Content uploaded by Deniz Akbay
Author content
All content in this area was uploaded by Deniz Akbay on Jun 05, 2021
Content may be subject to copyright.
Content uploaded by Gökhan Ekincioğlu
Author content
All content in this area was uploaded by Gökhan Ekincioğlu on Jul 01, 2020
Content may be subject to copyright.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 27(3), 442-449, 2021
Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi
Pamukkale University Journal of Engineering Sciences
442
Farklı cihaz ve yöntemler ile belirlenen Shore sertlik değerlerinin
karbonatlı kayaçların gevreklik değerlerinin tahmininde
kullanılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of the usability of Shore hardness values determined by
different devices and methods to estimate the brittleness values of
carbonated rocks
Deniz AKBAY1* , Gökhan EKİNCİOĞLU2, Raşit ALTINDAĞ3, Nazmi ŞENGÜN4
1Madencilik ve Maden Çıkarma Bölümü, Çan Meslek Yüksekokulu, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Çanakkale, Türkiye.
denizakbay@comu.edu.tr
2Madencilik ve Maden Çıkarma Bölümü, Kaman Meslek Yüksekokulu, Ahi Evran Üniversitesi, Kırşehir, Türkiye.
gokhanekincioglu@ahievran.edu.tr
3,4Maden Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye.
rasitaltindag@sdu.edu.tr, nazmisengun@sdu.edu.tr
Geliş Tarihi/Received: 12.03.2020
Kabul Tarihi/Accepted: 11.05.2020
Düzeltme Tarihi/Revision: 02.05.2020
doi: 10.5505/pajes.2020.52892
Araştırma Makalesi/Research Article
Öz
Abstract
Yeraltı veya yer üstü mühendislik projeleri öncesinde kayaçların
kesilebilirlik ve delinebilirlik özelliklerini etkileyen sertlik ve gevreklik
değerlerinin belirlenmesi çok önemlidir. Kayaçların kesilebilirlik ve
delinebilirlik özelliklerini belirlemek, bazı diğer fiziksel ve mekanik
özelliklerini doğrudan belirlemek için uygulanan testler gibi pahalı ve
zaman alıcı olabilmektedir. Kayaçların sertlik değerlerinin belirlemesi
nispeten diğer özelliklerine göre daha ekonomik ve hızlı olmaktadır.
Ayrıca sertlik değerleri, kayaçların fiziksel ve mekanik özelliklerinin
tahmininde güvenilir bir şekilde kullanılabilmektedir. Bu çalışma
kapsamında, 13 farklı karbonatlı kayacın Shore sertlik değerleri üç
farklı cihaz (C-2 tipi Shore Scleroscope’u, dijital durometre ve dijital
Shore sertliği ölçüm cihazı) kullanılarak aynı numuneler üzerinde
belirlenmiştir. Elde edilen veriler sonucunda farklı ölçüm cihazlarının
klasik yöntem yerine kullanılabilirliği araştırılmıştır. Ayrıca kazı
mekaniği açısından önemli bir kayaç özelliği olan ve literatürde basınç
ve çekme dayanımı değerleri dikkate alınarak önerilen dört farklı
gevreklik değerinin tahmin edilmesinde kullanılabilecek en uygun
yüzey sertliği ölçme yönteminin belirlenmesi amaçlanmıştır. Üç farklı
cihazdan elde edilen Shore sertlik değerleriyle dört farklı gevreklik
değeri arasındaki ilişkiler basit regresyon analizleri ile irdelenmiştir.
Sonuç olarak dijital Shore sertliği ölçüm cihazlarının klasik C-2 tipi
Shore Scleroscope’u yerine güvenli bir şekilde kullanılabileceği
görülmüştür. Shore sertlik değerinin literatürde çokça kullanılan dört
farklı gevreklik değerinden iki tanesini tahmin etmede güvenilir olduğu
iki tanesini tahmin etmede ise kullanılamayacağı belirlenmiştir.
It is very important to determine the hardness and brittleness values of
rocks, which affect the cuttability and drillability properties of
underground or aboveground engineering projects. Determining
cuttability and drillability properties of rocks can be expensive and time
consuming, such as tests applied to directly determine some other
physical and mechanical properties. The determination of the hardness
values of rocks is relatively economical and faster than other properties.
In addition, hardness values can be used reliably to estimate the
physical and mechanical properties of rocks. In this study, Shore
Hardness values of 13 different carbonated rocks were determined on
the same samples using three different devices (C-2 type Shore
Scleroscope, digital durometer and digital Shore Hardness device). As a
result of the data obtained, the availability of different measuring
instruments instead of the classical method was investigated. In
addition, it was aimed to determine the most suitable surface hardness
measurement method, which is an important rock property in terms of
excavation mechanics, and which can be used to estimate the four
different brittleness values recommended by considering the pressure
and tensile strength values in the literature. Relationships between
Shore Hardness values obtained from three different devices and four
different brittleness values were examined with simple regression
analysis. As a result, it has been seen that digital Shore Hardness
measurement devices can be used safely instead of the classic C-2 type
Shore Scleroscope. It has been determined that Shore Hardness value is
reliable in predicting two of four different brittleness values, which are
widely used in the literature, and cannot be used in estimating two.
Anahtar kelimeler: Shore sertliği, Gevreklik, Doğal taş, Fiziksel ve
mekanik özellikler.
Keywords: Shore hardness, Brittleness, Natural stone, Physical and
mechanical properties.
