanjutan ini untuk mengetahui pengaruh  penggunaan  variasi  few  layer  graphene  dengan  metode  high-shear  liquid exfoliation  pada  campuran  beton.  Preliminary  penelitian  pada  mortal  dilakukan dengan  variasi  graphene  2,5%;  5%;  7,5%;  10%;  12,5%  dan  15%  sebagai  referensi awal  dan  hipotesa.  Selanjutnya  dengan  referensi  awal,  dilakukan  campuran  beton dengan variasi graphene 2.5%, 5%, 7,5% dan 10% dengan spesimen beton ukuran 15 cm x 15 cm x 15 cm dan pengujian dilakukan setelah usia usia 28 hari. Kuat tekan maksimum  terjadi  pada  penambahan  graphene  5%,  nilai  kuat  tekan  lebih  36,31% dibandingkan beton tanpa graphene, nanomicro graphene tidak mempengaruhi berat isi beton juga tidak mempengaruhi kepadatan beton serta tidak mempengaruhi slump beton.
K ATA K UNCI
Graphene, beton, kuat tekan, berat isi, slump

## K ORESPONDENSI
Telepon: 081365748005 E-mail: mhdshalahuddin@lecturer.unri.ac.id

## 1. Pendahuluan
Beton  adalah  campuran  antara  semen  portland  atau semen hidrolik yang lain, agregat halus, agregat kasar dan air, dengan  atau  tanpa  bahan  tambahan  yang  membentuk  massa padat  (SNI,  2002).  Kekuatan,  keawetan  dan  sifat  beton
tergantung  pada  sifat-sifat  bahan  dasar,  nilai  perbandingan bahan-bahannya, cara pengadukannya, maupun cara pengerjaan  selama  penuangan  adukan  beton,  cara  pemadatan dan cara perawatan selama proses pengerasan Tjokrodimuljo, K (2007).
Adapun  sifat-sifat  beton  yang  sering  dipergunakan sebagai  acuan  (Tjokrodimuljo,  K.  2007)  antara  lain  modulus Elastisitas Beton, kekerapan Air dan kuat tekan beton, berat isi beton dan slump beton.
Parameter  yang  mempengaruhi  kekuatan  beton  (Nawy, 2005)  adalah  :  kualitas  semen,  proporsi  semen  terhadap campuran,  kekuatan  dan  kebersihan  agregat,  interaksi  antara pasta semen dan agregat, pencampuran yang cukup dari bahan- bahan pembentuk beton, penempatan yang benar, penyelesaian,
pemadatan beton dan perawatan beton. Bahan pembentuk beton bisa dilakukan dengan aditif untuk mempengaruhi efek kimia maupun efek fisika nya.

## 2. Tinjauan Pustaka
Graphene  mempengaruhi  efek  fisika  beton.  Atom-atom karbon nano-graphene berjarak 0,142 nm membentuk material lapisan  berdimensi  dua.  Jika  dibandingkan  dengan  grafit
J URNAL S AINSTEK STT P EKANBARU - V OL . 12 N O . 1 (2024)
dengan ketebalan 1 mm, dalam 1 mm grafit terdapat sekitar tiga ribu lapisan g raphane (Syakir Dkk, 2015). Dengan pengamatan mikroskop,  graphene  tampak  berupa  material  kristaline berdimensi dua berbentuk heksagonal. Jika lembaran graphene ini dibentuk menjadi bangun ruang bola maka akan diperoleh struktur  fullerene  dan  jika  lembaran  graphene  ini  dibuat berbentuk  tabung  akan  diperoleh  struktur  nanotubes  seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Struktur Graphane dengan Pola Heksagonal (sumber : Brcic, 2016).
