A. Sakcalı, H. Yavuz, H. Cevizci Süleyman Demirel Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Isparta

Transkript

1 Granit Numunelerin Yüksek Sıcaklıklarda Fiziko-Mekanik Özelliklerindeki Değişimin İncelenmesi Investigation o f Changes in Physico-Mechanical Properties o f Granite Samples at High Temperatures A. Sakcalı, H. Yavuz, H. Cevizci Süleyman Demirel Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Isparta ÖZET Kaya mühendisliği yapılarında sıcaklık değişimi kayaların fiziko-mekanik özelliğini ve bütünlüğünü etkileyen önemli faktörlerden biridir. Sıcaklık artışıyla birlikte kayalarda meydana gelen ısıl artış yeni mikro çatlakların oluşumuna ve mevcut çatlakların ilerlemesine neden olur. Boşluk hacminde meydana gelen bu artışla, kaya mikro yapısında değişim meydana gelir. Termal kırılmanın etkisiyle kayaların fiziksel ve mekanik özelliklerindeki değişim farklı mühendislik uygulamalarının önemli bir konusudur. Bu çalışmada, farklı sıcaklıklarda termal hasarın granit numunelerinin fiziko-mekanik özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Termal işlem numunelerin 24 saat 100, 200, 300, 400, 500 C sıcaklığa kadar maruz bırakılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Isıdan kaynaklı numunelerde meydana gelen fiziksel hasarları belirlemek için birim hacim ağırlık, görünür porozite, P-dalga hızı, Schmidt sertliği ve basınç dayanımı ölçümleri yapılmış ve sonuçlar analiz edilmiştir. Ayrıca, karbonatlı kayaçlar üzerinde daha önce gerçekleştirilmiş bir çalışmanın sonuçları ile granitin fiziksel ve mekanik özelliklerindeki değişim karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Granit, fiziko-mekanik özellik, sıcaklık etkisi ABSTRACT Temperature change is an important factor influencing the physico-mechanical properties and integrity of the rocks in the rock engineering structures. Heat increases occurring in rock with temperature rise cause to consist of new micro-fractures and to progress existing fractures. Changes occur in the rock micro structure with this increasing occurred in the void volume. Change in the physical and mechanical properties of the rock by the effect o f thermal cracking is an important issue in different engineering applications. In this study, the effect of thermal damage on the physico-mechanical properties of granite samples was investigated. Thermal processes was carried out by exposing the samples up to 100, 200, 300, 400, 500 C during 24 hours. To determine the physical damage occurred in the sample caused by heat, unit weight, apparent porosity, P-wave velocity, Schmidt hardness and compressive strength measurements were carried out and the results were analyzed. Additionally, changes in the physical and mechanical properties of granite were compared with the results of a study performed on carbonate rocks previously. Keywords: Granite, physico-mechanical property, effect o f temperature 1 GİRİŞ Kayaların fiziksel özelliklerini belirleyen ana parametrelerden birisi de kayalardaki çatlak ve gözeneklerin boyut ve yoğunluklarıdır. Nükleer atık depoları, radyoaktif atıkların yerleştirildiği tünel ve açıklıklardan oluşan kazılmış yeraltı boşluklarıdır. Bu yeraltı boşluklarına yerleştirilen atıklar etrafa ısı yayarlar ve zamanla çevre kayaçta ısı artışı meydana gelir. Kayaçların farklı 750

