PERMEABILITAS DAN POROSITAS BATUAN BESERTA HUBUNGAN KEDUANYA BERDASARKAN HASIL UJI LABORATORIUM
Jan ŠPERL* and Jiřina TRČKOVÁ
Institute of Rock Structure and Mechanics, Academy of Science of the Czech Republic, v.v.i.,
V Holešovičkách 41, CZ 182 09 Prague 8, Czech Republic
*Corresponding author's e-mail:
[email protected]
(Dikirim October 2007,Diterima January 2008)
ABSTRAK
Sifat fisis massa dari berbagai jenis batuan telah diteliti, dan hubungan mereka dibahas dalam studi ini. Studi ini berdasarkan metode pada permeabilitas air dan metode intrusi porosimetri merkuri, koefisien konduktivitas, porositas, dan distribusi ukuran pori-pori yang telah ditentukan. Selanjutnya, modulus Bulk dan densitas batuan juga turut ditentukan. Semua tes laboratorium yang dilakukan sesuai dengan spesifikasi teknik versi Ceko CEN ISO / TS 17892-11: 2004. Spesifikasi tersebut telah berstandar nasional Ceko (CSN, CEN). Permeabilitas berkaitan erat dengan porositas, dan hubungan tersebut dapat diasumsikan linear, seperti contohnya, jika porositas meningkat, maka permeabilitas juga turut meningkat. Hubungan ini dipengaruhi oleh sifat batuan lainnya, seperti jumlah pori yang terbuka dan tertutup dalam sampel batuan, ukuran, dan distribusi pori-pori atau campuran mineral. Dari sudut pandang inilah maka perlu diadakan studi untuk mempelajari sifat fisik batuan. Sebab hal ini dapat memungkinkan untuk dilakukan analisis keseluruhan terhadap batuan dan penggunaannya untuk rekayasa konstruksi.
KATA KUNCI: permeabilitas, porositas, tes laboratorium, sampel batuan
PENDAHULUAN
Permeabilitas dan porositas adalah dua sifat utama yang mengontrol pergerakan dan penyimpanan cairan dalam batuan. Kedua tersebut mewakili karakteristik penting dalam sebuah materi. Atas dasar pengetahuan tentang permeabilitas dan porositas tersebut, kemungkinan pengaruh air pada rekayasa konstruksi dapat dihitung. Selanjutnya, pengetahuan tentang permeabilitas dan porositas dibutuhkan pada kasus kebocoran air, pada kasus struktur landasan untuk mengevaluasi kesuburan sebuah lahan, dan dalam hal desain waterproofing bangunan. Permeabilitas dan porositas juga indikator yang sangat penting untuk pemanfaatan berbagai jenis batuan (Christensen et al., 1996).
Terutama pada batu pasir yang digunakan untuk berbagai keperluan dalam industri bangunan, seperti misalnya untuk merenovasi monumen bersejarah, batu, patung, dan lain-lain. Batu kapur dan Napal Arenaceous digunakan sebagai lapisan luar pada material dan digunakan untuk merestorasi bangunan bersejarah. Sedangkan untuk membangun yayasan dan pembangunan struktur bawah tanah, batuan marlite digunakan. Permeabilitas dan porositas berdampak pada pelapukan batuan, yang mempengaruhi bidang pemanfaatan rekayasa.
Permeabilitas adalah salah satu sifat batuan yang diperlukan untuk mempertimbangkan penyelesaian masalah hidrologi dan hidrogeologi oleh metode pemodelan numerik dan fisika (Huenges dan Zimmermann, 1999; Sudo et al., 2005).
Oleh karena itu penentuan kedua sifat batuan disebut sangat penting. Penelitian ini menggunakan metode laboratorium yang digunakan untuk mengukur permeabilitas dan porositas dan hubungan keduanya.