Meskipun sangat tipis, kekuatan graphene melebihi baja. Ikatan kovalen  antar  karbon  yang  kuat  menyebabkan  graphene  sulit untuk diregangkan, sehingga memiliki modulus Young hingga 1,1  TPa.  Struktur  yang  terdiri  dari  lapisan-lapisan  membuat grafena  sangat  memungkinkan  untuk  dijadikan  sebagai  serat lembaran  yang  mengisi  rongga  pada  campuran  beton.  Nilai young modulus graphene yang cukup tinggi yang diperkirakan akan menjadi bahan perkuatan pada campuran beton. Tinjauan komprehensif tentang penggabungan graphene ke dalam pasta semen  telah  dilakukan  (Du  et  al.,  2020;  Lin  dan  Du,  2020). Penggunaan  graphene  nanoplatelets  dapat  meningkatkan konduktivitas listrik komposit semen (Le et al., 2014). Serat  graphene  mempengaruhi  sifat  fisik  beton,  karena  serat- serat  nanographene  ini  dapat  mengurangi  keretakan  mikro beton pada saat proses proses mengerasnya beton saat hidrasi, air bereaksi dengan semen portland dalam campuran beton dan membentuk kristal-kristal yang saling mengait dan memadatkan campuran menjadi massa yang keras. Kontribusi pengaruh  retakan  mikro  dengan  adanya  piezoresistif  semen akan  berkurang  pada  pengembangan  masa  depan  komposit semen  yang  mengandung  graphene  nanoplateletes  (Zhi  Ge  et al, 2021). Perubahan resistensi digunakan untuk mewakili sifat piezoresistif  spesimen  di  bawah  kondisi  pembebanan  yang berbeda. Mekanisme yang mendasari pengamatan eksperimental dibahas. Temuan studi ini memberikan wawasan
tentang  sifat  komposit  semen  graphene  secara  konsisten  dan mengungkapkan implikasi praktisnya.
Analisis  sensitivitas  menunjukkan  bahwa  jika  penambahan Graphene  nanoplatelets  mengakibatkan  pengurangan  5% semen  Portland,  efek  campuran  beton  terhadap  pemanasan global  dapat  berkurang  sebesar  21%  (Ioanna  P.  et  al,2019). Graphane  merupakan  struktur  fundamental  penyusun  alotrop karbon  seperti  graphite  dan  carbon  nanotube.  Graphane terbentuk  dari  susunan  atom  karbon  dua  dimensi  yang membentuk  struktur  kristal  heksagonal  menyerupai  sarang lebah. Struktur dua dimensi dan ikatan kovalen pada graphane membuatnya  memiliki  sifat-sifat  yang  unik  dan  luar  biasa. Dengan  keunikan  sifatnya,  graphane  berpotensi  untuk diaplikasikan  diberbagai  bidang  (Brcic,  2016).  Carbon nanotube merupakan  lembaran  atom  graphite  yang dibentuk menjadi silinder berongga (Le et al, 2016).
Penambahan  0,03%  graphene  oxide  meningkatkan  kekuatan lentur beton lebih dari 40%, dan  konsentrasi 0,05% graphene oxide  mengoptimalkan  kekuatan  lentur  sekitar  35%  serta peningkatan hingga 79,5% dalam kekuatan lentur. 0,01–0,1% graphene  berdasarkan  berat  dapat  meningkatkan  kekuatan tekan,  kekuatan  lentur,  dan  modulus  elastis  lebih  dari  100% (Ali H. Alateah, 2023).
Gambaran  umum  tentang  hasil  utama  dari  uji  coba  lapangan yang  menyertainya  di  mana  penggunaan  beton  yang ditingkatkan  dengan  graphene  telah  berhasil  diterapkan  pada skala besar (Lee S.C., 2023).
Ketika  Graphene  nanoplatelets  ditambahkan  ke  dalam campuran beton dengan dosis 0,025%, peningkatan maksimum sebesar  17%  dalam  kekuatan  tekan  diamati,  sementara  tidak ada  efek  signifikan  dari  GNPs  pada  kekuatan  lentur  yang terlihat  (Zhangfan  Jiang  et  al,  2021,  Birenboim  et  al  2019). Memperkuat  fungsi  mereka  karena  struktur  monolayer  dan biaya  rendah  (Sun  et  al.,  2017).  Telah  dilaporkan  bahwa penambahan 0,05 wt% graphene meningkatkan kekuatan lentur dan  tekan  masing-masing  sekitar  20  dan  5%  (Wang  et  al., 2016). Hasil serupa telah dilaporkan dalam studi lain (Alkhateb et  al.,  2013;  Liu  et  al.,  2016).  Ketangguhan  juga  dapat ditingkatkan dengan menggunakan graphene yang dimodifikasi (Wang dan Pang, 2019). Ketahanan terhadap pembekuan/pencairan  dan  korosi  juga  meningkat  dengan berbagai dosis graphene (Tong et al., 2016; Chen et al., 2019).