2 Sakcalı, Yavuz, ve Cevizci sıcaklıklarda fiziko-mekanik özelliklerindeki değişimlerin araştırılması, nükleer atıkların emniyetli olarak izolasyonunun sağlanması ve atık depolarının duraylılığı için çevre kayacın uygunluğunun değerlendirilmesi anlamında büyük önem taşımaktadır (Liang vd., 2006). Araştırmacılar kayaçlardaki termal hasarları analiz etmek amacıyla farklı parametreler üzerinde araştırmalar yapmışlardır. Jones vd. (1997) kayaçların fiziksel özelliklerinin değişiminde bazalt, mikrogabro ve mikrograniti oluşturan minerallerin anizotropik ısıl genleşmesinin etkisini araştırmak için termal çatlaklanma deneyleri yapmışlardır. Bazalt örneklerinde çoğu hasar 300 C üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleşmiş ve 0 C sıcaklığa kadar hasarda hızlı bir artış olmuştur. Mikrogranitte 200 C mikrogabroda ise 0 C de termal kırıklar nedeniyle geçirgenliğinde artış olmuştur. David vd. (1999) granit numunelerde oluşturulan termal kırıkların ve gerilme nedenli kırıkların fiziksel özelliklerdeki etkisini incelemişler ve meydana gelen hasar miktarıyla porozite, ultrases dalga hızı ve geçirgenlik gibi fiziksel özellikler arasında iyi bir korelasyon elde etmişlerdir. Darot ve Reuschle (2000) 510 C sıcaklıkta termal çatlakların oluştuğu granit numunelerinde farklı gözenek ve çevre basınçlarındaki basınç, dalga hızı ve geçirgenlikteki değişimleri incelemişler ve basınç artışı sırasında basınç dalgası hızında artışın, geçirgenliğinde ise azalmanın olduğunu belirlemişlerdir. Chaki vd. (2008) 0 C ye kadar değişen sıcaklık değerlerinde granit kayacının fiziksel özellikleri üzerindeki termal hasar etkisini porozite, ultrasonik dalga hızı ve geçirgenlik ölçümleriyle değerlendirmişler ve ölçüm sonuçları arasında iyi bir uyum olduğunu bulmuşlardır. Dwivedi vd., (2008) çalışmalarında Hindistan graniti ve farklı granitlerde 1 C ye kadar sıcaklık artışıyla çekme dayanımında azalma olduğunu belirtmişlerdir. Granit dışında farklı kayaç türlerinde de termal etkinin kayaların fiziksel ve mekanik özelliklerindeki etkilerini inceleyen araştırmalar yapılmıştır. Fredrich ve Wong (1986) sıcaklığın granit, diyabaz ve kireçtaşları üzerindeki etkisini taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanarak araştırmışlardır. Al-Shayea vd. (2000) kireçtaşının belirli sıcaklık ve basınç altında kırılma tokluğunun etkisini incelemişlerdir. Ferrero ve Marini (2001) kireçtaşı ve mermerler numunelerinde 0 C ye kadar sıcaklık değişimlerinin çatlak yoğunluğuna etkilerini mikroskobik analizlerle incelemişlerdir. Mao vd. (2009) kireçtaşlarında yaptıkları çalışmada 20 C den 0 C ye kadar sıcaklık değişiminde mekanik özelliklerindeki değişimleri incelemişler ve ampirik bir termal hasar denklemi önermişlerdir. Yavuz vd. (2010) kireçtaşı, traverten, bej ve mermer numunelerinde sıcaklık artışı ile P-dalga hızı değişimini incelemişler ve sıcaklık artışıyla P-dalga hızının önemli ölçüde azaldığını belirtmişlerdir. Çalışmalarında ayrıca test öncesi ve sonrası numunelerdeki fiziksel değişimi gözlemlemek için mikroskobik uygulamalardan faydalanmışlardır. Sengun (2013) 105 C ile 0 C arasında değişen sıcaklıklarda 6 farklı karbonatlı kayaçta fiziksel ve mekanik özelliklerindeki değişimi