Doğal ve Ergitilmiş ların Fiziko-Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması Comparison of Physico-Mechanical Properties of Natural and Melted Basalts S. Er*, A. Tuğrul İstanbul Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Avcılar, İstanbul (selmaner@gmail.com) ÖZ: Ülkemizde geçmişten günümüze kullanılan yapı malzemelerinden biri de bazaltlardır. Ülkemizde yaygınca bulunan bazaltların kullanım alanları, teknolojik gelişmelerle beraber her geçen gün artmaktadır. Son dönemlerde bazaltlar ergitilerek farklı ürünlerin elde edilmesinde kullanılmaktadır (taş yünü, fren balatası, bazalt fiber vb.). Ancak bu ergitmelerde farklı katkı malzemeleri kullanılmaktadır (dolomit, kil vb.) Bu çalışmanın amacı da, katkı kullanılmadan ergitilecek ve soğutulacak farklı bazaltların fiziko-mekanik özellikleri ile doğal bazaltların fiziko-mekanik özelliklerini karşılaştırmaktır. Bu amaçla, Türkiye nin farklı bölgelerinden 3 farklı bazalt derlenmiştir. Örnekler üzerinde öncelikle kimyasal, mineralojik, petrografik ve fiziko-mekanik deneyler yapılmıştır. Elde dilen veriler değerlendirilerek örnek sayısı üçe indirilmiştir. Uygun işlem geliştirildikten sonra elde edilen örnekler üzerinde tekrar kimyasal, mineralojik, petrografik ve fiziko-mekanik deneyler yapılmıştır. Son olarak doğal bazaltlarla ergitilmiş bazaltların kimyasal, mineralojik ve fiziko-mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır. Doğal ve ergitilmiş bazaltların özellikleri karşılaştırıldığında, ergitilmiş bazaltlar doğal bazaltlara göre daha iyi sonuç vermektedir. Sonuçta, en önemli parametrenin doğal bazaltların kimyasal özellikleri olduğu belirlenmiştir. Yoğunluk, kuru birim hacim ağırlık, toplam porozite, atmosfer basıncında su emme, P dalga hızı, Vickers sertliği ve nokta yük dayanım deney sonuçlarına göre, ergitilmiş bazaltların doğal bazaltlara göre daha iyi sonuç verdikleri saptanmıştır. Anahtar Kelimeler:, ergitme, fiziko-mekanik deneyler ABSTRACT: In our country, basalt is one of the building materials that are used daily from the past. The usage areas of basalts, which are widespread in our country, are increasing day by day with technological developments. In recent times, melted basalts have been used to obtain different products (rock wool, brake pads, basalt fiber, etc.). However, different additive materials are used in these melts (dolomite, clay, etc.). The purpose of this work is to compare the physico-mechanical properties of melted and cooled without additives different basalts. With the physico-mechanical properties of natural basalts. For this purpose, three different basalts were collected from different parts of Turkey. Chemical, mineralogical, petrographic and physico-mechanical tests were performed on the samples. The number of samples was reduced to three by evaluating the data obtained. After the appropriate process was developed, chemical, mineralogical, petrographic and physico-mechanical experiments were carried out again on the obtained samples. Finally, chemical, mineralogical and physico-mechanical properties of molten basalts were compared with natural basalts. Compared with the properties of natural and melted