Kayaçların Mikro-Deval Aşınma Değeri ile Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması Comparison of Mechanical Properties and Micro-Deval Abrasion Value of Rocks S. Yaşar, A. O. Yılmaz Karadeniz Teknik Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Trabzon ÖZET Agrega, inşaat ve maden mühendisliği yapılarının inşasında kullanılan temel hammaddelerden birisidir. Bu yapıların kalitelerinin belirli bir standartta tutulabilmesi için kullanılacak agregaların da belirli standartlara sahip olması gerekmektedir. Bu standartlardan birisi de agregaların aşınmaya karşı dirençleridir. Aşınmaya karşı direncin ölçümü Mikro- Deval aşındırma deneyi ile gerçekleştirilmektedir. Mikro-Deval aşındırma deneyinin hem numune hazırlama hem de aşındırma kısmı işgücü açısından çok zahmetlidir. Mikro-Deval deneyindeki aşındırma mekanizması konusunda çok fazla çalışma yapılmamıştır. Ayrıca kayaçların hangi özelliklerinin aşınma miktarı üzerinde ne kadar etkili olduğu konusunda da çok detaylı çalışmalara rastlanmamıştır. Bu çalışmada sekiz farklı kayaç numunesi Mikro-Deval aşındırma, tek eksenli basınç dayanımı, dolaylı çekme dayanımı, nokta yük dayanımı ve Schmidt çekici deneylerine tabi tutulmuştur. Sonuçlar yorumlanarak Mikro-Deval aşınma değeri ile diğer parametreler arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Sonuç olarak Mikro-Deval aşınma değeri ile kayaçların tüm mekanik özellikleri arasında anlamlı üslü ilişkiler elde edilmiştir. Ancak en kuvvetli ilişki nokta yük dayanımı ile Mikro-Deval aşınma değeri arasında bulunmuştur ABSTRACT Aggregate is one of the most basic raw materials used in construction of civil and mining engineering structures. Aggregates should be standardized in regard to standard the quality of these structures. Abrasion resistance of aggregates is one of these standards. Micro-Deval tests are used for assessment of abrasion resistance value. However, sample preparation and procedure of this test is very demanding. Not so many studies about the abrasion mechanism were encountered in relevant literature. Furthermore, no detailed works were seen in the literature about degree of the affect of mechanical parameters of rocks on abrasion. In this study, eight different rock samples were conducted to Micro-Deval abrasion, uniaxial compressive strength, indirect tensile strength, point load strength and Schmidt hammer tests. Relationships between Micro-Deval abrasion and the other parameters were investigated on the basis of experimental results. As a result, meaningful relationships were obtained between Micro-Deval abrasion and mechanical rock parameters. However, the best relationship was found between Micro-Deval abrasion and point load strength. 1 GİRİŞ Agrega, maden ve inşaat mühendisliği yapılarında sıklıkla kullanılan beton ve asfalt malzemelerin ana hammaddesidir. Beton ya da asfaltın yaklaşık % 70 inden fazlası agregadan oluşmaktadır. Bundan dolayı agregaların dayanıklılığı bu yapıların performansını doğrudan etkilemektedir.
