Pengukuhan Konkrit Polimer Sanga Timah-Potensi Bahan Kejuruteraan dan Tanggungjawab Terhadap Alam Sekitar

Penulis: Dr. Muhamad Soffi Manda
Pensyarah Kanan
Jabatan Kejuruteraan Mekanikal, Politeknik Muadzam Shah

Sanga timah yang terhasil daripada proses peleburan lazimnya dibincangkan sebagai bahan sampingan industri. Namun, penyelidikan bahan membuka persoalan yang lebih menarik: sejauh manakah sisa ini dapat diberikan fungsi kejuruteraan yang baharu? Apabila partikelnya digabungkan dengan resin poliester dan diperkuat menggunakan jacketing, terbentuk sistem komposit yang mampu menunjukkan peningkatan ketara dalam prestasi mampatan (Manda, 2024).

Mengapa sanga timah perlu diurus

Penimbunan sanga memerlukan ruang penyimpanan dan kawalan kejuruteraan. Larut lesap, atau leaching, boleh memindahkan unsur tertentu daripada pepejal ke air. Sekiranya unsur berbahaya dilepaskan pada kepekatan yang tinggi, tanah atau saliran berpotensi terjejas. Tahap pelepasan bergantung pada komposisi sanga, keadaan kimia dan kaedah pengurusan sisa; ujian sampel diperlukan untuk menentukan risiko sebenar (Ibrahim et al., 2021).

Sanga timah juga boleh mengandungi radionuklid semula jadi daripada siri pereputan uranium dan torium, sebagaimana dihuraikan oleh Agensi Tenaga Atom Antarabangsa (IAEA, 2006). Oleh itu, sumber bahan perlu dinilai dari sudut kimia dan radiologi sebelum penggunaan yang lebih luas dicadangkan.

Penggunaan resin untuk mengikat partikel belum membuktikan bahawa risiko larut lesap atau pendedahan radiologi telah dihapuskan. Kajian pengukuhan ini menilai prestasi mekanikal; keselamatan alam sekitar memerlukan pengesahan tersendiri.

Sanga timah sebagai agregat kejuruteraan

Sanga timah, atau tin slag, digunakan sebagai agregat dalam konkrit polimer sanga timah, dikenali sebagai tin slag polymer concrete (TSPC). Berbeza daripada konkrit konvensional yang menggunakan simen sebagai pengikat utama, formulasi ini menggabungkan partikel sanga dengan resin poliester. Resin membentuk matriks yang mengikat partikel menjadi bahan pepejal, manakala agregat menjadi sebahagian daripada struktur dalaman komposit.

Teras kajian disediakan menggunakan partikel halus bersaiz kurang daripada satu milimeter pada nisbah agregat kepada resin 70:30. Campuran dibentuk menjadi silinder pendek dengan diameter nominal 50 milimeter dan tinggi 100 milimeter, kemudian dibiarkan mengeras selama tiga hari pada suhu bilik. Penyediaan teras secara terkawal membolehkan kesan pengukuh luar dinilai melalui perbandingan dengan spesimen tanpa kurungan (Manda^a et al., 2023).

Taburan partikel, keseragaman campuran dan keadaan antara muka agregat dengan resin merupakan aspek penting dalam pembangunan komposit ini. Kekuatan pengikat sahaja tidak menerangkan keseluruhan prestasi; mutu pembentukan teras turut mempengaruhi tindak balas apabila beban dikenakan.

Pengurungan luaran dan pemindahan beban

Apabila silinder menerima mampatan paksi, teras cenderung mengembang ke sisi. Kurungan luar mengehadkan pengembangan tersebut dan menghasilkan tekanan kekangan pada teras. Mekanisme pengurungan, atau confinement, mengubah keadaan tegasan di dalam bahan serta membantu meningkatkan keupayaan menanggung mampatan. Bagi balutan gentian, pengembangan teras mengaktifkan daya tegangan mengelilingi lilitan balutan.

Bahan pengukuh yang dikaji merangkumi polimer bertetulang gentian kaca, karbon, basalt dan aramid, atau fibre-reinforced polymer (FRP). Konfigurasi tambahan melibatkan gabungan gentian kaca dengan karbon, balutan jalur karbon secara lingkaran, serta tiub keluli lembut yang menutupi sebahagian atau keseluruhan ketinggian teras. Variasi ini membolehkan hubungan antara jenis pengukuh, susunan balutan dan tindak balas mampatan diperhatikan (Manda^b et al., 2023)..