## 3. Metodologi
Metode yang dilakukan adalah : 1. Graphane    dibuat    dengan    metode    Electrochemical    and Mechanical  Liquid Exfoliation EMLE (Eswaraiah, V, dkk 2014).  Proses nya adalah 10 gram graphite + surfaktan  1,25
gram + aquadest  500 ml, diblender  selama  60  menit serta didiamkan  sampai  buih  menghilang. Variasi penggunaan graphene adalah 2,5 %, 5 %, 7,5 % dan 10 % (ini persentase graphene  cair  EMLE  metoda  Aswariyah  sehingga persentasenya  lebih  besar  dibandingkan  graphene  kering (0,025 % - 0,1 %).
2. Untuk  hypotesa  awal  penggunaan  nano-graphene  pada campuran  beton  maka  dibuat  initial  test  pada  campuran mortar untuk melihat pengaruhnya terhadap kuat tekannya.
3. Buat sampel kubus beton ukuran 15 cm x 15 cm x 15 cm dan uji beton setelah curing 28 hari, uji yang dilakukan:
- Uji berat isi pada beton yang menggunakan graphene untuk  mengetahui  apakah  serat  nano-graphene mempengaruhi  berat  volume  nya,  jumlah  sampel seperti Tabel 1.
- Uji slump dilakukan untuk mengetahui apakah bentuk fisik  partikel  nano-material  graphene  yang  seperti lembaran  serat  mengisi  rongga  antar  partikel, lembaran serat nano-graphene memberikan pengaruh terhadap ikatan fisik antar partikel agregat beton.
- Uji  kuat  tekan  beton  untuk  mengetahui  pengaruh graphene terhadap kuat tekan beton.
Tabel 1. Variasi graphene dan jumlah sampel beton
Variasi Graphene (%) Jumlah sampel Total fas 0,3 fas 0,4 fas 0,5 0 5 5 5 2.5 5 5 5 5 5 5 5 7.5 5 5 5 10 5 5 5 Jumlah 25 25 25 75

## 4. Hasil dan Pembahasan
Hasil  Initial  Test  seperti  pada  Gambar  2,  kuat  tekan  mortar dengan dan tanpa tambahan nano filler graphane memperlihatkan  bahwa    optimasi    penggunaan  graphene adalah  5  %.  Hal  ini  menjadi  referensi  awal  untuk  penelitian filler nano micro graphene pada campuran beton.
Gambar 2. Grafik hubungan persentase graphene dengan kuat tekan mortar
Dari  Gambar  3  terlihat  bahwa  pada  campuran  beton  dengan variasi persentase graphene tidak terlihat perubahan signifikan nilai  berat  isi  beton  dengan  range  2,35  –  2,44  ton/m3, kesemuanya mendekati nilai berat isi beton 2,4 ton/m3 seperti beton  normal  (beton  tanpa  bahan  pengisi  graphene).  Artinya, nanomicro  material  graphane  tidak  mempengaruhi  berat  isi beton  dan  tidak  mempengaruhi  nilai  kepadatan  beton. Perubahan resistansi menjadi tinggi  jika  kandungan  graphene tinggi, nano-partikel mungkin sepenuhnya terhubung satu sama lain melalui kontak (Liu et al., 2016). Oleh karena itu, pengaruh deformasi spesimen menjadi lemah pada resistansi.
Aditif  graphene  mempengaruhi  kuat  tekan  beton  secara  fisik. Graphene yang secara fisik berbentuk nano serat lembaran akan menyelimuti agregat sehingga akan memperbesar nilai gesekan antar  butir.  Perbesaran  gesekan  ini  akan  mempengaruhi  nilai slump beton dan Penambahan GNPs memiliki efek negatif pada workability beton.
Gambar 3. Grafik hubungan variasi penggunaan graphene dengan berat volume beton
0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 K u at te k an , k g/cm 2 Persentase graphene, % 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 0 5 10 15 B er at isi, to n /m3 Persentase graphene, % w/c 0,3 w/c 0,4
w/c 0,5
J URNAL S AINSTEK STT P EKANBARU - V OL . 12 N O . 1 (2024)

## Gambar 4. Hubungan nilai slump dengan persentase graphene.
Dari  Gambar  4  terlihat  bahwa  graphene  secara  umum menurunkan nilai slump, tetapi tidak signifikan sehingga nilai slump  tidak  berada  di  bawah  nilai  slump  minimum. Penambahan graphene secara umum menyebabkan penurunan nilai slump sehingga flowability jugak menurun. Alasan yang mungkin untuk penurunan nilai slump dapat dikaitkan dengan fenomena flokulasi yang disebabkan oleh rasio aspek tinggi dan gaya  van  der  Waals  yang  kuat  dari  graphene.  Secara  lebih spesifik, graphene tersebar dalam beton segar pada permukaan agregat, yang menghambat aliran normal beton segar.