Agregalar ocaktan çıkarılmaya başlandığı andan itibaren dinamik ve statik yüklere maruz kalmaktadır. Örneğin taşocaklarının çok büyük bir kısmı patlatma ile üretim yaptığından dolayı agreganın örselenmesi bu aşamada başlamaktadır. Bu aşamadan sonra kırıcı içindeki mekanik kuvvetlerden etkilenen agrega sırasıyla stoklama, beton ya da asfalt için karıştırma ve yayılma işlemleri sırasında da çeşitli aşındırıcı ve ayrıştırıcı kuvvetlere maruz kalmaktadır. Son olarak da ana maddesini oluşturduğu beton ya da asfalt döküldükten sonra kamyon ya da araç geçişi ve çevre etkilerinden dolayı aşınmanın ve ayrışmanın etkisinde kalmaktadır. Böyle durumlarda agrega, belirli standartlar dahilinde seçilmediyse işlevini yerine getirmeyecek derecede bozunarak betonun veya asfaltın da görevini yapamayacak duruma gelmesine neden olabilmektedir. Bu tür kayıpların meydana gelmemesi için, agregalar belirli standartlar dahilinde seçilmelidir. Agregaların aşınmaya ve ayrışmaya karşı dayanımlarının belirlenebilmesi için çeşitli deney yöntemleri önerilmiştir. Bunlardan bazıları şu şunlardır: Los Angeles aşınma deneyi Mikro-Deval aşınma deney Nordik Bilya Değirmeni deneyi Magnezyum sülfat dayanımı deneyi Sodyum sülfat dayanımı deneyi Agrega darbe dayanımı deneyi Bu deneylerden Los Angeles ve sülfat dayanımı deneyleri Amerika Birleşik Devletleri nde ve Avrupa ülkelerinde, agregaların dayanımlarının laboratuvarda belirlenmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Ancak yıllar geçtikçe bazı araştırmacılar bu deneylerin sonuçlarını agregaların saha performansları ile karşılaştırarak, bu deneylerin yeterli sonuçlar vermediklerini tespit etmişler ve alternatif deney yöntemleri arayışına girmişlerdir (Rogers vd.,1991; Richard ve Scarlett, 1997; Kandhal ve Parker, 1998). Bu arayışlar sonucunda Mikro-Deval aşınma deneyinin sonuçlarını, agregaların saha performansları ile karşılaştırarak, deney sonuçlarının sahada elde edilen agrega dayanımları ile örtüştüğü sonucuna varmışlardır ve agregaların dayanımlarının tahmini için Mikro-Deval deneyini önermişlerdir. İlk bakışta Los Angeles aşınma deneyi ile benzer mekanizmaya sahip gibi görülen Mikro-Deval, daha farklı bir aşındırma mekanizmasına sahiptir. Los Angeles deneyi bir aşındırma deneyinden ziyade bir darbe dayanımı deneyi olarak da kabul edilebilir. Los Angeles deneyi için kullanılan tambur içindeki raflarda toplanan çelik bilyeler tambur döndükçe kayaç numunelerinin üzerine düşerek darbe etkisiyle numunelerin kırılmasına neden olmaktadır (Meininger, 2004). Ancak Mikro-Deval deneyinde kullanılan tambur içinde raf bulunmamakla birlikte daha küçük bilyeler kullanıldığından yalnızca sürtünme etkisiyle numuneler aşındırılmaktadır. Buna ek olarak Mikro- Deval deneyi yaş ortamda yapılmaktadır Birtakım araştırmacılar bu agrega dayanım değerlerinin birbiri ile olan ilişkilerini incelemişlerdir. Senior ve Rogers (1991), 106 farklı kaba agreganın Mikro-Deval aşınma değerleri ve magnezyum sülfat aşınma değerlerini ilişkilendirmişler ve sonuç olarak bu iki parametre arasında anlamlı ilişkilere ulaşmışlardır. Bu çalışmaya ek olarak Rogers vd. (1991), ince agregalarda da magnezyum sülfat ile Mikro- Deval aşınma değerleri arasında