Vol. 3 No. 1 Juni 2019
Penentuan Parameter Rangkak pada Bentonit sebagai Bahan Penyangga ( Buffer Material ) dengan Uji Geser Langsung
Arintha I.D. Syafiarti 1 , Huang Wei-Hsing 2 , Chung Chih-Chung 3
1 Jurusan Teknik Sipil, Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya, Indonesia
2,3 Department of Civil Engineering, National Central University, Taiwan E-mail: arinthatasyafiarti@gmail.com, t321655@ncu.edu.tw, chung.chih.chung@gmail.com
Received 15 Mei 2019; Reviewed 17 Mei 2019; Accepted 24 Juni 2019 http://jurnal.borneo.ac.id/index.php/borneoengineering

## Abstract
A preliminary research to investigate the creep behavior of bentonite as buffer material in a high- level nuclear or radioactive waste disposal hole as bentonite needs to maintain the stability of the waste canister for a long time, to avoid the displacement caused by the weight of the canister itself and the thermal, hydrological, mechanical and chemical (THM-C) processes of the near filed. The increase of bentonite time-dependent strain or creep needs to be taken into account for the safety of the  disposal  hole.  The creep  parameters  obtained  from  the angular strain  rate equation,  through stress-controlled direct shear test using compacted SPV200 bentonite samples. The test results show an increase in angular strain rate with increasing of the applied stress.
Keywords: bentonite, creep, direct shear test, angular strain rate, stress

## Abstrak
Penelitian pendahuluan untuk menentukan sifat rangkak bentonit sebagai bahan penyangga (buffer material) pada sistem penyimpanan limbah nuklir atau radioaktif aktivitas tinggi dimana bentonit harus mampu menjaga kestabilan canister (tabung limbah) untuk waktu yang lama agar tidak terjadi penurunan  yang  dipengaruhi  oleh  berat  canister  itu  sendiri  maupun  proses  termal,  hidrologi, mekanik dan kimia (THM-C) dari lingkungan sekitarnya. Penambahan regangan bentonit seiring dengan berjalannya waktu atau rangkak perlu diperhitungkan untuk keamanan tempat penyimpanan limbah.  Perhitungan  parameter  rangkak  ditentukan  berdasarkan  persamaan  laju  regangan bersudut,  melalui  uji  geser  langsung  dengan  tegangan  yang  terkontrol  menggunakan  benda  uji bentonit SPV200 yang dipadatkan. Hasil uji menunjukkan peningkatan laju regangan sudut dengan penambahan tegangan.
Kata kunci : bentonit, rangkak, uji geser langsung, laju regangan bersudut, tegangan

## 1. Pendahuluan
Keamanan dari tempat penyimpanan limbah nuklir adalah masalah terkait lingkungan bagi negara- negara yang menjalankan reaktor nuklir. Limbah nuklir aktivitas tinggi harus diisolasi dari aktivitas manusia  agar  tidak  membahayakan  kesehatan  dan  lingkungan,  sehingga  banyak  negara  memilih untuk menyimpan limbah tersebut di dalam batuan induk yang terletak pada 250 m hingga 500 m dari permukaan tanah (Freiesleben, 2013).. Konsep tempat penyimpanan limbah berdasarkan
Manajemen Bahan Bakar Nuklir dan Limbah Swedia (SKB) diilustrasikan dalam Gambar 1, dengan menggunakan bentonit sebagai bahan penyangga canister dari limbah nuklir (SKB, 2006).