DISTRIBUSI PERMEABILITAS, POROSITAS, DAN BESARNYA PORI
Permeabilitas adalah kemampuan bahan berpori untuk memungkinkan lewatnya cairan. Dalam penentuan permeabilitas batuan, berbagai jenis metode dapat dilakukan yang dengannya digunakan berbagai media yang berbeda pula. Dalam kasus ini ketika cairan yang melewati bahan berpori adalah air, permeabilitas dapat dinyatakan oleh koefisien konduktivitas k [ms-1], yang berarti debit kecepatan aliran air dalam batuan dipengaruhi oleh satuan gradien hidrolik, biasanya dinyatakan dalam meter per detik.
….1)
Dimana:
Q adalah volume air bocor melalui spesimen selama waktu t
l adalah tinggi spesimen diuji
A adalah penampang spesimen
h adalah perbedaan dalam tingkat tekanan air
t adalah periode pengukuran
Porositas media berpori menggambarkan fraksi dari ruang kosong di batu, di mana ruang kosong mungkin berisi udara atau air. Porositas didefinisikan sebagai rasio dari volume ruang kosong yang dinyatakan sebagai persentase dari total (modulus Bulk) volume batuan, termasuk komponen yang padat dan ruang kosong pada batuan tersebut. Porositas dihitung dari turunan rumus:
….2)
di mana ρd adalah bulk density dari spesimen kering dan ρ adalah kepadatan partikel.
Bulk density dapat ditentukan dari spesimen dengan metode stereometric. Pengujian kami dilakukan pada sampel berbentuk silinder, dengan parameter diameternya 50 mm dan tingginya 50 mm. Kepadatan partikel, massa rata-rata per satuan volume partikel padat dalam sampel batuan, biasanya ditentukan dengan menerapkan metode piknometer (Head, 1992).
Permeabilitas dan porositas tergantung pada pori-pori batuan. Ada dua tipologi dilihat dari pori-pori di batu: tertutup dan pori-pori terbuka. Pori-pori tertutup yang benar-benar terisolasi dari permukaan eksternal, tidak memungkinkan akses cairan eksternal baik dalam fase cair atau gas. Pori-pori tertutup dipengaruhi parameter seperti densitas, sifat mekanik, dan sifat termal. Sedangkan batuan dengan pori terbuka, pori-porinya terhubung ke permukaan eksternal dan karena itu dapat dilalui cairan tergantung pada karakteristik pori atau ukuran dan sifat fluida. Batuan dengan pori terbuka dapat dibagi lagi menjadi pori-pori buntu atau pori-pori yang saling berhubungan. Persentase pori-pori yang saling berhubungan dalam batu ini dikenal sebagai porositas efektif. Porositas efektif tidak termasuk pori-pori terisolasi dan volume pori yang ditempati oleh air yang diserap mineral tanah lempung atau biji-bijian lainnya. Porositas total, ditentukan dari rumus No. 2, yakni total ruang kosong di batuan, apakah memberikan kontribusi atau tidak untuk aliran fluida. Porositas efektif biasanya kurang dari porositas total.
Karakter porositas tergantung pada asal batuan dan sangat menentukan sifat fisis batuannya, seperti permeabilitas, sifat adsorpsi, kekuatan mekanik, atau daya tahan. Dengan mengetahui dasar karakter porositas, memprediksi perilaku batuan di bawah kondisi lingkungan yang berbeda dan penggunaannya dapat dimungkinkan.
Salah satu parameter yang paling penting adalah ukuran pori-pori dan distribusi ukuran pori. Pori-pori diklasifikasikan menurut empat kelompok tergantung pada ukuran akses: mikropori, dengan ukuran kurang dari 2 nm diameter; mesopori, mulai diameter antara 2 dan 50 nm; pori makro, yang berada di kisaran 50 nm ke 7500 diameter nm dan pori-pori kasar dalam ukuran lebih dari 7500 nm.