anlamlı korelasyonlar elde etmişlerdir. Kanadalı araştırmacıların gerçekleştirdiği diğer bir çalışmada da benzer sonuçlar elde edilmiştir (Richard ve Scarlett, 1997). Magnezyum sülfat dayanım değerleri ile Mikro-Deval aşınma değerleri arasındaki ilişkiler bulunmasına rağmen, Los Angeles ile Mikro-Deval arasında herhangi bir anlamlı ilişkiye ulaşılamamıştır. Ancak geçmiş çalışmalarda Los Angeles deneyinin dolaylı olarak bulunabilmesi için kayaç numunesinin mekanik dayanımlarından faydalanılmıştır (Kazi ve Al-Masour, 1980; Ballivy ve Dayre, 1984;Cargill ve Shakoor, 1990; Shakoor ve Brown, 1996; Kasim ve Shakoor, 1996; Al-Harthi, 2001; Kahraman ve Fener, 2007; Kahraman ve Günaydın, 2007; Kahraman vd., 2009; Özçelik, 2011). Los Angeles aşınma değerinin dolaylı yoldan tahminine yönelik bu kadar çalışma olmasına rağmen, Mikro-Deval aşınma değerinin
dolaylı yoldan tahminine yönelik herhangi bir çalışmaya literatürde rastlanmamıştır. Bu çalışmada 8 farklı kayaç numunesi, Mikro-Deval aşınma, tek eksenli basınç dayanımı, dolaylı çekme dayanımı, nokta yük dayanımı ve Schmidt sertliği deneylerine tabi tutulmuştur. Sonuç olarak kayaçların bu mekanik dayanım değerleri ile Mikro-Deval aşınma değerleri arasındaki ilişkiler incelenmiş ve aşınma değerinin dolaylı olarak tahmin edilebilirliği araştırılmıştır. 2 DENEYSEL ÇALIŞMALAR Kayaç numuneleri Doğu Karadeniz Bölgesi nde bulunan işletmelerden ve araziden elde edilmiştir. Kayaçların isimleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Kayaçların kodları ve isimleri Kayaç Kodu DK GR FK LT BK VT A G Kayaç İsmi Dolomitik Kireçtaşı Granadiyorit Fosilli Kumtaşı Litik Tüf Biyoklastik Kireçtaşı Vitrik Tüf Andezit Granit Kayaçların toplanmasının ardından numune hazırlama aşamasına geçilmiştir. Bu aşamada Mikro-Deval aşınma deneyi için blok numunelerden alınan parçalar çeneli kırıcılar vasıtası ile kırılarak istenilen boyutlara göre sınıflanmıştır. Tek eksenli basınç dayanımı, dolaylı çekme dayanımı, nokta yük dayanımı ve Schmidt sertliği dayanımı deneyleri için blok numunelerden alınan karotlardan deney standartlarına uygun boyutlarda numuneler hazırlanmış ve deneyler gerçekleştirilmiştir. 2.1. Mikro-Deval Aşınma Deneyi Deval deneyi Fransa da 1800 lü yılların sonuna doğru yollarda kullanılacak olan agregaların belirlenebilmesi için geliştirilmiştir (Amirkhanian vd. 1991). Mikro-Deval deneyi ise 1960 lı yıllarda yine Fransa da Deval deneyinden esinlenilerek geliştirilmiştir (Hanna vd., 2003). Mikro- Deval deneyi, belirli boyutlara göre sınıflandırılan kayaç numunelerinin bir tambur içerisinde ve yaş ortamda, belirli bir dönüş hızında ve belirli bir tur sayısı boyunca aşındırılması ve ardından standartlarla belirlenmiş elekten geçen malzemenin ilk malzeme miktarına göre oranlanmasına dayanan bir agrega dayanım deneyidir. Mikro-Deval deneyi hem ince hem de kaba agregalara uygulanabilmektedir. İki deneyinde prosedürü farklı şekilde uygulanmaktadır. Örneğin, ASTM standartlarına göre ince agregalar için 500 g, kaba agregalar için ise 1500 g numuneye ihtiyaç duyulmaktadır (ASTM, 2008 ve 2010). Şekil 1 de tipik bir Mikro-Deval tamburu görülmektedir. Kayaç Numunesi Su Çelik Bilye Şekil 1. Mikro-Deval deneyinde kullanılan tambur ve tamburun içi Deney laboratuvarda ASTM (2010) standardına göre uygulanmıştır. Deneyde 1,18 mm, 4,75 mm, 6,3 mm ve 9,5 mm boyutlarında olmak üzere 4 elek kullanılmıştır. 