KAYAÇLARIN BASİT FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ VE SCHIMIDT YÜZEY SERTLİKLERİ ARASINDAKİ İLİŞKİNİN İSTATİSTİKSEL DEĞERLENDİRİLMESİ

Transkript

1 KAYAÇLARIN BASİT FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ VE SCHIMIDT YÜZEY SERTLİKLERİ ARASINDAKİ İLİŞKİNİN İSTATİSTİKSEL DEĞERLENDİRİLMESİ 1. Giriş YAĞIZ, S., Pamukkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği, Denizli UYSAL M., Pamukkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği, Denizli TUZCUOĞLU, M.B., Pamukkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği, Denizli Özet Doğal taşların fiziksel özellikleri, kullanım amaçlarının tayin edilmesi açısından çok önemlidir. Sert kaya olarak adlandırılan granit tipi kayaçlardan zayıf kayaçlar olarak tanımlanan karbonat içerikli kayaçlara kadar olan spektrumda farklı fiziksel ve mekanik özelliklere sahip kayaçlar inşaat sektöründe gerek iç cephe gerekse dış cephe kaplamalarında koruma ve görsel amaçlı olarak kullanılmaktadır. Denizli ili ve çevresinde işletilen doğaltaşlar genellikle karbonat kökenli olup, zayıf dayanımlı kayaçlar olarak sınıflandırılabilirler ve doğaltaş işletmeciliğinde önemli bir yer tutarlar. Bu çalışmada, Denizli de işletilen farklı doku özellikleri gösteren travertenler, dolomit ve bej olarak adlandırılan kayaçlar işletilen ocak ve çalışan fabrikalardan elde edilerek, kayaçlara ait yoğunluk, doğal ve doygun birim hacim ağırlıkları, su emme, gözeneklilik, boşluk oranı, doluluk ve Schimidth yüzey sertlik değerleri laboratuar koşullarında deneyler yapılarak tesbit edildi. Laboratuvar deney sonuçlarından veritabanı oluşturularak, zayıf kayaçlara ait Schimidt yüzey sertlik değerleri ile fiziksel kayaç parametreleri arasında kabul edilebilir görgül eşitlikler geliştirildi. Anahtar kelimeler: Antalya, Denizli, Fiziksel özellikler, Schimidth sertlik. STATISTICAL EVALUATION OF THE RELATIONSHIP BETWEEN SCHIMIDTH HARDNESS VALUES AND BASIC PHYSICAL PROPERTIES OF ROCKS Abstract Physical properties of natural stone are important to investigate the usage purpose of them. From granite through carbonate rocks, various rocks that have different physical and mechanical properties could be used in modern civil construction for both interior and exterior cover and decorates. Most of the natural stones that is operated around the City of Denizli are carbonate rocks that could be classified as weak strong rocks and they have very importance space in natural stone sectors. In this study, various types of travertines, limestone, dolomites and schist were obtained from the operated quarried around the city of Denizli and Antalya, afterward, density, natural and saturated unit weight, water absorption, porosity, fullness rate, Schmidt hardness rebound of rock were investigated using laboratory testing methods. After the establishment of the dataset from average values of the testing results, empirical relationships were obtained between the Schmidt hardness and physical properties of rocks. Keywords: Antalya, Denizli, Physical properties, Schimidth hardness rebound Dünya ile rekabet halinde olan Denizli doğal taş sektörü için pazarlamayı ve verimliliği artırmak, aynı zamanda mermer seçiminde doğru karar verebilmek gerekir. Bu amaçla doğaltaşların fiziksel mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve standartlara uygunluk açısından irdelenmesi önemlidir. Ancak kayaçların fiziksel özelliklerinin birbirleriyle olan ilişkilendirilmesi sektör bakımından ehemmiyet arz etmesede, bilimsel açıdan ve saha çalışmaları esnasında ön görülerde bulunulması bakımından önemlidir. Denizli ili sınırlarında yer alan Kaklık, Kocabaş, Honaz traverten bakımından dünyanın sayılı çevreleri arasında yer alır. Baklan Bekilii civarlarında ise amatör şartlarda da olsa önemli miktarda şist üretimi yapılmaktadır. Antalya ili ne bağlı, Korkuteli