basalts, molten basalts yield better results than natural basalts. In this result, the most important parameter is the chemical properties of natural basalts. It was found that the melted basalts yielded better results than the natural basalts according to density, dry unit volume weight, total porosity, water absorption at atmospheric pressure, P wave velocity, Vickers hardness and point load strength tests results. Keywords: Basalt, melting, physico-mechanical properties 1. GİRİŞ İnsanların tarih öncesi dönemden beri kullandığı doğal taşlardan biri de bazalttır. Hitit Döneminde bugünkü Gaziantep (Yesemek) de bulunan dönemin en büyük antik heykel okulunda kullanılan ana yapı malzemesinin bazalt olması şaşırtıcı değildir (Duru, 2004). Anadolu yarımadasının jeolojik özelliği gereği birçok bölgede bulunan ve tarih boyunca kullanılan bazaltlar günümüzde de 316
kullanılmaya devam edilmektedir. lar özellikle II. Dünya Savaşından sonra makina sanayinde metale alternatif bir malzeme olarak da bir süre kullanılmıştır. Metale alternatif malzeme olarak kullanılmak üzere ergitme ve soğutma süreci gibi bir işlemden geçmesi gerekmiştir. Ancak üretilirken bazalt içine dolomit ve kil gibi başka malzemeler de katılmıştır (Kopecky ve Voldan, 1965). ların mineralojik, fiziksel, mekaniksel vb. özelliklerinin birçok taştan üstün olması bunların gelecekte de kullanılmaya devam edeceğini göstermektedir. ları daha fazla ve doğru kullanmak için doğal taşların hepsinde olduğu gibi mineralojik, kimyasal, fiziksel ve mekanik özelliklerinin bilinmesi önemlidir. Doğal bazaltların fiziko-mekanik özellikleri üzerine birçok çalışma bulunmaktadır (Tuğrul, 1995; Korkanç, 2003; Greene, 2004; Temmur vd. 2007). Ancak literatürde bazaltların katkı kullanılmadan ergitilmesi ve katılaştıktan sonraki özelliklerinin belirlenmesi üzerine araştırma mevcut değildir. Bu çalışmanın amacı, farklı kimyasal ve petrografik özellikteki bazaltların katkısız ergitilerek, elde edilen numunelerin kimyasal, fiziksel ve mekanik özelliklerini belirlemektir. Böylece literatürde eksik olan ergitilmiş bazaltların kimyasal, petrografik, fiziksel ve mekanik özelliklerine etki eden faktörler belirlenmiş olacaktır. 2. MALZEME ve YÖNTEM Çalışma kapsamında farklı kimyasal ve petrografik özelliklere sahip bazaltların doğal haldeki özellikleri ile ergitilmiş ve soğutulmuş haldeki özelliklerinin belirlenebilmesi için, araştırma kapsamında büro, arazi ve laboratuvar çalışmaları yapılmıştır. Çalışma kapsamında kullanılabilecek yerler ofis çalışmalarında belirlendikten sonra, ilgili sahalar gezilerek örnekleme yerleri belirlenmiştir. Örnekler ağırlıklı olarak Batı Anadolu dan getirilmiştir. Tekirdağ Muratlı, Bursa Orhangazi ve Düzce örnek yerleridir (Şekil 1). Örnekleme yapılırken ayrışmış bölgelerden örnek almamak için aktif olarak çalışan taş ocakları öncelikle tercih edilmiştir. Bu sayede hem numune temininde hem de kalitesinde problem yaşanmamıştır. Şekil 1. Örnek yerlerini gösteren yer bulduru haritası. (BI :Bursa Orhangazi, DI: Düzce ve TII: Tekirdağ Muratlı). Laboratuvar çalışmaları kapsamında, ilk aşamada bazaltların fiziksel, kimyasal ve mineralojik özeliklerinin belirlenmesi sonraki aşamada ise fiziko-mekanik özelliklerin belirlenmesi amaçlanmıştır (birim hacim ağırlık, toplam porozite, su emme, nokta yük dayanımı, P dalga hızı, Vickers sertliği). 