KAYAMEK’2014-XI. Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu / ROCKMEC’2014-XIth Regional Rock Mechanics Symposium, Afyonkarahisar , Turkey

Andezitik kayaçların dayanım özelliklerine içyapının etkisi Effect of microtexture on the strength properties of andesitic rocks

Ö. Ündül İstanbul Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Avcılar, İstanbul/Türkiye Swiss Federal Institute of Technology, Engineering Geology, Zürih/İsviçre

N. Aysal İstanbul Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Avcılar, İstanbul/Türkiye

A. Amann Swiss Federal Institute of Technology, Engineering Geology, Zürih/İsviçre

M. Plötze Swiss Federal Institute of Technology, Institute for Geotechnical Engineering, Switzerland

ÖZET: Kayaların dayanım ve yenilme davranışları içyapı özellikleri ile ilişkilidir. Önceki çalışmalarda, çoğunlukla mineral dağılımı, mineral büyüklükleri, mineral boyutları gibi bazı sayısal ve yarı sayısal petrografik değişkenlerle jeomekanik parametreler arasındaki ilişkilerin incelemesi ile bu ilişkiler ifade edilmiştir. Bu çalışmada, Çanakkale bölgesinden elde edilen örnekler üzerinde gerçekleştirilen çevre gerilmesiz deneyler sonucunda örnekler çok geniş aralıkta tek eksenli sıkışma dayanımı (c) ve kırıklanma başlangıcı (ci) değerleri sunmuştur. Daha önce önerilmiş bazı petrografik değişkenler, andezitik kayaçların mikro yapısal özellikleri üzerinde uygulanmış ve söz konusu kayaçların jeomekanik özelliklerindeki değişimlerine etkileri tartışılmıştır. Elde edilen dayanım farklılığını ortaya koyabilmek için gerçekleştirilen detaylı petrografik ve mineralojik analizler, her bir mineral danesinin değerlendirilmesi ile birlikte, çevre gerilmesiz koşullarda oluşan kırıkların yönelim ve dağılımlarının belirlenmelerini de kapsamaktadır. Elde edilen dayanım özellikleri, petrografik, mikro yapısal ve mineralojik veriler ile değerlendirildiğinde, tek eksenli sıkışma dayanımının ve kırıklanma başlangıcının hamur malzemesi ile irikristal oranı ile biyotit irikristalleri tarafından kontrol edildiği ortaya konmuştur.

ABSTRACT: The strength and failure behaviour of rocks are directly related with the microtextural properties of rocks. This situation was stated by previous studies where some quantitative and semi-quantitative properties like the spatial distribution of minerals, mineral grain sizes, mineral dimensions etc. were encountered to establish a relation with the geomechanical properties of rocks. The data obtained from unconfined compressive tests of the samples taken from Çanakkale region demonstrate substantial variations both on the peak strength and the microcrack initiation stresses. In this study, some of the previously proposed petrographic variables were utitilized to obtain a relation between the microtextural properties of and the geomechanical behaviour of these rocks. To achieve this goal detailed petrographical and mineralogical analyses comprise the determination of the orientation and distribution of microcracks under unconfıned compressive loadings as well as the analyses of each mineral grain. The evaluation of the petrographic, micro textural, mineralogical and the strength parameters suggests that the peak strength and the micro crack initiation is controlled by the ratio of ground mass and the phenocrystals and the biotite phenocrystals.

l GİRİŞ

Kayaçların tek eksenli sıkışma dayanımları (UCS) ve çatlaklanma eşik değerleri (σcı) petrografik, mineralojik ve mikroyapısal özeliklerine göre farklılık göstermektedir. Mikro yapıyı oluşturan mineralojik bileşim, mineral dane şekilleri ve boyutları, daneler arası ilişkiler vb. öğelerin tek eksenli sıkışma dayanımı ve kırıklanma üzerindeki etkileri pek çok çalışmacı tarafından farklı kayalar için değerlendirilmiştir (Brace vd 1966, Lajtai 1974, Ulusay vd 1994, Tugrul ve Zarif 1998, Prikryl 2006, Nicksiar ve Martin 2013 ve diğerleri). Çoğunlukla modal analizlerden yararlanılan önceki çalışmalara ek olarak bu çalışma kapsamında, detaylı sayısal petrografik ve mineralojik analizler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen içyapıya ait veriler, andezitik kayaçların tek eksenli sıkışma koşullarındaki dayanım ve kırıklanma değerlerine etkileri yönünden değerlendirilmiştir.