2 çevresi bej yatakları bakımından, Elmali çevresi ise yumuşak beyaz kireçtaşı (limra) bakımından zengin kaynaklara sahiptir. Bu çalışmada bahis konusu olan il ve ilçelerde üretilen taş ocaklarından alınan numunelerde, teknolojik deney cihazları gerektirmeyen basit fiziksel ve indeks deneyler yapılarak, kayaçların özellikleri arasında ilişkilendirmeler yapılmıştır. Bu çalışma kulvarındaki ilk çalışma olmamakla birlikte detay ve travertenleri ve şistleri saha gözlemleri, mikroskop, mekanik ve fiziksel özelliklerine göre sınıflandırarak yapılmış bir çalışma olması bakımından önemlidir. 2. Çalışılan kayaçların litolojisi ve özellikleri Denizli ili çevresinde işletilen traverten tipleri, içerisinde bulundurdukları kil miktarı, dokusal farklılıklar, bitki köklerinin oluşturduğu boşluklar, ve laminalı doku özellikleri bakımından farklılıklar göstermektedir.sahadan alınan traverten örnekleri fiziksel ve dokusal özelliklerine göre farklı tiplerde aşağıdaki gibi gruplandırılabilir. İşletilen traverten tipileri; çalı tipi, kamış tipi, kristal kabuk, noçe tipi olarak sınıflandırılabilir. Bölgede ocak olarak işletilen travertenlerin tek eksenli basınç dayanımları 30-80MPa arasında değişmektedir. Çalı tipi olarak adlandırılan traverten tipleri, açık krem-açık kahve renkli, birkaç milimetre ile santimetre kalınlığında düzensiz laminalı yapı tipik olarak görülürler. Kamış (reed) tipi olarak adlandırılan traverten tipleri, bataklık ortamlarda depolandıklarından depolanma sırasında bitki köklerine tutunarak çökelen karbonatlar boşluklu, gözenekli bir doku meydana getirirler. Noçe tipi olarak bilinen kahve renkli ve yoğunluğu kamış türü travertenlerden yüksek olan bu tip travertenler aslında kamış tipi travertenlerle aynı koşullarda oluşurlar ancak dayanım ve sertliği göreceli olarak daha yüksektir. Kristalin kabuk tipi olarak adlandırılan yoğun, açık renkli, çökelme yüzeyine dik olarak gelişen kalsit kristalleri içeren traverten tipleri, kamış ve noçe tipi travertenlere oranla yüksek dayanımlıdır 1. Denizli ili; Kaklık, Kocabaş ve Honaz ilçeleri civarında yer alan meşhur traverten ocaklarına ek olarak; Denizli ili Bozkurt ilçesinde işletilmesi düşünülen siyah renkli dolomitler (80-100MPa), Antalya ili çevresinde işletilen yumuşak killi kireçtaşı (Limra; MPa) ve orta dayanımlı ( MPa) kaya olarak adlandırılan bej renkli kireçtaşları doğaltaş sektörü bakımından önemli kaynaklardır 11. Bekilli ilçesi (Denizli) ve çevresinde yaygın olarak bulunan kayrak (şist) taşlarıda (90-110Pa) bölgede kaplama taşı olarak kullanılmaktadır 8,9. Dolomitik kireçtaşları orta dayanımlı kayaçlar sınıfında yer almaktadır. Denizli ili Bozkurt ilçesinde işletilmektedir. Dolomitler dokusal olarak kompaktır ancak homojenlik göstermezler, dayanımları orta derecededir 8. Sahada yüzlek veren mostralardaki gözlenen çatlak takımları derinlere doğru azalmaktadır yeryer kalsit ve kil dolguları kaya kütlesindede gözlenmiştir 2,10. Bej kireçtaşları Antalya Korkuteli ilçesinde işletilmektedir. Bej renkli kireçtaşları homojen değildirler, mikro çatlaklar içermektedir ve orta dayanıma sahiptir. Sahada kayaçlar yeryer boşluklu çatlak takımları içermektedir ve bölgede bej kireçtaşlarının konumlanmasında bölgesel tektonizmanın e faylanmaların etkileri gözlenmektedir 5,11. Limra kireçtaşları Antalya ili, Elmalı ilçesinde işletilmektedir. Kil içeriği yüksektir dayanımı düşük fakat su emme oranı diğer incelenen taşlara oranla oldukça yüksektir 11. Kayraktaşları (şistler) Denizli ili Bekilli ilçesinde işletilmektedir. Bu kayaç tipleri, içerisinde kuvars, biyotit, mika bulundururlar orta dayanımlı kayaçlardır. Ancak bunların dayanımı şistozite düzlemleri boyunca çok düşüktür. Dayınımları yükleme yönüne bağlı olarak çok farklı değerler alabilir 8,9. 3. Saha Çalışmaları 304