1 Giriş
Kayaçların fiziksel ve mekanik özelliklerinin tespiti, yeraltı ve
yerüstü maden işletmeleri, yeraltı açıklıkları, tüneller, barajlar,
kaya içinde açılan temeller gibi kaya ile etkileşime giren
mühendislik çalışmaları için çok önemlidir. Kayacın dayanımını
ve deformasyonunu doğrudan belirlemek için uygulanan
testler pahalı ve zaman alıcıdır. Özellikle test için kaya
numunelerinin hazırlanması oldukça uzun zaman almaktadır.
*
Yazışılan yazar/Corresponding author
Bahsedilen sebeplerden dolayı araştırmacılar kayaçların
mühendislik özelliklerini belirlemek ve yorumlamak için farklı
dolaylı test yöntemleri geliştirmiş ve kullanmıştır. Dolaylı
yöntemler nispeten uygulaması kolay, ucuz ve hızlı sonuç
alınan testlerdir [1]. Kayaç gevrekliği, yeraltı ve yerüstü maden
işletmeleri, yeraltı açıklıkları, tüneller, barajlar, kaya içinde
açılan temeller gibi mekanik kazının kullanıldığı mühendislik
çalışmaları için oldukça önemlidir. Son zamanlarda yapılan
çalışmalar, kayacın gevrekliğini tanımlamak için tek başına
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 27(3), 442-449, 2021
D. Akbay, G. Ekincioğlu, R. Altındağ, N. Sengün
443
kayacın dayanımının bir fonksiyonunun kullanılmasının yeterli
olmadığını göstermiştir [2]-[10]. Kayacın dayanımının
kullanıldığı gevreklik belirleme yöntemlerine bakıldığında en
iyi sonucu gerilme dayanımının kullanıldığı yöntemlerin
verdiği görülmektedir. Altındağ ve Güney [11] gevreklik ve
gevreklik ile basınç dayanımı, çekme dayanımı ve Shore sertliği
arasındaki ilişkileri inceleyen bir araştırma yapmışlardır. Yağız
ve Gökçeoğlu [12], kayaçların gevrekliğini tahmin etmek için
bulanık çıkarım sistemi ve doğrusal olmayan regresyon modeli
uygulamışlardır. Ayrıca, Yağız ve Karahan [13], iğne
penetrasyon testinden elde edilen bir girdi değişkeni olarak,
kayacın gevrekliğini kullanarak tünel açma makinesi (TBM)
performansını tahmin etmek için çeşitli optimizasyon
teknikleri uygulamışlardır. Tarasov ve Potvin [14], biriken
elastik enerji ile kopma/aşırı enerji arasındaki dengeye
dayanan iki farklı gevreklik kriteri geliştirmişlerdir. Meng ve
diğ. [15], kapsamlı bir analizle yaygın olarak kullanılan
kırılganlık endekslerini irdelemişler ve iki farklı gevreklik
endeksi önermişlerdir. Tek eksenli basınç dayanımını ve dolaylı
(Brazilian) çekme dayanımını [16]-[18] kullanan endeksler,
mekanik kazı performansının değerlendirilmesinde çok faydalı
olmuşlardır. Kayacın dayanımının bir fonksiyonu olan
gevreklik indeksleri, gevrekliğin dolaylı olarak tahmin
edilmesinde ve değerlendirilmesinde çokça
kullanılmaktadırlar [19].
Gevreklik tanımı üzerinde birçok çalışma yapılmış ve bazı ortak
kabullere ulaşılmıştır [20],[21]; (1) büyük içsel sürtünme açısı,
(2) düşük gerilme değerlerinde yenilme; (3) basınç dayanımı ve
çekme dayanımı arasında büyük fark, (4) mikro çatlaklar
tarafından baskın olarak kontrol edilen gevrek yenilme, (5)
yüksek rezilyans, (6) sertlik testleri sırasında oluşan yeni
çatlaklar [10]. Ancak, kayaçların gevrekliğinin hesaplanması ve
tahmini için geliştirilmiş standart bir yöntem veya gevreklik
için üzerinde fikir birliğine varılmış birleşik bir tanım yoktur
[4],[20],[22],[23]. Gevreklik belirleme yöntemlerinin
birbirinden çok farklı oluşu, gevrekliğin mühendislik
projelerinde tasarım parametresi olarak kullanımını
zorlaştırmaktadır. Tanımlarda kesin bir birliğin olmaması,
ölçümlerde de belli bir standardın olmamasına neden
olmaktadır. Sertlik, statik veya dinamik yükleme şartları altında
kayacın göstermiş olduğu direnç olarak ifade edilebilir. Sertlik,
konvansiyonel bir büyüklüktür. Sertlik değeri, mühendislik
projelerinde fiziksel ve mekanik özellikler gibi doğrudan
kullanılamaz, dolaylı olarak mekanik özelliklerin tahmininde
veya başka malzemelerle karşılaştırmak için kullanılabilir [24].
Sertliğin ölçülmesi kayaçlar için her ne kadar zor olsa da halen
uygulanan üç yöntem bulunmaktadır. Bunlar batma deneyleri
(Brinell, Rockwell C, Vickers, Knoop), dinamik veya geri
sıçrama sertlik deneyleri (Shore, Schmidt) ile çizme (Mohs)
sertlik deneyleridir [25],[26]. Ayrıca, Shore sertlik indeksi
deney aletinin günümüzde üretiminin oldukça azalması
araştırmacı ve mühendisleri yeni sertlik belirleme
yöntemlerinin araştırılmasına ve geliştirilmesine sevk
etmektedir [27]. Bu çalışmada, kaya ortamında gerçekleştirilen
mühendislik çalışmalarında önemli bir parametre olan
gevreklik değerinin tahmin edilmesinde kullanılabilecek en
uygun yüzey sertliği ölçme yönteminin belirlenmesi
amaçlanmıştır.