1.1 İncelenen kayaçların genel özellikleri

Çalışmaya konu olan andezitik kayaçlar Çanakkale (Gökçeada) bölgesindeki Miyosen yaşlı volkanik seriden elde edilmiştir. Kayaçların genel bileşimleri feldspat, amfibol ve biyotit iri kristalleri ile ince daneli hamurdan oluşmaktadır. Bazı örneklerde nadiren kuvars iri kristallerine rastlanmıştır. Kayaçlarda belirgin heterojen bir farklılık bulunmamaktadır. Dört farklı bölgeden alınan örenkelerin genel görünümleri Şekil 1'de sunulmuştur.

Şekil 1. Dört farklı bölgeden alınan örneklerin genel görünümleri

2 YÖNTEMLER

2.1 Mineralojik analizler

Çeneli kırıcılarda 0.4mm’nin altında boyutlara indirilen kaya örneklerden 2gramlık temsilci bir kısım ethanol içerisinde tekrar öğütülerek 20µm’nin altındaki boyutlara indirilmiştir. Ardından örneklerin mineralojileri X ışını kırınımı

tekniği (XRD) ile analiz edilmiştir. Bu aşamada Bragg-Brentano kırınım cihazı (Bruker AXS D8) Co K-alfa radyasyonu ile kullanmıştır. Toz örnekler 2.50 dereceden 800 açıya kadar ölçülmüş olup her ölçüm aralığındaki basamak aralığı 0.020 2alfa ve her basamaktaki ölçüm süreside 4 saniye olarak belirlenmiştir. Mineralojik değerlendirmeler için faz bileşimleri DIFFRACplus yazılımı ile belirlenmiştir. Ardından sayısal mineral bileşimleri Rietveld yöntemi ile AutoQuan yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır.

2.2 Sayısal petrografik analizler

Bu çalışmada değerlendirilen ince kesitler mekanik deneylerde uygulanan yük doğrultusu gözetilerek test edilen her bir kaya örneği için hazırlanmıştır. İnce kesitlerin hazırlanmasından önce mavi renkli akışkan bir reçine örneğe emdirilmiştir. Böylece deney sonrası oluşan kırıkların daha kolay tespit edilmesi amaçlanmıştır. İnce kesitlerden görüntüler Nikon Digital sight DS_U3 görüntüleme sistemi ve NIS Elements Imaging software 4.00 yazılımının desteklediği en yüksek çözünürlükte elde edilmiştir. Yüksek çözünürlüklü görüntüler hazırlanan her bir ince kesiti temsil edecek şekilde birleştirildikten sonra analiz edilmişlerdir. Bu analizlerde uzun ekseni 200µm'den büyük daneler iri kristalli mineral daneleri olarak, 200µm'den küçük daneler ise ince hamur malzemesi içerisinde değerlendirilmiştir. Danelerin ve hamur malzemesinin alansal dağılımları belirlenen referans alan içerisinde ölçülmüştür. Bu referans alanlar yükleme yönü gözetilerek her bir kesiti temsil edecek şekilde boyutlandırılmıştır (Şek. 2).

