Asas Geopolimer Teori & Amali

ASAS GEOPOLIMER Teori & AmaliMohd Mustafa Al Bakri Abdullah • Rafiza Abdul Razak ZarinaYahya • Kamarudin Hussin • Liew Yun Ming Heah Cheng Yong • Mohd Izzat Ahmad Penerbit Universiti Malaysia Perlis Kangar • 2017

© EPUB, Universiti Malaysia Perlis, 2017Hak Cipta Terpelihara. Tiada mana-mana bahagian daripada penerbitan ini boleh diterbitkansemula atau disimpan dalam bentuk yang boleh diperolehi semula atau disiarkan dalam bentukdengan apa cara sekalipun termasuk elektronik, mekanikal, fotokopi, rakaman atau sebaliknyatanpa mendapat izin daripada Penerbit Universiti Malaysia Perlis. MALAYSIA.Perpustakaan Negara Malaysia Data Pengkatalogan-dalam-PenerbitanMohd Mustafa Al Bakri Abdullah,ASAS GEOPOLIMER : Teori & Amali / Mohd Mustafa Al BakriAbdullah. Rafiza Abdul Razak. Zarina Yahya. Kamarudin Hussin. Liew Yun Ming.Heah Cheng Yong. Mohd Izzat Ahmad.Includes index ISBN 978-967-5415-60-9 (Print) e-ISBN 978-967-0922-49-2 (eBook) 1. Polymer Impregnated concrete. 2. Cement 3. Rafiza Abdul Razak. I. Zarina Yahya. II. Kamarudin Hussin. III. Liew Yun Ming IV. Heah Cheng Yong. V. Mohd Izzat Ahmad. VI. Judul. 620.136Diterbitkan oleh Penerbit UniMAP, Universiti Malaysia Perlis No. 98, Blok A, Taman PertiwiIndah, Jalan Kangar-Alor Setar, Seriab, 01000 Kangar, Perlis. MALAYSIAAhli Majlis Penerbitan Ilmiah Malaysia (MAPIM), Kementerian Pendidikan Tinggi MalaysiaTel: (04) 979 8131, Fax: (04) 977 5135Laman Sesawang: http://penerbit.unimap.edu.myE-mel: [email protected] terbaik untuk buku elektronik ini ialah dengan iBooks. Penerbit UniMAP tidakbertanggungjawab di atas sebarang kehilangan dan kerosakan yang disebabkan olehpengggunaan aplikasi lain. Maklumat yang diberikan di dalam buku elektronik ini hanya untuktujuan kandungan umum sahaja. Walau bagaimanapun kami cuba mengemaskini maklumatterkini dengan tepat, tiada pernyataan atau jaminan, secara nyata atau tersirat tentangkesempurnaan, ketepatan, kebolehpercayaan, kesesuaian atau ketersediaan berkenaandengan maklumat, produk, perkhidmatan, atau grafik yang terkandung dalam buku elektronikini. Sebarang penggunaan maklumat dalam buku elektornik ini adalah tanggungjawab andasendiri.

KANDUNGANPRAKATABAB 1 – PENGENALAN GEOPOLIMER1.1 Sejarah Geopolimer1.2 Bahan-Bahan dalam Industri Pembinaan1.3 Geopolimer 1.3.1 Ciri-Ciri Geopolimer 1.3.2 Aplikasi Geopolimer1.4 Apa itu Hijau (Green) 1.4.1 Konversi Bahan Buangan 1.4.2 Pembendungan Sisa 1.4.3 Pengurangan Gas Rumah Hijau1.5 Perbezaan antara Konkrit Geopolimer dan Konkrit Biasa1.6 Perkembangan Geopolimer Terkini 1.6.1 Pembangunan Pengetahuan Sains dan Teknologi Geopolimer 1.6.2 Penyelidikan dalam Bidang Geopolimer TerkiniBAB 2 – BAHAN MENTAH DALAM GEOPOLIMER2.1 Pengenalan2.2 Bahan-Bahan Pozzolana 2.2.1 Pozzolan Semulajadi 2.2.2 Pozzolan Buatan2.3 Tanah Liat (Clay)2.4 Bahan Larutan Alkali 2.4.1 Alkali Hidroksida 2.4.2 Larutan Silikat2.5 Bahan Tambah dalam Geopolimer2.6 Agregat (Batu dan Pasir)BAB 3 – TINDAK BALAS KIMIA GEOPOLIMER3.1 Pengenalan 3.1.1 Pencirian Kimia Bahan Pozzolan 3.1.1.1 Fizikal 3.1.1.2 Kimia

3.1.2 Kandungan Mineral dalam Abu Terbang 3.1.3 Terminologi Geopolimer3.2 Proses Geopolimer3.3 Mekanisma Tindak Balas Kimia dalam Geopolimer3.4 Mekanisma Pembentukan Monomer bagi GeopolimerBAB 4 – KAEDAH PEMPROSESAN GEOPOLIMER4.1 Pengenalan4.2 Penyediaan Larutan Kimia 4.2.1 Penyediaan Larutan Alkali 4.2.2 Penyediaan Larutan Natrium Silikat 4.2.3 Penyediaan Larutan Pengaktif Alkali4.3 Proses Pencampuran Geopolimer 4.3.1 Proses Pengadunan Pes Geopolimer dan Konkrit 4.3.2 Proses Persampelan Geopolimer 4.3.3 Proses Pengawetan Geopolimer4.4 Reka Bentuk CampuranBAB 5 – KUALITI KONKRIT GEOPOLIMER5.1 Pengenalan5.2 Konkrit Basah 5.2.1 Kebolehkerjaan 5.2.2 Pengesetan Masa5.3 Konkrit Keras 5.3.1 Keliangan, Ketumpatan dan Penyerapan Air 5.3.2 Kekuatan Mampatan5.4 Ketahanlasakan 5.4.1 Serangan Kimia 5.4.2 Rintangan Api 5.4.3 Ketelapan (Permeability)RUJUKANINDEKS

PRAKATABuku ASAS GEOPOLIMER: TEORI & AMALI dirancang dan diterbitkan khusus bagimengembangkan pengetahuan mengenai transformasi dalam teknologi konkrit masa kini.Dalam perancangan dan penulisan buku ini, tumpuan diberikan kepada teori, proses danpencirian geopolimer. Objektif keseluruhan buku ini adalah untuk memberi pengetahuanmengenai teori dan amali berasaskan hasil penyelidikan kumpulan Geopolimer di PusatKecemerlangan Geopolimer dan Teknologi Hijau (CEGeoGTech). Kumpulan ini merupakanpasukan penyelidik yang membuat penyelidikan terhadap simen dan konkrit berasaskan konsepgeopolimer. Kumpulan ini bergerak berdasarkan penajaan kewangan daripada King Abdul AzizCity Science & Technology (KACST).Penghasilan buku ini adalah hasil daripada idea serta perbincangan di antara staf UniMAP sertarakan-rakan penyelidik dari universiti-universiti lain. Di samping itu juga, pelbagai rujukan telahdibuat bagi menghasilkan sebuah buku yang ringkas, tepat dan padat dengan maklumatmengenai asas geopolimer. Dengan penerbitan buku ini, saya berharap agar ianya dapatdijadikan rujukan bermanfaat serta sedikit sebanyak membantu para penyelidik khasnyapenyelidik-penyelidik yang membuat kajian mengenai geopolimer.Dalam menyiapkan buku ini saya amat berterima kasih kepada rakan-rakan penulis lain iaituZarina Yahya, Rafiza Abdul Razak, Muhd Izzat Ahmad, Liew Yun Ming dan Heah Cheng Yong.Tidak dilupakan sokongan isteri tersayang Puan Norazian Mohamed Noor dan anak-anak. BuatNaib Canselor, YBhg. Brig. Jen. Datuk Prof. Dr. Kamarudin Hussin, terima kasih yang tidakterhingga dalam memberi sokongan kepada saya dalam menyiapkan buku ini. Tidak dinafikanjuga penglibatan individu-individu lain seperti mama dan keluarga tercinta yang memberisokongan kepada saya dalam menyiapkan buku ini. Kepada semua yang terlibat saya inginmengucapkan ribuan terima kasih.Mohd Mustafa Al Bakri AbdullahCEGeoGTech,Pusat Pengajian Kejuruteraan BahanUniversiti Malaysia Perlis (UniMAP)

BAB 1 PENGENALAN GEOPOLIMER1.1 SEJARAH GEOPOLIMERSumbangan utama dalam sejarah perkembangan pengikat pengaktif alkali (alkali-activatedbinders) telah bermula sejak 1940. Jadual 1.1 menunjukkan ringkasan latar belakang sejarahberkenaan dengan ciptaan-ciptaan penting dalam pengikat simen pengaktif alkali (alkali-activated cement binders) (Li, Sun, & Li, 2010; Roy, 1999).Jadual 1.1: Sejarah bibliografi beberapa ciptaan penting tentang pengikat pengaktif alkali (Li et al., 2010; Roy, 1999).TAHUN PENULIS KEPENTINGAN1939 Feret Penggunaan sanga dalam simen.1940 Purdon Gabungan alkali-sanga.1959 Glukhovsky Teori asas dan perkembangan simen beralkali.1965 Glukhovsky Pertama kali dipanggil ‘simen beralkali’.1979 Davidovits Istilah ‘Geopolimer’.1979 Malinowski Pencirian akueduk purba.1983 Forss Simen-F (sanga–alkali–pemudah adun).1984 Langton and Roy Pencirian bahan binaan lama.1985 Davidovits and Sawyer Simen ‘Pyrament’ dipatenkan.1986 Krivenko Tesis DSc, R2O–RO–SiO2–H2O.1986 Malolepsy and Petri Pengaktifan sanga melilit sintetik.1986 Malek et al. Simen sanga-bahan buangan radioaktif pada tahap rendah.1987 Davidovits Perbandingan konkrit lama dan moden.1989 Deja and Malolepsy Daya tahan terhadap klorida diperlihatkan.1989 Kaushal et al. Pengawetan sisa nuklear secara adiabatik dari campuran beralkali.1989 Roy and Langton Analog konkrit lama.1989 Majundar et al. C12A7–pengaktifan sanga.1989 Talling and Brandstetr Sanga diaktifkan alkali.1990 Wu et al. Pengaktifan simen sanga.

1991 Roy et al. Simen diaktifkan alkali cepat mengeras. Kaji selidik umum simen diaktifkan alkali.1992 Roy and Silsbee Campuran CBC dengan metakaolin. Simen sanga.1992 Palomo and Glasser Konkrit lama, moden dan akan datang. Simen beralkali.1993 Roy and Malek Sanga dan mikrostruktur yang telah diaktifkan alkali. Kekuatan, struktur liang dan ketelapan sanga diaktifkan alkali.1994 Glukhovsky Kajian kinetik simen sanga diaktifkan alkali. Mikrostruktur abu terbang diaktifkan alkali.1994 Krivenko Teknologi, ilmu kimia sistem geopolimer. Peluang dan cabaran simen diaktifkan alkali.1995 Wang and Scivener Abu terbang diaktifkan alkali - simen untuk masa depan. Lumpur merah (red mud) diaktifkan alkali–simen sanga.1996 Shi Abu terbang diaktifkan alkali/simen sanga. Konkrit sanga diaktifkan alkali.1997 Fernández-Jiménez and Puertas Imobilisasi bahan buangan berbahaya. Pembentukan zeolit.1998 Katz Teknologi sialite. Tahap pencapaian semasa teknologi geopolimer.1999 Davidovits Komposit matriks geopolimer yang diperkuatkan dengan gentian karbon pendek. One-part geopolimer.1999 Roy Geopolimer: struktur, pemprosesan, ciri-ciri dan aplikasi dalam industri. Pengaruh suhu pengkalsinan kaolin.1999 Palomo Pengaruh suhu ternaik. Potensi penggunaan tanah liat berkaolinit rendah dalam pemprosesan batu-bata2000 Gong and Yang geopolimer. Salutan nipis geopolimer abu terbang.2000 Puertas Sintesis geopolimer menggunakan zeolit semula jadi.2001–2002 Bakharev Geopolimer biojisim dan abu terbang.2003 Palomo and Palacios Pengaruh suhu pengkalsinan tanah liat.2004 Grutzeck2006 Sun2007 Duxson2008 Lin et al.2008 Hajimohammadi, Provis and Deventer2009 Provis and Deventer2010 Wang et al.2010 Daniel L.Y. Kong, Jay G. Sanjayan2010 Qhatani Mohsen & Nasser Yussef Mostafa2010 Temuujin et al.2010 C. Villa, E.T. Pecina , R. Torres, L. Gómez2010 Songpiriyakij et al.2011 Elimbi et al.Victor Glukhovsky dan Pavel Krivenko kemudiannya telah mengembangkan sistem pengaktifalkali (alkali-activated systems) di Ukraine dalam 1950-an. Sistem itu mengandungi fasa-fasa