## Gambar 5. Hubungan kuat tekan beton dengan persentase graphene.
Pada Gambar 5 terlihat bahwa pada w/c 0,4 dan w/c 0,5 nilai kuat tekan beton tertinggi pada saat persentase graphene 5 % sedangkan  pada  saat  w/c  0,3,  nilai  kuat  tekan  beton  tertinggi pada  persentase  graphene  7,5  %.  Makin  kecil  nilai  faktor  air semen  maka  penggunaan  persentase  additive  graphene  akan membesar.
Penggunaan  faktor  air  semen  0,5  biasa  di  lakukan  pada produksi  beton  non  pabrikasi  di  lapangan.  Dianjurkan penggunaan  beton  hasil  pabrikasi, karena dengan bahan  yang sama kuat tekan beton yang dicapai lebih tinggi karena faktor air  semen    0,3.  Makin  kecil  w/c  maka  kuat  tekan  beton  akan lebih  tinggi.  Peningkatan  kekuatan  terlihat  signifikan  pada konsentrasi  graphene  nanoplatelets  sebesar  0,05%  dan  0,1%, dengan  peningkatan  masing-masing  sebesar  13,23%  dan 16,58% (Rayed Al Yousef et al, 2024, Baomin et al 2019).

## 5. KESIMPULAN
Kesimpulan dari penelitian adalah :
1. Terjadi  optimasi  kuat  tekan mortar dengan penggunaan graphene  adalah 5 %.
0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 Slum p , % Persentase graphene, % w/c 0,3 w/c 0,4 w/c 0,5 250 300 350 400 450 500 0 5 10 Ku at t ek an b et o n , k g/ cm2 Persentase graphene, % w/c 0,3 w/c 0,4
w/c 0,5
2. Penggunaan graphene tidak  signifikan terhadap berat isi beton, nilainya umumnya mendekati 2,4 ton/m3.
3. Penambahan  graphene  menyebabkan  penurunan  nilai slump  dan  flowability  yang  dikaitkan  dengan  fenomena flokulasi  yang  disebabkan  oleh  rasio  aspek  tinggi  dan gaya van der Waals yang kuat dari graphene.
4. Nilai  kuat  tekan  beton  tertinggi  pada  saat  persentase graphene 5 %, nilai kuat tekan lebih 36,31% dibandingkan beton  tanpa  graphene.  Nilai  faktor  air  semen mempengaruhi persentase graphene.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Kepala Laboratorium Material Kimia  Universitas  Riau  yang  telah  mengizinkan pembuatan graphene dari grafit metoda EMLE.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Ali  H. Alateah,  2023,  Graphene  concrete:  Recent advances in production methods, performance properties, environmental  impact  and  economic  viability,  j.case studies  in  construction  materials,  volume  19  Desember 202.
2. Alkhateb, H., Al-Ostaz, A., Cheng, A. H.-D., and Li, X. (2013).  Materials  Genome  for  Graphene-Cement Nanocomposites. J. Nanomech. Micromech. 3 (3), 67–77.
3. Baomin,  W.,  and  Shuang,  D.  (2019).  Effect  and Mechanism  of  Graphene  Nanoplatelets  on  Hydration Reaction,  Mechanical  Properties  and  Microstructure  of Cement Composites. Constr. Build. Mater. 228, 116720.
4. Birenboim,  M.,  Nadiv,  R.,  Alatawna,  A.,  Buzaglo,  M., Schahar,  G.,  Lee,  J.,  et  al.  (2019).  Reinforcement  and Workability  Aspects  of  Graphene-Oxide-Reinforced Cement Nanocomposites. Compos. B. Eng. 161, 68–76.
5. Brcic,  2016,  H.,  Investigation  of  the  Rheological Properties  of  Asphalt  Binder  Containing  Graphane Nanoplatelets,  Thesis,  Norwegian  University  of  Science and Technology, Norway.