Şekil 2. Petrografik analizlerde kullanılan referans alan ve mineral danelerinin şematik görünümü

2.3 Tek eksenli sıkışma testleri

Tek eksenli sıkışma dayanımı testleri 43mm çaplı örnekler üzerinde ETH Mühendislik Jeoloji kürsüsünde 2000kN kapasiteli servo-hidrolik kontrollü test cihazında gerçekleştirilmiştir. Eksenel ve çevresel deformasyon ölçerler şekil değiştirme ölçümlerinin örnek kenarlarındaki değişimlerden etkilenmemesi için örnek boylarının yarısı seviyelerine yerleştirilmiştir. Eksenel deformasyon ölçerler karşılıklı olarak örneğin her iki tarafına sıkıca yerleştirilmiştir. Eksenel deformasyon ölçerlerin örnek üzerindeki ölçüm aralığı 50mm olarak belirlenmiştir. Çevresel şekil değiştirmeler (εrad) ise örneğin etrafına sarılan zincire bağlı deformasyon ölçerler yardımıyla hesaplanmıştır (Şek. 3). Test sırasında dijital geribildirim çevresel şekil değiştirme ile sağlanmıştır ve kullanılan kontrol değeri 0.03 mm/dk olarak belirlenmiştir.

Şekil 3. Tek eksenli sıkışma dayanımı test düzeneğinin şematik görüntüsü

2.4 Kırıklanma başlangıcının belirlenmesi

Çevre gerilmesiz tek eksenli testlerde kırıklanma başlangıcının (σcı) belirlenmesi için ölçülen deformasyon değerlerine göre değerlendirme esasına dayalı iki yöntemden yararlanılmıştır. Bu yöntemlerden ilki Brace vd. (1966) tarafından önerilen ve temel olarak gerilme ve hacimsel deformasyon eğirisinin çizgisellikten saptığı andaki en düşük eksenel gerilme değeridir (Şek. 4a). Burada, hacimsel şekil değiştirme (εvol) iki eksenel şekil değişimin (εaxial) ortalaması ile çevresel şekil değiştirmenin (εrad) iki katının toplanması şeklindedir (Formül 1).

εvol = εaxial + 2εrad (1)

Şekil 4. σcı’ın tespitinde kullanılan gerilme-şekil değiştirme diyagramları a) Brace vd (1966) tarafından önerilen yöntem b) Lajtai (1974) tarafından önerilen yöntem

Kullanılan ikinci yöntem ise, Lajtai (1974) tarafından önerilen ve benzer prensiplerin çevresel şekil değiştirme eğrisine uygulanmasına dayanmaktadır (Şek. 4b). Bu yöntemde kırıklanmanın başlangıcı, gerilme - çevresel şekil değiştirme eğrisinin çizgisellikten saptığı nokta olarak ifade edilmektedir.

3 ELDE EDİLEN VERİLER ve DEĞERLENDİRİLMESİ

3.1 İncelenen kayaçların içyapısı ve mineralojisi

Tek eksenli gerilmeler altında test edilen andezit örnekleri XRD analizleri sonucuna göre ortalama % 57 feldspat mineralleri (alkali ve plajiyoklas feldspatlar), % 13 Amfibol mineralleri (Hornblend), % 12 Kuvars ve yaklaşık %2 civarında da biotit minerallerinden oluşmaktadır.

Test edilen herbir örnekten elde edilen ince kesitler üzerinde gerçekleştirilen analizlerin sonucuna göre, kayaçları oluşturan ana bileşenlere ait alansal dağılımlar ise Tablo 1'de verilmiştir.

3.2 Örneklerin tek eksenli yükler altında dayanım özellikleri

Çevre gerilmesiz koşullar altında test edilen andezit örnekleri 103 MPa ile 289 MPa arasında değişen dayanım değerleri vermiştir (Tablo 2). Deney sonrasında gözle görülebilecek kırık gelişmi yok denebilecek seviyelerdedir. Yenilme sonrasında incelenen karot örneklerinden uzun eksenleri 1-2cm arasında değişen ve kalınlıkları

birkaç milimetre ile sınırlı küçük parçaların koptuğu gözlenmiştir. Bunların dışında kalan

örneklerde makroskopik boyutlarda bir kırık gözlenmemiştir.