2.1 Ergitme İşlemi için Hazırlık Çalışmaları Örneklerin ergitme işlemlerine başlamadan öncelikle ergitme işlemlerinin nasıl yapılacağı ve nasıl bir malzeme içinde (pota çeşidi) yapılacağı konusunda ön araştırmalar yapılmıştır. Ergitme işlemi sırasında kullanmak üzere uygun potanın seçilmesi için çeşitli potalar denenmiştir. Bunlar içinde 317
Alüminyum silikat pota ve grafit potalar hazır alınırken, gazbeton ve şamot tuğladan potalar ise laboratuvarda üretilmiştir. Yapılan çeşitli deneme çalışmalarında şamot tuğlanın yüksek sıcaklıkta fiziksel ve kimyasal özelliğini kaybetmediği için daha uygun olduğu belirlenmiştir (Şekil 2) (a) (b) (c) (d) Şekil 2. Ergitmede kullanılan potalar a) alüminyum silika pota b) grafit pota c) gaz beton tuğla d) şamot tuğla. 2.2 Ergitme Çalışmaları Ergitme sıcaklığının belirlenmesinde DTA analiz sonuçları kullanılmıştır. Elde edilen verilere göre bazaltlar yaklaşık 600 C de kısmı ergimeye başladıkları ve 1200-1300 C arasında tam ergimeye ulaştıkları saptanmıştır. Çeşitli denemeler sonucunda ergitme sıcaklığı olarak 1300 C çıkılması ve saatde 10 C soğumasının uygun olduğu belirlenmiştir (Şekil 3). Bütün bazalt örneklerine bu işlem uygulanmıştır. Çizelge1 de detaylı zaman-sıcaklık değerleri verilmiştir. 318
MÜHJEO 2017: Ulusal Mühendislik Jeolojisi ve Jeoteknik Sempozyumu, 12-14 Ekim 2017, ÇÜ, Adana Şekil 3. Ergitme işlemlerinde kullanılmasına karar verilen sıcaklık ve soğutma hızı grafiği. 3. BULGULAR Çizelge 1. Ergitme işleminde kullanılan zaman-sıcaklık verileri. Zaman Sıcaklık Aşama (saat) (derece) 1 2 1200 2 1 1300 3 5 1300 4 5 1200 5 20 1000 6 20 800 7 10 600 8 5 300 9 2 100 10 1 25 Ocaklardan getirilen BI, DI ve TII bazaltları üzerinde kimyasal analiz, petrografik, mineralojik ve fiziko-mekanik deneyler yapılmıştır. Daha sonra bu bazaltlardan 300 μm boyutunda toz numuneler hazırlanmış ve potalara yerleştirilerek belirlenen işlemde ergitilmiştir. Elde edilen ergitilmiş numuneler üzerinde de kimyasal analiz, petrografik, mineralojik ve fiziko-mekanik deneyler yapılmıştır. Elde edilen veriler aşağıda çizelgeler halinde verilmiştir (Çizelge 2-6) ). BI, DI ve TII örneklerinin ergitilerek BIE, DIE ve TIIE örneklerinin elde edildiği çalışmada BI-BIE, DI-DIE ve TII-TIIE üzerinde yapılan XRF sonuçları karşılaştırıldığında SiO 2, Al 2 2O 3, CaO, MgO, SO 3, K 2 O, Na 2 O değerlerinde anlamlı bir değişim belirlenememiştir. Elde edilen sonuçlar çeşitli araştırmacıların verileri ile kıyaslandığında da benzer sonuçlar elde edilmiştir. Ancak Fe 2 O 3, KK ve H 2 O değerlerinde belirgin değişimler belirlenmiştir. Fe 2 O 3 bileşiğinin BI değeri %8,86 iken BIE örneğinde % 11.17 e, DI örneğinde %6.72 iken DIE örneğinde %11.61 e ve TII örneğinde %10.32 iken TIIE örneğinde % 15.02 ye yükseldiği görülmektedir. Bunun nedeni araştırıldığında, FeO de yaşanan indirgenme olayıdır. Bu indirgenme ağıdaki gibi gelişmektedir. 3FeO+1/2 O 2 Fe 3 O 4 (1) 319