kalsium silikat terhidrat (CSH) dan alumino-silikat yang telah digunakan untuk membinabangunan tinggi di Rusia. Glukhovsky merupakan orang pertama berpendapat bahawa prosesgeologi dalam transformasi batu-batuan gunung berapi ke zeolit yang berlaku semasapembentukan batu-batuan enapan pada suhu dan tekanan rendah boleh dicontohi dandijalankan dalam sistem bersimen. Oleh sebab pelbagai struktur dan sifat zeolit yang berbeza,sintesis mineral alumino-silikat beralkali dalam fasa komposisi sistem bersimen bolehmemastikan batu tiruan dibentuk dengan daya tahan yang baik dan ciri-ciri baru yangbermanfaat. Sistem bersimen bagi alumino-silikat beralkali ini pada awalnya dipanggil silikattanah (soil silicates) (Komnitsas & Zaharaki, 2007).Pada tahun 1972, Joseph Davidovits menamakan alumino-silikat tiga dimensi yang terbentukpada suhu rendah dan masa singkat sebagai Geopolimer (Komnitsas & Zaharaki, 2007). Kini,terdapat pelbagai nama yang digunakan untuk menggambarkan bahan ini termasuk seramikdiikat alkali (alkali-bounded ceramics) (Joseph Davidovits, 2005; Duxson, Fernandez-Jimenez,Provis, Lukey, & Deventer, 2007), hidroseramik (Joseph Davidovits, 2005; Duxson et al., 2007),geosimen (Duxson et al., 2007), konkrit geopolimer bukan organik (Duxson et al., 2007) dansimen diaktifkan alkali (alkali activated cements) (Joseph Davidovits, 2005; Duxson et al.,2007). Kepelbagaian nama bahan menyebabkan kekeliruan. Walau bagaimanapun, pengaktifanalkali berlaku dalam semua kes-kes yang disebut. Istilah umum yang paling sesuai untukmenggambarkan bahan yang terhasil ialah polimer bukan organik (Duxson et al., 2007).Selepas 1970, pelbagai jenis projek telah dilaksanakan untuk membuktikan teori Davidovits dimana piramid di Mesir dibina melalui tuangan teratur dan dibiarkan mengeset untukmenghasilkan batu tiruan bersifat zeolit (Davidovits, 1994a). Evolusi perkembangan sainsgeopolimer semakin bertambah sejak tahun 1972 selepas Davidovits mencipta perkataan‘geopolimer’.Antara tahun 1979 dan 1995, terdapat banyak jurnal dan paten tentang prosespenggeopolimeran (geopolymerization) telah diterbitkan dan dikeluarkan oleh Davidovits dankumpulannya. Paten tersebut termasuk perkembangan polimer siliko-aluminat yang terbentukpada suhu sehingga lebih kurang 120°C sebagai larutan pepejal, prosedur untuk menghasilkanpengikat geopolimer dan prosedur untuk menghasilkan geopolimer alumino-silikat yangmenghidrat dengan sepenuhnya (Komnitsas & Zaharaki, 2007).Davidovits membangunkan pengertian geopolimer untuk menerangkan proses kimia dan ciri-ciribahan terhasil dengan lebih jelas. Untuk tujuan itu, satu anjakan utama dalam perspektif daripenghidratan berhablur dalam pengetahuan kimia simen tradisional kepada pengetahuan kimiainorganik diperlukan. Sehingga sekarang, anjakan ini belum diterima baik oleh pengamal-pengamal dalam bidang simen pengaktif alkali yang masih menjelaskan tindak balas kimiadalam terminologi simen Portland (Geopolymers Alliance).Satu teori baru tentang struktur geopolimer yang berdasarkan pemahaman kimia zeolit telahdikembangkan oleh kumpulan geopolimer dan pemprosesan mineral di Melbourne. Adalahdipostulatkan bahawa fasa pengikat geopolimer mengandungi pengaglomeran nano-hablurzeolit yang terikat bersama oleh gel alumino-silikat. Konsep ini adalah munasabah dari segikimia, termodinamik dan mekanistik dan membolehkan tafsiran beberapa ciri data eksperimen

sedia ada yang melawan analisis komprehensif (Provis, Lukey, & van Deventer, 2005).Walaupun geopolimer telah digunakan dalam beberapa aplikasi, penggunaan mereka terbatasdisebabkan oleh kekurangan pemahaman saintifik terperinci dan kajian daya tahan jangkapanjang. Pengkomersialan dan aplikasi teknologi polimer yang buruk sebahagiannya adalahdisebabkan oleh kekeliruan dan kejanggalan dari segi keadaan kimia mereka (Provis et al.,2005). Perbezaan dalam sifat mekanikal dan terma juga merupakan punca kebimbangantentang komersial dan kematangan industri geopolimer. Variasi dalam eksperimen mungkindicetuskan oleh persediaan sampel yang tidak sesuai atau penaksiran parameter sistem yanglemah (Duxson, Lukey, & van Deventer, 2005).Halangan utama yang perlu diatasi dan diterima oleh industri adalah berkaitan dengankedudukan Ordinary Portland Cement (OPC) atau lebih dikenali sebagai simen biasa yangtertubuh kukuh. Satu lagi isu yang perlu dipertimbangkan bahawa industri adalah konservatifdalam menerima teknologi dan produk baru yang akan menggantikan produk yang wujud. Untukmengatasi halangan ini, usaha gigih berterusan dan lebih intensif diperlukan oleh penyelidik-penyelidik (Komnitsas & Zaharaki, 2007).1.2 BAHAN-BAHAN DALAM INDUSTRI PEMBINAANDalam industri pembinaan, pelbagai bahan yang digunakan sebagai pengikat. Antara yangpaling kerap digunakan adalah konkrit Simen Portland Biasa (OPC). Ini merupakan bahan yangpaling banyak digunakan atas sifat-sifat yang baik dan kosnya yang murah. Dalam pada masayang sama, teknologi resin atau polimer juga digunakan dalam industri pembinaan tetapi padakadar yang agak rendah disebabkan kekangan kosnya yang tinggi. Rajah 1.1: Kebaikan dan keburukan bahan resin/polimer dan bahan bersimen.

Pada masa kini, industri pembinaan mula menitikberatkan teknologi hijau dan mesra alam.Geopolimer konkrit mula diperkenalkan dalam industri pembinaan tetapi masih dalam kuantitiyang kecil. Rajah 1.1 menunjukkan ciri-ciri kebaikan dan keburukan bahan beresin/polimer danbahan bersimen. Semua kebaikan dan keburukan ada pada sifat-sifat geopolimer. Geopolimeryang mempunyai sifat-sifat terbaik juga dibandingkan dengan beberapa bahan industri yanglain. Jadual 1.2 menunjukkan perbezaan antara geoplimer konkrit dan konkrit biasa.Jadual 1.2: Perbezaan antara konkrit geoplimer dan konkrit biasa. KONKRIT GEOPOLIMER KONKRIT BIASA • Proses penghasilan simen dilakukan di tempat berasingan• Proses percampuran semua bahan dilakukan secara serentak seperti abu terbang, larutan beralkali dan agregat. sebelum proses percampuran dilakukan.• Mempunyai sifat laras sendiri (self leveling) dan menghasilkan • Perlu dipadatkan dan menghasilkan permukaan yang kasar. permukaan yang licin. • Kaedah reka bentuk adalah berdasarkan nisbah campuran• Kaedah reka bentuk berdasarkan nisbah bahan kimia dan bahan simen/air (w/c). pozzolan. • Menghasilkan karbon dioksida yang tinggi.• Lebih mesra alam kerana mengurangkan penghasilan karbon dioksida.1.3 GEOPOLIMERGeopolimer ialah satu kelas polimer bukan organik yang terbentuk oleh pengaktifan beralkalisumber alumino-silikat dan larutan beralkali melalui proses pempolimeran pada suhu ambienatau lebih tinggi (Geopolymers Alliance; Yao, Zhang, Zhu, & Chen, 2009). Polimer bukanorganik ini terdiri daripada amorfus, struktur tiga dimensi (Geopolymers Alliance; Rowles &O’Connor, 2003) yang terbentuk daripada pempolimeran spesies [SiO4]4- dan [AlO4]5- (Zhang,Wang, Xu, & Li, 2010). Ia adalah sama seperti alumino-silikat berbentuk kaca (GeopolymersAlliance). Walau bagaimanapun, polimer bukan organik boleh menggabungkan rangka agregatdan sistem tetulang semasa proses pembentukan (Geopolymers Alliance) apabila dibentukpada suhu rendah.Rangkaian silikon-oxo-aluminat mengandungi tetrahedron SiO4 dan AlO4 yang dihubungkansecara selang seli dengan atom oksigen. Ion positif seperti Na+, K+ dan Ca2+ mesti hadir dalamrongga rangka kerja untuk menyeimbangkan cas negatif Al3+. Poli (sialates) adalah rantaiandan gelang polimer dengan Si4+ dan Al3+ dan mempunyai formula empirik Mn(–(SiO2)z–AlO2)n·wH2O, di mana z ialah 1, 2 atau 3, M ialah kation monovalen seperti K+ dan Na+ dan nialah darjah polikondensasi. Rajah 1.2 menunjukkan jenis poli (sialates) yang berbeza (JosephDavidovits, 1994c). Lantarannya, struktur kompleks geopolimer mengandungi rangkaian,helaian dan jaringan tiga dimensi yang terdiri daripada SiO4 dan AlO4 yang terikat secaratetrahedron (Singh, Bastow, & Trigg, 2005).

Rajah 1.2: Jenis poli (sialates) (Joseph Davidovits, 1994c).Penyelidikan awal telah membuktikan bahawa geopolimer adalah murah untuk dibentukkan.Geopolimer boleh dibentuk daripada bahan semula jadi dengan mencampurkan natriumhidroksida dan air. Oleh sebab ilmu kimia yang terlibat adalah sama, proses pempolimerangeopolimer dianggap analog dengan sintesis zeolit. Walau bagaimanapun, produk geopolimertidak mempunyai komposisi stoikiometri, tetapi terdiri daripada campuran strukturamorfus/separa hablur dan hablur zarah Al-Si (Davidovits, 1991).Pengaktif yang paling biasa digunakan ialah campuran air, natrium hidroksida dan natriumsilikat. Sistem logam alkali, campuran alkali yang berbeza ataupun sisa alkali pekat juga bolehdigunakan sebagai larutan pengaktif (Geopolymers Alliance; Rowles & O’Connor, 2003).Dengan menggunakan larutan pengaktif yang berbeza, komposisi akhir polimer inorganik iniboleh diubah (Rowles & O’Connor, 2003). Larutan yang digunakan mestilah pekat untukmemastikan geopolimer dihasilkan, tetapi bukan zeolit. Pengikat yang biasa digunakantermasuk abu terbang, sanga atau metakaolin dan bahan alumino-silikat yang lain