ALAT DAN METODE PENGUKURAN PERMEABILITAS
Penelitian ini menggunakan suatu peralatan standar berteknologi tinggi yang memungkinkan pengukuran permeabilitas pada spesimen tersaturasi penuh dari tanah dan batuan yang dipegnaruhi kemiringan hidrolik konstan (Bruha et al., 2001). Alat tersebut terdiri dari panel yang mengukur dan mengatur elemen dan juga berisi buret horizontal [H] yang memungkinkan pengukuran yang tepat dari volume air mengalir melalui sampel selama saturasi dan juga selama pengukuran permeabilitas berlangsung; buret vertical [G], yang memungkinkan tepat pengukuran volume air yang mengalir melalui sampel selama pengukuran permeabilitas; Diferensiasi mikro-manometer [J] untuk melihat tingkat perbedaan pengukuran; pompa tangan piston [I] untuk menarik/ mendorong lempengan pemisah pada spesimen yang sedang diukur, sebelum dan sesudah pengukuran, dan katup jarum yang mengatur aliran air dari wadah bertekanan ke panel dan keran. Ada juga sel permeabilitas yang sejenis dengan lempeng pemisah tadi yang ditempatkan pada alat. Dalam sel [D] ditempatkan spesimen silinder dengan tinggi 50 mm, dan diameter 50 mm. Bagian bawah dan bagian atas dari wadah tersebut memiliki outlet untuk memantau perbedaan tekanan.
Sumber tekanan jenuh dan pendiferensiasi tekanan adalah dua tekanan yang saling berhubungan pada pembuluh silinder dengan piston berat [B, C]. Piston dapat diatur dan nilai massanya dimungkinkan untuk diatur dengan mengubah tekanan sesuai yang dibutuhkan dengan menggabungkan piston. Tekanan sel hidrostatik dibuat terpisah dari tangki tekanan [E] yang terletak beberapa meter di atas bagian lain dari peralatan. Lokasi tangki ini menjamin bahwa tekanan sel (pembatas) dalam sel selalu lebih tinggi dari tekanan di dasar bawah sel. Tekanan sel hidrostatik adalah konstan; tidak diukur, dan hanya menekan lempengan pemisah menuju ke permukaan silinder spesimen. Hal ini mencegah rembesan air di sekitar spesimen selama pengujian. Alat ini
Gambar 1. Skema alat untuk pengukuran permeabilitas
memiliki tiga sensor untuk pemantauan suhu air. Nilai yang terukur direkam oleh sebuah alat pengukuran pada pusat perangkat. Komunikasi dengan pusat perangkat pengukuran dan pengolahan selanjutnya dilakukan oleh sistem operasi Windows (Straková et al., 2002).
Tes laboratorium dilakukan pada batuan spesimen berbentuk silinder yang dibor dari batuan compact dengan proporsi sebagai berikut: tinggi dari sampel yang diuji 50 mm, diameter diuji sampel 50 mm. Tes terdiri dari dua fase dasar setelah menempatkan spesimen dalam sel: (i) kejenuhan spesimen, (ii) menjalankan tes permeabilitas. Kejenuhan spesimen dan juga permeabilitas pengukuran dilakukan di bawah tekanan tersaturasi 150 kPa untuk semua spesimen yang diuji. Selama pengukuran permeabilitas, kuantitas air yang melalui spesimen diukur. Tes diamati pada monitor komputer. Uji permeabilitas dinyatakan selesai ketika ketergantungan waktu mengalir kuantitas air telah konstan.
Dalam kasus contoh specimen batuan permeable (koefisien konduktivitas bervariasi 10-8 untuk 10-6), percobaan berlangsung dari 30 sampai 60 menit. Untuk beberapa contoh spseimen batuan, yang memiliki sifat permeabilitas batuan yang sangat sedikit (koefisien konduktivitas bervariasi 10-11 untuk (10-9), percobaan pengukuran permeabilitas berlangsung sampai beberapa hari.
POROSIMETRI MERKURI
Metode porosimetri tekanan tinggi didasarkan pada fenomena tekanan kapiler merkuri, dimana sudut keterbasahannya > 90° dan kebocoran merkuri pada pori-pori oleh efek tekanan. Volume merkuri yang menyusup ke dalam sistem porositas umumnya diartikan sebagai total volume pori di diukur pada spesimen. Hubungan antara p tekanan aktual dan silinder radius pori r dinyatakan oleh Washburn persamaan:
…..3)
di mana p [Pa] adalah tekanan yang sebenarnya, r [nm] setengah-panjang jarak dua dinding pada pori yang disebut radius efektif, σ tegangan permukaan air raksa [480 · 10-3 N · m-1] dan sudut kontak φ [141,3o].
