Isıl etkiye maruz kalmış granit ve mermer örneklerinin fiziksel ve mekanik özelliklerindeki değişimin araştırılması
Investigation of the variation in physical and mechanical properties of granite and marble samples subjected to thermal effect
Yazar: DİLEK KARAPINAR
Danışman: PROF. DR. REŞAT ULUSAY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Kayaların fiziksel ve mekanik özelliklerinde değişimlere neden olan faktörlerden biri de sıcaklıktır. Isıl etki olarak adlandırılan bu etki; günümüzde yer mühendisliği alanında kaydedilen gelişmeler kapsamında radyoaktif atıkların depolanması, kömür damalarından gaz üretimi, jeotermal enerji, derin maden işletmeleri gibi uygulamalarda kayaların ortaya çıkan yüksek sıcaklıklara maruz kalmaları ve ayrıca yangınların meydana geldiği taş yapılarda yangınla birlikte gelişen sıcaklık artışlarıyla birlikte kendisini göstermektedir. Isıl etkinin yukarıda belirtilen ilk türüyle ilgili çalışmalarda kaya örnekleri istenilen sıcaklığa ulaşılana değin ısıtılmakta ve fiziksel ve mekanik özellikler bu sıcaklık altında tayin edilmekte olup, bu uygulama pahalı ve daha karmaşık deney cihazlarını gerektirmekte ve bu tür etkiyle ilgili sınırlı sayıda çalışma bulunmaktadır. Yangınları temsil edilen diğer ısıl etkinin değerlendirilmesinde ise, genellikle yangın sonrası durum dikkate alınarak, önce ısıtılıp sonra soğutulmuş örnekler üzerinde yapılan deneylerle sıcaklığa bağlı değişimler incelenmektedir. Bu yaklaşıma göre yapılmış çalışmalar daha fazla olmakla birlikte, ülkemizde sadece yapı taşı olarak kullanılan bazı kaya türlerinin fiziksel ve mekanik özelliklerinin sıcaklıkla değişiminin incelendiği oldukça sınırlı sayıda çalışma mevcuttur.
Yukarıda belirtilen hususlar dikkate alınarak bu tez çalışmasında; geçmişte maruz kalınmış ısıl etkiye bağlı olarak granit ve mermer örneklerinin fiziksel ve mekanik özelliklerinde sıcaklıkla değişimin araştırılması ve sonuçların aynı tür kayalarla ilgili önceki benzer çalışmaların sonuçlarıyla karşılaştırılarak, bu özelliklerin sıcaklıkla değişimindeki genel eğilimlerin ve bunlara ilişkin eşik sıcaklık değerlerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçlar doğrultusunda her iki kaya türünden farklı deneylerde kullanılmak üzere hazırlanan örnekler, önce 1000oC'ye kadar değişik sıcaklıklarda ısıl etkiye maruz bırakılmışlar, daha sora yavaş şekilde oda sıcaklığına kadar soğutulmuşlardır. Bu şekilde hazırlanmış tüm örneklerin başlıca fiziksel ve mekanik özellikleri tayin edilerek değerlendirilmiş, ayrıca gerilme-birim deformasyon eğrileri çizilerek bunların sıcaklığa bağlı değişimleri ortaya konulmuştur.  Bunların yanı sıra, granit ve mermer örneklerinin gözeneklilikleri X-ışınları CT yöntemiyle de tayin edilmiş ve ayrıca bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aynı tür kayalar üzerinde yapılmış önceki çalışmaların sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.