(Geopolymers Alliance).Semasa proses pempolimeran, sebaik sahaja serbuk alumino-silikat diadunkan dengan larutanalkali, pes terbentuk dan berubah kepada geopolimer keras dengan cepat. Lantarannya, gelatau pes tidak mempunyai masa dan ruang yang mencukupi untuk membentuk struktur hablurandengan sepenuhnya. Ini adalah perbezaan asas antara zeolit dan geopolimer. Selepaspengesetan dan pengerasan, geopolimer dengan struktur polihabluran ini mempamerkan sifatmekanikal yang lebih baik berbanding dengan zeolit yang mempunyai ketumpatan yang lebihrendah dan struktur habluran dalam bentuk sangkar (Xu & Van Deventer, 2000).Proses pempolimeran geopolimer melibatkan larut lesapan, resapan, kondensasi danpengerasan, sementara sintesis zeolit berkaitan dengan pra-penukleusan, penukleusan danpertumbuhan hablur. Tambahan proses ini membolehkan geopolimer mengeset pada suhu yanglebih rendah daripada yang diperlukan dalam pembentukan zeolit (Davidovits, 1991). Faktor-faktor yang mempengaruhi sintesis zeolit termasuk suhu, pH dan kation dipercayai bolehmenjejaskan proses pemprosesan geopolimer.1.3.1 Ciri-Ciri GeopolimerGeopolimer memperlihatkan pelbagai jenis ciri-ciri seperti berikut bergantung kepada pemilihanbahan mentah dan keadaan pemprosesan berikut:(a) Kekuatan mampatan yang tinggi.(b) Pengecutan yang rendah.(c) Tahan kepada asid.(d) Tahan kepada api (sehingga 1000°C) dan tidak mengeluarkan wasap toksik apabila dipanaskan – dalam bentuk gentian karbon/komposit geopolimer atau geopolimer tulen (contoh: salutan geopolimer pada permukaan terdedah).(e) Pengesetan yang cepat atau lambat.(f) Konduksi terma yang rendah.(g) Perlindungan kepada tetulang keluli disebabkan oleh pH yang tinggi dan kadar resapan klorida yang rendah.(h) Penggunaan tenaga yang rendah dalam pemprosesan untuk tujuan pembinaan dan aplikasi kejuteraan.(i) Stabil di suhu tinggi.(j) Tahan kepada lelasan, terutamanya apabila dicampurkan dengan pengisi plastik.Adalah penting untuk diketahui bahawa, bukan semua produk geopolimer akan mempunyaikesemua ciri ini, iaitu tiada formulasi yang boleh mengoptimumkan kesemua ciri yangdisenaraikan di atas. Seperti semua teknologi yang lain, resepi dan formulasi dioptimumkanuntuk mencapai spesifikasi yang diingini dengan kos yang minimum. Dengan ilmu danpengetahuan yang mencukupi tentang kereaktifan dan kimia bahan mentah, produk dengangabungan ciri-ciri di atas boleh dibentuk dengan mengoptimumkan kedua-dua kos dan prestasiteknikal.

1.3.2 Aplikasi GeopolimerGeopolimer berpotensi untuk digunakan dalam pelbagai bidang. Bidang industri pembinaanmerupakan bidang yang mempunyai potensi yang paling besar berbanding aplikasi yang lain.Antara industri yang boleh menggerakkan geopolimer adalah:(a) Rawatan sisa.(b) Kalis api – kepingan kayu, komposit untuk pembaikan dan pengukuhan infrastruktur, bahan refraktori, refraktori kejutan haba.(c) Kejuruteraan pembinaan – bahan binaan berteknologi rendah, jubin seramik bertenaga rendah, konkrit dan simen.(d) Biobahan.(e) Industri automotif dan aeroangkasa – bahagian dalam pesawat.(f) Faudri bukan ferus dan metalurgi – aplikasi faudri aluminium (Davidovits, 2002).(g) Industri plastik.(h) Seni dan hiasan.1.4 APA ITU HIJAU (GREEN)?Aplikasi teknologi geopolimer dalam perlombongan, tenaga, pembinaan dan sisa pencemaranindustri (waste containment industry) memberi peluang menyelesaikan isu kemampanan yangdihadapi oleh industri sekarang ini. Isu-isu ini termasuk:(a) Menukarkan produk sampingan yang dianggap bahan buangan kepada produk yang bermanfaat dan berharga.(b) Mempertingkatkan ciri-ciri produk merentasi pasaran bahan binaan.(c) Menyediakan opsyen pengurusan jangka panjang baru untuk masalah pembendungan sisa, terutamanya sisa toksik yang bertahap rendah.(d) Mengurangkan jumlah pelepasan gas rumah hijau, terutamanya dalam industri simen.1.4.1 Konversi Bahan BuanganKonkrit geopolimer dibentuk daripada tindak balas antara bahan yang mengandungi aluminatdan silikat dengan pengaktif kaustik. Bahan buangan seperti abu terbang dari penjanaan kuasa,sanga atau bahan buangan dari pemprosesan besi dan logam boleh digunakan sebagai bahanasas untuk tindak balas ini. Ia menukarkan bahan sisa dari satu proses industri kepada inputbagi proses yang lain. Bahan buangan yang sesuai dijadikan pengikat dalam konkrit geopolimermerangkumi:(a) Abu terbang dan mendapan abu yang dihasilkan oleh stesen tenaga batu arang hitam. Kini, lebih kurang 10 peratus daripada bahan buangan ini telah digunakan sebagai bahan tambah dalam campuran simen (Blended Cement). Bakinya dibuangkan ke dalam kolam sisa lombong yang dibina bersebelahan dengan stesen tenaga di kebanyakan negara terlibat.(b) Sanga relau bagas.(c) Sisa pemprosesan bauksit.

(d) Tanah liat berkaolinit.(e) Bahan buangan lombong.(f) Pozzolan semula jadi.(g) Bahan halus yang lain yang mengandungi jumlah silikon dan aluminium yang ketara dalam bentuk amorfus.(h) Abu terbang dari kilang kelapa sawit lebih dikenali sebagai bahan buangan industri pertanian.1.4.2 Pembendungan SisaBahan berzeolit mempunyai keupayaan untuk menyerap sisa kimia toksik. Geopolimer jugabersifat serupa dengan zeolit. Kedua-dua bahan ini boleh menyekat sisa berbahaya dalammatriks geopolimer dan bertindak sebagai pengikat untuk menukarkan sisa separuh pepejalkepada pepejal. Unsur-unsur berbahaya dalam bahan buangan yang bercampur dengansebatian geopolimer dan terperangkap dalam rangka kerja tiga dimensi dalam matriksgeopolimer/zeolit dapat diserap oleh sistem geopolimer (Davidovits, 1994c; GeopolymersAlliance).Ini memberi penyelesaian pada tahap pertengahan untuk pembuangan sisa toksik danmembenarkan penyimpanan sisa kimia industri dan sisa radioaktif bertahap rendah yangselamat. Ini juga membantu mencegah sentuhan langsung larut lesapan yang berpotensi sepertiair bawah tanah dan hujan. Pengikat bukan organik tradisional yang murah adalah tidak sesuaiuntuk pemejalan sisa industri. Oleh yang demikian, penghasilan geopolimer daripada bahanbuangan menyediakan satu media pengkapsulan yang murah untuk pelbagai aplikasi yang lain.Produk jenis simen Portland adalah lebih mahal dan tidak mempunyai daya tahan yangmencukupi (Geopolymers Alliance).1.4.3 Pengurangan Gas Rumah HijauSecara global, industri simen menggunakan lebih kurang 8 EJ tenaga setiap tahun dan inimerupakan konsumer tenaga yang ketiga terbesar (Worldwide Trends in Energy Use andEfficiency: Key Insights from IEA Indicator Analysis, 2008). Memandangkan pemprosesansimen Portland biasa memerlukan pengkalsinan batu kapur untuk membentuk komponenkalsium, pengisaran batu hangus simen Portland biasa untuk menghasilkan satu tan simenPortland biasa melepaskan lebih kurang satu tan karbon dioksida ke atmosfera (Davidovits,1994b).Penerimaan simen dan konkrit geopolimer merupakan satu cara yang penting untukmengurangkan pengeluaran karbon dioksida melalui penjimatan jumlah tenaga dalampemprosesan dan impak pilihan simen. Pada awal 2008, International Energy Agency (IEA)menerbitkan satu laporan tentang kemajuan global dalam meningkatkan keefisienan tenagauntuk tujuan mencapai tenaga yang bersih, cekap dan kompetitif pada masa hadapan. Laporanitu mendapati bahawa kadar pencapaian keefisienan tenaga masih tidak mencukupi untukmengatasi faktor-faktor penggunaan tenaga yang lain. Tetapi, masih ada skop untukmempertingkatkan keefisienan tenaga berdasarkan teknologi sedia ada. Salah satu industri

yang ditekankan oleh laporan IEA ialah industri simen.Antara tahun 1990 dan 2004, IEA mendapati bahawa intensiti tenaga batu hangus bagikebanyakan negara menurun. Ini berkemungkinan besar kerana anjakan dari penggunaan relaukaedah basah ke relau kaedah kering dalam pemprosesan simen dan juga penggantian relaulama oleh teknologi terkini yang menggunakan pemanas dan kalsin. Penanda intensiti itu bolehdigunakan untuk memeriksa teknologi sedia ada yang bagus untuk penjimatan tenaga danpengurangan pelepasan karbon dioksida. Keputusan menunjukkan bahawa, jumlah potensikeefisienan tenaga teknikal dalam pemprosesan simen hari ini adalah kira-kira 2 EJ. Inimembawa kepada pengurangan karbon dioksida sebanyak 210 Mt. Jikalau bahan gantian batuhangus dan bahan api dipertimbangkan, potensi penjimatan boleh dipertingkatkan kepada lebihkurang 450 Mt.Cooperative Research Centre for Sustainable Resource Processing (CSRP) juga menyokongkesimpulan ini. Anggapkan bahawa pengikat sisa seperti abu terbang dan pengaktif kimiapiawai digunakan, penghasilan setiap tan simen geopolimer hanya mengeluarkan 0.16 tankarbon dioksida. Sekiranya sisa alkali digunakan, ia boleh mengurangkan lagi pengeluarankarbon dioksida. Kesimpulan CSRP adalah pelepasan karbon dioksida boleh dikurangkansebanyak atau lebih daripada 80% dengan menggantikan simen Portland biasa dengan simengeopolimer. Apabila semua simen Portland biasa digantikan, potensi penjimatan adalah lebihkurang 4% ke 8% daripada pelepasan karbon dioksida sekarang.1.5 PERBEZAAN ANTARA KONKRIT GEOPOLIMER DAN KONKRIT BIASAPenyelidikan yang baru muncul mencadangkan bahawa bahan binaan geopolimer sepertikonkrit, busa dan lamina menawarkan alternatif hebat kepada piawaian industri semasatermasuk simen Portland dan polimer organik seperti plastik, epoksi, poliester dan poliuretana.Ujian industri terhadap konkrit geopolimer yang dijalankan oleh penyelidik-penyelidik dan industrimenunjukkan bahawa terdapat banyak aspek prestasi geopolimer dalam konkrit, misalnyaapabila dibandingkan dengan penggunaan piawaian semasa iaitu simen Portland biasa. Rajah1.3 merupakan ringkasan aspek-aspek ini (Geopolymers Alliance).Di samping itu pemprosesan simen geopolimer hanya memerlukan suhu rendah (600 - 800°C)dan melepaskan karbon dioksida yang kurang. Kekuatan yang munasabah boleh diperolehipada suhu bilik dalam tempoh singkat. Dalam kebanyakan kes, 70% daripada kekuatanmampatan akhir boleh diperolehi dalam empat (4) jam pertama (Sun, Zhang, Lin, & Liu, 2004).