incelemiştir. Bu sıcaklık aralığında sıcaklık artışıyla birlikte kayaçların birim hacim ağırlığı, P-dalga hızı, tek eksenli basınç dayanımı, elastisite modülü, Brazilian çekme dayanımı ve Shore sertliği değerlerinde azalma olurken, görünür gözeneklilik (porozite) değerlerinde artış gözlemlemiştir. Bu çalışmada, farklı sıcaklıklarda termal hasarın granit numunelerinin fiziksel ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Termal işlem numunelerin 100, 200, 300, 400, 500 C ye kadar 24 saat sıcaklığa maruz bırakılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Numunelerdeki ısıdan kaynaklanan fiziksel hasarları belirlemek için birim hacim ağırlık, görünür porozite, P- dalga hızı, Schmidt sertliği ve basınç dayanımı ölçümleri yapılmıştır. 751

3 2 MATERYAL VE YÖNTEM 2.1 Laboratuvar Deneyleri Kaya kalitesi ve termal hasarın tanımlanması için iyi bir temel oluşturduğundan, birim hacim ağırlık, görünür porozite, ultrasonik dalga hızı, schmidt sertliği ve basınç dayanımı gibi laboratuvar deneyleri termal işlem öncesi ve termal işleme tabi tutulmuş numuneler üzerinde yapılmıştır. Birim hacim ağırlık ve porozite kayaların temel fiziksel özelliklerindendir. Porozite birim materyal içindeki iç yüzey alanını etkiler ve materyalin ısı, su nakil özellikleri ve dayanım özelliklerini belirler. Farklı ısı etkileri sonrası kaya porozitesindeki değişimin belirlenmesi spesifik bir kaya türünün termal gerilmelere duyarlılığının belirlenmesi için büyük önem teşkil eder. Birim hacim ağırlık ve görünür porozite TS 699 (2009) standardına göre belirlenmiştir. Numunelerin P-dalga hızları oda şartlarında ultrasonik sinyal iletim tekniği ile belirlenmiştir. Bu hasarsız bir test tekniği olup numunede görünür hasar olmasa bile materyalde dayanım azalmasına neden olan toplam materyal hasarını belirleme potansiyeline sahiptir. Dalga hızı numunenin porozitesinden mikro çatlakların boyut, yoğunluk ve yöneliminden etkilenmektedir. Testlerde 54 khz frekansa sahip PUNDIT cihazı kullanılmıştır. Diğer yöntemlere göre daha hassas bir yöntem olmasından dolayı direk yöntem tercih edilmiştir. Bir numunenin P-dalga hızı üç farklı yöndeki karşılıklı yüzeylerden belirlenmiş ve aritmetik ortalaması alınmıştır. Schmidt sertliği ISRM (1981) tarafından önerilen test prosedürü takip edilerek belirlenmiştir. L-tipi ve 0.74 Nm darbe enerjisine sahip Schmidt çekici kullanılmıştır. Deneyler 70 mm kenar uzunluğuna sahip küp numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Numune yüzeyindeki ölçüm esnasında çekiç düşey konumda her biri diğerinden en az piston çapı kadar uzak olacak şekilde 20 darbe uygulanmıştır. En yüksek on değer dikkate alınarak ortalama değer hesaplanmıştır. Basınç dayanımı da 70 mm kenar uzunluğu olan küp numunelerle TS 699 (2009) standardına uygun olarak belirlenmiştir. Numuneye uygulanan gerilmenin oranı düzenli olup 1-1,2 MPa/s sınırları içinde tutulmuştur. 2.2 Bergama Granitinin Fiziksel ve Mekanik Özellikleri Bergama gri granit numunelerinin fiziksel ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla termal işlem öncesi kayaç üzerinde testler gerçekleştirilmiştir. Termal işleme tabi tutulmamış kayacın birim hacim ağırlığı 2,659±0,005 g/cm3, görünür porozitesi % 1,525±0,128, ağırlıkça su emme oranı % 0,573±0,049, P-dalga hızı 4417±158 m/s, Schmidt sertliği 47,03±1,38, tek eksenli basınç dayanımı 176,7±17,6 MPa olarak belirlenmiştir. 