Çizelge 2. ların mineral içeriği, dokusu, hamur özellikleri, ayrışma durumu ve sınıflandırılmaları. Örnek Kodu Mineral İçeriği Doku Hamur Ayrışma *Sınıflama BI DI TII BIE DIE Plajiyoklas, piroksen, olivin, opak mineral Plajiyoklas, opak mineral Plajiyoklas, Alkali Feldispat, olivin, piroksen, plajiyoklas, Plajiyoklas, piroksen, opak mineral Plajiyoklas, opak mineral Hipokristalin porfirik Holohyalin porfirik Hipokristalin porfirik Plajiyoklas, TIIE piroksen, opak mineral * Streckeisen ve Le Bas (1986)' ya göre Plajiyoklas mikrolit Volkan camı, Volkan camı, piroksen, plajiyoklas Plajiyoklas mikrolit, piroksen, opak Volkan camı, plajiyoklas mikrolitleri Piroksen, opak mineral, volkan camı Opak mineral, piroksen,volkan camı Hidrotermal alterasyon, karbonatlaşma Hidrotermal alterasyon Serisitleşme Yok Yok Yok Olivinli Çizelge 3. ların mineral ve hamur içeriği. Piroksen Plajiyoklas Olivin Biyotit Opak Min. Hamur Örnek (%) (%) (%) (%) (%) (%) BI 4.8 30.8 1.4-1.1 61.6 DI 2.1 38.7 - - 0.8 58.5 TII 9.1 13.1 16.5-0,6 60.7 BIE 3.1 62.1 - - 9.7 25.6 DIE - 44.6 - - 5.2 50.2 TIIE 52.8 9.4 - - 15.6 22.2 Çizelge 4. ların ortalama mineral boyutları. Piroksen Plajiyoklas Olivin Biyotit Opak Min. Örnek (μm) (μm) (μm) (μm) (μm) BI 150 400 80-90 DI 350 500 - - 100 TII 250 350 110-100 BIE 130 650 - - 70 DIE - 800 - - 50 TIIE 450 250 - - 40 320
Çizelge 5. Doğal ve ergitilmiş bazaltların ana element oksit içerikleri (%). Örnek Kodu SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 K 2 O Na 2 O K.K* H 2 O BI 54.28 19.93 8.96 7.70 2.76 0.16 1.12 3.51 2.09 0.76 DI 58.12 18.16 6.72 6.51 3.14 0.11 1.28 3.49 1.05 0.00 TII 45.22 13.17 10.32 9.44 12.36 0.21 1.72 3.17 3.66 0.00 BIE 53.39 19.28 11.17 9.18 3.36 0.1 1.24 2.56 0.37 - DIE 55.74 17.26 11.61 7.78 3.42 0.12 1.22 2.54 0.26 - TIIE 45.18 12.48 15.02 9.15 12.6 0.09 1.86 2.16 0.68 - K.K*: Kızdırma kaybı Çizelge 6. Doğal ve ergitilmiş bazaltların fiziko-mekanik değerleri Yoğunluk (kn/m 3 ) γ (kn/m 3 ) n t (%) w a (%) V p (km/sn) HV (Vickers sertliği) Is (50) (MPa) BI 26.74 26.63 1.28 0.61 5.428 447 7.52 DI 27.56 27.14 0.21 0.12 5.806 476 8.23 TII 28.72 28.78 0.94 0.26 6.374 508 11.24 BIE 27.26 27.15 0.09 0.12 5.765 494 9.51 DIE 27.88 27.67 0.10 0.08 6.164 523 10.03 TIIE 29.84 29.51 0.05 0.09 6.405 579 14.96 γ: kuru birim hacim ağırlık, n t : toplam porozite, w a : atmosfer basıncı altında ağırlıkça su emme, V p : P dalga hızı, HV: Vickers sertlik değeri, Is (50) : nokta yük dayanımı. H 2 O bileşiği ise BI örneğinde %0,76 iken BIE örneğinde %0 dır. Ancak DI-DIE ve TII-TIIE örneklerinde H 2 O içeriği belirlenememiştir. Böylece H 2 O bileşiğinin ergitme esnasında örneklerden buharlaşarak ayrıldığı anlaşılmaktadır. KK değerinin ise BI örneğinde %2.09 iken BIE örneğinde %0.39 a, DI örneğinde %3.05 iken DIE örneğinde %0.26 ya ve TII örneğinde %3,66 iken TIIE örneğinde %0.68 e düştüğü belirlenmiştir. Bu değişimde örnek içerisinde yer alan H 2 O, CO 2, F, Cl, S vb. uçucu bileşenlerin ergitme esnasında örnekten ayrılmasından kaynaklanmaktadır Mikroskop analizi sonuçlarına göre ise BI-BIE örneği mineral içeriği kıyaslandığında BI örneğinde %30.8 olan plajiyoklas minerali, BIE örneğinde %62.1 e ve opak mineral içeriği ise %1.1 den %9.7 ye çıktığı belirlenmiştir. Hamur içeriği ise BI örneğinde %61 iken, BIE