Rajah 1.3: Perbandingan bahan sedia ada dengan geopolimer (Geopolymers Alliance).1.6 PERKEMBANGAN GEOPOLIMER TERKINISehingga hari ini, geopolimer telah diperkembangkan dalam pelbagai bidang dan semakinditerima oleh industri di seluruh dunia. Umumnya, perkembangan geopolimer boleh diringkaskankepada pembangunan pengetahuan sains dan teknologi pada bidang ini dan juga penyelidikanyang mengimpakkan bidang geopolimer terkini.1.6.1 Pembangunan Pengetahuan Sains dan Teknologi GeopolimerGeopolimer sains mendapat sokongan daripada AcerS (American Ceramic Society), apabilamereka mempamerkan pengadunan seramik geopolimer dan simen geopolimer dalam bentukvideo dalam laman web pada 2010, supaya boleh mendapatkan akses daripada semua paraanggota dalam persatuan seramik tersebut. Persatuan ini ialah satu organisasi yang sangatberkuasa dan menyokong secara rasmi pembangunan sains dan teknologi geopolimer (Wray,2010). Di Perancis, ahli parlimen yang bertanggungjawab dalam strategi perkembangansaintifik dalam negara menerbitkan satu laporan pada 2009, di mana dalam kandungan tersebutmenyatakan bahawa dalam jangka masa yang akan datang, kerajaan bersetuju akan

membangunkan bidang kimia geopolimer (Davidovits, 2010).Pembekal pertama metakaolin MK-750, dipanggil sebagai ARGICAL M1200S yang dirancangkhusus untuk aplikasi geopolimer telah diwujudkan oleh syarikat Argirec, Granger & Sogdar(AGS). Di samping itu, pembekal sanga relau bagas, pengilang keluli Arcelor-Mittal, telahbersedia untuk membekalkan sanga bagi Eropah untuk penggunaan besar-besaran (Davidovits,2010). Manakala sejak tahun 1999, Australia memulakan minat dalam pembangunan teknologigeopolimer. Mereka mengorganisasikan beberapa kumpulan antaranya yang paling popularialah geopolymer alliance yang bertujuan untuk mempromosikan pengambilan teknologigeopolimer dalam industri-industri yang telah wujud seperti bangunan dan industri pembinaan.Dengan beberapa contoh di atas, jelas bahawa pembangunan sains dan teknologi geopolimertelah pun berada pada tahap yang mantap dan diyakini akan terus berkembang pada masayang akan datang. Diharapkan pengetahuan sains geopolimer ini boleh digunakan secarabesar-besaran dalam teknologi akan datang dan mencetuskan satu era baru dalam duniateknologi terkini.1.6.2 Penyelidikan dalam Bidang Geopolimer TerkiniBahan salutan baru yang boleh menahan kebakaran, HIPS (Hybrid Inorganic Polymer System),telah dibangunkan oleh penyelidik CSIRO di Melbourne. Bahan salutan HIPS ini boleh menahansuhu melebihi 1000°C berbanding dengan bahan salutan komersial yang digunakan padabahan-bahan binaan yang akan mengalami kerosakan pada suhu antara 150-200°C. Bahansalutan HIPS ini mengandungi resin geopolimer bukan organik dan komponen kecil bahan-bahantambahan polimer (Fullston, 2009). Penyelidikan mengenai kaedah penyediaan geopolimer dimana keporosan dan keronggaan boleh dikawal telah dijalani bukan sahaja untuk tujuanpenebatan haba, malahan untuk apa-apa jenis aplikasi seperti kerja-kerja persis industri (Frizon& Joussot Dubien, 2009). Selain itu, penyelidikan pada konduit pesawat telah dilaksanakan olehsyarikat pesawat udara, iaitu ciptaan satu saluran yang digabungkan ke dalam tiub sebuahpesawat diperbuat daripada satu bahan komposit yang mengandungi gentian yang dapatmemperkukuhkan matriks resin geopolimer (Porte & Jazet, 2008).Dalam bidang simen dan konkrit geopolimer pula, geopolimer simen digunakan oleh U.S.Department of Transportation, Federal Highway Administration, untuk membuat jalan raya.Mereka menerbitkan ringkasan teknikal pertama mengenai perkara ini (Tyson, 2010).Manakala, konkrit geopolimer telah diterbitkan di CIAQ (Concreting Industry Association ofQueensland, Australia). Konkrit geopolimer digunakan untuk membina jambatan di Murrarie,Brisbane apabila kerosakan konkrit konvensional akibat daripada serangan asid (Jones, 2010).Penyelidik Erez Allouche, yang berada di Louisiana Tech University dan TrenchlessTechnology Center menjalani penyelidikan inovatif pada konkrit geopolimer dan menyediakancara-cara untuk menggunakan hasil sampingan iaitu arang batu dari loji-loji tenaga untukmembantu kawalan pelepasan karbon dioksida (Allouche, 2009).Dalam masa yang sama, penyelidikan ke atas bahan geopolimer terus berkembang dengankajian lebih menjurus kepada penghasilan geopolimer konkrit ringan dan geopolimer simen(Mustafa, 2011). Kajian ke atas prestasi konkrit geopolimer yang menggunakan gabungan abu

terbang arang batu (PFA) dan abu terbang kelapa sawit (Palm Oil Fuel Ash-POFA)menunjukkan bahawa bahan tersebut lebih tahan lasak dan tahan serangan kimia sepertiklorida, sulfat dan juga asid (Ariffin, 2011).Oleh yang demikian, jelas bahawa kebanyakan penyelidikan pada geopolimer bukan sahajadijalankan oleh institusi akademik sahaja, malahan sintesis geopolimer telah pun dilaksanakanoleh industri bertaraf antarabangsa dalam aplikasi-aplikasi lanjutan yang lebih canggih pada hariini.

BAB 2 BAHAN MENTAH DALAM GEOPOLIMER2.1 PENGENALANPenggunaan semula bahan buangan industri sebagai bahan pengganti simen dapat mengatasimasalah pembebasan karbon dioksida yang berlebihan hasil dari pembuatan simen yang bolehmemusnahkan lapisan ozon dan seterusnya pemanasan global. Bahan buangan industri sepertiabu terbang, sanga relau bagas, dan wasap silika telah digunakan dalam bentuk simen teradunatau sebagai bahan tambah dalam konkrit.Selain itu, bahan buangan pertanian seperti abu sekam padi, tempurung kelapa sawit dan sisatebu yang mempunyai sifat sebagai bahan pozzolan juga sesuai digunakan sebagai bahanpengganti simen. Bahan-bahan mineral semulajadi seperti kaolin dan tanah liat juga berpotensiuntuk dijadikan simen. Namun, pemilihan bahan mentah ini bergantung kepada kos, jenisaplikasi, permintaan dan senang untuk diperoleh.Larutan alkali diperlukan untuk agen pengaktif dalam penghasilan geopolimer. Larutan alkaliterdiri daripada gabungan larutan natrium hidroksida atau kalium hidroksida bersama-samadengan larutan natrium silikat atau kalium silikat. Namun, kuantiti penggunaan bahan-bahan iniadalah penting dan bergantung kepada jenis bahan mentah yang digunakan. Bahan tambah jugadiperlukan dalam penghasilan geopolimer yang mempunyai kekuatan yang tinggi.2.2 BAHAN-BAHAN POZZOLANAMengikut piawaian ASTM C618-78 (1978), pozzolan merupakan bahan-bahan yang terhasildaripada bahan buangan industri ataupun pertanian. Pozzolan juga merupakan bahan tambahmineral yang biasanya digunakan untuk menggantikan sebahagian daripada kandungan simendalam penghasilan konkrit.Bahan Pozzolan bermaksud bahan yang mengandungi silika (Si) dan alumina (Al) di manabahan pozzolan itu sendiri mempunyai sedikit atau tiada sifat penyimenan, tetapi denganbentuknya yang halus dan dengan kehadiran air, maka bahan-bahan tersebut akan bertindakbalas secara kimia dengan kalsium hidroksida (hasil tindak balas antara simen dan air) padasuhu bilik dan menghasilkan sebatian kalsium aluminat hidrat yang mempunyai sifat yang samaseperti simen (ASTM C618-92a, 1994). Bahan pozzolan harus mempunyai saiz zarah yangsangat halus untuk membenarkan silika dan kalsium hidroksida bergabung ketika tindak balasantara simen dan air.Tindak balas antara pozzolan dan kalsium hidroksida dipanggil tindak balas pozzolana. Tindak

balas ini akan menghasilkan tiga keadaan iaitu: Pertama, tindak balas ini adalah perlahanberbanding dengan simen Portland biasa, jadi secara langsung penghasilan haba sertapenambahan kekuatan juga akan menjadi perlahan. Kedua, tindak balas ini menggunakan kapurberbanding simen Portland biasa yang menghasilkan kapur. Ketiga, kajian saiz liang terhadapsimen pozzolana menunjukkan hasil tindak balas ini sangat berkesan untuk mengisi liang-liangkapilari yang besar, dan membolehkan simen pozzolana ini meningkatkan kekuatan danketelusannya.Bahan Pozzolan terbahagi kepada dua jenis iaitu:(a) Pozzolan Semulajadi (Natural Pozzolan): pozzolan ini terhasil secara semulajadi, contohnya, abu gunung berapi, kalsin batu basalt (calcined basalt stone), kaolin, kalsin tanah liat atau metakaolin (calcined clay) dan abu sekam padi.(b) Pozzolan Buatan (Artificial Pozzolanic): contohnya hasil industri di stesen-stesen janakuasa elektrik (abu terbang), hasil buangan pertanian (abu terbang kelapa sawit, sisa tebu) dan bahan buangan industri (wasap silika, sanga relau bagas).2.2.1 Pozzolan SemulajadiPozzolan semulajadi adalah bahan yang terhasil secara semulajadi yang mempunyai sifatpozzolan itu sendiri. Contoh bahan pozzolan semulajadi adalah seperti dalam Jadual 2.1.(a) Abu Gunung Berapi. Abu terbang yang berasal daripada gunung berapi ini mengandungi sejumlah silika dan alumina dan saiz zarahnya adalah sangat halus seperti Rajah 2.1. Apabila bahan ini bertindak balas dengan air dan kapur, sebatian aluminium-silikat terhidrat akan terbentuk. Abu gunung berapi ini telah banyak diaplikasikan dalam pembinaan sejak beribu tahun dahulu lagi.

Rajah 2.1: Sampel abu gunung berapi. Jadual 2.1: Komposisi kimia bahan-bahan pozzolana semulajadi.SUMBER PERATUSAN JISIM (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O dan Kehilangan 14.8 K2O Pencucuhan (Ignition Loss) Abu Gunung Berapi 68.7 2.3 - 0.5 9.3 5.6 (Mexico) (Malhotra & 44.7 74.8 18.9 10.1 10.3 4.4 6.7 4.4 Mehta, 1996) 2.6 2.0 6.4 3.1 6.0 10.1Abu Gunung Berapi (Itali)(Malhotra & Mehta, 1996) Abu Sekam Padi (Sata, Jaturapitakkul, & Kiattikomol, 2007)(b) Kalsin Batu Basalt (Calcined Basalt Stone). Apabila bahan ini dibakar pada suhu yang sangat tinggi iaitu 500°C sehingga 800°C (bergantung kepada jenis batu dan sumber batu tersebut diperoleh), ianya akan menghasilkan bahan pozzolan. Bahan ini hanya menggunakan 15% daripada kandungan simen yang digunakan untuk mencapai kekuatan pada 28 hari.

(c) Kalsin Tanah Liat atau Metakaolin (Calcined Clay). Untuk membentuk bahan pozzolan, tanah liat ini perlu dikalsin pada suhu yang tinggi dan diproses untuk menjadi bahan yang lebih halus dan mempunyai kereaktifan yang dikenali sebagai metakaolin. Kualiti bahan ini adalah berbeza-beza yang bergantung kepada kandungan mineral dan saiz zarah tanah liat tersebut. Rajah 2.2 menunjukkan metakaolin. Rajah 2.2: Kalsin tanah liat (Metakaolin).(d) Abu Sekam Padi. Bahan buangan semulajadi ini mengandungi kandungan silika yang tinggi. Abu sekam padi seperti Rajah 2.3 mempunyai bentuk yang kompleks dan jika pembakaran dilakukan pada suhu 500°C hingga 700°C, struktur bahan yang berliang akan terbentuk. Abu sekam padi dihasilkan daripada tumbuh-tumbuhan. Oleh itu, ia memerlukan banyak air kecuali ianya digilingkan bersama klinker untuk memecahkan struktur yang berongga.