2 Gevreklik
Gevreklik, bir malzemenin kuvvet altında kırılmadan önce
kalıcı deformasyonlar olmaksızın sürekli olarak deforme
olma/kırılma/çatlama kabiliyetidir [27]. Bir anlamda
kayaçların gevrekliklerinin belirlenmesinde, evrensel bir
kavram ve ölçme yöntemi bulunmamaktadır. Gevreklik oranı
olarak bilinen basınç dayanımının çekme dayanımına oranı
(
) en yaygın olarak kullanılan gevreklik ölçütlerinden
biridir. Bu değerin yüksek oluşu, yüksek gevrekliği işaret
etmektedir. Literatürde bulunan çeşitli araştırmacılar
tarafından gevreklik için önerilen bazı eşitlikler ve
tanımlamalar Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1. Kayaç gevrekliğinin belirlenmesi için önerilen bazı ampirik eşitlikler (Yagiz ve Gokceoglu’dan [12] geliştirilmiştir).
Table 1. Some empirical equations proposed for determination of rock brittleness (developed from Yagiz and Gokceoglu [12]).
Protodyakonov [28]
q, Protodyakonov darbe testi sonucu oluşan ince tanelerin
yüzdesidir.
Özel deney (darbe
deneyi)
Hucka ve Das [16]
Eski haline dönebilen (elastik) deformasyon miktarının toplam
deformasyon miktarına oranı
Hucka ve Das [16]
Geri verilebilen (elastik) enerjinin toplam enerjiye oranı
Hucka ve Das [16]
Basınç dayanımı/çekme dayanımı oranı
Dayanım oranı
Hucka ve Das [16]
Basınç dayanımı ve çekme dayanımının farklarının toplamlarına
oranı
Dayanım oranı
Hucka ve Das [16]
Gevreklik olduğunda Mohr zarfından belirlenebilir, burada
φ içsel sürtünme açısıdır.
Mohr zarfı
George [29]
Kırılma anına kadar geri dönüşü olmayan deformasyon miktarı
Deformasyona dayalı
Blindheim ve Bruland
[30]
14 kg yük, 20 kez 500 g malzeme (16-11.2 mm elek aralığında)
üzerine düşürülerek yapılan darbe deneyinde ince malzeme
yüzdesi (<11.2 mm)
Özel deney
(gevreklik deneyi)
Yagiz, [2],[4]
Uç batırma deneyinde en yüksek kuvvetin ilerleme miktarına oranı
Özel deney (standart
penetrasyon deneyi)
Altindag [17]
Basınç dayanımı ile çekme dayanımı çarpımının yarısı
Dayanım oranı
Copur ve diğ. [9]
Uç batırma deneyinde azalan kuvvetin artan kuvvete oranı
Özel deney (standart
penetrasyon deneyi)
Yaralı ve Soyer [31]
Basınç dayanımı ile çekme dayanımı çarpım değerinin 0.72 kuvveti
Dayanım oranı
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 27(3), 442-449, 2021
D. Akbay, G. Ekincioğlu, R. Altındağ, N. Sengün
444
3 Shore sertlik indeksi
Kayaçların fiziksel özelliklerinden biri olan Shore sertliği (SH)
temel olarak kayacın mineralojisinden, çimentolanma
durumundan (bağlayıcı madde), matriks tipinden ve
elastisitesinden etkilenmektedir. SH, tane boyu 0.2 mm'den
büyük kayaçlar için sert minerallerin yüzdesinin hızlı
ölçümünü ortaya koymak için kullanılabilmekte ve kayaç
mineralojisi ile direkt ilişkisi bulunmaktadır [32],[33]. Shore
sertlik ölçümleri ISRM (The International Society for Rock
Mechanics and Rock Engineering)’de [34] önerildiği şekilde
Shore Scelerescope’u kullanılarak gerçekleştirilmektedir.
Shore yüzey sertliği kayaçların içyapısını temsil etmesine bağlı
olarak kayaçların dayanımları, delinebilirlikleri ve
kesilebilirliklerinin tahmininde ucuz, kolay ve pratik
olmalarından dolayı birçok çalışmada girdi parametresi olarak
kullanılıştır [35].
4 Materyal ve metot
Bu çalışma kapsamında laboratuvar koşullarında
gerçekleştirilen deneyler yardımıyla sedimanter kökenli 13
farklı karbonatlı kayacın Shore sertlikleri üç farklı cihaz (C-2
tipi Shore Scleroscope’u, dijital durometre ve dijital Shore
sertliği ölçüm cihazı) kullanılarak aynı numuneler üzerinde
belirlenmiştir. Kayacın dayanımının kullanıldığı gevreklik
belirleme yöntemlerine bakıldığında en iyi sonucu gerilme
dayanımının kullanıldığı yöntemlerin verdiği önceki
çalışmalarda belirtilmiştir. Bu nedenle, çalışma kapsamında
literatürde dayanım oranları dikkate alınarak önerilen dört
farklı gevreklik yöntemi ( Hucka ve Das [16],
Altındağ [17], : Yaralı ve Soyer [31]) kullanılarak Shore
sertliği ile arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Çalışmada,
Türkiye’nin farklı bölgelerinden temin edilen 13 farklı
karbonatlı kayaç üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir (Tablo
2).
Tablo 2. Çalışmada kullanılan kayaçlar.