Program mampatan merangkumi sembilan konfigurasi termasuk kawalan, dengan tiga spesimen bagi setiap konfigurasi. Ujian tegangan belah teras dan tegangan bahan pengukuh turut dilaksanakan untuk menghubungkan sifat komponen dengan prestasi sistem (Rajah 2).

Peningkatan kekuatan yang boleh diukur

Dalam penyelidikan konkrit polimer sanga timah, purata kekuatan mampatan bagi konfigurasi tiub keluli penuh mencapai 115.44 MPa, berbanding 58.37 MPa bagi spesimen kawalan. Peningkatan hampir dua kali ganda ini memperlihatkan peranan reka bentuk pengukuh dalam meningkatkan prestasi bahan. Penjelasannya terletak pada hubungan antara komposisi teras, kekangan pengembangan sisi dan pemindahan beban dalam sistem komposit.

Perbandingan kumpulan logam menunjukkan purata kekuatan mampatan nominal 58.37 MPa bagi kawalan, 84.53 MPa bagi kurungan keluli separa dan 115.44 MPa bagi kurungan keluli penuh. Peningkatan purata berbanding kawalan masing-masing sekitar 45% dan 98%. Nilai ini merujuk kepada tiga spesimen dalam setiap kumpulan dan keadaan pembebanan makmal yang digunakan(Manda^a et al., 2023).

Satu spesimen keluli penuh merekodkan 131.84 MPa. Walau bagaimanapun, nilai tertinggi individu perlu dibezakan daripada purata kumpulan. Perbezaan antara spesimen menunjukkan kepentingan kebolehulangan keputusan dan kawalan mutu dalam penyediaan bahan. Purata kumpulan menyediakan asas yang lebih seimbang untuk membincangkan kecenderungan prestasi.

Bagi konfigurasi keluli penuh, plat mesin menyentuh kedua-dua teras TSPC dan hujung tiub. Tiub keluli turut menanggung sebahagian beban paksi secara langsung, di samping memberikan kekangan sisi. Oleh itu, peningkatan yang diukur mewakili tindak balas sistem gabungan teras dengan tiub. Sumbangan pengurungan perlu dibezakan daripada sumbangan keluli sebagai komponen yang turut memikul beban.

Mekanisme kegagalan dan integriti sistem

Penilaian bahan struktur memerlukan pemahaman tentang tingkah laku sepanjang pembebanan, termasuk selepas beban maksimum dicapai. Kemuluran, atau ductility, berkait dengan keupayaan mengalami ubah bentuk tidak elastik sebelum kegagalan. Ciri ini membantu membezakan sistem yang kehilangan kapasiti secara beransur-ansur daripada sistem yang mengalami keruntuhan mendadak.

Pemerhatian eksperimen memperlihatkan mekanisme kerosakan yang berbeza mengikut pengukuh. Balutan FRP boleh mengalami putus gentian dan pemisahan lapisan, manakala tiub keluli menunjukkan perubahan bentuk serta lipatan setempat. Penyahikatan, atau debonding, juga boleh berlaku pada antara muka teras dengan pengukuh. Keadaan ini mempengaruhi kesinambungan pemindahan beban antara kedua-dua komponen.

Pemilihan pengukuh perlu mempertimbangkan kekuatan, kemuluran, mutu ikatan dan bentuk kegagalan secara bersama. Nilai mampatan yang tinggi menjadi lebih bermakna apabila mekanisme yang menghasilkan nilai tersebut dapat diterangkan dan diulangi dalam keadaan ujian yang setara.

Pemodelan untuk menilai konfigurasi pengukuh

Selain eksperimen, penyelidikan ini menilai model matematik sedia ada dan membangunkan model analisis unsur terhingga, atau finite element analysis (FEA), menggunakan Abaqus. Spesimen dibahagikan kepada elemen kecil untuk menganggarkan taburan tegasan, perubahan bentuk dan perkembangan kerosakan. Perbandingan dengan keputusan makmal membolehkan kemampuan model dinilai.

Kajian parameter bagi satu hingga empat lapisan gentian kaca dan karbon menunjukkan tiga lapisan sebagai konfigurasi optimum dalam model yang dikaji. Lapisan keempat tidak terus memberikan pertambahan kekuatan. Dapatan ini membantu mengenal pasti keadaan apabila penambahan bahan pengukuh memberikan pulangan prestasi yang semakin berkurang.