## Gambar 1. Konsep desain untuk penyimpanan limbah nuklir tingkat tinggi
Bentonit akan mendapatkan pengaruh dari proses  termal, hidrologi, mekanik dan kimia (THM-C) dari lingkungan sekitarnya (Manepally et.al, 2011). Rangkak yang merupakan pengaruh dari proses hidrologi dan mekanik, akan dialami oleh bentonit yang menahan canister di tempat penyimpanan limbah nuklir aktivitas tinggi, baik dalam kondisi kering maupun dialiri air dikarenakan beban berat yang diberikan canister , menyebabkan canister akan mengalami penurunan (Pusch & Adey, 1999). Karakteristik rangkak bentonit dapat dilihat dari beberapa parameter rangkak berdasarkan persamaan laju regangan bersudut (Pusch et.al, 1987). Parameter rangkak yang ditentukan dalam penelitian ini akan  digunakan  sebagai  masukan  untuk  memperkirakan  besarnya  penurunan  bentonit  di  dalam tempat penyimpanan limbah setelah 100,000 tahun atau lebih.
Regangan akibat rangkak bentonit MX-80 dapat diperoleh dari uji geser langsung (Pusch et.al, 1987; Borgesson et.al, 1988) atau uji triaksial (Borgesson et.al, 1988), dimana hasilnya akan digunakan untuk  mendapatkan  persamaan  laju  regangan  bersudut  yang  merupakan  turunan  pertama  dari regangan bersudut seperti pada Persamaan (1),
𝛾̇ = 𝐴𝑒 𝛼𝐷 𝑟 (𝑡 + 𝑡 0 ) −𝑛 (1)
dimana, 𝛾̇ = laju regangan bersudut rata-rata A = parameter rangkak, ekstrapolasi dari kurva hubungan antara 𝛾 0 ̇ dan D r α = parameter rangkak, kemiringan dari kurva hubungan antara 𝛾 0 ̇ dan D r t 0 = waktu dimulainya rangkak n = parameter rangkak, eksponen waktu 𝛾 0 ̇ = laju regangan pada setiap kenaikan tegangan geser D r = tingkat kenaikan tegangan geser

## 2. Metode Penelitian
Penentuan  urutan  tegangan  untuk  uji  geser  langsung  dengan  tegangan  terkontrol  didasarkan  pada hasil dari kuat geser maksimum yang diperoleh dari uji geser langsung dengan cara konvensional
menggunakan  alat  pada  Gambar  1.  Pengujian  dilakukan  menggunakan  benda  uji  bentonite  jenis SPV200 ( Volclay Bentonite ) dengan variasi kadar air sebesar 11% (kadar air alami), 20%, dan 29% (kadar air jenuh). Persiapan benda uji dilakukan dengan memasukkan bentonit SPV200 yang berbutir halus ke dalam kotak uji dengan diameter 6 cm dan tebal 2 cm yang diletakkan di antara kertas saring dan batu poros kemudian dipadatkan menggunakan mesin tekan hidrolik. Selama pengujian, benda uji menerima tegangan normal sebesar 1.600 kPa yang merespresentasikan berat canister di dalam tempat  penyimpanan  limbah  nuklir.  Pemampatan  akibat  tegangan  normal  dianggap  selesai  ketika perpindahan  vertikal  tidak  lebih  dari  0,01  mm  dalam  waktu  satu  jam.  Laju  geser  dari  pengujian sebesar  0,15  mm/menit  dan  pengujian  dapat  diakhiri  ketika  perpindahan  horizontal  benda  uji mencapai  3  mm  (5%  dari  diameter  benda  uji).  Perpindahan  horizontal,  perpindahan  vertikal  dan tegangan geser dicatat setiap 15 detik hingga akhir pengujian.
Gambar 2. Alat uji geser langsung konvensional
Gambar 3. Alat uji geser langsung dengan tegangan terkontrol
Alat uji geser langsung dengan perangkat pneumatik untuk mengontrol tegangan geser seperti pada Gambar  2  digunakan  untuk  memperoleh  data  regangan  bersudut  dari  bentonit.  Pengujian menggunakan pembebanan ganda bertahap dimulai dari  0.2 𝜏 , 0.4 𝜏 𝑓 , 0.6 𝜏 𝑓 , and 0.8 𝜏 𝑓 , dimana 𝜏 𝑓 adalah kuat geser maksimum. Selama pengujian, benda uji menerima tegangan normal sebesar 1.600 kPa  dan  tegangan  geser  selalu  dijaga  agar  konstan  pada  setiap  tahapannya.  Pengujian  dilakukan terhadap  benda  uji  bentonit  dengan  kadar  air  29%  hingga  mencapai  laju  regangan  bersudut  yang terpantau saat pengujian kurang dari 10 -8 /detik. Perpindahan horizontal dan waktu pengujian dicatat selama pengujian untuk kemudian dapat digunakan untuk menghitung parameter rangkak A , α , dan n berdasarkan Persamaan (1).