Table 2. Rocks used in the study.
Kayaç Kodu
Kayaç
Köken
Bölge
Trv-1
Traverten
Sedimanter
Denizli
Kkt-1
Kireçtaşı
Sedimanter
Antalya
Kkt-2
Kireçtaşı
Sedimanter
Antalya
Kkt-3
Kireçtaşı
Sedimanter
Antalya
Kkt-4
Kireçtaşı
Sedimanter
Antalya
Kt-1
Kireçtaşı
Sedimanter
Isparta
Kt-2
Kireçtaşı
Sedimanter
Isparta
Kt-3
Kireçtaşı
Sedimanter
Bursa
Kt-4
Kireçtaşı
Sedimanter
Kastamonu
Kt-5
Kireçtaşı
Sedimanter
Burdur
Kt-6
Kireçtaşı
Sedimanter
Bursa
Dkt-1
Dolomitik Kireçtaşı
Sedimanter
Isparta
Dkt-2
Dolomitik Kireçtaşı
Sedimanter
Isparta
4.1 Sertlik ölçümleri
Deneyler Süleyman Demirel Üniversitesi, Maden Mühendisliği
Bölümü, Kazı Mekaniği ve Doğaltaşlar Teknolojisi Laboratuvarı
ile Kırşehir Ahi Evran Üniversitesi Kaman Meslek Yüksekokulu
Doğaltaş Analiz Laboratuvarında yapılmıştır. Shore sertliği
deneyleri C-2 tipi Shore Scleroscope’u, dijital durometre ve
dijital Shore sertliği ölçüm cihazı olmak üzere üç farklı cihaz
kullanılarak gerçekleştirilmiştir (Şekil 1). Dijital durometre ve
dijital Shore sertliği ölçüm cihazlarında da ölçüm, C-2 tipi Shore
Scleroscope'unda gerçekleşen ölçüme benzer şekilde tungsten
karbürden üretilen ucun zımparalanmış ve parlatılmış kayaç
yüzeyine düşürülmesi ve bunun sonucunda geri sıçrama
tepkisine göre geçekleştirilmektedir. Shore sertlik deneyleri
Altındağ ve Güney [36] tarafından önerilen ISRM [34]
yöntemine uygun olarak gerçekleştirilmiştir.
Şekil 1. Çalışmada kullanılan Shore sertliği ölçüm cihazları. (a):
C-2 tipi Shore Scleroscope’u, (b): Dijital durometre. (c): Dijital
Shore sertliği ölçüm cihazı.
Figure 1. Shore hardness measurement devices used in the study.
(a): C-2 type Shore Scleroscope. (b): Digital durometer.
(c): digital Shore hardness measurement device.
Çalışma genelinde C-2 tipi Shore Scleroscope’u ile yapılan
ölçümler sonucu elde edilen Shore sertlik değerleri SH-1, dijital
durometre ile yapılan ölçümler sonucu elde edilen Shore sertlik
değerleri SH-2 ve dijital Shore sertliği ölçüm cihazı ile yapılan
ölçümler sonucu elde edilen Shore sertlik değerleri SH-3 olarak
kodlanmıştır. Her örnek için her cihazda aynı 3 numune
üzerinde 20’şer okuma yapılmış ve bu 20 okumanın aritmetik
ortalaması hesaplanarak elde edilen sertlik değerleri Tablo 3’te
verilmiştir.
Tablo 3. Çalışmada kullanılan doğal taşların farklı cihazlarla
ölçülen ortalama Shore sertlik değerleri.
Table 3. Average Shore hardness values of the natural stones
used in the study measured with different devices.
Kayaç
Kodu
SH-1
SH-2
SH-3
x̄
Std. Sap.
x̄
Std. Sap.
x̄
Std. Sap.
Trv-1
41.68
7.00
45.12
6.42
44.88
3.88
Kkt-1
30.18
5.20
39.76
3.49
41.00
3.39
Kkt-2
30.48
5.50
38.72
4.16
39.89
5.60
Kkt-3
40.13
5.10
31.80
2.37
35.37
2.04
Kkt-4
42.20
4.60
30.20
4.03
37.01
2.75
Kt-1
54.98
3.40
52.18
4.48
53.53
2.57
Kt-2
55.15
6.20
57.44
2.79
55.34
2.82
Kt-3
58.93
4.90
54.60
3.16
56.84
4.83
Kt-4
60.10
2.80
57.54
2.55
57.81
5.14
Kt-5
58.98
3.50
54.15
3.90
51.82
5.19
Kt-6
60.45
5.20
59.43
7.90
58.80
2.95
Dkt-1
49.73
5.30
42.52
3.16
40.72
4.14
Dkt-2
41.10
6.40
43.23
3.14
44.96
3.45
SH-1: C-2 tipi Shore Scleroscope’u ile öl çüm değeri, SH-2: dijital durometre ile
ölçüm değeri, SH-3: dijital Shore sertliği ölçüm cihazı ile ölçüm değeri, x̄: ortalama
değer, Std. Sap.: standart sapma.