Çalışmanın sonuçlarına göre; sıcaklık arttıkça, küçük dalgalanmalar dışında, incelenen granit ve mermer örneklerinin mineralojik bileşimlerinde sıcaklıkla belirgin bir değişimin olmadığı anlaşılmaktadır. Her iki kaya türü için görünür gözeneklilik dışında, incelenen fiziksel ve mekanik özelliklerin sıcaklık arttıkça azaldıkları anlaşılmaktadır. Granit ve mermer örneklerinin yenilme davranışı sıcaklık artıkça kırılgandan sünümlüye doğru bir geçiş göstermekte olup, bu durum önceki çalışmaların sonuçlarını desteklemektedir. Sıcaklıktaki artışla birlikte suda dağılmaya karşı duraylılık indeksi değerleri oldukça azalan granit ve mermerin doğada yüzeye yakın kesimlerde çok sayıda ıslanma-kuruma süreçlerine maruz kalmaları ve bu durumda yapı malzemesi olarak kullanılmaları halinde çıkabilecek yangınlardan kaynaklanacak ısıl etkinin bu malzemeleri olumsuz yönde etkilemesi söz konusu olabilecektir. X-ışınları CT yöntemi ve ISRM'nin önerdiği yöntem kullanılarak belirlenen gözeneklilik değerleri belirli bir sıcaklığa kadar örtüşmektedir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar granit ve mermerler üzerinde yapılmış benzer amaçlı önceki çalışmalarla karşılaştırıldığında, ısıl etkiye maruz kalmış örneklerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin genel olarak önceki çalışmalardakilerle oldukça benzer bir eğilim sergiledikleri anlaşılmaktadır. Karşılaştırılan özelliklerin ortalama eğilim çizgilerinden farklı özelikler esas alınarak belirlenen eşik sıcaklık değerlerine göre, granitin sıcaklık artışından genel olarak belirgin şekilde etkilenmeye başladığı eşik sıcaklık 400oC iken, bu sıcaklığın mermer için 100oC olduğu belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Isıl etki, sıcaklık, granit, mermer, fiziksel ve mekanik özellikler.

Abstract:
One of the factors affecting physical and mechanical properties of rocks is temperature.  This effect, which is called thermal effect, manifests itself  in the applications of field of geo-engineering such as geological repositories for radioactive wastes, underground gasification of coal, geothermal energy, deep underground mining where rocks are subjected to high temperatures, and in the form of temperature increases in stone buildings which subject to fires. In studies related to the first type of thermal effect mentioned above, rock samples are heated until the desired temperature is reached and then physical and mechanical properties are determined under this temperature. This application requires expensive and more sophisticated test devices and there is limited number of study on this kind of thermal effect. In the assessment of the other thermal effect, which represents fires, by considering the conditions after fires, changes due to temperature are evaluated on the specimens which were first subjected to heating  and then  allowed to cool down to room temperature. Although the number of studies based on this approach is greater, in our country, there is limited study, which were conducted on the variation of physical and mechanical properties of only a few building stones.
By considering the above mentioned issues, in this thesis study, it was aimed to investigate the changes in the physical and mechanical properties of granite and marble samples depending on temperature based on a thermal effect occurred in the near past and to assess general trends and threshold temperature values associated with the changes in these properties by comparing the results from this and previous studies. For these purposes, the specimens prepared from both rock types to be used in different tests were subjected to thermal effect under temperatures reaching up to 1000oC, and then they were allowed to cool down slowly to room temperature. Main physical and mechanical properties of all specimens were determined and assessed, besides their stress-strain curves were also drawn to evaluate their variations depending on temperature.  In addition, porosity of the specimens was also determined using X-ray CT method and the results obtained from this study were compared to those obtained from the previous studies with similar purpose. 
Based on the results of the study, except small fluctuations, generally no evident change in the mineral composition of the granite and marble specimens depending on the increase in temperature has occurred.   For both rock types, except porosity, it is understood that all physical and mechanical properties showed a decrease with increasing temperature. Both granite and marble specimens show transition from brittle to ductile behaviour as temperature increases and this trend confirms the results of the previous studies. If the granite and marble, of which the values of slake durability index significantly reduced with the increase in temperature, are subjected to a number of wetting-drying cycles in the field and then used as a building stone, these materials would be adversely influenced by thermal effect resulted from fires. The values of porosity determined from the X-ray CT method and the method suggested by ISRM are consistent until a certain temperature. The comparisons between the results of this study and those from the previous similar studies conducted on granites and marbles indicated that the physical and mechanical properties of the specimens subjected to thermal effect generally show a similar trend to those in the previous investigations.  According to the values of threshold temperature, which were estimated from the average trend lines for different rock properties, the threshold value indicating that the granite specimens are evidently influenced by the increase in temperature is 400oC, while it is 100oC for the marble specimens.  

Key words: Thermal effect, temperature, granite, marble, physical and mechanical properties.