3 Çalışma sahası Denizli ve Antalya illerinde değişik ocaklarda yapıldığından dolayı farklı il ve ilçe sınırları içerisinde bulunmaktadır. Çalışmada kullanılan numunlerin alımları esnasında bazan ocaklardan bazı durumlarda ise fabrikalardan faydalanıldı (Şekil 1). Traverten ocaklarının yaygın olarak bulunduğu Ballık Boğazı olarak bilinen (Kaklık-Kocabaş ilçeler) çevreden Çalı, kamış ve noçe travertenleri elde edildi. Honaz ilçesinde işletilmekte olan traverten ocağında kristal kabul olarak tanımlanan (oniks) numuneleri alındı. Bozkurt ilçesinden dolomitik kireçtaşları alınaran değişik deneyler için kullanılmıştır. Antalya ili, Korkuteli ve Elmalı civarından işletilen kayaçlar, fabrikalar aracılığıyle blok olarak temin edildi. Baklan Bekilli ilçelerinden alınan şistler yerinde incelenerek uygun numuneler tercih edilmeye çalışıldı. Şekil 1. Honaz ilçesi çevresinde işletilen kristal kabuk (onix) traverten ocağından numune alımı Şekil 2. Blok numunlerden hazırlanan 70x70x70mm ebatında küp numuneler (Çalı; Kamış; Noçe) 305

4 Şekil 3. Blok numunlerden hazırlanan 70x70x70mm ebatında küp numuneler (Bej; Limra; Kristak kabuk; dolomitik kireçtaşı) Şekil 4. Blok numunlerden hazırlanan 70x70x70mm ebatında küp numuneler (Gri-yeşil şist; Sarı açık renkli şist) 4.Deney Numunelerinin Hazırlanması Denizli ili sınırlarında dört farklı traverten tipi, dolomitik kireştaşı, iki farklı şist tipi belirlenmiştir ve kayaçlara ait fiziksel ve indeks özellikler deneyler yöntemiyle belirlendi. Antaya ili ve ilçelerine ait ocaklarda Limra ve Bej olarak tanımlanan iki farklı doğaltaş, özellikleri açısından incelendi. İncelenen ocaklardan alınan temsili örnekler üzerinde TSE699 7 ve ISRM 3 standartları takip edilerek Schimidt sertlik değerleri, gözeneklilik tayini, su emme oranı, doluluk oranı, dogal ve doygun yoğunluk ve birim hacim ağırlık deneyleri her bir kayaç için 10 adet numune üzerinde yapılarak, ortalama değerleri ilişkilendirme amacıyle kullanıldı. Deney numuneleri 70x70x70mm boyutlu küp numunelerden oluşmaktadır. Bu çalışmada yapılan tüm deneylerde aynı küp numune kullanıldı. Çünkü yapılan deneylerin hiç birisinde numunede zedelenme yada aşınma oluşmamıştır. Bu nedenle ilişkilendirilen kayaç parametreleri bire bir aynı örnek üzerinde ölçüldü. Laboratuvara getirilen bloklardan hazırlanan temsili kayak örnekleri Şekil 1, 2 ve 3 te verilmiştir. 306

