MADENCİLİK dergisi yazı dizin ve özetlerinin yeraldığı veri tabanları / INDEXED in IMM Abstracts, GeoRef, Aluminium Industry Abstracts, Cambridge Scientific Abstracts, PASCAL, Chemical Abstracts, ENCOMPLIT, ENCOMPLİT2, ENERGY, Compendex Abone Koşulları:
Yıllık abone bedeli 100,00 TL'dir.
Subscription
Annual subscription rate is 100,00 TL. All subscription inquries should be made to the correspondence address.
Banka Hesap No:
Türkiye İş Bankası Meşrutiyet Şubesi:
IBAN: TR43 0006 4000 0014 2130 008120 T.C. Ziraat Bankası Kızılay Şubesi:
IBAN: TR19 0001 0006 8539 0090 315001 Posta Çeki Hesap No: 86665
ISSN: 0024-9416
3
By bank transfer to (EURO account) Turkiye Is Bankasi Mesrutiyet Branch, Kizilay - Ankara
Swift Code : ISBKTRISXXX
IBAN- TR190006400000242130784644 By bank transfer to (USD account)
Turkiye Is Bankasi Mesrutiyet Branch, Kizilay - Ankara
Swift Code : ISBKTRISXXX
IBAN- TR860006400000242130774805
Murat YURDAKUL, Hürriyet AKDAŞ
25
Blok Kesicilerle Doğal Taş Kesiminde Elektrik Tüketim Değerleri İçin Model Eğri Önerisi: Gerçek Mermerler ÖrneğiOn the Power Consumption during Natural Stone Cutting Processing by Using Block Cutters: A Model Curve for Marbles Erkan ÖZKAN, Gencay SARIIŞIK,
Sadık CEYLAN
17
Doğal Taş Ocaklarında, Kanal AçmaYönteminde Yeni Bir Uygulama ve Verimlilik Analizi
A New Application of New Channel Opening Method in Natural Stone Quarries and Productivity Analysis
9
A. Emre DURSUN, Niyazi BİLİM,
M. Kemal GÖKAY KESKİ GEOMETRİSİNİN SPESİFİK ENERJİ
DEĞERİ ÜZERİNE OLAN ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Investigation of the Effect of Chisel Tool Geometry on Specific Energy
ANDEZİT KESİM ARTIKLARININ PUZOLANİK ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI
Investigation of Pozzolanic Properties of Andesite Cutting Waste
Hakan CEYLAN, Metin DAVRAZ
MADENCİLİK TMMOB MADEN MÜHENDİSLERİ ODASI DERGİSİ
THE JOURNAL OF THE CHAMBER OF MINING ENGINEERS OF TURKEY
MART CİLT SAYI
MARCH VOLUME NUMBER 2013 52 1
İÇİNDEKİLER / CONTENTS
Madencilik, Cilt 52, Sayı 1, Sayfa 3-8, Mart 2013 Vol.52, No.1, pp 3-8, March 2013
ANDEZİT KESİM ARTIKLARININ PUZOLANİK ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI
Investigation of Pozzolanic Properties of Andesite Cutting Waste
Hakan CEYLAN* Metin DAVRAZ**
ÖZET
Doğal taşların ocaklardan çıkarılması, fabrikalarda kesilmesi ve parlatılması işlemlerinde farklı boyutlarda oldukça fazla miktarda artık açığa çıkmaktadır. Bu artık miktarının genel olarak % 20-30 civarında olduğu bildirilmektedir. Ancak bazen doğal taş bloklarının çatlak, süreksizlik ve kesilebilirlik durumuna göre bu oran % 50-60’lara kadar çıkabilmektedir. Andezit inşaat sektöründe, Türkiye’de ve dünyanın birçok yerinde kaldırım taşı, bordür, merdiven basamağı, denizlik yapımı gibi işlerde uzun sürelerden beri kullanılan doğal taşlardan biridir. Andezitin volkanik kökenli bir kayaç olması ve yüksek oranda SiO2 içermesi nedeniyle, kayacın işlenmesi sırasında açığa çıkan artık tozlar puzolanik özellik gösterebilir. Bu çalışmadan elde edilen bulgulara göre, Isparta Merkez Direkli Köyü civarından çıkarılan andezitlere ait toz artıkların puzolanik özellikler açısından uygun özellikte olduğu belirlenmiştir.
Anahtar kelimeler : Doğal taş, Andezit Toz Atığı, Puzolanlar.