Rajah 2.3 Abu Sekam Padi.2.2.2 Pozzolan BuatanPozzolan buatan adalah bahan yang terhasil daripada bahan buangan industri-industri seperti distesen-stesen janakuasa elektrik, industri silicon metal dan ferrosilicon untuk industripembuatan aloi dan industri pertanian (kelapa sawit). Jadual 2.2 menunjukkan komposisi kimiabagi beberapa jenis pozzolan buatan.(a) Abu Terbang (Pulverised Fuel Ash). Abu terbang terhasil daripada pembakaran arang batu di stesen janakuasa elektrik. Zarah abu terbang adalah berbentuk sfera, lebih halus daripada simen Portland dan kapur, iaitu diameternya kurang daripada 1μm sehingga tidak lebih daripada 150 μm (Hardjito & Rangan, 2005). Mengikut piawaian ASTM C618-92a (1994), abu terbang boleh dikategorikan kepada dua jenis, iaitu:(i) Abu Terbang Kelas F. Abu terbang yang tergolong dalam kumpulan ini mengandungi kapur (CaO) kurang dari 10%. Jadual 2.2: Komposisi kimia bahan-bahan pozzolana buatan.SUMBER PERATUSAN JISIM (%)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O dan Kehilangan 2.61 0.78 K2O Pencucuhan (Ignition 65.4 6.4 Loss) 0.50 Abu Terbang Malaysia 52.11 23.59 7.39 1.22 1.83 (Nor Azidah, 2007) 20.9 4.8 3.4 65.3 2.6 2.0 1.2 0.6 1.0 Abu Terbang (Thailand) 94.0 (Sata et al., 2007) 90.00 3.1 0.8 10.1 38.35Abu Terbang Kelapa Sawit 0.06 0.03 1.10 0.10 2.50 (Sata et al., 2007) 1.00 2.9 0.10 0.20 2.20 2.70 Wasap silika (Industri Silikon Metal) (Nor 8.76 0.61 32.34 18.64 0.93 0.95 Azidah, 2007) Wasap silika (Industri Ferrosilikon Aloi) (Nor Azidah, 2007) Sanga Relau Bagas (Canada) (Malhotra & Mehta, 1996)(ii) Abu Terbang Kelas C. Abu terbang yang tergolong dalam kumpulan C seperti Rajah 2.4 pula mengandungi kandungan CaO antara 10% sehingga 30%. Abu terbang kelas C boleh digunakan sebagai bahan pengganti simen antara 20 sehingga 35% daripada jumlah bahan-bahan simen yang digunakan.

Rajah 2.4: Sampel abu terbang, Stesen Janakuasa Elektrik Sultan Abdul Aziz di Kapar, Selangor, Malaysia. (iii) Abu Terbang Kelapa Sawit. Bahan ini pula terhasil daripada proses pembakaran tempurung dan sabut kelapa sawit di dalam relau. Suhu pembakaran yang tinggi (400°C) juga diperlukan untuk menghasilkan abu terbang ini. Untuk menjadikannya sebagai bahan pozzolan, saiz zarah bahan ini mestilah halus dan mengandungi karbon yang rendah. Abu ini berbentuk serbuk seperti simen yang berwarna kelabu dan akan bertambah gelap warnanya jika kandungan karbon tidak terbakar meningkat (Awal & Hussin, 1996). (iv) Wasap Silika. Wasap silika terhasil daripada bahan buangan relau elektrik pembuatan silikon metal dan ferrosilikon dalam industri aloi. Pengurangan kuartz kepada silikon yang berlaku pada suhu yang sangat tinggi akan menghasilkan wap SiO. Wap ini akan teroksida dan tersejat menjadi zarah-zarah yang sangat halus (< 0.1 μm) iaitu 100 kali lebih halus daripada simen. Oleh sebab itu, wasap silika dikelaskan sebagai bahan pozzolana. Penggunaan wasap silika juga dapat menyumbang kepada kekuatan konkrit yang tinggi

pada peringkat awal. (v) Sanga Relau Bagas. Sanga relau bagas merupakan produk bukan besi yang mengandungi silikat dan alumino-silikat kalsium dan juga unsur-unsur lain yang terbentuk dalam keadaan cair bersama-sama dengan penghasilan besi di dalam relau bagas. Sanga merupakan bahan seperti butir kaca yang terhasil apabila sanga yang lebur direndam di dalam air dengan cepat. Kemudian, sanga ini digiling dan dicampur dengan kapur terhidrat untuk menghasilkan saiz zarah yang sangat halus. Kebaikan penggunaan sanga adalah ianya mempunyai ciri kadar pemula haba yang lebih rendah dan dapat meningkatkan rintangan geopolimer konkrit daripada serangan kimia yang boleh mengurangkan kekuatan konkrit tersebut.2.3 TANAH LIAT (CLAY)Secara semula jadinya, tanah liat mempunyai aluminum-silikat yang terbentuk daripada mineral-mineral bertekstur halus seperti Rajah 2.5. Tanah liat terdiri daripada mineral-mineral sepertifillosilikat (phyllosilicate) yang membawa sifat plastik dan mengeras apabila dipanaskan ataudikeringkan. Tanah liat juga mungkin mengandungi sejumlah air yang terperangkap dalamstruktur mineral.Mineral tanah liat terbentuk daripada pecahan-pecahan batu, tanah dan mineral akibat kesandaripada perubahan cuaca. Kaolinit (kaolinite) merupakan mineral tanah liat yang mempunyaikomposisi kimia Al2Si2O5(OH)4 yang merupakan lapisan mineral silikat. Batu-batu yang kayadengan kaolinit ini dikenali sebagai tanah liat China (China clay), tanah liat putih (white clay)atau kaolin.Terdapat penyelidik (Xu & Deventer, 2000) yang telah menjalankan kajian terhadap 16 jenismineral alumino-silikat semula jadi dengan penambahan kaolinit. Kajiannya mendapati bahawamineral alumino-silikat yang digunakan berpotensi untuk dijadikan sebagai sumber bahan untuksintesis geopolimer. Ia telah dibuktikan juga bahawa bahan yang dikalsin seperti metakaolinbiasanya menunjukkan kadar kereaktifan yang tinggi semasa proses penggeopolimeran(geopolymerisation) berbanding dengan bahan yang tidak dibakar (non-calcined) (Xu &Deventer, 2000; Xu & J., 2003). Ini dapat diterangkan dengan fakta bahawa pembakaranmineral-mineral tanah liat akan mengubah struktur hablur (crystalline) menjadi bahan amorfus(amorphous) (H. Xu & Van Deventer, 2002). Menurut kajian lepas (Badogiannis, 2005; Sabir,Wild, & Bai, 2001), metakaolin terbentuk daripada pembakaran tanah liat kaolinitik pada suhuantara 700°C - 800°C untuk membenarkan kehilangan hidroksil, namun jika suhu digunakanbawah daripada kadar tersebut yang menghasilkan fasa berkekaca (vitreous) danpenghabluran (crystallization) akan berubah kepada fasa lain iaitu mulite yang akanmengurangkan kekuatan bahan tersebut.Di Malaysia, penggunaan kaolin dan metakaolin masih belum berkembang luas. Begitu juga diPortugal, metakaolin digunakan pada skala yang kecil, tetapi di sesetengah negara sepertiUnited Kingdom (UK) dan United States of America (USA) metakaolin telah dikomersialkan dan

penggunaannya adalah lebih luas (Velosa, Rocha, & Veiga, 2009). Metakaolin daripadabancuhan yang berbeza akan menghasilkan keputusan yang berbeza kerana terdapatnyaperbezaan dari segi proses untuk menghasilkan metakaolin itu sendiri dan bahan-bahan mentahyang digunakan (Velosa et al., 2009). Rajah 2.5: Kaolin-tanah liat (Geiger, June 13, 2011).2.4 BAHAN LARUTAN ALKALILarutan alkali boleh digunakan dalam penghasilan geopolimer di mana ia akan bertindak balasdengan silikon (Si) dan aluminium (Al) yang terdapat dalam mineral semula jadi atau bahan-bahan buatan seperti abu terbang dan abu sekam padi untuk menghasilkan ikatan antara zarah(Davidovits, 1994). Pengaktif alkali boleh didefinisikan sebagai tindak balas kimia yangmelibatkan perubahan ketara untuk beberapa jenis struktur yang sepenuhnya atau separuhamorfus menjadi kerja bentuk simen yang padat (´nez & Palomo, 2003). Pengaktif alkali abuterbang merupakan proses yang berbeza daripada proses penghidratan simen Portland, tetapisama dengan proses kimia dalam sintesis kumpulan zeolit (zeolites) (Criado, Palomo, & ´nez,2005).Terdapat beberapa penyelidik menyatakan bahawa pengaktif alkali abu terbang sebagai proses

fizikal-kimia di mana serbuk pepejal dicampur dengan larutan alkali pekat (dengan nisbah yangsesuai supaya mencapai kebolehkerjaan adunan yang optimum) dan disimpan pada suhukurang daripada 100°C selama beberapa hari untuk menghasilkan bahan yang mempunyaisifat-sifat mengikat yang baik (´nez et al., 2006; Ferna´ndez-Jime´nez & Palomo, 2005).Di akhir proses, gel alumino-silikat alkali amorfus terbentuk sebagai produk utama tindak balastersebut. Na-Herschelite jenis zeolit dan hidroksisodalit (hydroxysodalite) juga terbentuksebagai produk kedua hasil tindak balas (´nez et al., 2006; Criado et al., 2005; Ferna´ndez-Jime´nez & Palomo, 2005). Penggunaan pengaktif alkali yang paling popular ialah campurannatrium atau kalium hidroksida (NaOH, KOH) dengan natrium silikat (Na2SiO3) atau kaliumsilikat (K2SiO3) (Pacheco-Torgal, Castro-Gomes, & Jalali, 2008; Rangan, 2008).2.4.1 Alkali HidroksidaKebiasaannya, penggunaan natrium hidroksida adalah lebih banyak diaplikasikan dalampenghasilan geopolimer berbanding kalium hidroksida. Ini kerana, kalium hidroksida adalah lebihmahal harganya berbanding natrium hidroksida. Natrium hidroksida adalah berbentuk pepejalyang mempunyai keaslian 97%-99% (Criado, Jiménez, & Palomo, 2010; Rangan, 2008; Zheng,Wang, & Shi, 2010). Walau bagaimanapun, kemolaran (M) natrium hidroksida bolehmempengaruhi kekuatan sesuatu geopolimer.Untuk pengaktif alkali sanga, kajian (Katz, 1998) menyatakan bahawa kekuatan mampatanmeningkat dengan peningkatan kelikatan pengaktif alkali. Begitu juga yang berlaku apabilametakaolin digunakan bersama pengaktif alkali (H. Wang, Li, & Yan, 2005). Namun, kenyataanini berbeza apabila pengaktif silika abu terbang digunakan. Kajian yang dijalankan (Palomo,Grutzek, & Blanco, 1999) mendapati bahawa kelikatan NaOH pada 12 M memberikan kekuatanyang lebih tinggi berbanding penggunaan pada 18 M. Pengaktif silika untuk gabungan duabahan pozzolana seperti abu terbang dan sanga telah menunjukkan kelikatan NaOH pada 10 Mmemberikan kekuatan mampatan yang tinggi sehingga 50 MPa pada hari ke-28. (Puertas,MartōÂnez-RamōÂrez, Alonso, & Âzquez, 2000). Oleh itu, jika berbeza sumber bahan pengaktifsilika yang digunakan, maka kelikatan NaOH yang perlu digunakan juga harus berbeza.Walau bagaimanapun, alkali hidroksida dengan kemolaran 8 M - 16 M (Hardjito & Rangan,2005) boleh digunakan dalam penghasilan geopolimer mengikut kesesuaian jenis bahan utamayang digunakan.2.4.2 Larutan SilikatHasil penyelidikan menunjukkan penggunaan larutan pengaktif silikat akan mengurangkankekuatan geopolimer kerana kadar tindak balasnya yang perlahan (Criado et al., 2010; Palomoet al., 1999). Walau bagaimanapun, penggunaan campuran pengaktif alkali natrium hidroksidadan natrium silikat meningkatkan kekuatan geopolimer daripada 40 MPa ke 90 MPa jikadibandingkan dengan penggunaan natrium hidroksida sahaja. (´nez & Palomo, 2003; Ferna´ndez-Jime´nez & Palomo, 2005).