örneğinde %25.6 ya düşmektedir. Piroksen içeriğinde önemli bir değişime rastlanmazken BI örneğinde tanımlanan olivin BIE örneğinde bulunmamaktadır. DI-DIE örneklerinin mineral içerikleri kıyaslandığında DI örneğinde %38.7 olan plajiyoklas minerali, DIE örneğinde % 44.6 ya ve opak mineral içeriği ise %0.8 den % 5.2 ye çıktığı belirlenmiştir. Hamur içeriği ise BI örneğinde %58.5 iken BIE örneğinde % 50 ye düşmektedir. DI örneğinde belirlenen piroksen içeriği DIE örneğinde belirlenememiştir. Plajiyoklas minerallerinin ince uzun fakat geniş olmaması ve hamur içeriğinin BIE örneğine göre yüksek olması soğuma hızının bu örnek için BIE e göre fazla olduğunu göstermektedir. Buna rağmen paljiyoklaz minerallerinin boyutu ortalama 800 μm ile DI örneğinden daha fazladır. DI örneği % 57.12 SiO 2 içeriği ile en yüksek SiO 2 içeriğine sahip örnektir. Hamur içerisinde yer alan cam mikrolitleri de SiO 2 nin yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. TII-TIIE örneklerinin mineral içerikleri kıyaslandığında, TII örneğinde %13.1 olan plajiyoklas minerali, DIE örneğinde % 9.4 e düştüğü belirlenmiştir. Fakat TII örneğinde piroksen içeriği %9.1 iken TIIE örneğinde %52.8 e çıkmaktadır. Ayrıca, opak mineral içeriğine TII örneğinde rastlanmazken, TIIE örneğinde %15.6 ya çıkmaktadır. Tam tersi durum ise TII örneğinde %16.5 olan olivinin TIIE örneğinde hiç olmamasıdır. Hamur içeriği ise TII örneğinde %60.2 iken, TIIE örneğinde % 22.2 ye düşmektedir. 321
Elde edilen sonuçlara baktığımızda ergitilmiş bazaltların doğal bazaltlardan daha yüksek yoğunluk ve birim hacim ağırlık değerleri verdiği belirlenmiştir. En yüksek yoğunluk ve birim hacim ağırlık değerinin TII- TIIE örneklerinde olmasının nedeni, Mg ve Fe içeriklerinin yüksek olmasıdır. Başka bir deyişle, olivin ve piroksen gibi yoğunlukları 3-3.5 gr/cm 3 olan minerallerin bazaltların içinde bulunma miktarı, yoğunluğu ve birim hacim ağırlığı etkilemektedir. Bu sonuçlar ışığında yoğunluğu ve birim hacim ağırlığı yüksek olan bazaltların ergitilmesi ile yoğunluğu ve birim hacim ağırlığı daha yüksek bazaltların elde edilebileceği açıktır. Toplam porozite değerlerinin ergitilmiş bazaltlarda çok düştüğü görülmektedir. Bunda ilksel (gaz boşluğu vb.) ve ikincil olan porozitelerin (ayrışma vb.) ergitme esnasında ortadan kalktığı anlaşılmaktadır. En büyük değişimin BI (ayrışmanın en yüksek olduğu örnek) BIE örneklerinde olması bu bulguyu desteklemektedir. Ayrıca ergitilmiş bazaltların doğal bazaltlardan daha iyi P dalga hızı verdikleri görülmektedir. Bunda kayaçların içindeki porozite, ayrışma, süreksizlik vb. özelliklerin ergitilmiş bazaltlarda olmaması ya da çok az olmasından kaynaklanmaktadır. Çalışma kapsamında doğal ve ergitilmiş bazaltlara ait Vickers sertlik değerleri de belirlenmiştir. Ergitilmiş bazaltlar doğal bazaltlardan daha yüksek değerler verdiği saptanmıştır. Tek eksenli basınç deneyi yeraltı ve yerüstü yapılarının tasarımında kayaçların mekanik özelliklerinin belirlenmesinde yaygınca kullanılmaktadır. Ancak bu çalışmada numune hazırlamak ve uygun deney ortamı hazırlamak oldukça zordur. Bu zorlukları aşmak için ISRM (2007) tarafından da önerilen nokta yük dayanım indeksi geliştirilmiştir (Kahraman, 2001; Sönmez vd., 2006; Karaman ve Kesimal, 2012). Çalışma esnasında yapılan nokta yükleme deneylerinden elde edilen veriler incelendiğinde ergitilmiş bazaltların doğal bazaltlara göre daha yüksek dayanım verdikleri görülmüştür. 