Tes laboratorium porosimetri intrusi merkuri dilakukan dengan Pascal 140 dan 240 pada porosimeter Thermo Electron-Porotec. Porosimeter 140 digunakan sebagai pengisi perangkat dan untuk pengukuran tekanan rendah hingga tekanan 100 kPa. Porosimeter 240 bekerja pada range tekanan 0,1-200 MPa. Dengan menggunakan interval tekanan yang telah disebutkan di atas, pori-pori dengan diameter mulai dari 3,7 mm sampai 58 mm dapat dieksperimenkan.
Bentuk pori adalah hal yang paling tidak diketahui, tetapi bisa didekati dengan model. Empat model pori dasar yakni: i) pori-pori silinder, melingkar di penampang, ii) pori-pori "tinta botol" yang memiliki leher yang sempit dan tubuh lebar, iii) pori-pori celah berbentuk dengan plat paralel, dan iv) pori-pori berbentuk kerucut.
UJI COBA SAMPEL DAN PENGUKURAN SIFAT-SIFATNYA
Total ada 23 berbagai sampel batuan diuji. Nilai koefisien konduktivitas partikel, densitas, dan porositas tercantum dalam Tabel 1. Nilai sifat batuan yang disajikan adalah ditentukan dari rata-rata 4 dari 5 spesimen batu tes. Untuk setiap spesimen: permeabilitas, partikel dan densitas diukur, dan porositas dihitung. Semua tes laboratorium dilakukan menurut versi Ceko dari Spesifikasi Teknis
Tabel 1. Sifat Fisis Batuan yang Telah Diuji
CEN ISO / TS 17892-11: 2004 sebagaimana yang telah disebutkan di atas bahwa spesifikasinya memiliki status standar Ceko (CSN, CEN).
DISKUSI
Permeabilitas dan porositas memiliki kaitan erat yakni keduanya tergantung pada jumlah ruang kosong dalam bahan diuji. Telah diketahui bersama bahwa permeabilitas ditentukan oleh mikrostruktur dimana dalam konteks ini didefinisikan sebagai berpori dan struktur yang retak. Jadi bisa diduga bahwa dengan meningkatkan porositas, permeabilitas juga meningkat. Tapi ada beberapa fakta lain yang perlu diperhatikan ketika berbicara tentang hubungan ini. Karena itu, permeabilitas bahan berpori tidak hanya dipengaruhi oleh porositas, tetapi juga oleh bentuk dan susunan pori-pori, atau dengan jumlah komponen tanah lempungnya.
Pertama, perlu dilakukan pembedaan antara porositas total dan porositas efektif. Kami tidak mampu membuat asumsi pada permeabilitas air bahan yang diuji dari nilai total porositas, karena kenyataannya itu adalah ruang kosong total di batu. Sebuah batu mungkin sangat berpori, tetapi jika pori tidak saling berhubungan, cairan dalam pori-pori tertutup (terisolasi) tidak dapat merembes.
Gambar 2. Distribusi ukuran pori dari sampel batuan pasir Úpice
Gambar 3. Distribusi ukuran pori dari sampel batuan pasir Prácheň
Kedua, distribusi ukuran pori adalah hal yang penting. Untuk memperjelas hubungan antara permeabilitas dan porositas, ukuran pori dan distribusi ukuran pori telah ditentukan untuk sampel batuan yang dipilih. Dimensi pori mencakup rentang yang sangat luas. Dimana pada penelitian kami, dua sampel batu pasir (Úpice, Prachen) yang memiliki nilai pendekatan urutan permeablitias yang sama tetapi sangat berbeda pada porositasnya, diuji dengan porosimetri merkuri untuk distribusi ukuran pori. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3.