ABSTRACT
A large amount of natural stone waste in different grain sizes is exposed during operations such as extraction from quarries, cutting and polishing in processing plant. The amount of waste is reported to be around 20-30%. However, sometimes this rate can be up to 50-60% depending on cracks, discontinuities and sawability conditions of natural stone blocks. Andesite is one of the natural stones using in Turkey and world for a long time for production of building materials such as paving, curbs, stairs, windowsills in the construction industry. Due to andesite is a volcanic rock and high SiO2 content, its fine powder wastes exposed during stone processing have pozzolonic properties. As a result of this study, powder wastes of andesite extracted from Isparta-Direkli village have suitable properties in point of pozzolonic activity.
Key Words : Natural stone, Andesite Powder Waste, Pozzolans.
* Yrd. Doç. Dr., Süleyman Demirel Üniversitesi, Tek. Bil. Mes. Yük. Okulu, ISPARTA, hakanceylan@sdu.edu.tr
** Doç. Dr., Süleyman Demirel Üniversitesi, Doğal ve End. Yapı Mal. Uygulama ve Arşt. Merkezi, ISPARTA
1.GİRİŞ
Türkiye doğal taş rezerv ve çeşitliliği bakımından dünyada oldukça önemli bir yere sahiptir. Dün- ya doğal taş rezervlerinin %40’ının Türkiye’de olduğu bilinmektedir (Gencel vd., 2012). Türki- ye’de bulunan 250 civarındaki doğal taş türünün 100 kadarının uluslararası pazarda iyi bilindiği ve talep gördüğü tahmin edilmektedir (Karakuş, 2011).
Doğal taşların ocaklardan çıkarılması, fabri- kalarda kesilmesi ve parlatılması işlemlerinde farklı boyutlarda oldukça fazla miktarda artık açığa çıkmaktadır. Doğal taşlar bir hammadde olarak düşünülürse bu proses atıklarının aynı zamanda hammadde kaybı olduğu söylenebilir.
Bu artık miktarının genel olarak % 20-30 civa- rında olduğu bildirilmektedir (Gencel vd., 2012).
Ancak bazen doğal taş bloklarının çatlak, sürek- sizlik ve kesilebilirlik durumuna göre bu oran % 50-60’lara kadar çıkabilmektedir. Bir çalışmada, mermer fabrikalarında işlenen mermerlerin or- talama %30’nun sadece toz artık olarak atıldığı hesaplanmıştır (Yıldız ve Eskikaya, 1995). Do- ğal taş üretim süreçlerinde ortaya çıkan bu artık- ların kullanılabilirliği endüstriyel açıdan kazanç olduğu kadar çevresel açıdan da bir sorunun giderilmesi anlamını taşımaktadır. Bu nedenle doğal taş üretim artıklarının değerlendirilmesi konusunda bulunabilecek alternatifler, doğal taş işletmecilerine ve ülke ekonomisine kaynak sağ- layacağı gibi sektörün çevre kirletici özelliğini de tamamen ortadan kaldıracaktır (Ceylan, 2000).
Andezit magmatik kökenli bir doğal taştır. İnşaat sektöründe, Türkiye’de ve dünyanın birçok ye- rinde kaldırım taşı, bordür, merdiven basamağı, denizlik yapımı gibi işlerde uzun sürelerden beri kullanılmaktadır. Renk olarak gri, koyu gri, siyah, kırmızımsı, kahverengimsi ve pembemsi türleri vardır (Sarıışık vd., 2011). Andezitler, homojen yapıları, solmayan renkleri ve cilasız, silinmiş, çekiçlenmiş veya kaba yontulmuş yüzey biçim- leri ile son yıllarda yurt içi ve yurt dışı doğal taş endüstrisinde tercih nedeni olmaktadır. Özellikle tarihi dokuyu anımsatan tarzı, pastel ve dingin renklere sahip olması nedeniyle birçok yapı pro- jesinde kaplama taşı olarak kullanımı artmakta- dır (Davraz, 2006).
Çizelge 1’de Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlı- ğı’nın verilerine göre Türkiye’de andezit üretim miktarları verilmektedir. Türkiye’de Ankara, Çan- kırı, Afyon, Uşak, Isparta, Konya gibi illerde an-
dezit üretimi gerçekleştirilmektedir.