4. SONUÇLAR Yapılan değerlendirmelerden elde edilen sonuçlara göre; Doğal ve ergitilmiş bazaltların kimyasal özellikleri kıyaslandığında benzer sonuçlar verdiği saptanmıştır. Sadece bütün örneklerde Fe 2 O 3 içeriğinde O 2 ile indirgenme olduğundan kayda değer artışlar belirlenmiştir. Doğal bazaltların mineralojik özellikleri, ergitilmiş bazaltların mineralojik özelliklerine etki etmektedir. Plajiyoklasca ve piroksence zengin olan doğal bazaltların ergitildiğinde yine plajiyoklasca ve piroksence zengin oldukları saptanmıştır. Yoğunluğu yüksek bazaltlar yüksek demir ve magnezyum içerdiklerinden ergitme sonrası bazı problemler (kalıp-örnek sınırı boyunca çatlama) yaşanabilmektedir. Yüksek H 2 O içeren bazaltlar çalışılırken suyun genleşmesi ile oluşacak hacimsel büyümenin dikkate alınması gerektiği saptanmıştır. Doğal bazaltlardaki boşluk, ayrışma, mikro çatlaklar gibi olumsuz özellikler ergitilmiş bazaltlarda ya hiç ya da daha az görülmektedir. Ergitilmiş bazaltlarda bu olumsuz özelliklerin görülmemesi nedeniyle doğal bazaltlardan daha iyi fiziko-mekanik özellikler sunduğu saptanmıştır. 5. KATKI BELİRTME Bu çalışma İstanbul Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yürütücü Sekreterliğinin 40405 numaralı projesi ile desteklenmiştir. Ayrıca bu çalışma, TÜBİTAK tarafından 2015/1 dönemi, 2211D programı ile desteklenmiştir. 6. KAYNAKLAR Duru, R., 2004. Eski Önasya Dünyasının En Büyük Heykel Atelyesi Yesemek, TURSAB. İstanbul, 107s Greene, K. A., 2004. Design note on post-tensioned cast basalt. reston, engineering, construction, and operations in challenging environments: Earth and space, 45-50. ISRM, 2007. The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring, Springer, 628p 322
Kahraman, S., 2001. A correlation between P-wave velocity, number of joints and Schmidt hammer rebound number. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Cilt 38, 729-733. Karaman, K. ve Kesimal, A., 2012. Kayaçların tek eksenli basınç dayanımı tahmininde nokta yükü deney yöntemleri ve porozitenin değerlendirilmesi. Madencilik, 51(4), 3-14. Kopecky, L. ve Voldan, J., 1965. The cast basalt industry. Ann. N.Y. Acad. Sci, 123(2), 1086-1105. Tuğrul, A., 1995. Niksar Yöresindeki ların Mühendislik Özelliklerine Ayrışmanın Etkisi. Doktora Tezi, İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri Entitüsü, 183s Korkanç, M., 2003. Niğde Yöresi larının Alternatif Agrega Olarak Değerlendirilmesi. Doktora Tezi. İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri Entitüsü, 190s Sönmez, H., Gökçeoğlu, C., Medley, E. W., Tuncay, E., ve Nefeslioğlu, H. A., 2006. Estimating the uniaxial compressive strengthof volcanic bimrock. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci., 43(4), 554-561. Temmur, S., Temmur, Y. ve Kansun, G., 2007. Erkilet bazaltı'nın jeolojik, petrografik ve teknolojik incelemesi, Kayseri, Orta Anadolu. Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 1-7. 323