Seperti yang bisa kita lihat dari Gambar 2 dan 3, batu pasir dari wilayah Úpice memiliki distribusi yang sama pada range ukuran pori. Pori-pori kasar sampel ini tidak melebihi 30% dari total. Dalam kasus batu pasir sampel dari wilayah Prachen, distribusi pori ukurannya berbeda. Pori-pori kasar sampel ini sekitar 65% dari total. Bagian yang berlaku sebagai pori-pori kasar dapat membuat jalan transportasi utama untuk cairan.
Rata-rata diameter pori biasanya digunakan sebagai parameter representatif dari distribusi ukuran pori. Dalam kasus batu pasir Úpice, rataan ukuran pori diameter adalah 2.2 m; untuk pasir Prachen, ukuran rata-rata pori diameter 3.2 m (Tabel 2).
Telah diketahui bersama juga bahwa mineral campuran mempengaruhi permeabilitas. Dasar untuk efek ini dapat dipahami dalam hal pembentukan besar jumlah porositas pada range mesopori.
Tabel 2. Sifat Fisis Batuan Pasir yang Terpilih
Gambar 4. Hubungan antara densitas and porosity batuan pasir
Penegasan ini memerlukan verifikasi eksperimental lebih lanjut. Mesopori adalah range ukuran pada interaksi elektrostatik antara dinding pori dan cairan yang akan memperpanjang fraksi secara signifikan dari area cross section. Kemungkinan konsekuensi dari hal ini adalah proses transportasi melalui pori-pori yang mempunyai diameter dalam range ini terhalang oleh efek elektrostatik (Roy et al., 1993). Penelitian kami dapat mengkonfirmasi hal ini. Sampel batu pasir dari Úpice, dimana jumlah mesoporinya adalah 5.40%, kurang permeabel dibandingkan sampel dari batu pasir dari Prachen, dengan 2,29% jumlah mesoporinya.
Akhirnya, ada beberapa karakteristik lain pada sampel yang kami amati, seperti hubungan antara densitas dan porositas. Kami telah mendapatkan fakta yang telah dikenal secara umum dari sampel batu pasir. Hubungan antara densitas [g / cm3] dan porositas [%] dari 13 sampel yang telah diuji ditunjukkan pada Gambar 4. Kami dapat mengidentifikasi dengan jelas bahwa dengan menurunkan densitas, porositas sampel meningkat. Hal ini disebabkan oleh perbedaan kecil dalam densitas partikel, yang tidak bergantung pada porositas, tetapi hanya pada komposisi modal. Komposisi modal dari sampel pasir diasumsikan hampir sama. Hubungan antara densitas dan porositas semua sampel yang diuji ditunjukkan pada Gambar 5.
Batuan napal arenaceous memiliki porositas tinggi. Demikian pula, batuan marlit juga memiliki porositas tinggi. Koefisien konduktivitas dari batu yang telah disebutkan di atas tergantung pada jumlah komponen tanah lempungnya. Meskipun fakta bahwa lempung memiliki porositas yang sangat tinggi, tetapi permeabilitasnya sangat rendah (sekitar 10-10 - 10-11). Hal ini disebabkan sifat terstruktur mineral lempung. Lempung dapat memerangkap volume air per volume material Bulk dalam jumlah besar, yang disebabkan oleh pembengkakan, tetapi dia tidak melepaskan air dengan sangat cepat sehingga menyebabkan penurunan koefisien konduktivitas.
Gambar 5. Hubungan antara densitas and porosity pada semua jenis batuan
Sampel yang diuji yakni batu kapur, gneiss, granit dan basalt adalah contoh batuan halus, sehingga mereka memiliki porositas yang rendah, dan fakta ini tentu saja menyebabkan koefisien konduktivitasnya juga rendah. Sebuah sampel batu kapur dari Úvaly yang dibandingkan dengan dua sampel uji lainnya, memiliki porositas tinggi yang disebabkan oleh retakan mikro, sehingga meningkatkan permeabilitas batuan.
