Ayrışmış kireçtaşlarının sınıflandırılması ve karakterizasyonu
Classification and characterization of weathered limestones
Yazar: CANDAN BİLEN
Danışman: PROF. DR. ATİYE TUĞRUL
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Karbonatlı kayaçların ayrışma süreçlerinin birçok mühendislik projesinde farklı problemlere neden olmasından dolayı bu çalışmada, kireçtaşları ve dolomitlerde meydana gelen ayrışma süreçleri sonucu kayaçta ve kaya kütlesinde gelişen değişimler değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirmeler ışığında, bu kayaç türleri için ayrışma profilleri geliştirilmiş ve profillerde yer alan her bir ayrışma derecesinde kayaçların mineralojik-petrografik özelliklerindeki değişimler ile fiziksel ve mekanik özelliklerdeki değişimler tanımlanmıştır. Bu amaçla; kireçtaşı ve dolomit türü karbonatlı kayaçların ayrışmaya bağlı olarak mühendislik özelliklerindeki değişimler nedenleriyle birlikte ortaya konulmuştur. Çalışma alanı olarak, Gebze bölgesinde bulunan kırmataş ocakları seçilmiştir. Kireçtaşları ve dolomitlerden oluşan alanlarda yapılan arazi çalışmaları sırasında, öncelikle gözlemsel olarak ayırtlanan farklı ayrışma seviyeleri için her iki kayaç grubuna ait örnekler alınmıştır.
Araziden alınan örnekler üzerinde gerçekleştirilen petrografik çalışmalar ile ayırtlanan kireçtaşı ve dolomit türü karbonatlı kayaçlar üzerinde detaylı araştırmalar yapılmıştır. Farklı ayrışma derecelerindeki bu kayaç gruplarına ait örnekler üzerinde petrografik araştırmaların ardından, mineralojik ve kimyasal incelemeler yapılarak, bu örneklerin mineralojik ve kimyasal bileşim, doku vb özelliklerindeki ayrışmaya bağlı değişimler ortaya konmuştur. Daha sonraki aşamalarda, örneklerin özgül ağırlık, etkin (görünür) gözeneklik, ağırlıkça su emme, P dalga hızları, tek eksenli sıkışma dayanımı değerleri ölçülmüş ve elde edilen bulguların yorumlanması sonucunda karbonatlı kayaç kimyasal ayrışma indeksi (CWICR) önerilmiştir. 

Tüm deneysel çalışmalar; taze seviyeden ileri derecede ayrışmış seviyeye kadar yürütülmüştür. Tamamen ayrışmış seviye kaya kütlesi özelliği göstermediği için bu alanlarda sadece mineralojik (XRD), kimyasal (XRF) ve fiziksel özelliklere ait parametrelerin ölçümleri yapılmıştır.
Elde edilen verilere göre; CaO, MgO yüzdesi, kızdırma kaybı (LOI), özgül ağırlık, P dalga hızı (Vp) değerleri, tek eksenli sıkışma dayanımı (σc) değerleri ayrışma ile azalma gösterirken, SiO2, Al2O3, Fe2O3 yüzdesi, karbonatlı kayaç kimyasal ayrışma indeksi (CWICR), etkin (görünür) gözeneklilik (ne) ile ağırlıkça su emme değerleri artış göstermektedir.
Kireçtaşlarına ait petrografik, kimyasal ve fizikomekanik özelliklerin ayrışmaya bağlı değişimleri, yapılan basit regresyon analizlerine göre de değerlendirilmiştir. Bu değelendirmeler ışığında; SiO2 yüzdesi, Al2O3 yüzdesi, kızdırma kaybı (LOI), karbonatlı kayaç kimyasal ayrışma indeksi (CWICR), etkin (görünür) porozite (ne), ağırlıkça su emme (wa), P dalga hızı (Vp) ve tek eksenli sıkışma dayanımı (σc) değerleri birbirleri ile önemli ilişkiler sunmaktadırlar. Dolomitlerde ise özellikle SiO2 yüzdesi, Al2O3 yüzdesi, Fe2O3 yüzdesi, kızdırma kaybı (LOI), özgül ağırlık (ƿ), ağırlıkça su emme (Wa), etkin (görünür) gözeneklilik (ne), P dalga hızı (Vp) ve tek eksenli sıkışma dayanımı (σc)'nın birbirleri ile önemli ilişkiler elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis study, weathering profiles were obtained for limestone and dolomites with the help of the changes occured at the end of the weathering processes of this rock types and characterization of each weathering level observed in these abovementioned profiles was performed. The necessity of this study is the fact that weathering process of carbonate rocks results in different problems as regards to many engineering projects. For this purpose, weathering related changes in engineering properties of carbonatecous rock like limestone and dolomite were tried to be explained with its possible causes. In this context, limestone and dolomites placed in quarries located at Gebze region were taken into consideration. During the field analysis, initially sampling was carried out from the specific weathering profiles which includes each weathering levels for each type of rock.
Detailed investigations were carried out on the previously determined (by field investigations and petrographic observations) limestone and dolomite type carbonate rocks. Initially petrographical, minerological and chemical observations were performed on these samples from different weathering level group and their corresponding changes in mineralogical and chemical composition, texture and etc. properties as regards to weathering were explained in detail. Latter, samples (previously petrographical,mineralogical and chemical properties determined) are analyzed in terms of their density, dry unit weight, effective porosity, water absorbtion percent (% Wa), compressional wave velocity, uniaxial compression test, and in this context a new chemical weathering index for carbonate type rocks (CWICR) was proposed. All of the experimental work was carried out starting from fresh level to completely weathered level. Since the level of completely weathered has no rock mass properties, only mineralogical (XRD), chemical (XRF) and physical properties were measured and determined for the samples in this group.
As regards to the evaluation of the obtained data from either experimental work or field study, occurance of important changes related to the weathering in terms of petrographical, mineralogical, chemical, physical and mechanical properties were determined. CaO, MgO percentages, loss on ignition (LOI), density, dry unit weight, compressional wave velocity (Vp measurements), uniaxial compression values (σc) show a decrease with weathering, while SiO2, Al2O3, Fe2O3 percentages, chemical weathering index for carbonate type rock (CWICR), effective porosity (ne) and water absorbtion percent (%ww) show an increase with weathering.
Considering the changes in petrographical, chemical and physico-mechanical properties of limestones related to weathering in terms of basic regression analyses,SiO2, Al2O3 percentages, loss of ignition (LOI), chemical weathering index for carbonate type rocks (CWICR), effective porosity, (ne), water absorption percentage (Wa), compressional wave velocity (Vp) and uniaxial compression strength (σc) values can be employed to have a numerical description of weathering (weathering classification) for limestones, since the abovementioned ones represent a high correlation coefficients with respect to each other. For dolomites however, high correlation coefficients with respect to SiO2, Al2O3, Fe2O3 percentages, loss of ignition, (LOI), density (ƿ), water absorption percentage (Wa), effective porosity (ne), compressional wave velocity (Vp) and uniaxial compression strenght (σc) were obtained. For this reason, these abovementioned parameters can be employed to determine weathering levels of the rocks investigated.