Tiongkok telah membuat kemajuan signifikan dalam penelitian dan penerapan praktis perkuatan dan penguatan struktur menggunakan komposit serat karbon. Metode umum yang digunakan dalam bidang teknik meliputi pembesaran bagian, pelapisan baja, pratekan, pengikatan pelat baja, dan pengikatan komposit serat karbon. Metode perkuatan tradisional umumnya sudah ketinggalan jaman, dengan proses dan teknik konstruksi yang rumit sehingga dapat memengaruhi bobot struktur dan area yang dapat digunakan. Sebaliknya, metode ikatan komposit serat karbon menawarkan keunggulan seperti kekuatan tinggi, efisiensi, ketahanan korosi, kemudahan konstruksi, dan tidak adanya peningkatan dimensi struktur, sehingga banyak digunakan dalam proyek-proyek teknik.

1. Prinsip Penguatan Komposit Serat Karbon

Penguatan struktur beton dengan serat karbon adalah metode modern yang memulai penelitian pada tahun 1980-an dan diperkenalkan ke Tiongkok pada tahun 1996. Metode ini dengan cepat mendapat perhatian di komunitas teknik, menjadi topik hangat untuk penelitian dan penerapan. Metode ini melibatkan pengikatan komposit serat karbon ke permukaan struktur beton, meningkatkan kekuatannya dan meningkatkan kinerjanya melalui kerja kolaboratif antara serat dan struktur.

2. Bahan Komposit Serat Karbon

Bahan utama yang digunakan untuk memperkuat dan memperbaiki struktur beton dengan komposit serat karbon adalah kain serat karbon dan resin yang kompatibel. Komposit serat karbon dikenal dengan kekuatan tinggi, modulus elastisitas tinggi, ringan, dan ketahanan korosi yang sangat baik, dengan kekuatan tarik sekitar sepuluh kali lipat dari batang baja biasa. Resin yang kompatibel mencakup resin dasar, resin perata, dan resin pengikat. Resin ini meningkatkan kualitas ikatan serat karbon dan membantu membentuk badan material komposit dengan beton, sehingga meningkatkan ketahanan lentur dan geser struktur.

2.1 Kain Serat Karbon

Kain serat karbon dapat dikategorikan berdasarkan bahan bakunya menjadi kain berbahan dasar PAN, berbahan dasar viscose, dan berbahan dasar aspal. Kain tersebut juga bervariasi berdasarkan spesifikasi, termasuk kain serat karbon derek 1K, 3K, 6K, 12K, dan 24K atau lebih besar, dan melalui proses karbonisasi menjadi kain grafit, karbonisasi, dan pra-oksidasi. Selain itu, mereka berbeda dalam metode menenun, seperti kain tenun, rajutan, jalinan, dan kain yang sudah diresapi.

2.2 Bahan Pengikat

Perekat yang digunakan untuk perkuatan komposit serat karbon meliputi tiga jenis: primer (resin dasar), resin perbaikan (bahan perata atau dempul), dan resin impregnasi. Primer memperkuat permukaan beton, meningkatkan ikatan antara beton dan komposit serat karbon. Resin perbaikan meratakan permukaan beton, memfasilitasi adhesi lembaran serat karbon. Resin yang diresapi mengikat serat karbon bersama-sama dan ke beton, membentuk material komposit yang tahan terhadap gaya eksternal. Kinerja resin impregnasi sangat penting untuk penguatan efektif struktur beton.

3. Kinerja Unggul dari Struktur Beton Bertulang Komposit Serat Karbon

• Kekuatan Tinggi dan Modulus Elastis:Komposit serat karbon menawarkan kekuatan tarik yang tinggi, kira-kira sepuluh kali lipat dari baja, dan modulus elastisitas yang sebanding dengan baja.

• Ketahanan dan Daya Tahan Korosi:Komposit serat karbon stabil secara kimia dan tidak bereaksi dengan asam, basa, atau garam, memberikan ketahanan korosi dan daya tahan yang sangat baik untuk struktur yang diperkuat.

• Koefisien Ekspansi Termal Rendah:Komposit serat karbon memiliki koefisien muai panas yang sangat rendah, hampir nol pada arah serat.

• Kemudahan Konstruksi dan Efisiensi Tinggi:Penguatan dengan kain serat karbon tidak memerlukan mesin berat atau peralatan besar, menempati ruang minimal, dan memungkinkan pemotongan fleksibel dan pemasangan cepat.

• Kualitas Konstruksi Terjamin:Kain serat karbon, karena fleksibel, dapat melekat dengan baik pada permukaan yang tidak rata setelah perbaikan, sehingga mencapai tingkat adhesi efektif lebih dari 95%.

• Dampak Minimal pada Struktur:Profil komposit serat karbon yang ringan dan tipis tidak meningkatkan berat atau dimensi struktur aslinya secara signifikan, sehingga mempertahankan ruang yang dapat digunakan.

• Beragam Aplikasi:Cocok untuk memperkuat berbagai jenis struktur, bentuk, bahan, dan berbagai titik lemah pada elemen struktur.

4. Aplikasi Penguatan Komposit Serat Karbon pada Struktur Beton

Dalam teknik praktis, kain serat karbon terutama digunakan untuk penguatan. Teknologi ini sudah matang dan diterapkan secara luas di beberapa bidang:

• Meningkatkan Kapasitas Geser:Kain serat karbon berkontribusi terhadap ketahanan geser serupa dengan sengkang dan membantu mencegah kelelehan dini tulangan utama dengan menahan beton dan menahan tegangan tarik.

• Meningkatkan Kapasitas Lentur:Dengan mengikat kain serat karbon ke permukaan tarik elemen struktur, kapasitas lenturnya meningkat secara signifikan.

• Meningkatkan Kinerja Seismik:Kain serat karbon dapat meningkatkan keuletan dan kapasitas penyerapan energi elemen beton, terutama pada sambungan balok-kolom dan kolom di bawah beban aksial, sehingga menghasilkan perkuatan seismik yang sangat baik.

• Meningkatkan Ketahanan terhadap Kelelahan:Balok beton bertulang dan balok beton pratekan yang diperkuat dengan kain serat karbon mempertahankan kekuatan dan kekakuan setelah siklus pembebanan berulang, sehingga secara signifikan memperpanjang umur kelelahan dan mengurangi deformasi.

5. Keterbatasan Penguatan Komposit Serat Karbon pada Struktur Beton

• Kerapuhan:Serat karbon bersifat linier elastis dan rapuh, sehingga memerlukan deformasi struktur yang signifikan agar dapat memanfaatkan sifat-sifatnya secara maksimal.

• Masalah Adhesi:Tulangan serat karbon dapat mengalami kegagalan ikatan sehingga menyebabkan modus kegagalan getas pada struktur beton bertulang.

• Penelitian Terbatas tentang Kinerja Jangka Panjang:Penelitian mengenai kinerja beton bertulang serat karbon pada beban jangka panjang dan beban impak masih kurang.

• Kesenjangan Teoritis:Meskipun terdapat penelitian ekstensif mengenai mekanisme perkuatan geser dan lentur bahan serat karbon pada balok dan kolom, pemahaman penerapannya pada dinding geser masih terbatas.

Secara keseluruhan, teknologi penguatan komposit serat karbon menawarkan manfaat ekonomi, sosial, dan lingkungan yang signifikan. Dengan pengembangan bahan serat karbon, pengurangan biaya produksi, dan penelitian yang sedang berlangsung, teknologi ini akan semakin banyak diaplikasikan dalam perkuatan struktur beton, sehingga menjanjikan masa depan yang cerah.