4.2 Gevreklik beğerlerinin belirlenmesi
Çalışmada kullanılan doğal taşların tek eksenli basınç dayanımı
TS EN 1926’e [37] göre küp numuneler üzerinde ve dolaylı
çekme (Brazilian) dayanımı deneyleri ISRM’de [34] belirtilen
yöntem esas alınarak disk şeklindeki numuneler üzerinde en az
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 27(3), 442-449, 2021
D. Akbay, G. Ekincioğlu, R. Altındağ, N. Sengün
445
10 numune üzerinde tekrarlanarak tekrarlanmış olup, dayanım
değerleri elde edilen değerlerin aritmetik ortalaması alınarak
hesaplanmıştır. Belirlenen bu dayanım değerlerine göre
literatürde yaygınca kullanılan 4 farklı gevreklik hesaplama
yöntemine göre (hesaplamada dayanım değerlerinin
kullanıldığı ) aşağıdaki eşitlikler (1)-(4)
kullanılarak gevreklik değerleri hesaplanmış ve Tablo 4'te
verilmiştir.
(1)
(2)
(3)
(4)
Burada; : Tek eksenli basınç dayanımı: MPa; : Çekme
dayanımı, MPa ifade etmektedir.
Tablo 4. Çalışmada kullanılan doğal taşların tek eksenli basınç
dayanımı, dolaylı çekme dayanımı ve gevreklik değerleri.
Table 4. Uniaxial compressive strength, indirect tensile strength
and brittleness values of natural stones used in the study.
Numune
kodu
(MPa)
(MPa)
Trv-1
48.0
4.3
11.11
0.86
103.66
46.56
Kkt-1
75.3
3.0
25.53
0.92
111.10
48.94
Kkt-2
76.4
3.0
25.90
0.92
112.69
49.44
Kkt-3
80.1
3.6
22.44
0.91
143.00
58.69
Kkt-4
77.7
3.8
20.71
0.88
145.63
59.47
Kt-1
160.5
6.0
26.74
0.92
481.40
140.65
Kt-2
138.4
6.7
20.66
0.91
463.74
136.92
Kt-3
146.9
5.7
25.90
0.92
416.37
126.70
Kt-4
116.2
7.0
16.60
0.88
406.64
124.56
Kt-5
113.1
8.0
14.18
0.87
451.34
134.27
Kt-6
113.6
7.4
15.35
0.89
420.20
127.54
Dkt-1
118.7
5.7
20.72
0.91
340.18
109.54
Dkt-2
108.7
5.6
19.40
0.95
304.24
101.08
Tek eksenli basınç dayanımı; Brazilian çekme dayanımı;
Hucka ve Das [16]; Altındağ [17]; Yaralı ve Soyer [31].
5 Bulgular ve tartışma
Kayaçların farklı sertlik ölçüm cihazları kullanılarak ölçülen
Shore sertliği değerlerinin karşılaştırılması ve elde edilen bu
Shore sertliği değerlerinin kayaçların gevreklik değerlerini
belirlemede kullanılabilirliklerinin araştırıldığı bu çalışmada
elde edilen sonuçlar bu bölümde verilmiştir. Tablo 3’te
çalışmada kullanılan kayaçların ölçülen Shore sertliği değerleri,
Tablo 4’te kayaçların tek eksenli basınç değerleri ile çekme
dayanımları ve bu değerler kullanılarak hesaplanan gevreklik
değerleri verilmiştir.
Şekil 2’de verilen aynı numuneler üzerinde farklı sertlik ölçüm
cihazları kullanılarak elde edilen Shore sertlik değerlerinin
genelde birbirine yakın olduğu, sadece bazı örneklerde C-2 tipi
Shore Scleroscope’u kullanılarak elde edilen sertlik
değerlerinde (SH-1), diğer iki sertlik değerine (SH-2 ve SH-3)
oranla küçük farklılıklar olduğu görülmektedir.
Şekil 2. Çalışmada kullanılan doğal taşların farklı cihazlarla
ölçülen Shore sertlik değerleri.
Figure 2. Shore hardness values of natural stones used in the
study measured with different devices.
Bunun sebebinin C-2 tipi Shore Scleroscope’u ölçüm
yönteminin dijital ölçüm cihazlarıyla ölçüm yönteminden farklı
olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Ayrıca kaya
malzemesinin heterojenliği veya sahip olduğu kristal yapısı
küçük farklılıklara sebep olabilmektedir. Belli bir cihazda
ölçülen değerlerin istatistiksel olarak anlamlı bir şekilde
yüksek veya düşük olmadığı, cihazların kendi karakteristikleri
gereği diğer cihazlardan elde edilen ölçüm sonuçlarına kıyasla
her zaman yüksek veya düşük ölçüm sonucu vermediği
görülmüştür. Şekil 3’te verilen C-2 tipi Shore Scleroscope’u,
dijital durometre ve dijital Shore sertliği ölçüm cihazı
kullanılarak yapılan ölçümler arasındaki ilişkiler grafik
yardımıyla incelenmiştir.
Şekil 3. SH-1, SH-2 ve SH-3 Shore sertlik değeri arasındaki
ilişkiler.
Figure 3. Relationships between SH-1, SH-2 and SH-3 Shore
hardness values.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 27(3), 442-449, 2021
D. Akbay, G. Ekincioğlu, R. Altındağ, N. Sengün
446
Her üç cihazdan elde edilen sertlik değerleri arasında yüksek
korelasyon (r) katsayına sahip (sırasıyla 0.82, 0.84, 0.98)
ilişkiler belirlenmiştir. Çalışmada kullanılan kayaçların
belirlenen dayanım verileri ile (tek eksenli basınç dayanımı ve
Brazilian çekme dayanımı) ve gevreklik
değerleri hesaplanmış ve hesaplanan gevreklik değerleri ile
farklı cihazlarla belirlenen Shore sertlik değerleri arasındaki
ilişkiler incelenmiştir. Hesaplanan gevreklik değerleri ile
ölçülen Shore sertlik değerleri arasındaki ilişkiler basit
regresyon yöntemiyle analiz edilmiş ve dağılım grafikleri
oluşturulmuştur (Şekil 4-6).