KESIMPULAN
Permeabilitas batuan ditentukan oleh mikrostruktur yang dalam hal ini didefinisikan dalam sebagai pori dan atau struktur retak. Koefisien konduktivitas bahan berpori dipengaruhi tidak hanya oleh porositas, tetapi juga oleh bentuk dan susunan pori-pori, atau dengan jumlah komponen tanah liat. Hanya porositas efektif yang dapat mempengaruhi permeabilitas karena pori-pori yang saling berhubungan dapat memungkinkan rembesan air melaluinya. Faktor penting lainnya adalah distribusi ukuran pori, atau jumlah komponen tanah liat. Ketika melihat hubungan porositas dan permeabilitas, hal lain yang perlu diperhitungkan adalah massa batuan dan densitas partikel.
Uji laboratorium pada sifat fisis dasar dari berbagai jenis batuan telah dilakukan dan hubungannya terhadap satu sama lain telah didiskusikan. Sifat fisis batuan sebagaimana yang telah disebutkan di atas, seperti permeabilitas air, porositas, distribusi ukuran pori dan sifat adsorpsi serupa lainnya, kekuatan mekanik, atau daya tahan adalah karakteristik yang juga sangat penting. Atas dasar karakteristik fisis inilah prediksi tentang perilaku batuan di bawah kondisi lingkungan yang berbeda dan penggunaan dapat ditentukan.
Ada karakteristik penting lainnya yang mempengaruhi porositas dan permeabilitas, yaitu ukuran butiran batuan. Batuan dengan butiran yang hampir seukuran memiliki porositas tinggi dibandingkan urutan material dengan ukuran yang tidak sama, dimana partikel yang lebih kecil mengisi kesenjangan antara partikel yang lebih besar. Fakta ini secara signifikan mengurangi porositas dan dapat mempengaruhi permeabilitas. Pengaruh antara permeabilitas batuan dan distribusi ukuran butiran adalah objek lain dari penelitian ini.
UCAPAN TERIMA KASIH
Makalah ini didukung oleh penelitian Grant Agency of the Academy of Sciences dari Republik Ceko no. IAA2119402 berjudul: "Stres dan deformasi batuan dalam struktur dan elemen struktur menggunakan pemodelan kopel ganda".
DAFTAR PUSTAKA
Brůha, P., Březina, M. Straková, J. Trčková, J. and Živor, R.: 2001, Laboratory apparatus to measure porous material permeability. Acta Montana IRSM AS CR, series A 18(121), 75-79.
Christensen, B.J., Mason, T.O. and Jennings,H.M.: 1996, Comparison of measured and calculated permeabilities for hardened cement pastes. Cement and Concrete Research, Vol. 26, No. 9, 1325-1334.
ČSN, CEN ISO/TS 17892-11, 2005, Geotechnical investigation and testing – Laboratory testing of soil, Part 11: determination of permeability by constant and falling head, (in Czech).
Head, K.H.: 1992, Manual of soil laboratory testing. John Wiley & Sons, Inc., Vol. 1.
Huenges, E. and Zimmermann, G.: 1999, Rock permeability and fluid pressure at the KTB. Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 54, No. 6, 689-694.
Katz, A.J. and Thompson, A.H., 1986, Quantitative predication of permeability in porous rock, Phys. Rev. B, 34, 8179.
Roy, D.M., Brown, P.W., Shi, D. and Scheetz, B.E.: 1993, Concrete microstructure porosity and permeability [Online] Materails research laboratory, The Pennsylvania State University, University park, Pennsylvania, Strategic highway research program, National research council, Washington, D.C. 1993 [cit. 2007-10-21] http://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/shrp/SHRP-C-628.pdf
Straková, J., Trčková, J. and Živor, R.: 2002, Permeability measurement of natural construction materials. Stavební obzor, Vol. 10, No.11, 307-310, (in Czech).
Sudo, H., Tanaka, T., Kobayashi, T., Kondo, T., Takahashi, T., Miyamoto, M. and Amagai, M.: 2004, Permeability imaging in granitic rocks based on surface resistivity profiling. Exploration Geophysics 35, 56-61.