5 5. Laboratuvar Deney Yöntemleri ve Sonuçları Denizli ve Antalya ili çevresinde işletilen değişik ocak sahalarından alınan 9 farklı litolojiye ait bloklar, laboratuarda deney numuneleri hazırlamak için kullanıldı. Numune hazırlanmasında ve deney metodlarında ISRM(1981) ve TSE699 (1987) standartları takip edildi. Her bir litolojiden (kayaç) 10 adet deney numunesi hazırlanarak elde edilen deney sonuçlarının ortalama değerleri karşılaştırıldı. Hazırlanan numuneler 70x70x70mm ebatında küp numunelerdir. Bu numunelerde yogunluk ve birim hacim ağırlık ölçümü (M), ağırlık (W) ve hacim (V) ölçme yontemi ile gercekleştirildi (Yogunluk=M/V; BHA=W/V). Ağırlıkça su emme (w) ve etkili gozeneklilik (n ) tayini ise doygunluk yöntemi kullanılarak hesap edildi. Schimidth sertlik (Hr) değeri 70x70x70mm ebatlarında hazırlanan küp numuneler üzerinde ISRM(1981) takip edilerek yapıldı. Her bir yüzey üzerinde 20 vuruş yapılarak en yüksek on vuruşun ortalaması alınıp düzetme katsayısı ile çarpılarak düzeltilmiş değerler çekiç geritepme değerleri hesaplandı. Ortalama değerler veritabanında ilişklendirme için kullanıldı. Yapılan mekanik deneylerin tümünde yükleme ve vuruş değerleri foliasyon, tabakalanma ve laminalanmaya dik yönde gercekleştirilerek, numune de görülen anisotropiden uzak ve en dayanıklı yüzey tercih edildi. Laboratuar deney sonucları ortalama, en yüksek en düşük değerler ve standart sapma değerleri çizelge olarak verildi (Çizelge 1). 6. Kayaç Özelliklerinin İstatistiksel İlişkilendirilmesi Kayaçların özelliklerinin birbiriyle ilişkilendirilmesinde ve Sertlik ile olan ilişkisinin tayininde, SPSS (2002) istatistiksel programi ve excel kullanıldı. İlişkinin korelasyon katsayısı, t ve F test sonuçları göz önünde bulundurularak ilişkilerin geçerliliği incelendi. -t ve F deneyleri olarak adlandırılan bu değerler Null hipotezine göre incelenir 4,5,12,13. Bu hipoteze göre eğer ilişkiler sonucunda elde edilen t ve F değerleri istatik kitaplarında çizelge halinde verilen t ve F değerlerinden yüksek ise ilişki vardır eğer düşükse ilişki yok kabul edilir. Bu çalışmada elde edilen değerler çizelgelerde verilen değerlerden yüksektir ve parametreler arasında kabul edilir bir ilişki vardır. Bu sonuçlara bakıldığında, Kuru Birim hacim ağırlığı ve doygun birim hacim ağırlık ile sertlik arasındaki ilişki ise sırayla r=0.78 ve 0.75 olarak tesbit edildi. (Şekil 1 ve 2). Schimidt sertlik değeri ile etkili gözeneklilik arasında r=0.71, su emme (ağırlıkça) ile ise r=0.72 (Şekil 3 ve 4). Doluluk oranı ile sertlik arasındaki ilişki r=0.58 değeriyle en düşük korelasyon olarak elde edildi (Şekil 5). Sonuçlar Bu çalışmada Denizli ve Antalya ili çevresinde işletilmekte olan, düşük dayanıma sahip kayaçların, su emme, gözeneklilik, doluluk, yoğunluk ve doygun ve kuru birim hacim ağırlık değerleri Schimidth sertlik değeri standart deney yöntemeriyle ölçüldü. Bu çalışmada her bir kayaçtan 10 adet numune hazırlanarak her bir deney 10 numune üzerinde yapılarak, deney sonuçlarının ortalamaları korelasyon yoluyla ilişkilendirildi. Elde edilen eşitlikler zayıf dayanımlı kayaçlar için geçerli olup sınırlı koşullar altında ön araştırma aşamasında kullanılabilirler. Elde edilen korelasyon katsayıları yüksek olmamakla birlikte bir ön bilgi niteliğide değerlendirilebilir. Oluşturulan veritabanının genişletilmesi halinde, geliştirilen eşitliklerin doğruluk derecesi artırılabilir. 307