Şekil 4. SH-1 sertlik değeri ile farklı gevreklik değerleri arasındaki ilişkiler.
Figure 4. Relationships between SH-1 hardness value and different brittleness values.
Şekil 5. SH-2 sertlik değeri ile farklı gevreklik değerleri arasındaki ilişkiler.
Figure 5. Relationships between SH-2 hardness value and different brittleness values.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 27(3), 442-449, 2021
D. Akbay, G. Ekincioğlu, R. Altındağ, N. Sengün
447
Şekil 6. SH-3 sertlik değeri ile farklı gevreklik değerleri arasındaki ilişkiler.
Figure 6. Relationships between SH-3 hardness value and different brittleness values.
Hesaplanan gevreklik değerleri ile ölçülen Shore sertlik
değerleri arasındaki ilişkinin derecesi regresyon analizleri
sonucunda hesaplanan korelasyon katsayıları (r) ile ifade
edilmiştir (Tablo 5). Tablo 5 incelendiğinde çalışmada
kullanılan kayaçların üç farklı cihaz kullanılarak ölçülen Shore
sertlik değerleri (SH-1, SH-2, SH-3) ile B4 ve B5 gevreklik
değerleri arasında anlamlı ilişkiler olmadığı görülmüştür.
Çalışmada kullanılan kayaçların üç farklı cihaz kullanılarak
ölçülen Shore sertlik değerleri (SH-1, SH-2, SH-3) ile
araştırmacılar tarafından önerilen B10 ve B12 gevreklik değerleri
arasında ise 0.83 ile 0.90 arasında değişen yüksek korelasyon
katsayısına (r) sahip ilişkiler belirlenmiştir (Tablo 5). Altındağ
[17], Altındağ ve Güney [33] ile Yaralı ve Soyer’in [31] yaptıkları
çalışmalarda ulaştıkları sonucu doğrular şekilde, Shore sertlik
değerlerinin araştırmacılar tarafından önerilen ve
gevreklik değerlerini tahmin etmede kullanılamayacağı, ve
gevreklik değerlerini tahmin etmede ise güvenilir olarak
kullanılabileceği görülmüştür.
Tablo 5. Gevreklik ve sertlik değerleri arasındaki korelasyon
katsayıları (r).
Table 5. Correlation coefficients (r) between brittleness and
hardness values.
Gevreklik
Sertlik
SH-1
0.32
0.31
0.90
0.90
SH-2
0.29
0.17
0.84
0.83
SH-3
0.22
0.15
0.84
0.83
SH-1: C-2 tipi Shore Scleroscope’u ile ölçüm, SH-2: d urometre ile ölçüm, SH -3:
Shore sertliği ölçüm cihazı ile ölçüm
İlgili literatür inceliğinde kayaçların gevrekliğinin
belirlenmesinde birçok standart olmayan tanım ve yöntem ile
karşılaşılmaktadır. Gerçekleştirilecek çalışmalar ışığında
gevreklik tanımının ve yönteminin standartlaşması
gerekmektedir. Bu nedenle Xia ve diğ. [10] yaptıkları kapsamlı
çalışmada da belirttikleri gibi kayaç gevrekliğinin anlaşılması
ve tanımlanması için standart indeksler ve test yöntemleri
oluşturmak için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir.
Kayaçların diğer mühendislik özellikleri ile farklı araştırmacılar
tarafından kabul gören farklı gevreklik yöntemi arasındaki
ilişkiler bundan sonra ayrıca incelenmelidir.
6 Sonuçlar
Kayaçların fiziksel ve mekanik özelliklerinin tespiti kaya ile
etkileşime giren mühendislik çalışmaları için oldukça
önemlidir. Kayaçların kesilebilirliğinin ve delinebilirliğinin
belirlenmesi de kazı mekaniği açısından en önemli
parametrelerdir. Kayaçların kesilebilirlikleri ve
delinebilirlikleri ile sertlik ve gevreklik değerleri arasında güçlü
bir ilişki olduğu da birçok çalışmada farklı araştırmacılar
tarafından ortaya konmuştur. Kayaçların kesilebilirliklerini ve
delinebilirliklerini doğrudan belirlemek için uygulanan testler
pahalı ve zaman alıcıdır.
Bu çalışma kapsamında, günümüzde üretiminin artık olmaması
ve ölçüm esnasında göz hassasiyeti gerektirmesi gibi
dezavantajlara sahip C-2 tipi Shore Scleroscope’u yerine dijital
sertlik ölçüm cihazlarının kullanılabilirliğinin yanı sıra
kayaçların Shore sertlik değerleri dört farklı kayaç gevreklik
belirleme yöntemi arasındaki ilişkiler araştırılmıştır.
Elde edilen sonuçlar ışığında, kayaçların Shore sertliği
belirlenirken C-2 tipi Shore Scleroscope’u yerine dijital olarak
sonuç veren sertlik ölçüm cihazlarının kullanılabileceği
belirlenmiştir.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 27(3), 442-449, 2021
D. Akbay, G. Ekincioğlu, R. Altındağ, N. Sengün
448
Çalışmada, kayaların Shore sertlik değerleri ile tek eksenli
basınç dayanımı ve çekme dayanımı değerleri dikkate alınarak
hesaplanan kırılganlık değerleri arasındaki ilişkiler
incelenmiştir.