Di samping itu, terdapat penyelidik lain (S.-D. Wang, Scrivener, & Pratt, 1994) pula menyatakanbahawa penggunaan alkali silikat dalam bentuk serbuk akan mengurangkan kekuatangeopolimer berbanding penggunaan alkali silikat dalam bentuk cecair. Kajian lepas (H. Xu &Deventer, 2000) telah memastikan bahawa penambahan larutan alkali silikat dalam natriumhidroksida menggalakkan tindak balas antara sumber bahan utama dan larutan alkali tersebut.Terdapat beberapa penyelidik menyatakan bahawa nisbah larutan silikat/larutan hidroksidamempengaruhi kekuatan mampatan geopolimer (Hardjito, Wallah, Sumajouw, & Rangan, 2002;Pinto, 2004). Hardjito et al. menyatakan bahawa nisbah molar 2.5 menyumbang kepadapeningkatan kekuatan geopolimer abu terbang.2.5 BAHAN TAMBAH DALAM GEOPOLIMERSeperti yang diketahui, pengaliran sesuatu konkrit dapat dicapai dengan penambahan bahantambah pemplastik. Penggunaan bahan tambah pemplastik dalam konkrit telah meningkat sejaktahun 1960-an dalam bidang teknologi pembinaan (Papayianni, Tsohos, Oikonomou, & Mavria,2005). Penambahan bahan tambah pemplastik juga dapat meningkatkan kebolehkerjaan padanisbah air/simen yang rendah yang berfungsi seperti media penyebar kimia dalam sistem yangmempunyai pelbagai unsur (heterogeneous) (Papayianni et al., 2005).Bahan tambah pemplastik yang sedia ada adalah agen organik molekul mikro yang dapatdibahagikan kepada empat kumpulan mengikut kandungan kimia, iaitu (ACI Committee, 1989):a) Sulphonate Melamine Formaldehyde. Penggunaan Sulphonate Melamine Formaldehyde pula dapat mengurangkan jumlah air yang diperlukan dalam konkrit dan ini akan meningkatkan kekuatan konkrit (Papayianni et al., 2005).b) Sulphonate Napthalene Formaldehyde. Bahan tambah pemplastik jenis ini merupakan bahan tambah yang paling popular (Papayianni et al., 2005).c) Modified Lignosulphonates. Bahan tambah pemplastik jenis Modified Lignosulphonates dalam penggunaan yang tinggi dilaporkan akan melambatkan tempoh pengawetan sesuatu konkrit tersebut (Papayianni et al., 2005).d) Copolymers yang mengandungi kumpulan sulfonik (sulphonic) dan karboksil (carboxyl).Bahan tambah pemplastik dalam kumpulan polycarboxylic adalah produk yang paling terkiniberbanding dengan yang lain. Bahan ini mempunyai kereaktifan yang tinggi, tidak mengandungikumpulan sulfonik dan akan menjadi ion sepenuhnya dalam keadaan beralkali (Papayianni et al.,2005).Perlu diingatkan bahawa, bahan tambah pemplastik yang mempunyai kereaktifan dan kuantitiyang tinggi, tidak mempunyai kesan sampingan terhadap kelambatan proses pengawetan untukkonkrit dengan campuran isipadu abu terbang atau sanga yang tinggi (Papayianni et al., 2005).

Penyelidik (Borsoi, Collepardi, Coppola, Troli, & Collepardi, 2000) telah mengkaji kesan bahantambah pemplastik terhadap konkrit abu terbang. Kajiannya menggunakan dua jenis bahantambah pemplastik iaitu Sulfonated Naphthalene (SN) dan Acrylic Polymer (AP). Keputusankajian mendapati bahawa kekuatan mampatan konkrit abu terbang dengan penggunaan bahantambah pemplastik-AP adalah lebih tinggi berbanding dengan penggunaan bahan tambahpemplastik-SN.Ini adalah kerana penggunaan bahan tambah pemplastik-AP dapat mengurangkan nisbahair/simen sebanyak 10% lebih daripada bahan tambah pemplastik-SN terhadap konkrit abuterbang. Konkrit abu terbang (konkrit geopolimer) dapat mencapai kekuatan mampatansehingga 30 MPa pada hari pertama dan lebih daripada 80 MPa pada 90 hari ujian denganmenggunakan bahan tambah pemplastik-AP sebagai bahan tambah konkrit geopolimer (Borsoiet al., 2000).2.6 AGREGAT (BATU DAN PASIR)Istilah agregat digunakan untuk menggambarkan batu kerikil, batu hancur dan pasir di manaianya dicampur bersama-sama dengan bahan pozzolana atau tanah liat dan larutan pengaktifalkali untuk menghasilkan geopolimer konkrit. Agregat berfungsi untuk menguatkan lagi struktursesuatu konkrit tersebut. Klasifikasi agregat adalah bergantung kepada saiz zarah:a) Agregat halus atau pasir: digunakan untuk menggambarkan pasir natural, batuan yang dihancur, atau batu kerikil yang dihancur yang mempunyai saiz zarah 75 μm hingga 5 mm. Di Malaysia, pasir sungai dijadikan sebagai agregat halus.b) Agregat kasar: mempunyai saiz zarah antara 5 mm hingga 50 mm. Menurut Hardjito, Wallah, Sumajouw, & Rangan (2004), yang kajiannya menggunakan tiga jenis agregat kasar yang sedia ada iaitu 20 mm, 14 mm, dan 7 mm saiz. Di Malaysia, biasanya agregat kasar yang digunakan adalah dari jenis granit dan batu kapur.Agregat yang normal biasanya mempunyai ketumpatan pukal antara 1520-1680 kg/m3.Penggunaan agregat dalam penghasilan geopolimer konkrit harus memenuhi spesifikasi sepertikonkrit biasa dalam rujukan BS 882 kerana masih tiada piawaian yang dihasilkan untukgeopolimer konkrit sendiri. Antara kelebihan penggunaan agregat adalah:a) Pengisi antara liang-liang yang murah dan boleh mengurangkan kos.b) Menghasilkan isipadu geopolimer konkrit yang stabil.c) Mengeras dan menguatkan struktur geopolimer konkrit.d) Menyediakan rintangan lelasan yang baik.e) Meningkatkan ketahanan geopolimer konkrit.

BAB 3 TINDAK BALAS KIMIA GEOPOLIMER3.1 PENGENALANSimen Portland yang dihasilkan melalui pembakaran batu kapur menyebabkan pelepasan gaskarbon dioksida sebanyak 1.4 billion tan ke atmosfera (Malhotra & Mehta, 1996). Satu tansimen Portland memerlukan 4GJ tenaga dan menghasilkan satu tan karbon dioksida ke udara(Mehta, 1991). Masalah lain turut juga berlaku apabila penggunaan simen Portlanddiaplikasikan ke atas pembinaan terowong dan jambatan. Laporan mengatakan kerajaanAmerika Syarikat menghabiskan 50 bilion dolar kos pembaikan jambatan di negaranya kerana40% daripada 600,000 jambatan dilaporkan mengalami pengaratan.Di sebalik beberapa masalah jangka panjang akibat daripada penggunaan simen biasa jenisPortland Ordinary Portland Cement (OPC), masalah lain yang lebih utama adalah berkaitandengan mekanisma tindak balas kimia yang berlaku di dalam OPC itu sendiri. OPC merupakanbahan poros yang membenarkan kemasukan air dan beberapa bahan lain lagi ke dalam konkritlalu menyebabkan proses pengaratan berlaku. Di dalam OPC juga, terdapat kalsium hidroksidadalam jumlah yang banyak yang akan bertindak balas dengan asid lalu menyebabkan hakisanpada konkrit.Abu terbang ataupun fly ash merupakan sejenis bahan yang terhasil akibat daripadapembakaran arang batu ketika penjanaan janakuasa. Arang batu dibakar untuk menghasilkanstim untuk sumber industri dan sumber elektrik. Abu semasa pembakaran arang batudiklasifikasikan sebagai bahan buangan yang perlu dilupuskan secara mesra alam tetapimasalah ini dilihat berlarutan kerana terlalu banyak penghasilan abu terbang. Maka, bahan initerpaksa dibuang di tapak pelupusan. Jika masalah ini berlarutan, ini akan menyebabkanpencemaran alam sekitar dan berkemungkinan tinggi akan menyebabkan masalah lain kepadakesihatan manusia kerana kehadiran dalam peratus yang kecil logam berat di dalamnya. Maka,berikutan dengan masalah ini, sejak tahun 1939, beberapa orang penyelidik telah mengkajitentang penggunaan bahan ini terhadap penghasilan simen baru yang lebih mesra alam danmempunyai ketahanan yang tinggi.Tambahan pula, simen yang baru harus dihasilkan demi menjaga alam sekitar dan alternatifkepada simen Portland. Abad ini, kajian ke arah pengaktifan-alkali bahan pozzolan yang sedanggiat dilakukan menunjukkan bahan pozzolan mempunyai potensi yang besar untuk menggantikanOPC. Penyelidikan ke arah bahan ini juga masih baru dan memerlukan pemahaman yang lebihjitu untuk menjadikannya sesuai dari segi teknikal dan ekonomi untuk diaplikasikan ke arahpembinaan.

3.1.1 Pencirian Kimia Bahan PozzolanBahan pozzolan dapat dikategorikan kepada dua ciri iaitu fizikal dan kimia. Ciri-ciri iniditerangkan seperti di bawah.3.1.1.1 FizikalAbu terbang secara kasarnya adalah berwarna kelabu, mempunyai bentuk yang halus sepertidebu kerana proses pengambilan abu terbang ini adalah dengan menggunakan sejenis pamelektrostatik. Bahan yang berbentuk seperti debu ini adalah kebanyakannya dalam fasaamorfus. Abu terbang ini bersaiz kurang daripada 0.075mm ataupun melepasi ayak No.200.3.1.1.2 KimiaPencirian kimia abu terbang adalah dipengaruhi oleh bagaimana teknik pembakaran arang batudan teknik penyimpanan abu terbang itu sendiri. Komponen-komponen utama dalam abuterbang adalah silika, alumina, ferum (II) oksida, kalsium dan beberapa lagi bahan yang menjadiminoriti dalam abu terbang. Menurut Badan Pengenalpastian Bahan Amerika Syarikat (ASTM,1994), pengkelasan abu terbang ini boleh dikelaskan kepada dua kelas berdasarkan komposisikimia yang terdapat di dalam abu terbang itu sendiri.(a) Kelas F:Abu terbang yang mempunyai kandungan a) SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 > 70%; b) SO3 < 5% dan peratus lembapan adalah < 3%.(b) Kelas C:Abu terbang yang mempunyai kandungan SiO2 +Al2O3 +Fe2O3 < 70% ;SO3 > 5% dan peratus lembapan adalah >3%.Pengkelasan ini dapat dilakukan dengan pengenalpastian komponennya melalui instrumenAnalisis Pendaflour Sinar- X (XRF). Jadual 3.1 menunjukkan komposisi kimia yang terdapat didalam beberapa sampel abu terbang. Jadual 3.1 : Komposisi kimia bagi abu terbang yang berbeza (Moreno et al., 2005)

Secara kasarnya, kandungan kalsium yang tinggi terdapat dalam abu terbang kelas C yangdihasilkan melalui pembakaran arang batu kelas rendah (lignit dan arang batu sub bituminus)dan mempunyai ciri pozzolan iaitu mengeras secara sendiri apabila bertindak balas dengan air.Manakala, abu terbang kelas F pula dihasilkan melalui pembakaran arang batu kelas tinggiseperti arang batu bituminus dan antrasit. Perbezaan yang ketara di antara kelas C dan kelas Fadalah kandungan silika, kandungan alumina dan kandungan kalsium di dalamnya.Di dalam kelas F, jumlah kalsium yang terdapat di dalamnya adalah lebih kurang 1-12% yangmana kalsium itu dalam bentuk kalsium hidroksida, kalsium sulfat dan komponen amorfus.Sebaliknya untuk kelas C, menurut laporan terdapat kira-kira 30-40% kandungan kalsium didalamnya. Satu lagi perbezaan yang terdapat pada kedua-dua kelas adalah kandungan alkalidan sulfat (SO4) yang selalunya tinggi dalam kelas C berbanding abu terbang kelas F.3.1.2 Kandungan Mineral dalam Abu TerbangKandungan mineral dalam abu terbang ini dapat dikenal pasti dengan menggunakan AnalisisSerakan Sinar-X (XRD). Kandungan mineral ini adalah bergantung kepada pembentukan dancara penyimpanan arang batu itu sendiri. Antara mineral yang mendominasi di dalam abuterbang adalah seperti quartz, mulit, kaolinit dan pelbagai lagi mineral yang hadir. Quartz danmulit adalah mineral kristal yang banyak terdapat dalam abu terbang kelas F sementara dalamkelas C mengandungi quartz, C3A, CS dan C4AS.