## 3.   Hasil dan Pembahasan

## 3.1.  Kuat Geser Bentonit SPV200
Hasil percobaan menunjukkan bahwa kuat geser bentonit SPV200 berkurang dengan meningkatnya kadar  air  pada  Gambar  4.  Perpindahan  horisontal  pada  kekuatan  puncak  semakin  besar  dengan meningkatnya kadar air.
Gambar 4. Grafik hubungan antara perpindahan horizontal dan kuat geser bentonit SPV200
Gambar  5  menunjukkan  perpindahan  vertikal  benda  uji  ketika  proses  uji  geser.  Tinggi  benda  uji dengan  kadar  air  rendah  cenderung  berkurang  atau  memampat.  Sebaliknya,  benda  uji  terus membengkak (swelling) selama proses uji geser berlangsung.
Pada Gambar 6, regangan menjadi konstan sebelum syarat penghentian proses geser terpenuhi. Laju geser diatur pada 0,15 mm/menit yang merupakan kapasitas minimum dari alat uji geser langsung menghasilkan regangan stabil. Dari Gambar7  terlihat laju geser aktual yang diterapkan menjadi lebih kecil  rata-rata  20%  dari  0,15  mm/menit,    menunjukkan  bahwa  laju  geser  tidak  konstan  dari  awal sampai akhir pengujian.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 T eg ang an g es er ( k Pa) Perpindahan horizontal (mm) K u a t   g e s e r  B e n t o n i t  S P V 2 0 0
11% 20% 29%
Gambar 5. Grafik perpindahan benda uji secara horizontal dan vertikal, dengan berat jenis 1,6 g/cm 3 dan kadar air bervariasi.
Gambar  6.  Perpindahan  horizontal  benda  uji  bentonite  selama  proses  uji  geser  langsung konvensional
-0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0 1 2 3 4 5 Per pi ndaha n v er ti k al ( m m ) Perpindahan horizontal (mm) Perpindahan benda uji 11% 20% 29%
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 10 100 1000 10000 100000 Per pi ndaha n hor iz ont al ( m m ) Waktu (detik) Perpindahan horizontal 11% 20% 29%
Gambar 7. Laju geser aktual rata-rata selama proses uji geser langsung

## 3.2   Penentuan Parameter Rangkak Bentonit SPV200
Dari hasil kuat geser tersebut, dapat dirumuskan urutan pembebanan geser pada uji geser langsung dengan tegangan geser yang terkontrol. Hasil perpindahan horizontal saat pengamatan dikoreksi nilanya menjadi regangan bersudut yang kemudian digambarkan hubungannya dengan waktu seperti pada Gambar 8.
Gambar  8.  Regangan  bersudut  bentonite  SPV200  selama  proses  uji  geser  langsung  dengan kenaikan tegangan geser terkontrol
0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0% 10% 20% 30% 40% Laj u G es er ( m m /m eni t) Kadar air Laju geser aktual
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 10 100 1000 10000 100000 1000000
Reg an g an be rsu du t Waktu (detik)
Regangan Bersudut ( Angular strain )
0.2Tf 0.4Tf 0.6Tf 0.8Tf
Perhitungan  parameter  rangkak  dimulai  dengan  menentukan  waktu  dimulainya  rangkak,  t 0 ,  dari kurva hubungan antara regangan bersudut dan waktu, menggunakan metode curve-fitting, sehingga didapatkan  nilai t 0 untuk  masing-masing  regangan  bersudut  pada  setiap  kenaikan  tegangan  geser. Persamaan  regangan  bersudut  yang  merupakan  fungsi  dari  waktu  awal  ditambahkan  dengan  t 0 menggambarkan  regangan  rangkak  yang  terjadi  pada  bentonit  selama  proses  uji  geser  langsung, diperoleh dari regresi semi-log seperti pada Gambar 9.

## Gambar  9.  Hubungan  antara  regangan  rangkak  dengan  waktu  untuk  masing-masing kenaikan tegangan geser
Turunan  pertama  dari  persamaan  di  atas  pada  setiap  kenaikan  tegangan  geser  dipakai  untuk mendapatkan  data  laju  regangan  bersudut  terhadap  fungsi  waktu  pada  Gambar  10  yang merepresentasikan laju rangkak ( creep rate ).
Gambar 10. Laju regangan bersudut (laju rangkak) pada setiap kenaikan tegangan geser
y = 0,0044ln(x) + 0,0034 y = 0,0064ln(x) + 0,0044 y = 0,0054ln(x) + 0,0345 y = 0,0065ln(x) + 0,0648 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 R eg ang an be rsudut Waktu (detik)
R e g a n g a n   R a n g k a k   ( C r e e p  S t r a i n ) 0.2Tf
0.4Tf
0.6Tf 0.8Tf y = 0,0025x -0,913 y = 0,0025x -0,93 y = 0,0025x -0,93 y = 0,0026x -0,916 1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 10 100 1000 10000
100000 1000000
Laj u reg ar ng an ber sudut ( 1/ s) Waktu (detik)
Laju Regangan Bersudut ( Angular strain Rate ) 0.2Tf 0.4Tf 0.6Tf 0.8Tf
Dari Gambar 9 diperoleh persamaan regresi power atau double-log yang menyatakan persamaan 𝛾 0 ̇ pada setiap kenaikan tegangan geser, dimana nilai parameter rangkak n berdasarkan Persamaan (1) dapat  diperoleh  dari  rata-rata  eksponen  dari  semua  persamaan.  Laju  regangan  bersudut  terhadap fungsi  t 0 pada  setiap  kenaikan  tegangan  geser  ditunjukkan  pada  Gambar  11.  Persamaan  regresi eksponensial digunakan untuk menentukan parameter A dan α dari Persamaan (1) berdasarkan kurva pada Gambar 11.
Gambar 11. Hubungan laju regangan bersudut dengan kenaikan tegangan geser
Dari  persamaan  (1),  hasil  penelitian  ini  menunjukkan  bahwa  parameter  rangkak  untuk  bentonit SPV200 adalah
A = 2·10 -6 /s α = 1.06 n = 0.922