 

Tablo 1:Mekanik deneylerde kullanılan örnekleri oluşturan ana bileşenlerin alansal oranları

ÖG Hamur (%) Biotit (%) Amfibol (%) Feldspat (%)

1 51-59 2-9 2-16 13-34

2 54-56 4-13 5-21 18-24

3 47-63 0-13 11-26 12-34

4 53-61 1-9 4-20 16-40

ÖG: Örnek grubu

Tablo 2: Örneklerin Tek eksenli sıkışma dayanımı ve kırıklanma başlangıcı eşik değerleri

ÖG UCS (MPa) σcı (MPa) Brace vd., 1966

σcı (MPa) Lajtai, 1974

1 108-271 107-126 101-127

2 103-199 47-78 46-79

3 148-289 62-130 63-129

4 144-163 69-74 65-73 ÖG: Örnek grubu

Kırıklanma başlangıcı ile en yüksek dayanım değerleri arasında farklı iki yönteme göre 0.45 ve 0.46 arasında bir oran ilişkisi elde edilmiştir. Birbirleri ile ve UCS değerleri ile oldukça uyumlu olan bu değerler ait grafikler Şekil 5 ve Şekil 6'da verilmiştir. Söz konusu ilişkilere benzer oranlar Nicksiar ve Martin (2013) tarafından pekçok kristalli kayaç üzerinde yaptıkları çalışmalarda da vurgulanmıştır.

Tablo 1 ve Tablo 2'de verilen değer ile uyumlu olarak Şekil 7'de elde edilen grafikte biotit değerinin artmasıyla tek eksenli sıkışma dayanımının ve dolayısıyla kırıklanma başlangıcı değerinin azaldığı oldukça belirgindir. Benzer bir durum Nicksiar ve Martin (2013) tarafından ifade edilmiştir. Ayrıca ve Mahabadi vd (2012) yumuşak biotit minerallerinin kırıklanma gelişimine ve ilerleyişine etki edeceğini sayısal modeller üzerinde yaptıkları çalışmalarda belirtmiştlerdir.

Biyotit mineralleri iri kristaller olarak veya çok ince parçalar şeklinde hamur içerisinde dağınık olarak bulunmaktadırlar. Biyotit diğer iki ana iri kristale göre daha yumuşak olduğundan deneye tabi tutulan örnekler içerisinde sertlik faklılığı yaratmakatadır. Bu sebeple, yükler altında gerilme ve şekil değiştirme farklılıkları oluşturduğu ve buna bağlı olarak kırıklanma başlangıcı ve tek

eksenli sıkışma dayanımımlarına etki ettiği düşünülmektedir (Şek. 7).

Şekil 5. Brace vd 1966'ya göre elde edilen mikro kırıklanma değerlerinin tek eksenli sıkışma dayanımı ile ilişkisi

Şekil 6. Lajtai 1974'e göre elde edilen mikro kırıklanma değerlerinin tek eksenli sıkışma dayanımı ile ilişkisi

Bu bulgulara ek olarak, Tablo 1 ve 2'de sunulan veriler ve Şekil 8'de sunulan grafiğin uyumu dikkat çekicidir. Şekil 8'de verilen grafikte amfibol ve feldspat (plajiyoklas+ortoklas) minerallerinin alansal dağılımlarının toplamının hamur malzemesinin alansal dağılımına oranı ile dayanım özellikleri ilişkilendirilmiştir. Feldspat ve amfibol iri kristallerinin hamur malzemesine oranla artış göstermesi daha yüksek tek eksenli sıkışma dayanımı ve benzer şekilde daha yüksek kırıklanma başlangıcı eşik değerlerinin elde edilmesine yol açacağı açık bir şekilde ortaya konmaktadır.