Kandungan amorfus dan kristal yang terdapat dalam abu terbang ini dikenal pasti melaluipengiraan berdasarkan data yang diperolehi melalui Analisis Serakan Sinar-X (XRD).Kandungan amorfus dan kristal di dalam abu terbang itu sendiri sedikit sebanyak membantudalam kereaktifan abu terbang.3.1.3 Terminologi GeopolimerPerkembangan era simen baru ini telah pun dimulakan oleh (Purdon, 1940) pada tahun 1940.Kajian beliau adalah dengan menggunakan sanga relau terletup yang diaktifkan menggunakannatrium hidroksida. Kajian ini seterusnya membuktikan alkali hidroksida bertindak sebagaibahan pemangkin dibuktikan melalui pelarutan alkali hidroksida dalam jumlah yang sama hadirdalam bahan asal. Walau bagaimanapun, terdapat penyelidik (Glukhovsky, 1959) yangmengkaji bahan pozzolan yang digunakan oleh kerajaan Rom zaman silam pada strukturpembinaan di Mesir dan ini merupakan kajian yang pertama. Beliau kemudian menegaskanbahawa komposisi alumina-silika hidrat adalah sama dengan komposisi OPC dan fasa yangsama pada analsit iaitu bahan yang menyumbang ke arah ketahanan pozzolan.Berdasarkan Glukhovsky (1959) inilah, beliau merungkaikan ataupun menemui satu lagi jenisbahan pozzolan baru yang dinamakan simen tanah. Bahan simen tanah ini diperolehi daripadasumber alumina-silika dari bumi dicampurkan bersama bahan alkali terbuang dari sumberindustri. Bidang ini seterusnya diimpakkan dengan kajian seterusnya (Davidovits, 1979) dariPerancis. Beliau telah mengembangkan kajiannya dan seterusnya mempatenkan istilah ‘geo-polimer’.Menurut Davidovits, bahan pozzolan yang baru ini dihasilkan dengan pengubahsuaian prosespada binaan Rom dan Mesir. Beliau juga mendedahkan bahawa piramid bukanlah dibuatdaripada blokblok batu mineral, sebaliknya dibuat oleh manusia. Berdasarkan pengamatansecara kimia dan mineralogi. Beliau merumuskan bahawa pembinaan blok piramid adalahdaripada campuran pasir batu kapur, kalsium hidroksida, natrium karbonat dan air. AnalisisPembelauan Sinar-X (XRD) menunjukkan bahawa kalsium karbonat (CaCO3) adalah fasa kristalterbanyak dalam blok piramid tersebut.3.2 PROSES GEOPOLIMERProses geopolimer ini telah dicadangkan sendiri oleh pengasas istilah ini iaitu Davidovits (1979).Maka, Davidovits mengemukakan istilah baru iaitu ‘polisialat’ yang mana sialat adalah singkatanbagi alumina-silika oksida. Jaringan yang membentuk sialat terdiri daripada anion tetrahedral[SiO4]4- dan [AlO4]5- berkongsi oksigen, yang mana memerlukan ion positif untuk menstabilkancas elektrik pada Al3+ pada koordinasi tetrahedral. Menurutnya lagi, geopolimer adalah polimerkerana ia terbentuk dan mengeras pada suhu yang rendah. Ia juga adalah geopolimer kerana iaadalah bahan yang bukan organik, kuat dan stabil pada suhu tinggi dan juga tidak terbakar.Rajah 3.1 menunjukkan polisialat yang diusulkan oleh Davidovits yang mana jaringan monomerini membentuk geopolimer. Mekanisma tindak balas ini walaupun belum lagi mampu diterangkansecara lengkap, tetapi langkah-langkah pembentukan geopolimer telah diusulkan oleh beberapa

pengkaji. Langkah pertama terdiri daripada pemutusan ikatan kovalen di antara Si-OSi dan Si-O-Al. Rajah 3.1: Gambaran monomer asal geopolimer (Davidovits, 1979).Pemutusan ini berlaku apabila pH larutan alkali tinggi dan larutan tersebut berubah kepada fasakoloid. Kemudian penggumpalan produk yang bebas seperti Rajah 3.2 dan seterusnya interaksiantara bahan itu lalu membentuk satu jaringan ataupun ikatan yang baru di antara reaktan.Proses-proses ini berlaku pada suhu bilik ataupun di antara suhu 20-90 C dan berlaku secaraserentak. Proses pelarutan ion oleh natrium hidroksida ini memerlukan air, manakala prosespolikondensasi ataupun proses pengerasan mengeluarkan air. Semakin tinggi suhu, makasemakin tinggi kadar kelarutan ionion yang terlibat. Proses pengaktifan bahan geopolimerataupun abu terbang ini adalah satu proses yang berbeza dengan proses hidrasi simen OPC,tetapi secara konsep kimianya, kedua-dua proses adalah sama.

Rajah 3.2: Model proses pengaktifan abu terbang menggunakan larutan alkali.Rajah 3.2 menerangkan apabila larutan alkali bergabung dengan abu terbang, maka prosespelarutan aluminium dan silika berlaku secara langsung. Kemudian molekul yang lebih besarmengalami proses kondensasi ataupun pempolimeran dan proses pengaktifan alkali ini akanmembuka satu ruang kecil di dalam dan luar molekul lalu menyebabkan pembentukan produktindak balas di dalam dan luar bulatan molekul. Selain penggunaan natrium atau kaliumhidroksida sebagai bahan pengaktif, geopolimer juga menggunakan natrium silikat untukmeningkatkan lagi kekuatan geopolimer. Natrium silikat juga membantu dalam prosespengkristalan dalam geopolimer itu sendiri.3.3 MEKANISMA TINDAK BALAS KIMIA DALAM GEOPOLIMERPelbagai andaian telah dikemukakan oleh para pengkaji bidang geopolimer untuk menemui

tindak balas sebenar yang berlaku dalam geopolimer. Persamaan di bawah menerangkantentang proses perlarutan ion-ion yang secara kimia dikawal oleh kandungan ion Na+/K+ dan ionOH- dalam larutan beralkali (Brouwers & Van Eijk, 2003).Pada pH 12, silika telah melarut seperti yang ditunjukkan:dan Al203 melarut menunjukkan pembentukan H2O:Mekanisma tindak balas CaO dan MgO dengan air:Tindak balas Na2O dan K2O dengan air:Fe2O3 bertindak balas dengan air:TiO2 bertindak balas dengan air:Mekanisma tindak balas lengkap abu terbang dalam fasa amorfus:Tindak balas di atas menunjukkan beberapa komponen utama di dalam abu terbang yangberinteraksi secara langsung dengan ion OH- daripada larutan alkali. Daripada tindak balas (1-7), entalpi dan entropi daripada tindak balas di atas berjaya direkodkan.3.4 MEKANISMA PEMBENTUKAN MONOMER BAGI GEOPOLIMERLangkah-langkah pembentukan monomer apabila sumber alumina-silika dilarutkan denganlarutan alkali bagi tindak balas geopolimer telah dicadangkan (Babushkin, Matveyev, &Mchedlov-Petrossyan, 1985), M menunjukkan Na atau K. Apabila kadar Al dan Si di dalamkajian ini rendah, maka mekanisma tindak balas di atas berkemungkinan tinggi akan berlaku.Jika penambahan anion silika bertambah, struktur tetramer, pentamer, heksamer, oktamer dannonamer akan terhasil. 11 mekanisma di atas adalah konsep yang diringkaskan untukmenunjukkan pembentukan monomer dan kesan ion OH itu sendiri.

Persamaan 8 hingga 10 menunjukkan penghidratan oleh ion OH anion yang bertindak balasdengan Al-Si untuk membentuk Al(OH)4-, -OSi(OH)3, divalen asid ortosilik dan trivalen ionortosilik asid. Mekanisma 11 hingga 14 adalah mekanisma elektrostatik fizikal, yang manaberlaku apabila logam alkali, M+ bertindak balas dengan Al(OH)4-, -OSi(OH)3 untukmenstabilkan elektrostatik Coloumbic. Tindak balas 10 hingga 13 adalah interaksi kondensasipasangan kation-anion. Tindak balas 9 hingga 13, kation alkali bertindak balas dengan Al(OH)4-

dan ion asid ortosilik untuk membentuk pasangan monomer M+ -Al (OH)4 dan monomer silika,ion dimer dan trimer.Tindak balas 6 hingga 13 menunjukkan kation logam alkali memberikan kesan kepada kadarpelarutan ion Si dan Al. Walaupun Na+ dan K+ mempunyai jumlah cas elektrik yang sama,perbezaan kesan yang berlaku adalah disebabkan perbezaan saiz ion di antara keduanya.Tindak balas di atas juga menunjukkan interaksi antara pasangan kation dan anion menjadikurang efisyen dengan pertambahan saiz kation. Kation yang mempunyai saiz yang kecilmemudahkan tindak balas pasangan ion dengan oligomer silika. Jadi, menurut tindak balasyang diusulkan, Na+ dengan saiz ion yang lebih berbanding K+ mempercepatkan kereaktifandan meninggikan kadar kelarutan mineral di dalam larutan NaOH itu sendiri.Pembentukan geopolimer dan proses kondensasi yang berlaku dapat diterjemahkan padatindak balas 19 ke 21. Diketahui di sini penambahan natrium silika kepada geopolimermeningkatkan lagi ciri-ciri mekanikal sesuatu geopolimer.

BAB 4KAEDAH PEMPROSESAN GEOPOLIMER4.1 PENGENALANGeopolimer adalah proses penghasilan mortar atau konkrit yang dihasilkan oleh tindak balasbahan pengaktif dan bahan pozzolan a, abu terbang dan sebagainya melalui prosespenggeopolimeran. Jika dibandingkan dengan mortar atau konkrit tradisional, ianya terhasildaripada tindak balas simen Portland dengan air melalui proses penghidratan dengan kadarcampuran tertentu yang telah ditetapkan. Beberapa perbezaan ketara antara kedua-dua prosesseperti dalam Jadual 4.1.Jadual 4.1: Perbezaan antara proses penggeopolimeran dan penghidratan.PENGGEOPOLIMERAN PENGHIDRATAN1. Proses yang melibatkan bahan pozzolana, tanah liat, abu 1. Proses yang melibatkan simen Portland biasa dengan air pada terbang dengan bahan pengaktif serta air pada kadar yang kadar tertentu. tertentu.2. Proses percampuran bahan mentah dilakukan secara serentak. 2. Proses penghasilan OPC dihasilkan dahulu di tempat yang lain sebelum proses percampuran dilakukan.3. Menghasilkan air (wap) apabila penggeopolimeran berlaku. 3. Menghasilkan haba apabila penghidratan berlaku.4. Proses pengerasan akan mencapai 70% kekuatan selepas tiga 4. Proses pengerasan akan mencapai 70% kekuatan selepas tujuh hingga empat jam pengawetan. hari pengawetan.5. Proses pengerasan akan bertambah cepat dengan kahadiran 5. Proses pengerasan akan sempurna dengan kehadiran air. haba.Geopolimer dibentuk daripada tindak balas larutan alkali (biasanya mengandungi hidroksida dansilikat yang tinggi) dengan serbuk alumino-silikat. Serbuk alumino-silikat yang biasa digunakanadalah seperti:(a) Tanah liat (kaolin, feldspar dan lain-lain).(b) Abu terbang.(c) Bahan pozzolana.(d) Sanga relau bagas.Kandungan bahan kimia tersebut kebanyakannya mengandungi kandungan silika (Si) yangtinggi. Sebagai contoh, Jadual 4.2 menunjukkan komposisi kimia abu terbang yang diambildaripada Stesen Janakuasa di Kampar Perak. Jadual 4.2 menunjukkan bahawa abu terbangmengandungi komposisi silikon oksida dan aluminium yang tinggi iaitu 75.7% (Mustafa et al.,2011). Berdasarkan American Society for Testing and Materials (ASTM), 2001, abu terbang ini