Altındağ ve Güney’in [11] çalışmalarından elde ettikleri sonuca
benzer şekilde, Shore sertlik değerlerinin literatürde bulunan
ve gevreklik değerlerini tahmin etmede
kullanılamayacağı, ve gevreklik değerlerini tahmin
etmede ise güvenilir olarak kullanılabileceği belirlenmiştir.
Kayaç gevrekliğinin anlaşılması ve tanımlanması için standart
indeksler ve test yöntemleri oluşturmak için daha fazla
araştırma yapılması gerekmektedir. Kayaçların diğer
mühendislik özellikleri ile kabul gören gevreklik yöntemi
arasındaki ilişkiler bundan sonra ayrıca incelenmelidir.
Çalışma sadece karbonat kökenli kayaçlar üzerinde
gerçekleştirilmiş olup, elde edilen sonuçların farklı jeolojik
kökene ve dokusal özelliklere sahip kayaçlar üzerinde deneyler
yapılarak, örnek sayısının da arttırılması ile istatistiksel açıdan
daha anlamlı hale getirilebileceği düşünülmektedir.
7 Conclusions
The determination of the physical and mechanical properties of
rocks is very important for engineering studies that interact
with the rock. Determining the cuttability and drillability of
rocks are also the most important parameters in terms of
excavation mechanics. In many studies by many researchers, it
has been introduced that there is a strong relationship between
the cuttability and drillability of rocks and the hardness and
brittleness values of the rocks. The tests applied to directly
determine the cuttability and drillability of rocks are expensive
and time consuming.
In the light of the results obtained, it was determined that
digital hardness measurement devices can be used instead of
C-2 type Shore Scleroscope while determining the Shore
hardness of the rocks.
It has been determined that Shore hardness values cannot be
used to estimate and brittleness values in the literature,
and can be used reliably to estimate and brittleness
values similar to the results of Altındağ and Güney [11].
More research is needed to establish standard indices and test
methods for understanding and defining rock brittleness. The
relationships between the other engineering properties of the
rocks and the accepted brittleness method should then be
studied further.
The study was carried out only on rocks of carbonate origin,
and it is thought that the results obtained can be made more
statistically significant by increasing the number of samples by
repeating experiments on rocks of different geological origin
and textural properties.
8 Yazar katkı beyanı
Gerçekleştirilen çalışmada Deniz Akbay, Gökhan Ekincioğlu,
Raşit Altındağ ve Nazmi Şengün fikrin oluşması, tasarımın
yapılması, literatür taraması, elde edilen sonuçların
değerlendirilmesi, kullanılan malzemelerin temin edilmesi,
sonuçların incelenmesi, yazım denetimi ve içerik açısından
makalenin kontrol edilmesi başlıklarında katkı sunmuşlardır.
9 Etik kurul onayı ve çıkar çatışması beyanı
“Hazırlanan makalede etik kurul izni alınmasına gerek yoktur”.
“Hazırlanan makalede herhangi bir kişi/kurum ile çıkar
çatışması bulunmamaktadır”.
10 Kaynaklar
[1] Shalabi FI, Cording, EJ, Al-Hattamleh, OH. “Estimation of
rock engineering properties using hardness tests”.
Engineering Geology, 90(3-4), 138-147, 2007.
[2] Yagiz S. Development of rock Fracture and Brittleness
Indices to Quantify the Effects of Rock Mass Features and
Toughness in the CSM Model Basic Penetration for Hard
Rock Tunneling Machines. PhD Thesis, Colorado School of
Mines, Illinois, United States, 2002.
[3] Yagiz, S. “Utilizing rock mass properties for predicting
TBM performance in hard rock condition”. Tunneling and
Underground Space Technology, 23(3), 326-339, 2008.
[4] Yagiz, S. “Assessment of brittleness using rock strength
and density with punch penetration test”. Tunnelling and
Underground Space Technology, 24(1), 66-74, 2009.
[5] Handewith, HJ. “Predicting the economic success of
continuous”. CIM Bulletin, 63, 595–9, 1970.
[6] Dollinger GL, Handewith HJ, Breeds CD. “Use of the punch
test for estimating TBM performance”. Tunnelling and
Underground Space Technology, 13(4), 403-408, 1998.
[7] Szwedzicki, T. “Draft ISRM suggested method for
determining the indentation hardness index of rock
materials”. International Journal of Rock Mechanics
Mechanics and Mining Sciences, 35(6), 831-835, 1998.
[8] Dollinger GL, Raymer JH. “Rock mass conditions as
baseline values for TBM perfor- mance evaluation”. North
American Tunneling Conference, Seattle, USA, 18-22 May
2002.
[9] Copur H, Bilgin N, Tuncdemir H, Balci C. “A set of indices
based on indentation test for assessment of rock cutting
performance and rock properties”. Journal of South
African Institute of Mining and Metallurgy,
103(9), 589-600, 2003.
[10] Xia Y, Zhou H, Zhang C, He S, Gao Y, Wang P. “The
evaluation of rock brittleness and its application: a review
study”. European Journal of Environmental and Civil
Engineering, 2019.
https://doi.org/10.1080/19648189.2019.1655485.
[11] Altındağ R, Güney A. “Predicting the relationships
between brittleness and mechanical properties (UCS, TS
and SH) of rocks”. Scientific Research and Essays,
5(16), 2107-2118, 2010.
[12] Yagiz S, Gokceoglu C. “Application of fuzzy inference
system and nonlinear regression models for predicting
rock brittleness”. Expert Systems with Applications,
37(3), 2265-2272, 2010.