6. Chen,  G.,  Yang,  M.,  Xu,  L.,  Zhang,  Y.,  and  Wang,  Y. (2019).  Graphene  Nanoplatelets  Impact  on  Concrete  in Improving  Freeze-Thaw  Resistance.  Appl.  Sci.  9  (17), 3582.
7. Du, M.,  Jing, H., Gao,  Y., Su, H., and Fang,  H. (2020). Carbon Nanomaterials Enhanced Cement-Based
Composites:  Advances  and Challenges  %. Nanotechnol. Rev. 9 (1), 115–135.
8. Ioanna  Papanikolaou  et  al,  2019,  Graphene  nanoplatelet reinforced  concrete  for  self-sensing  structures  –  A lifecycle  assessment  perspective,  Journal  of  Cleaner Production, Volume 240, December 2019, 118202.
9. Le,  J.  et  al.,  2016,  Graphane  Nanoplatelet  (GNP) Reinforced  Asphalt  Mixtures:  A  Novel  Multifucional Pavement Material, IDEA Program Final Report NCHRP 173.
10. Le,  J.-L.,  Du,  H.,  and  Pang,  S.  D.  (2014).  Use  of  2D Graphene Nanoplatelets (GNP) in Cement Composites for Structural Health Evaluation. Compos. B. Eng. 67, 555– 563.
11. Lee  S.Cunningham,  2023,  Practical  application  of graphene-enhanced concrete, Volume 177 Issue 2, March, 2024, pp. 57-61 jconstruction materials.22.00068.
12. Liu,  Q.,  Xu,  Q.,  Yu,  Q.,  Gao,  R.,  and  Tong,  T.  (2016). Experimental Investigation on Mechanical and Piezoresistive  Properties  of  Cementitious  Materials Containing Graphene and Graphene Oxide Nanoplatelets. Constr. Build. Mater. 127, 565–576.
13. Rayed Al Yousef et al, 2024, Predicting the properties of concrete  incorporating  graphene  nano  platelets  by experimental  and  machine  learning  approaches,  Case studies  in  construction  materials  volume  20  july  2024, e03018.
14. SNI 1970:2008. Cara Uji Berat Jenis dan Penyerapan Air Agregat Halus. Badan Standardisasi Nasional (BSN).
15. Sun, S., Ding, S., Han, B., Dong, S., Yu, X., Zhou, D., et al. (2017). Multi-layer Graphene-Engineered Cementitious Composites with
Multifunctionality/intelligence.  Compos.  B.  Eng.  129, 221–232.
16. Tjokrodimuljo,  K.,  2007.  Teknologi  Beton.  Yogyakarta: Biro  Penerbit  Jurusan  Teknik  Sipil  Fakultas  Teknik UGM.
17. Tong, T., Fan, Z., Liu, Q., Wang, S., Tan, S., and Yu, Q. (2016).  Investigation  of  the  Effects  of  Graphene  and Graphene Oxide Nanoplatelets on the Micro- and Macro- Properties  of  Cementitious  Materials.  Constr.  Build. Mater. 106, 102–114.
18. Wang, B., and Pang, B. (2019). Mechanical Property and Toughening  Mechanism  of  Water  Reducing  Agents Modified  Graphene  Nanoplatelets  Reinforced  Cement Composites. Constr. Build. Mater. 226, 699–711.
J URNAL S AINSTEK STT P EKANBARU - V OL . 12 N O . 1 (2024)
19. Wang,  B.,  and  Shuang,  D.  (2018).  Effect  of  Graphene Nanoplatelets  on  the  Properties,  Pore  Structure  and Microstructure  of  Cement  Composites.  Mat.  Express  8 (5), 407–416. doi:10.1166/mex.2018.1447.
20. Young,  R.  Jet  al.,  2012,  The  Mechanics  of  Graphane Nanocomposites:  A  Review,  Composites  Science  and Technology, 72(12), 1459-1476.
21. Zhangfan  Jiang  et  al,  2021,  Mechanical  properties  of graphene nanoplatelets-reinforced concrete prepared with different  dispersion  techniques,  Volume  303  october 2021, Construction and Building Materials, 124472.
22. Zhi  Ge  et  al  ,  2021,  The  Effect  of  the  Addition  of Graphene  Nanoplatelets  on  the  Selected  Properties  of
Cementitious  Composites,  Volume  7  –  2021,  front  built environ.2021.673346.