3 ANALİZLER 3.1 Termal İşleme Tabi Tutulan Bergama Granitinin Fiziksel ve Mekanik Özelliklerindeki Değişimin Analizi 100, 200, 300, 400, 500 C sıcaklığa kadar termal işlem gerçekleştirilen granit numunelerinde bu sıcaklıklardaki birim hacim ağırlık, görünür porozite, ağırlıkça su emme oranı, P-dalga hızı, Schmidt sertliği ve basınç dayanımı değerleri Çizelge 3.1. de verilmiştir. 752

4 Sakcalı, Yavuz, ve Cevizci Sıcaklık ( C) Çizelge 1. Bergama granitinin farklı sıcaklıklardaki fiziko-mekanik özellikleri. Birim Hacim Ağırlık (g/cm3) Görünür Porozite (%) Ağırlıkça Su Emme Oranı (%) P-Dalga Hızı (m/s) Schmidt Sertliği Basınç Dayanımı (MPa) 100 2,661±0,005 1,354±0,174 0,509±0, ±152 45,23±1,52 174,8±18, ,663±0,004 1,112±0,136 0,417±0, ±156 44,64±2,39 166,4±18, ,661±0,004 1,206±0,111 0,453±0, ±155 44,74±1,67 1,2±24, ,659±0,004 1,469±0,083 0,553±0, ±110 40,31±1,93 143,2±18, ,647±0,005 1,823±0,089 0,689±0, ±321 35,02±2,59 124,9±28,3 Kayanın oda sıcaklığındaki fiziksel ve mekanik özellikleri kayacın termal işlem öncesi özelliği olarak belirlenmiş ve değişen sıcaklık değerlerinde fiziksel ve mekanik özelliklerinde meydana gelen değişim, değişim oranı olarak belirtilmiştir. Farklı termal etkilere maruz kalan kayanın değişen sıcaklık değerlerine bağlı olarak meydana gelen birim hacim ağırlık, görünür porozite, P-dalga hızı, Schmidt sertliği, tek eksenli basınç dayanımı değişim oranları sırasıyla Şekil Şekil 3.5 arasında gösterilmiştir. 110 g 90 > у = -0,0001x2-0,0094x + 100,61 R2 = 0, Şekil 3. Farklı sıcaklıklarda P-dalga hızı değişim oranı. 100,2 ^ у = -бе-обх2 + 0,0022x + 99,961 R2= 0, у = -0,0001x2+ 0,0169x+ 98,258 R2 = 0,9475 < m 99,8 < X m 99,6 \ g 90 l/t 1Л й % 99,4 Şekil 1. Farklı sıcaklıklarda BHA değişim oranı. Şekil 4. Farklı sıcaklıklarda Schmidt sertliği değişim oranı. у - 0,0005x2-0,2356x R! = 0,9667 Г 110,> ч -. / I 90 vo" у = -0,0001x2 + 0,0008x + 99,88 R2 = 0,9958 ю Şekil 2. Farklı sıcaklıklarda görünür porozite değişim oranı. Şekil 5. Farklı sıcaklıklarda tek eksenli basınç dayanımı değişim oranı. 753

5 Granit numunelerinde 200 C ye kadar birim hacim ağırlığında artış gözlenmektedir. Kayacı oluşturan minerallerin genleşmesi sonucu kayaçta meydana gelen malzeme kompaksiyonundan dolayı böyle bir artış gözlenmiştir. 200 C den sonra kayada oluşan termal kırılmalardan dolayı kayanın birim hacim ağırlığında değişim termal etkiye paralel olarak artmaktadır. Yine aynı şekilde mineral genleşmesi sonucu malzemenin kompaksiyonu ile granitin görünür porozitesi değişiminde 200 C ye kadar azalma gözlenmiş ve bu sıcaklıktan sonra çatlaklanmanın etkisiyle görünür porozite değerinde artış meydana gelmiştir. Granit numunelerinde P-dalga hızının değişim oranında parabolik olarak düşüş eğilimi gözlenmiştir. Termal etkiyle kayada meydana gelen kırılmalar nedeniyle sıcaklık artışı ile Schmidt sertliği ve basınç dayanımındaki değişimin oranında da parabolik bir azalma gözlenmiştir. 