4,75 mm 6,3 mm arası 750 g ve 6,3 mm 9,5 mm arası 750 g olmak üzere toplam 1500 g örnek hazırlanmıştır. Hazırlanan örnekler deneyden önce etüvde kurutularak nemi alınmıştır. Tamburun içine 1500 g örnek, 5000 g 1 cm çapında çelik bilye ve 2 litre su eklenerek kapatılmıştır. Tambur Şekil 2 de görülen makinede dakikada 100 devir hızda olmak üzere 9500
tur çevrilmiştir. Çıkarılan örnek 1,18 mm lik elekten elenmiş ve elek üstü malzeme etüvde kurutulduktan sonra tartılmıştır. Ağırlık kaybı, ilk ağırlığa bölünerek aşınma kaybı (MDA) yüzde (%) olarak hesaplanmıştır. Her kayaç türü için en az iki deney yapılmıştır. Şekil 2. Mikro-Deval aşındırma cihazı 2.2. Tek Eksenli Basınç Dayanımı Deneyi Tek eksenli basınç dayanımı (σ c ) kayaçların en önemli mühendislik özelliklerinden bir tanesidir. Bu deneylerde 54 mm çapında karot numuneleri kullanılmıştır. Numunelerin boy/çap oranları 2/1 olacak şekilde hazırlanmıştır. Yükleme hızı 1kN/sn olacak şekilde kırımlar gerçekleştirilmiştir. Şekil 3 te yenilmiş bir kayaç numunesi ve şematik görünümü görülmektedir. Şekil 3. Yenilme sonrası bir kayaç numunesi ve şematik görünümü 2.3. Dolaylı Çekme Dayanımı Deneyi Bu deney, disk şeklinde hazırlanmış kayaç örneklerinin çapsal yükleme altında çekilme dayanımlarının dolaylı yoldan tayini amacıyla yapılmaktadır. Çapı 54 mm olan deney örnekleri boy/çap oranı 1/2 olacak şekilde hazırlanmıştır. Hazırlanan numuneler standart Brazilian çenesi yardımı ile kırılarak numunelerin dolaylı çekme dayanımları (σ t ) hesaplanmıştır. Deneyde yükleme hızı 0,2 kn/sn olarak uygulanmıştır. 2.4. Nokta Yük Dayanımı Deneyi Bu deney, kayaçların dayanımlarına göre sınıflandırılmasında kullanılan nokta yük dayanım indeksinin tayini amacıyla yapılmaktadır. Nokta yük dayanım indeksi, tek eksenli basınç ve çekilme dayanımı gibi diğer dayanım parametrelerinin dolaylı olarak belirlenmesinde ve bazı kaya kütle sınıflama sistemlerinde kayaç malzemesinin dayanım parametresi olarak kullanılır. Bu deney için üç yöntem mevcuttur. Bunlar; çapsal, eksenel ve blok ve düzensiz örneklerlerle yapılan deneylerdir. Bu çalışmada eksenel yükleme yöntemi kullanılmıştır. Deneyde boy/çap oranı 1/2 olarak alınmıştır. Öncelikle düzeltilmemiş nokta yük indeksi (Is) hesaplanmıştır. Ardından 50 mm lik eşdeğer karot çapına göre düzeltilmiş nokta yük indeksi (Is 50 ) bulunmuştur. 2.5. Schmidt Çekici Deneyi Bu deney, Schmidt çekici kullanarak, kayaçların Schmidt geri sıçrama sertliğinin (R) tayini ve dolaylı olarak tek eksenli basınç dayanımlarının saptanması amacıyla yapılmaktadır. Schmidt çekiçleri çarpma enerjisi bakımından iki tür olup, bunlar; N ve L-tipidir. L tipi çekicin çarpma enerjisi 0,74 Nm dir, N tipi çekicin enerjisi ise 2,207 Nm dir. Deneyler NX karot örnekleri üzerinde yapılmış ve V tipi numune beşiği kullanılmıştır. Her örnek için 10 vuruş yapılmıştır. Kaydedilen 10 vuruş değeri büyükten küçüğe sıralanmış ve alttan 5 değer değerlendirmeden çıkarılarak üstten 5 değerin ortalaması alınmıştır. 3 BULGULAR Mikro-Deval aşınma değerinin dolaylı yoldan bulunabilmesi için ve aşınma değeri ile kayaçların diğer mekanik özellikleri arasındaki ilişkilerin incelenmesi amacıyla