Şekil 7. Biotit içeriği ile tek eksenli sıkışma dayanımı ilişkisi

Şekil 8. Amfibol (A) ve feldspat (F) iri kristallerinin alansal dağılımı ile hamur malzemesi arasındaki ilişkinin tek eksenli sıkışma dayanımına etkisi

3.3 Mikro yapının kırıklanma ve kırık gelişiminie etkisi

Eksenel yükler altında kırılan örneklerden elde edilen ince kesitlerde gözlenen kırıklar, petrografik analizlerde değerlendirilen irikristaller ve hamur malzemesinin dağılımı ile uyum içerisindedir. Biyotite göre daha sert olan feldspat (plajiyoklas+ortoklas) ve amfibol mineralleri örneklerde bulundukları bölgelerde gerilme ve

şekil değiştirme farklılıklarını oluşturmaktadır. Bu durum kırıkların başlangıcının bu bölgelerden olmasına neden olmaktadır. Artan yükler altında kırıklar hamur malzemesi içerisine doğru ilerlediği ince kesitlerde gözlenmektedir (Şekil 9 ve 10).

Şekil 9. Mekanik deney sonrası amfibol ve hamur malzemesi arasında gelişen sınır kırığının gelişimi (oklar yükleme yönün göstermektedir)

Şekil 10. Mekanik deney sonrası plajiyoklas ve hamur malzemesi arasında gelişen sınır kırığı ve bu kırığın hamur içerisindeki ilerlemesi (kalın oklar yükleme yönün göstermektedir)

4 SONUÇLAR

Bu çalışmada, andezitik kayaçların kırıklanma başlangıcının, tek eksenli sıkışma dayanımının yaklaşık %45-46 mertebesinde başlayacağı ortaya konmuştur.

Plajyoklas

Sınır kırığı

Hamur

Hamur

Biyotit iri kristallerinin içeriğinin kırıklanma başlangıcı eşik değeri üzerinde ve UCS üzerinde azaltıcı bir etkisi olduğu belirlenmiştir.

Tek eksenli gerilmeler altında test edilen andezit örneklerinin tek eksenli sıkışma dayanımlarının ve kırıklanma başlangıcı gerilme değerlerinin amfibol ve feldspat iri kristallerinin hamur malzemesine oranı ile önemli oranda değiştiği ortaya konmuştur.

Tek eksenli yükler altında gelişen kırıkların iri kristaller ile hamur malzemesi arasında sınır kırıkları oluşturacak şekilde başlayacağı, artan gerilmeler altında kırıkların hamur malzemesinin içine doğru ilerlediği gözlenmiştir. KATKI BELİRTME Bu çalışma, İstanbul Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu’nca 17073 numaralı proje ile desteklenmiştir. KAYNAKLAR Brace, W.F., Paulding B.R. and Scholz, C., 1966. Dilatancy

in fracture of crystalline rocks. J. of Geophys. Res. 71 (16): 3939-3953.

Lajtai, E.Z. 1974. Brittle fracture in compression. I. J. of Fracture 10(4): 525-536.

Mahabadi, O.K., Randall, N.X., Zong, Z., and Grasselli, G., 2012. A novel approach for microscale characterization and modeling of geomaterials incorporating actual material heterogeneity. Geophysical Research Letters 39 (6 pp.).

Nicksiar, M., and Martin, C.D., 2013. Crack initiation stress in low porosity crystalline and sedimentary rocks. Engineering Geology 154: 64–76.

Prikryl, R. 2006. Assessment of rock geomechanical quality by quantitative rock fabric coefficients: Limitations and possible source of misinterpretations. Engineering Geology, 87: 149–162.

Tuğrul, A. and Zarif, İ.H., 1998, The influence of mineralogical and textural characteristics on the durability of selected sandstone in İstanbul, Turkey, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, Vol. 57, No. 2, 185-190.

Ulusay, R., Tureli, K., Ider, M.H., 1994. Prediction of engineering properties of selected litharenite sandstone from its petrographic characteristics using correlation and multivariate statistical techniques. Engineering Geology 37, 135– 157.