3.2 Karbonat Kökenli Kayaçlarla Bergama Granitinin Fiziksel ve Mekanik Özelliklerindeki Değişimin Kıyaslanması Termal işleme tabi tutulan granit numunelerinin fiziksel ve mekanik özelliklerindeki değişim Sengun (2013) tarafından çalışılan karbonatlı kayaçlardaki (mermer, kireçtaşı ve traverten) değişimlerle karşılaştırılmıştır. Sengun (2013) yaptığı çalışmada termal işleme tabi tutulan 6 farklı karbonatlı kayaçta 105 C ile 0 C arasında değişen sıcaklıklarda kaya numunelerinde meydana gelen fiziksel ve mekanik özelliklerdeki değişimi incelemiştir. Çalıştığı kayaç türlerinden mermer (Afyon-İncehisar), kireçtaşı (Kayseri-Develi) ve traverten (Burdur-Bucak) türleri seçilerek kayaç numunelerinde termal işlem sonucu fiziksel ve mekanik özelliklerindeki değişim granit numuneleri ile karşılaştırılmıştır. Termal etki sonrası kayaç numunelerinin görünür porozitesindeki değişim incelenmiştir. 4 farklı kayaç türünde sıcaklık değişimi ile birim hacim ağırlığındaki değişim Şekil 3.6 da verilmiştir. Porozite değişimi en yüksek olan kayaç mermer iken granit numunelerinde termal etki sonucu görünür porozitesinde meydana gelen değişim karbonat kökenli kayaçlara göre çok düşüktür. Granitin magmatik kökenli bir kayaç türü olmasından dolayı yüksek sıcaklıklarda porozitesindeki değişimin diğerlerine göre daha azdır g 500 & 400 Й G ranit Д M erm er A Kireçtaşı Ж Traverten Şekil 6. Granit ile Sengün (2013) tarafından çalışılan karbonatlı kayaçların farklı sıcaklıklarda görünür porozitesindeki değişimin karşılaştırılması. Termal etki sonucu kayada oluşan termal kırılmalar nedeniyle P-dalga hızında (Vp) azalmalar meydana gelmektedir. Kayaçların farklı sıcaklıklarda P-dalga hızlarındaki değişim Şekil 3.7 de verilmiştir. P-dalga hızında en fazla azalma mermer numunelerinde gözlenirken P-dalga hızındaki en düşük değişim granit ve kireçtaşı numunelerinde gerçekleşmiştir. G ranit И M erm er A Kireçtaşı Ж Traverten Şekil 7. Granit ile Sengün (2013) tarafından çalışılan karbonatlı kayaçların farklı sıcaklıklarda P-dalga hızındaki değişimin karşılaştırılması. Termal etkiye maruz kalan kayaçlarda oluşan termal kırıklar kayacın basınç 754

6 Sakcalı, Yavuz, ve Cevizci dayanımlarının düşmesine neden olmaktadır. Şekil 3.8 de kayaçlar için farklı sıcaklıklarda tek eksenli basınç dayanımı değişimleri verilmiştir. Traverten numunelerinde basınç dayanımındaki değişim en fazla iken kireçtaşı numunelerinde de buna yakın düzeyde bir değişim söz konusudur. Granit numunelerinde termal kırılma diğerlerine göre az olduğundan basınç dayanımındaki değişim de diğer kayaç türlerine nazaran daha azdır S 80 Ю ^ 70 vo Granit Д M erm er A Kireçtaşı Ж Traverten ^ 4 - Şekil 8. Granit ile Sengün (2013) tarafından çalışılan karbonatlı kayaçların farklı sıcaklıklarda tek eksenli basınç dayanımındaki değişimin karşılaştırılması. 4 SONUÇLAR VE TARTIŞMA Granit numuneleri termal işleme tabi tutulmuş ve termal işlem sonrası fiziksel ve mekanik özelliklerindeki değişim araştırılmıştır. Ayrıca, daha önceden karbonatlı kayaçlarda yapılan bir araştırma incelenmiş ve granit numunelerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerindeki değişim ile karbonatlı kayaçlardaki değişim karşılaştırılmıştır. Yapılan analizlerin sonucu aşağıdaki şekilde özetlenebilir. Granitin birim hacim ağırlığı sıcaklık artışıyla başlangıçta artmakta (yaklaşık 200 oc ye kadar) daha yüksek sıcaklıklara doğru giderek azalmaktadır. Birim hacim ağırlıktaki başlangıçtaki artış düşük sıcaklıkta kayacı oluşturan