Kesimpulan tersebut terikat pada sifat bahan, geometri dan andaian simulasi. Padanan kekuatan puncak juga tidak semestinya menghasilkan padanan lengkap bagi lengkung tindak balas atau corak retakan. Pengesahan menggunakan pangkalan data eksperimen yang lebih luas diperlukan sebelum hasil simulasi diterjemahkan kepada panduan reka bentuk umum(Manda^c et al., 2024).

Pembangunan bahan untuk aplikasi sebenar

Pemanfaatan sanga sebagai agregat menyediakan laluan untuk memberikan nilai tambahan kepada hasil sampingan industri. Potensi ini perlu dinilai bersama penggunaan resin, tenaga pemprosesan, kos pengukuh dan pengurusan pada akhir hayat. Penilaian kitar hayat dapat membantu menentukan sama ada manfaat penggunaan sisa disertai kelebihan alam sekitar bagi aplikasi yang dicadangkan.

Prestasi terhadap kebakaran, cuaca dan beban berulang perlu dipastikan, diikuti pengesahan pada komponen bersaiz sebenar. Keputusan silinder pendek belum mewakili sepenuhnya tiang yang mengalami lenturan, beban tidak sepusat dan keadaan perkhidmatan jangka panjang.

Sumbangan utama penyelidikan ini ialah pemahaman tentang hubungan antara teras TSPC, pengukuh luar dan mekanisme kegagalan. Data eksperimen serta pemodelan menyediakan asas untuk memilih konfigurasi yang wajar dikaji lanjut. Melalui pengesahan prestasi dan keselamatan yang berterusan, sanga timah berpotensi dibangunkan sebagai sumber agregat bagi komposit kejuruteraan dengan fungsi yang lebih khusus.

Rujukan

1. Manda, M. S. (2024). Strengthening behaviour of tin slag polymer concrete column with various confinement materials for structural application. Tesis PhD, Universiti Malaysia Pahang Al-Sultan Abdullah. https://umpir.ump.edu.my/id/eprint/44644/
2. Manda^a, M. S., Mat Rejab, M. R., Abu Hassan, S., Wahit, M. U., dan Nurhadiyanto, D. (2023). Experimental Study on Tin Slag Polymer Concrete Strengthening under Compression with Metallic Material Confinement. Polymers, 15(4), 817. https://doi.org/10.3390/polym15040817
3. Manda^b, M. S., Mat Rejab, M. R., Abu Hassan, S., dan Wahit, M. U. (2023). Effect of Hybrid FRP Confinement on Tin Slag Polymer Concrete Compressive Strength. International Journal of Engineering and Advanced Technology, 12(5), 119–126. https://doi.org/10.35940/ijeat.E4196.0612523
4. Manda^c, M. S., Mat Rejab, M. R., Abu Hassan, S., dan Md Jaafar, N. S. (2024). Parametric Investigation Using Finite Element Analysis on Number of FRP Confinement Layers for Optimum Compressive Strength of Tin Slag Polymer Concrete Column. Politeknik & Kolej Komuniti Journal of Engineering and Technology, 9(1), 1–15. https://app.mypolycc.edu.my/journal/PMJET/article/view/584
5. Ibrahim, A. H., Mohd Hasan, M. R., Sani, A., Poovaneshvaran, S., Wong, T. L. X., Megat Johari, M. A., Choong, K. K., dan Jaya, R. P. (2021). Physicomechanical Assessments and Heavy Metals’ Leaching Potential of Modified Asphalt Binders Incorporating Crumb Rubber and Tin Slag Powders. Advances in Materials Science and Engineering, 2021, 2137957. https://doi.org/10.1155/2021/2137957
6. International Atomic Energy Agency (IAEA). (2006). Assessing the Need for Radiation Protection Measures in Work Involving Minerals and Raw Materials. Safety Reports Series No. 49. https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1257_web.pdf

Biodata Penulis

Dr. Muhamad Soffi Manda ialah pensyarah kanan di Jabatan Kejuruteraan Mekanikal, Politeknik Muadzam Shah. Penyelidikan beliau dalam teknologi bahan merangkumi konkrit polimer sanga timah, pengukuhan komposit dan pemodelan unsur terhingga, di samping pengajaran serta penyelidikan gunaan dalam kejuruteraan mekanikal.