Çizelge 2 deki veriler yardımı ile grafikler oluşturulmuştur. Çizelge 2. Tüm deneylerin sonuçları Kayaç σ c σ t Is Is 50 R MDA % DK 88,51 10,44 7,30 6,80 41,80 4,66 GR 77,44 4,98 3,61 3,24 48,80 7,83 FK 120,07 10,21 6,92 6,46 43,40 6,03 LT 62,83 5,31 2,62 2,47 39,00 11,65 BK 50,88 3,66 2,46 2,28 36,00 19,40 VT 63,91 8,73 4,49 4,23 38,00 10,77 A 112,27 9,81 7,57 7,02 45,40 6,03 G 148,71 13,76 11,21 10,55 50,60 3,33 Şekil 4 te Mikro-Deval aşınma değeri ile tek eksenli basınç dayanımı arasındaki ilişki görülmektedir. Aşınma, basınç dayanımının artması ile birlikte üslü bir biçimde azalmaktadır. Şekil 5 te ise Mikro-Deval Aşınma değeri ile dolaylı çekme dayanımı arasındaki ilişki görülmektedir. Tek eksenli basınç dayanımı ile benzer olarak, Mikro-Deval aşınma değeri dolaylı çekme dayanımı ile üslü bir şekilde azalmaktadır. Şekil 6 da Mikro-Deval aşınma değeri ile düzeltilmemiş nokta yük dayanımı arasındaki korelasyon görülmektedir. Şekil 6. MDA ile Is arasındaki ilişki Şekil 7 de Mikro-Deval aşınma dayanımı ile 50 mm eşdeğer çapa göre düzeltilmiş nokta yük dayanımı arasındaki trend görülmektedir. Önceki grafiklere benzer şekilde, Mikro-Deval aşınma değeri düzeltilmiş nokta yük dayanımı ile üslü bir şekilde azalmaktadır. Şekil 4. MDA ile σ c arasındaki ilişki Şekil 7. MDA ile Is 50 arasındaki ilişki Şekil 8 de Schmidt sertliği ile Mikro- Deval aşınma değeri arasındaki ilişki görülmektedir. Aynı şekilde, Mikro-Deval aşınma değeri Schmidt sertliği ile üslü olarak azalmaktadır. Ancak diğer grafiklerle karşılaştırma yapıldığında bu korelasyonun Şekil 5. MDA ile σ t arasındaki ilişki
determinasyon katsayısının daha düşük olduğu görülmektedir. Şekil 8. MDA ile R arasındaki ilişki SONUÇLAR Sekiz farklı kaya türüne ait numuneler üzerinde yapılan deneylerden elde edilen tüm veriler ve MDA ile diğer değişkenler arasındaki grafiksel ilişkiler değerlendirildiğinde şu çıkarımlara varılmıştır: Tüm veriler ve grafikler incelendiğinde şu çıkarımlar yapılmaktadır: Mikro-Deval aşınma değeri ile tek eksenli basınç dayanımı, dolaylı çekme dayanımı, düzeltilmemiş nokta yük dayanımı, düzeltilmiş nokta yük dayanımı ve Schmidt sertliği parametreleri arasında üslü ilişkiler elde edilmiştir. Bu veri grubu için değerlendirme yapıldığında, Mikro-Deval aşınma değerinin dolaylı olarak tahmin edilebilmesi için en uygun parametresinin düzeltilmemiş nokta yük dayanımı olduğu görülmüştür. Determinasyon katsayıları incelendiğinde, Mikro-Deval aşınma değeri üzerinde en düşük etkiye Schmidt sertliğinin sahip olduğu görülmektedir. Diğer ilişkilerin determinasyon katsayıları 0,8 ile 0,9 civarlarında bulunurken bu ilişkinin determinasyon katsayısı R 2 =0,65 olarak bulunmuştur. Bu da Schmidt sertliği parametresinin, Mikro-Deval aşınma değerindeki değişimin ancak % 65 ini açıklayabildiğini işaret etmektedir. Tüm değerlendirmeler sonucunda determinasyon katsayıları dikkate alındığında, Mikro-Deval aşınma değeri ile tüm parametreler arasında anlamlı ilişkiler elde edilmiştir. Ancak daha detaylı genellemelerin yapılabilmesi için daha geniş