6 Çizelge 1. Deneyleri yapıla doğaltaşların fiziksel özellikleri ve Schimidth Sertlik aralıları l Çalı tipi travertenlere ait deney sonuçları (Denizli-Kaklık) Çalı Tipi Trv. Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) (γ doğal, kuru) Doygun BHA (kn/m 3 ) (γ doygun ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%) Noçe tipi travertenlere ait deney sonuçları (Denizli-Kocabas) Noçe Tipi Trv. Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) Doygun BHA (kn/m 3 ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%) Kamış tipi travertenlere ait deney sonuçları (Denizli-Kocabas) Kamış Tipi Trv. Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) Doygun BHA (kn/m 3 ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%) Kristal kabuk tipi travertenlere ait deney sonuçları (Denizli-Honaz) Kristal Kabuk Tipi Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) Doygun BHA (kn/m 3 ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%) Korkuteli bejlerine ait deney sonuçları (Antalya-Korkuteli) Bej Kireçtaşları Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) Doygun BHA (kn/m 3 ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%)

7 Çizelge 1. Deneyleri yapıla doğaltaşların fiziksel özellikleri ve Schimidth Sertlik aralıları (devam) 6 Dolomitik kayaçlara ait deney sonuçları (Denizli-Bozkurt) Dolomitik Kçt Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) Doygun BHA (kn/m 3 ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%) Elmalı kireçtaşlarına ait deney sonuçları (Antalya-Elmalı) Elmalı Kireçtaşları Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) Doygun BHA (kn/m 3 ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%) Bekilli kayrak (gri şist) taşlarına ait deney sonuçları (Denizli-Bekilli) Gri-Yeşil Şistler Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) Doygun BHA (kn/m 3 ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%) Bekilli kayrak (sarı şist) taşlarına ait deney sonuçları (Denizli-Bekilli) Sarı Şistler Schimdth Sertlik (H s ) Doğal BHA (kn/m 3 ) Doygun BHA (kn/m 3 ) Gözeneklilik (%) Ağırlıkça Su Emme (%) Doluluk Oranı (%)

8 5 4 3 Su emme (%) 2 w (%) = e Hr r = Hr Şekil 1. Ağırlıkça su emme ve Schimidth sertlik değeri ilişkisi 28 γdoygun 26 (kn/m 3 ) γdoygun = Hr r = Hr Şekil 2. Doygun birim hacim ağırlık ve Schimidth sertlik değeri ilişkisi 28 γ kuru 26 (kn/m 3 ) γ kuru = Hr r = Hr Şekil 3. Kuru birim hacim ağırlık ve Schimidth sertlik değeri ilişkisi 310