## 4. Kesimpulan
Dari  penelitian  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  kekuatan  geser  bentonit  SPV200  berkurang  dengan meningkatnya kadar air. Pembengkakan ( swelling ) bentonit yang dipadatkan selama proses uji geser langsung dapat diamati pada kadar air tinggi. Uji geser langsung konvensional menghasilkan laju geser rata-rata 20% lebih lambat dari 0,15 mm/menit, dan laju geser menggunakan benda uji bentonit tidak dapat konstan hingga akhir pengujian. Hasil uji dengan tegangan geser tekontrol menunjukkan peningkatan  laju  regangan  sudut  dengan  penambahan  tegangan  geser  yang  menghasilkan  nilai α positif. Parameter rangkak A dan n dapat ditentukan sesuai dengan  persamaan dari referensi serta dapat  digunakan  untuk  penelitian  selanjutnya.  Diperlukan  adanya  investigasi  lebih  dalam  tentang pengaruh  aliran  air  saat  proses  uji  geser  langsung  untuk  menyimulasikan  kondisi  bentonit  yang menerima aliran air dari lingkungan sekitar tempat penyimpanan limbah nuklir aktivitas tinggi. Dari hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi input untuk prediksi perpindahan bentonit akibat berat canister maupun  pengaruh  lingkungan  sekitar  dalam  jangka  waktu  100.000  tahun  menggunakan program berbasis metode elemen hingga.
y = 2E-06e 1,0663x 1E-06 1E-05 0,0 0,5 1,0 Laj u reg ang an be rsudut ( 1/ s) Kenaikan Tegangan Geser

## Daftar Pustaka
Borgesson, L., Hokmark, H., & Karnland, O. (1988). Rheological properties of sodium smectite clay. Swedish  Nuclear  Fuel  and  Waste  Management  Co.  Stockholm,  Sweden.  (SKB  TR-88-30). Retrieved from https://www.skb.com/publication/3305/
Freiesleben,  H.  (2013).  Final  Disposal  of  Radioactive  Waste. EPJ  Web  of  Conferences ,  Vol.  54. Retrieved from https://doi.org/10.1051/epjconf/20135401006
Manepally, C., Fedors, R., Basagaoglu, H., Ofoegbu, G., & Pabalan, R. (2011). Coupled Processes Workshop  Report. U.S.  Nuclear  Regulatory  Commission.  (  NRC–02–07–006  ).  Retrieved from https://www.nrc.gov/docs/ML1127/ML112730032.pdf
Pusch, R., & Adey, R. (1999). Creep in buffer clay . Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co.
Stockholm, Sweden. (SKB TR-99-32).
Retrieved from https://www.skb.com/publication/16937/
Pusch, R., Börgesson, L., & Erlström, M. (1987). Alteration of isolating properties of dense smectite clay  in  repository  environment  as  exemplified  by  seven  pre-quarternary  clays  . Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co. Stockholm, Sweden. (SKB TR 87-29). Retrieved from https://www.skb.com/publication/3272/
SKB. (2006). Long-term safety for KBS-3 repositories at Forsmark and Laxemar – a first evaluation . Main  report  of  the  SR-Can project .  Swedish  Nuclear  Fuel  and  Waste  Management  Co.
Stockholm, Sweden. (SKB TR 06-09). Retrieved from https://www.skb.com/publication/1192585/