[13] Yagiz S, Karahan H. “Application of various optimization
techniques and comparison of their performances for
predicting TBM penetration rate in rock mass”.
International Journal of Rock Mechanics and Mining
Sciences, 80, 308-315, 2015.
[14] Tarasov B, Potvin Y. “Universal criteria for rock brittleness
estimation under triaxial compression”. International
Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,
59, 57-69, 2013.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 27(3), 442-449, 2021
D. Akbay, G. Ekincioğlu, R. Altındağ, N. Sengün
449
[15] Meng F, Zhou H, Zhang C, Xu R, Lu J. “Evaluation
methodology of brittleness of rock based on post-peak
stressestrain curves”. Rock Mechanics and Rock
Engineering, 48(5), 1787-1805, 2015.
[16] Hucka V, Das B. “Brittleness determination of rocks by
different methods”. International Journal of Rock
Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,
11(10), 389-92, 1974.
[17] Altindag R. “The evaluation of rock brittleness concept on
rotary blast hole drills”. Journal of the South African
Institute of Mining and Metallurgy, 102(1), 61-66, 2002.
[18] Yagiz S. “A model for prediction of tunnel boring machine
performance. Substructures and underground space.
Engineering geology for tomorrow’s cities”. The 10th
International Association of Engineering Geologists
Congress, Nottingham, United Kingdom, 6-10 September
2006.
[19] Kaunda RB, Asbury B. “Prediction of rock brittleness using
nondestructive methods for hard rock tunneling”. Journal
of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,
8(4), 533-540, 2016.
[20] Altindag R. “Assessment of some brittleness indices in
rock-drilling efficiency”. Rock Mechanics and Rock
Engineering, 43(3), 361-370, 2010.
[21] Bishop AW. “Progressive failure with special reference to
the mechanism causing it”. Proceedings of the Geotechnical
Conference, Oslo, Norway, 19-22 September 1961.
[22] Altindag R. “Reply to H.G. Denkhaus ‘Brittleness and
drillability’ in the Journal of Alloys and Compounds”.
Journal of Alloys and Compounds, 40, 675-678, 2003.
[23] Sehgal J, Nakao Y, Takahashi H, Ito S. “Brittleness of glasses
by indentation”. Journal of Materials Science Letters,
14(3), 167-169, 1995.
[24] Çelik MY, Yeşilkaya L, Ersoy M, Turgut T. “Karbonat
kökenlı̇ doğaltaşlarda tane boyu ı̇le knoop sertlı̇k değerı̇
arasindaki ı̇lı̇şkı̇nı̇n ı̇ncelenmesı̇”. Madencilik,
50(2), 29-40, 2011.
[25] ISRM. “Suggested Methods for Determining Hardness and
Abrasiveness of rocks”. International Journal of Rock
Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,
15(3), 89-97, 1978.
[26] Çelik SF, Çobanoğlu, İ. “Comparative investigation of
Shore, Schmidt, and Leeb hardness tests in the
characterization of rock materials”. Environmental Earth
Sciences, 78(554), 1-16, 2019.
[27] Su O, Momayez M. “Kayaçların Equotip sertlik indeksi ile
mekanik özellikleri ve delinebilirliği arasındaki ilişkiler”.
Dokuz Eylül Üniversitesi-Mühendislik Fakültesi Fen ve
Mühendislik Dergisi, 19(56), 519-531, 2017.
[28] Protodyakonov MM. “Mechanical properties and
drillability of rocks”. Proceedings of the Fifth Symposium
Rock Mechanics, Minnesota, USA, 5 May 1963.
[29] George EA. Brittle Failure of Rock Materials: Test Results
and Constitutive Models. Rotterdam, Netherlands,
AA Balkema, 1995.
[30] Blindheim OT, Bruland A. “Boreability testing, Norwegian
TBM tunneling 30 years of experience with TBMs in
Norwegian Tunneling”. Norwegian Soil and Rock
Engineering Association, 11, 29-34, 1998.
[31] Yaral O, Soyer E. The effect of mechanical rock properties
and brittleness on drillability. Scientific Research and
Essays, 6(5), 1077-1088, 2011.
[32] McFeat-Smith I. Rock property testing for the assessment
of tunnelling machine performance. Tunnels Tunnelling,
9(2), 29-33, 1977.
[33] Güney A, Altındağ R, Kibici Y. "Mermerlerin anizotropik
karekteristiğinin Shore sertliği üzerine etkisi".
5. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir, Türkiye,
13-14 Mayıs 2004.
[34] International Society for Rock Mechanics. The complete
ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing
and Monitoring: 1974-2006. Editors: Ulusay R and Hudson
JA. Ankara, Turkey, 2007.
[35] Ekincioğlu G, Güney A, Akbay D, Altındağ R. “Dairesel
Testereli Kesme Makinelerinin Saatlik Üretim Miktarının
Mermer Yüzey Sertliğine Bağlı Olarak Yapay Sinir Ağı
(YSA) ve Regresyon Analizleri (RA) ile Tahmin Edilmesi”.
Türkiye 9. Uluslararası Mermer ve Doğaltaş Kongresi ve
Sergisi, Antalya, Türkiye, 13-15 Aralık 2017.
[36] Altindag R, Guney A. "ISRM suggested method for
determining the Shore Hardness value for rock".
International Journal of Rock Mechanics and Mining
Sciences, 43, 19-22, 2006.
[37] Türk Standartları Enstitüsü. “Doğal Taşlar-Deney
Yöntemleri-Tek Eksenli Basinç Dayanimi Tayini”.
Ankara, Türkiye, TS EN 1926, 2013.
