Mikrodalgaya maruz bırakmanın magmatik kayaçların dayanımı üzerindeki etkilerinin araştırılması
Investigating the effects of microwave treatment on the strength of igneous rocks
Yazar: AHMET NİYAZİ CANPOLAT
Danışman: PROF. DR. SAİR KAHRAMAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Kaya delme ve kesme teknolojisi son yüzyılda hızla gelişmiştir. Ancak, çok sert kayaçların delinmesi ve kesilmesinde düşük ilerleme hızı ve yüksek matkap ve keski aşınması gibi problemler bulunmaktadır. Çok sert kayaçların delinmesi veya kesilmesi esnasında ilerleme hızını arttırmak ve aşınmayı azaltmak amacıyla, son zamanlarda mikrodalga destekli kaya parçalama gibi bazı yenilikçi yöntemler üzerinde yapılan çalışmalar dikkat çekmektedir. Mikrodalgaya maruz bırakmanın magmatik kayaçların mekanik özellikleri üzerinde etkileri konusunda yapılan çalışmalar yeni ve sınırlıdır. Bu nedenle, bu alanda araştırılacak birçok eksiklik bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, mikrodalgaya maruz bırakmanın magmatik kayaçların mekanik özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. 

Bu çalışmada, 6 adet granit, 2 adet siyenit ve 1 adet gabro olmak üzere toplamda 9 farklı magmatik kayaca 6 kW' a kadar mikrodalga enerjisi uygulanmıştır. Öncelikle, deneylerde kullanılan her kayacın ince kesiti hazırlanmış ve mineral içerik ve yüzdeleri belirlenmiştir. Sonra tek eksenli basınç (UCS) ve Brazilian çekme dayanımı (BTS), yoğunluk, porozite ve ultrasonik dalga hızı ölçümleri yapılmıştır. Daha sonra, dayanım deneyleri için hazırlanmış 600'den fazla numune mikrodalgaya maruz bırakılmıştır. Mikrodalga enerjisi 60 s'den 420 s'ye kadar farklı sürelerle; 1 kW, 2 kW ve 6 kW güçlerde uygulanmıştır. Ardından mikrodalgaya maruz bırakılmış numuneler üzerinde sıcakken dayanım deneyleri yapılmıştır. Her numunenin yüzey sıcaklığı mikrodalgaya maruz bırakılmadan ve fırından çıkarıldıktan hemen sonra infrared (kızılötesi) termometre ile ölçülmüştür.   

Sonuçlar değerlendirildiğinde, kayaç dayanımının genellikle artan mikrodalga gücü ve maruz bırakma süresiyle arttığı görülmüştür. Mikrodalgaya maruz bırakılan ve test edilen her kayacın ısınma derecesi ve dayanım kaybı değişen mineral içeriğinden dolayı farklıdır. Uygulanan mikrodalga gücü, maruz bırakma süresi ve mineral içeriğine bağlı olarak bazı numunelerde çatlamalar ve ergimeler görülmüştür. Granitlerin UCS değerleri genellikle 200 ℃ ve BTS değerleri genellikle 100 ℃'den sonra düşmüştür. Metalik mineral içeriği veya yüksek oranda mikrodalgayı soğuran mineralden dolayı 100 ℃'nin altında siyenit ve gabro numunelerinin dayanımlarında önemli kayıplar gözlenmiştir. Sonuç olarak; uygulanan mikrodalga gücü, maruz bırakma süresi ve mineral içeriğine bağlı olarak magmatik kayaçların dayanımını önemli derecede etkilediği söylenebilir.

Abstract:
Rock drilling and cutting technology has developed rapidly in the last century. However, there are problems in drilling and cutting very hard rocks such as low penetration rate and high wear rate of cutting tools. In order to increase the advance rate and reduce wear during drilling or cutting of very hard rocks, recent studies on some innovative methods such as microwave assisted rock breakage has been drawing attention. Studies on the effects of microwave exposure on the mechanical properties of igneous rocks are new and limited. Therefore, there are many gaps to be investigated in this area. In this thesis, the effects of microwave treatment were investigated on the strength of igneous rocks.

In this study, microwave energy up to 6 kW was applied to 9 different magmatic rocks such as; 6 granite, 2 syenite and 1 gabbro. First, thin sections of each rock used in the experiments were prepared and the mineral contents and percentages were determined. Then, the uniaxial compressive strength (UCS) and the Brazilian tensile strength (BTS), density, porosity, and ultrasonic wave velocity tests were carried out. After that, more than 600 samples were exposed to microwave energy. The microwave treatment was applied at 1 kW, 2 kW, and 6 kW powers for the durations ranging from 60 s to 420 s. The surface temperature of each specimen was measured with an infrared gun before the microwave irradiation and immediately after removing the sample from the oven.

The evaluation of the results show that the rock strength decreases generally with increasing microwave power and exposure duration. The strength losses and the heating degrees are different for each tested rock type illuminated by microwave power because of the different the mineral content. crackings and meltings were observed on some samples depending on the applied microwave power, the exposure duration, and the mineral content.   The UCS and the BTS values of granites decreased usually after 200 ℃ and 100 ℃, respectively. The significant losses in the strength of syenite and gabbro samples were generally observed below 100 ℃ due to their metallic mineral contents or high amount of microwave absorber minerals. Concluding remark is that microwave treatment affects strongly the strength of igneous rocks depending on the applied power, the exposure time, and mineralogy.