merupakan jenis kelas F dengan kandungan kalsium yang rendah. Hal ini merupakan faktorutama dalam menjalankan proses penggeopolimeran.Jadual 4.2: Komposisi kimia abu terbang (Mustafa et al., 2011).KOMPOSISI KIMIA PERATUSAN (%) SiO2 52.11 Al2O3 23.59 Fe2O3 7.39 TiO2 0.88 CaO 2.61 MgO 0.78 Na2O 0.42 K2O 0.80 P2O5 1.31 SO3 0.49 MnO 0.03Secara mudahnya, proses penggeopolimeran adalah seperti yang digambarkan dalam Rajah4.1 seperti dibawah. Rajah 4.1: Aliran Proses Penggeopolimeran.Hasil penggeopolimeran adalah pelekat alkali-aluminosilikat dengan bahan sumber tertinggalyang tidak bertindak balas dan pengisi tambahan seperti agregat atau gentian. Bahan sumbermemainkan peranan penting dalam pembentukan geopolimer. Sekarang, pelbagai bahansumber telah digunakan untuk penggeopolimeran, termasuk pelbagai jenis pozzolana, bahanbersimen, bahan kimia dan bahan tambahan mineral. Bahan-bahan yang kaya dengan silikon(Si) (seperti abu terbang, sanga dan sekam padi) dan bahan-bahan yang kaya denganaluminium (Al) (tanah liat seperti kaolin dan bentonit) merupakan keperluan utama untukpenggeopolimeran. Tiga sumber alumino-silikat yang paling biasa dikaji adalah kaolin kalsin, abu

terbang dan sanga relau bagas.Larutan alkali, contohnya natrium hidroksida (NaOH) dan kalium hidroksida (KOH) dicampurdengan sumber alumino-silikat untuk menghasilkan geopolimer (Songpiriyakij, Kubprasit,Jaturapitakkul, & Chindaprasirt, 2010). Natrium hidroksida (NaOH) menjadi pilihan utamaberbanding dengan kalium hidroksida (KOH) disebabkan harga yang lebih murah.Biasanya, suhu pemprosesan geopolimer adalah kurang daripada 100°C. Ini kerana geopolimeradalah polimer yang mentransformasi, mempolimer dan mengeras pada suhu rendah(Davidovits, 2008). Pada masa yang sama, geopolimer adalah inorganik, keras dan stabil padasuhu yang tinggi dan juga tidak mudah terbakar (Davidovits, 2008). Pada suhu melebihi 100°C,tanah liat mengalami kehilangan air yang banyak (Siddique, 2008).Kajian mengenai kesan komposisi dan suhu kepada sifat geopolimer abu terbang dan kaolinittelah dibuat (Jaarsveld, Deventer, & Lukey, 2002). Pengaruh proses pengawetan kepada sifatmekanikal geopolimer dibincangkan dalam Bahagian 4.3.3. Kekuatan geopolimer bolehdiperolehi dalam masa singkat, di mana biasanya geopolimer mampu mencapai 70% daripadakekuatan akhir dalam empat jam pertama (Zongjin, Ding, & Yunsheng, 2004).Dalam konkrit simen Portland biasa, air dalam bancuhan bertindak balas secara kimia dengansimen dalam proses penghidratan untuk menghasilkan pengikat yang mengikat agregat.Manakala, dalam geopolimer, air tidak menyebabkan tindak balas kimia. Malahan, tindak balaskimia dalam geopolimer menghasilkan air yang akhirnya akan disingkirkan daripada pengikat.Walau bagaimanapun, jumlah air dalam bancuhan memainkan peranan penting pada kelakuankonkrit baru (Hardjito & Rangan, 2005). Kandungan air akan menjejaskan sifat geopolimer(Jaarsveld et al., 2002). Lantarannya, air dipercayai diperlukan untuk meningkatkankebolehkerjaan geopolimer. Selain itu, bahan tambah pemudah adun boleh ditambah untukmeningkatkan kebolehkerjaan geopolimer (Hardjito & Rangan, 2005).4.2 PENYEDIAAN LARUTAN KIMIALarutan kimia yang digunakan dalam proses penggeopolimeran merangkumi larutan alkali danlarutan natrium silikat. Campuran larutan ini menghasilkan larutan pengaktif alkali.4.2.1 Penyediaan Larutan AlkaliLarutan alkali yang paling biasa digunakan adalah natrium hidroksida (NaOH) atau kaliumhidroksida (KOH). Logam alkali yang lain atau campuran dari alkali yang berbeza bolehdigunakan, ataupun boleh terdiri daripada alkali pekat dari sebarang sumber sisa (Alonso &Palomo, 2001).Sebagai contoh, natrium hidroksida digunakan dengan ketulenan 97-98%, dalam bentukserpihan atau pelet boleh didapati secara komersial. Untuk mengelak bahan cemar yang tidakdikenali, air suling digunakan untuk melarutkan natrium hidroksida. Jisim pepejal natrium

hidroksida dalam larutan berubah bergantung kepada kepekatan larutan yang dinyatakan dalamsebutan molar, M (Nguyen, 2009).Rajah 4.1 menunjukkan cara pengiraan untuk menghasilkan larutan natrium hidroksidaberpekatan 8M.

Rajah 4.1: Pengiraan bagi penyediaan larutan alkali.Begitu juga jisim NaOH bagi setiap kg larutan yang berlainan kepekatan adalah 10M: 314 gram,12M: 361 gram, 14M: 404 gram, dan 16M: 444 gram. Peringatan bahawa jisim NaOH hanyalah

sebahagian jisim larutan NaOH, dan air adalah komponen utama (Hardjito & Rangan, 2005).4.2.2 Penyediaan Larutan Natrium SilikatLarutan natrium silikat boleh didapati secara komersial dalam pelbagai gred. Menurut Hardjito &Rangan (2005), natrium silikat bernisbah SiO2/ Na2O mengikut jisim kira-kira 2, iaitu SiO2 =29.4%, Na2O = 14.7%, dan air = 55.9% mengikut jisim adalah dicadangkan. Selain itu, nisbahSiO2/ Na2O mengikut jisim kira-kira 3.22, iaitu SiO2 = 28.7%, Na2O = 8.9%, dan air = 62.4%mengikut jisim juga dicadangkan (Yip, Provis, Lukey, & van Deventer, 2008).4.2.3 Penyediaan Larutan Pengaktif AlkaliLarutan alkali yang paling biasa digunakan adalah merupakan campuran air, natrium hidroksidadan natrium silikat (Nguyen, 2009). Larutan alkali ini hendaklah disediakan di dalam makmal dandicadangkan supaya campuran larutan ini disediakan sekurangkurangnya 24 jam sebelumpenggunaan (Hardjito & Rangan, 2005) untuk mencapai keseimbangan (Duxson, Lukey, & vanDeventer, 2006) dan juga untuk memastikan kereaktifan larutan ( Hardjito, Cheak, & Ing, 2008).Rajah 4.2 menunjukkan penyediaan larutan pengaktif alkali. Tujuan penambahan natrium silikatadalah untuk meningkatkan pembentukan proses penggeopolimeran. Rajah 4.2: Penyediaan larutan pengaktif alkali untuk 24 jam sebelum penggunaan.Semasa penyediaan larutan pengaktif alkali, nisbah larutan natrium silikat kepada larutannatrium hidroksida memainkan peranan yang penting. Nisbah natrium silikat kepada natrium

hidroksida mengikut jisim bagi menghasilkan geopolimer abu terbang adalah lebih kurang 2.5(Hardjito & Rangan, 2005). Bagi kaolin kalsin, 0.24 dilaporkan sebagai nisbah natrium silikatkepada natrium hidroksida mengikut jisim (Wang, Li, & Yan, 2005). Semua nisbah yangdibincangkan berdasarkan kepada kajian sebelumnya dan ianya bergantung kepada sifat bahanmentah yang digunakan.4.3 PROSES PENCAMPURAN GEOPOLIMERProses pencampuran geopolimer terdiri daripada proses pengadunan pes dan konkrit, prosespersampelan dan proses pengawetan.4.3.1 Proses Pengadunan Pes Geopolimer dan KonkritDalam konkrit geopolimer, silikon dan aluminium oksida di dalam sumber bahan alumino-silikatbertindak balas dengan larutan alkali membentukkan geopolimer pelekat yang melekat agregatkasar, agregat halus dan bahan lain yang tidak bertindak balas. Agregat kasar dan halus yangdigunakan oleh industri simen adalah sesuai untuk menghasilkan konkrit geopolimer.Lengkungan penggredan yang digunakan dalam konkrit pada masa ini boleh digunakan dalamkes konkrit geopolimer (Hardjito & Rangan, 2005).Untuk menghasilkan konkrit geopolimer, sumber bahan (abu terbang, sanga, kaolin kalsin danlain-lain) dan agregat pada mulanya disebatikan kering dalam alat pencampur untuk beberapaminit sehingga campuran seragam dicapai. Rajah 4.3 menunjukkan bahan mentah yangdigunakan dalam proses pengadunan geopolimer. Larutan alkali ditambah dengan bahantambah pemudah adun atau air lebihan sekiranya perlu. Larutan alkali kemudian dicampurkepada sumber bahan yang berada di dalam keadaan kering dan proses pencampuranditeruskan untuk beberapa minit lagi. Rajah 4.4 menunjukkan proses pengadunan geopolimer.Lazimnya, konkrit basah boleh dikendalikan sehingga 120 minit tanpa sebarang tandapengesetan dan degradasi dalam kekuatan mampatan (Hardjito & Rangan, 2005).

Rajah 4.3: Bahan mentah yang digunakan dalam proses pengadunan geopolimer.

Rajah 4.4: Proses Pengadunan.Dua jenis turutan pencampuran dilaporkan (Rattanasak & Chindaprasirt, 2009). Salah satuadalah pencampuran biasa seperti yang dinyatakan sebelum ini di mana bahan mentah, natriumsilikat dan larutan NaOH dicampur bersama. Bagi pencampuran berasingan, bahan mentahdicampur dengan larutan NaOH untuk beberapa minit untuk membenarkan pengurasan ion.Selepas itu, larutan natrium silikat ditambah kepada campuran tersebut. Berdasarkankeputusan kekuatan mampatan, kesan turutan pencampuran yang berlainan adalah ketara padanisbah natrium silikat kepada natrium hidroksida yang rendah. Kekuatan bagi pencampuranberasingan adalah lebih tinggi daripada pencampuran biasa. Manakala, pada nisbah natriumsilikat kepada natrium hidroksida yang tinggi, kekuatan mampatan adalah lebih kurang samasahaja. Walau bagaimanapun, kebanyakan penyelidikan menggunakan kaedah pencampuranbiasa.4.3.2 Proses Persampelan GeopolimerKonkrit basah dituang ke dalam acuan keluli berbentuk kiub bersaiz (150 x 150 x 150) mm atausilinder bersaiz 100 mm diameter dan 200 mm tinggi. Pemadatan kiub dibuat dengan rodpemadatan dalam tiga lapisan dengan setiap lapisan sebanyak 35 hentaman. Pemadatan

dengan mesin penggetar (vibrating table) boleh juga dibuat, tetapi jangan terlalu lama.Pemadatan dilakukan dengan berdasarkan kaedah yang digunakan dalam kes konkrit simenPortland (Hardjito & Rangan, 2005) mengikut ASTM C109 (2008) untuk mengurangkan buih-buih udara daripada terperangkap dalam konkrit (Elimbi, Tchakoute, & Njopwouo, 2011). Rajah4.5 menunjukkan bancuhan konkrit baru dalam acuan keluli. Rajah 4.5: Bancuhan konkrit baru dalam acuan keluli.Acuan disalut dengan plastik polietilena nipis untuk mencegah kehilangan lembapan (Elimbi etal., 2011). Ini disebabkan air diperlukan dalam proses penggeopolimeran. Air diperlukan untuktindak balas pelarutan, hidrolisasi dan polikondensasi semasa pemprosesan geopolimer(Zuhua, Xiao, Huajun, & Yue, 2009).4.3.3 Proses Pengawetan GeopolimerAcuan bersama dengan geopolimer dipindahkan ke dalam peralatan pengawetan sepertiketuhar. Pengawetan haba membantu tindak balas kimia yang berlaku di dalam geopolimer(Hardjito & Rangan, 2005). Selepas pengawetan, konkrit geopolimer dikeluarkan dari acuan