çaplı çalışmaların gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca bu genellemelere, kayaç gruplarının kendi içinde değerlendirilmesi de eklenebilir. KAYNAKLAR Al-Harti, A.A., 2001. A field index to determine the strength caharcteristics of crushed aggregate. Bull. eng. Geol. Env., s. 193-200. Amirkhanian, S., D. Kaczmarek, J. Burati, 1991. Effects of los angeles abrasion test values on the strengths of laboratory-prepared marshall specimens. Trans. Res. Rec., No. 1301, s. 77-86. ASTM, 2008. Standart test method for resistance of fine aggregate to degradation by abrasion in the Micro-Deval Apparatus. D7428-08, 6 s. ASTM, 2010. Standart test method for resistance of coarse aggregate to degradation by abrasion in the Micro-Deval Apparatus. D6928-10, 6 s. Ballivy, G., Dayre, M., 1984. The mechanical behaviour of aggregates related to physicomechanical properties of rocks. Int. Ass. Eng. Geol. Bull., 29, s. 339-342. Cargill, J.S., Shakoor, A., 1990. Evaluation of empirical methods for measuring the uniaxial compressive strength of rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 27, s. 495-503. Hanna, A., Folliard, K., Smith, K., 2003. Aggregate tests for portland cement concrete pavements: review and recommendations. Res. Res. Dig., No. 281. Kahraman, S., Fener, M., 2007. Predicting the Los Angeles abrasion loss of rock aggregates from the uniaxial compressive strength. Mat. Lett., 61, s. 4861-4865. Kahraman, S., Gunaydın, O., 2007. Empirical methods to predict the abrasion resistance of rock aggregates. Bull. Eng. Geol. Env., 66, s. 449-455. Kahraman, S., Günaydın, O., Fener, M., 2009. Kayaçların Los Angeles aşınma kaybının darbe dayanımı indeksinden tahmin edilmesi. 5. Ulusal Kırmataş Sempozyumu, s. 131-136, İstanbul.
Kandhal, P., Parker, F., 1998. Aggregate tests related to asphalt concrete performance in pavement. Report No. 405, NCHRP. Kasim, M., Shakoor, A., 1996. An investigation of the relationship between uniaxial compressive strength and degradation for selected rock types. Eng. Geol., 44, s. 213-227. Kazi, A., Al-Mansour, L.R., 1980.Empirical relationship between Los Angeles abrasion and Schmidt hammer strength tests with application to aggregate around Jeddah. Q. J. Eng. Geol., 13, s. 45-52. Meininger, R., 2004.Micro-Deval vs. L.A. abrasion. Rock Prod., April, s. 33-35. Özçelik, Y., 2011. Predicting Los Angeles abrasion of rocks from some physical and mechanical properties. Sci. Res. Ess., 6, 7, s. 1612-1619. Richard, J. A., Scarlett, J. R., 1997. Airport engineering ATR-024: A review and evaluation of the Micro-Deval test. Public Works and Government Services of Canada, Report on Project 914222. Rogers, C. A., Bailey, M. L., Price, B., 1991. Micro- Deval test for evaluating the quality of fine aggregate for concrete and asphalt. Trans. Res. Rec., No. 1301, s. 68-76. Senior, S. A., Rogers, C. A., 1991. Laboratory tests for predicting coarse aggregate performance in Ontario. Trans. Res. Rec., No. 1301, s. 97-106. Shakoor, A., Brown, C.L., 1996. Development of a quantitative relationship between unconfined compressive strength and Los Angeles abrasion loss for carbonate rocks. Int. Ass. Eng. Geol. Bull., s. 97-103.