minerallerin genleşmesi dolayısıyla malzemenin kompaksiyonu, yüksek sıcaklıklarda ise mikro-çatlak yoğunluğundaki ve mevcut çatlakların boyutlarındaki artış ile açıklanabilir. Granitin porozitesi yaklaşık 200 C sıcaklığa kadar azalmıştır. Bunun nedeni daha öncede belirtildiği gibi mineral genleşmesi kaynaklı kompaksiyon ile açıklanabilir. Bu sıcaklık değerlerinden sonra porozite değeri artmaya başlamış granit yaklaşık 400 C sıcaklıkta orijinal porozite değerine ulaşmış daha yüksek sıcaklıklarda meydana gelen ileri çatlaklanma neticesinde porozite değerlerinde artış olmuştur. Granit numunelerinde meydana gelen termal kırılmalar neticesinde kayada zayıflamalar meydana gelmiştir. Sıcaklık artışıyla birlikte artan bu zayıflamalar kayanın P-dalga hızı, Schmidt sertliği ve basınç dayanımında azalmalara neden olmuştur. Granit numunelerinin fiziko-mekanik özelliklerindeki değişim karbonatlı kayaç türlerine göre daha az olarak gözlenmiştir. Bu da, termal etkiye maruz kalan granit türünün karbonatlı kayaç türlerine nazaran daha az etkilendiğinin göstergesidir. KAYNAKLAR Al-Shayea, N.A., Khan, K., Abduljauwad, S.N., Effects of confining pressure and temperature on mixed-mode (I-II) fracture toughness of a limestone rock, Int J Rock Mech Min Sci, 37, s Chaki S., Takarli, M., Agbodjan W.P., Influence of thermal damage on physical properties of a granite rock: porosity, permeability and ultrasonic wave evolutions, Constructin and Building Materials, 22, s Darot, M., Reuschle, T., Acoustic wave velocity and permeability evolution during pressure cycles on a thermally cracked granite, Int J Rock Mech Min Sci, 37, s David, C., Menendez, B., Darot M., Influence of stress-induced and thermal cracking on physical properties and microstructure of La Peyratte granite, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 36, s Dwivedi, R.D, Goel, R.K., Prasad, V.V.R., Sinha, A., Thermo-mechanical properties of Indian and other granites, Int J Rock Mech Min Sci, 45, s Ferrero, A.M., Marini, P., Experimental studies on the mechanical behaviour of two thermal cracked marbles, Rock Mech Rock Eng, 34 (1), s

7 Fredrich, J.T., Wong, T.F., Micromechanics of thermally induced cracking in three crustal rocks, J Geophys Res, 91 (12), s International Society for Rock Mechanics, Rock characterisation, testing and monitoring, In: Brown ET, editor. ISRM suggested methods. Oxford: Pergamon, 211 s. Jones, C., Keaney, G., Meredith, P.G., Murrell, S.A.F., Acoustic emission and fluid permeability measurements on thermally cracked rocks, Phys Chem Earth, 22, s Liang, W.G., Xu S.G., Zhao Y.S., Experimental study of temperature effects on physical and mechanical characteristics of salt rock, Rock Mech Rock Eng, 39 (1-2), s Mao, X.B., Zhang, L.Y., Li, T.Z., Liu H.S., Properties of failure mode and thermal damage for limestone at high temperature, Min Sci Technol, 19, s Sengun, Influence of thermal damage on the physical and mechanical properties of carbonate rocks, Arabian Journal of Geosci, 7 (2), s TS 699, Mart Türk Standardı, Doğal Yapı Taşları-İnceleme ve Laboratuvar Deney Yöntemleri, Türk Standartları Enstitüsü. Yavuz, H., Demirdag, S., Caran, S., Thermal effect on the physical properties of carbonate rocks, Int J Rock Mech Min Sci, 47, s