9 n' (%) n' = e Hr r = Hr Şekil 4. Etkili gözeneklilik (n ) ve Schimidth sertlik değeri ilişkisi Doluluk (%) 92 Doluluk (%) = Hr r = Hr Şekil 5. Kuru birim hacim ağırlık ve Schimidth sertlik değeri ilişkisi Teşekkürler Bu çalışma, MHF-006 Nolu Pamukkale Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projesinin ön çalışmalarında elde edilen verilerden yayımlanmıştır. Burada sunulan sonuçlar kayaçların yüzey sertlik ve fiziksel özelliklerini içermektedir. Kayaçlara ait mekanik, fiziksel ve index özelliklerin ilişkilendirilmesi ve daha önceki çalışmalarda elde edilen görgül ilişkiler ile karşılaştırılması - Bulletin of International Association of Engineering Geologists de yayımlanmak amacıyle dergiye gönderilmiştir 12. Çalışma süresince lojistik destek, numune temini ve saha çalışması esnasında yardımlarını eksik etmeyen Kömürcüoğlu traverten firmasına teşekkür ederiz. 1 Akyol E, Yağız S, Özkul M, Şen G, Kato S. (2005). Physical Properties of Hot Spring Travertines Related to Lithotypes at Pamukkale Region in Denizli. Ozkul M, Yağız S, Jones B. (Eds). Proceedings of 1 st International Symposium on Travertine. pp September Denizli Turkey. 2 Aydın A, Yağız S. (2006). Doğal Taş Ocaklarında Yer Radarı (GPR) ve Sismik Kırılma Yöntemlerinin Kullanılması. Mühendislik Jeolojisinde Çağdaş Uygulamalar Sempozyumu. s Mayıs Denizli. 3 ISRM, (1981). Rock characterization testing and monitoring, ISRM Suggested Methods. International Society for Rock Mechanics. 211pp. 4 Gokceoglu, C., Sonmez, H., Kayabasi, A., (2003). Predicting the deformation moduli of rock masses. Int J Rock Mech Min Sci. 40(5):

10 5 Kaya A, Yağız S. (2005). Influence of Regional Tectonics and Geological Structures on Marble Quarry Operation: An Example from Antalya Region. Ozkul M. Yağız S. Jones B. (Eds). Proceedings of 1 st International Symposium on Travertine. pp September Denizli Turkey. 6 Levine, D.M, Ramsey, P.P., Smidt, R.K., (2001). Applied Statistics, For Engineers and Scientists. Prentice Hall, New Jersey USA SPSS (2002). Statistical Package for the Social Sciences. Data analysis software packages. Ver SPSS Inc. Chicago, IL USA. 7 TSE 699 (1987). Tabi yapı taşları muayene ve deney metotları. Türk Standartları Enstitüsü, 75 s. Ankara 8 Ozkul M, Yağız S Çal Bölgesinin Jeolojisi ve Doğaltaş Kaynakları. Çal Sempozyumu Bildirileri. s Denizli 9 Yağız S, Ozkul M. (2007). Natural Stone Resources of Çal (Çal-Bekilli-Baklan) Region in Denizli. No. 3. s9-14. Egestone Izmir 10 Yağız S, Aydın A. (2006). Doğal Taş İşletmeciliğinde Jeoteknik Araştırmalar: Karataş Mevkii (Denizli) Doğal Taş İncelemesi. 5.Mermer ve Doğal Taş Sempozyumu. MERSEM`06. Ersoy M, Ergün E. (Eds). s Mart Afyon. 11 Yağız S, Akyol E. (2005). Geomechanical Assessment of Travertine in Antalya Region. Ozkul M, Yağız S, Jones B. (Eds). Proceedings of 1 st International Symposium on Travertine. pp September Denizli Turkey. 12 Yağız S. (200x). The Schmidt hammer test for predicting uniaxial compressive strength, modulus of Elasticity and index properties of rocks. Bulletin of International Association of Engineering Geologists. xx-xx. in review. 13 Yasar E, Erdogan Y. (2004). Estimation of rock physiomechanical properties using hardness methods. Eng. Geol. 71, p