Çizelge 1. Yıllara Göre Andezit Üretim Miktarları (Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, 2011)
Yıl Miktar (ton)
2004 81900
2005 517831
2006 2485956
2007 4115184
2008 3307107
2009 1908544
Andezit kimyasal olarak SiO2 (% 56-63), Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O gibi bileşenler içe- rir. Bu bileşenler puzolanik açıdan önem arz et- mektedir. Çünkü puzolanların kimyasal yapıları da benzer bileşenlerden oluşmaktadır.
1.1. Puzolanlar
Günümüzde dünyada inşaat sektöründe bağla- yıcı olarak en fazla kullanılan malzeme çimento- dur. Ancak çimento belli süreçlerin uygulanma- sı sonucu elde edilebilen bir üründür. Çimento üretim sürecinde özellikle öğütme ve pişirme aşamalarında büyük oranda enerji tüketimi söz konusudur. Ayrıca sektörün kirletici vasfı oldukça yüksektir. Bu nedenle çimento üretiminde mali- yeti azaltıcı veya çimentoya alternatif olabilecek ekonomik ürünlerin geliştirilmesi önem arz et- mektedir.
Dünyada çok eskilerden günümüze kadar belli şartlarda bağlayıcılık özelliği gösterdiği bilinen ve puzolan olarak adlandırılan değişik malze- meler kullanılagelmiştir. ASTM C 618’e göre puzolanlar, tek başlarına bağlayıcılık özelliği göstermeyen veya çok az gösteren, çok ince öğütüldüklerinde sulu ortamda Ca(OH)2 ile etki- leşime girerek bağlayıcılık özelliği gösteren sili- kalı ve alüminalı malzemeler olarak tanımlanır- lar (ASTM, 1994). Puzolanın bileşenindeki aktif amorf silikanın Ca(OH)2 ile reaksiyona girebilme yeteneği de puzolanik aktivite olarak tanımlan- maktadır (Kılıçkale, 1996).
Puzolanlar elde edilişlerine göre, doğal ve yapay olmak üzere iki gruba ayrılırlar. En çok bilinen doğal puzolan türleri, volkanik tüf, tras, diyato- mit, vermikülit, pişmiş kil ve pomzadır. Yapay pu- zolanlar ise, çeşitli sanayi artığı malzemelerden veya bazı doğal maddelerin ısıl işleme maruz bırakılmaları sonucu elde edilen malzemelerden oluşurlar. Uçucu kül, granüle yüksek fırın cürufu,
silis dumanı, pirinç kabuğu külü, fırın klinkeri ise en çok bilinen yapay puzolan türleridir (Erçıkdı vd., 2008).
Puzolanların yeterli bağlayıcılığı gösterebilmesi için belli özelliklere sahip olması istenir:
-İçerdiği silika ve alümina oranı yeterli (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ≥ % 70) olmalı,
-Amorf yapıda olmalı,
-Doğal haliyle veya öğütüldüğünde en az çimen- to kadar ince olmalıdır.
Puzolanlar hem doğrudan çimento üretiminde hem de betonda mineral katkı maddesi olarak kullanılırlar.
Beton üretiminde puzolanların kullanımı, işlene- bilirliği artırma, terlemeyi ve segregasyonu azalt- ma, hidratasyon ısısını düşürme, su geçirgenliği- ni azaltma, alkali agrega reaksiyonunu azaltma, sülfat hücumlarına karşı dayanıklılığı artırma, nihai basınç dayanımını artırma ve ekonomik- lik sağlama gibi birçok fayda sağlar (Erdoğan, 2007).
Puzolanlar esas bileşen olarak SiO2 içerirler. An- dezitin volkanik kökenli bir kayaç olması ve esas bileşen olarak SiO2 içermesi nedeniyle kayacın işlenmesi sırasında çıkan ince artık tozların pu- zolanik özellik gösterebilmesi mümkündür. Bu nedenle, yapılan çalışmada andezit toz artıkla- rının puzolanik özelliklerinin araştırılması amaç- lanmıştır.
2. MATERYAL VE YÖNTEM
Çalışmada andezit artık tozlarının puzolanik özelliklerini belirlemek amacıyla alınan numune- lerin SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, reaktif SiO2, SO3, K2O, Na2O, MgO, Cl- yüzdeleri, özgül yüzey alanları ve aktivite endeks değerleri belirlenmiştir. Daha sonra bulgular en çok bilinen ve kullanılan tras, uçucu kül gibi puzolanların standartlarda belirle- nen değerleri ile kıyaslanmıştır. Bu amaçla an- dezit artık tozlarının puzolanik özellikleri, TS 25 (TSE, 2008), TS EN 450 (TSE, 2008) ve ASTM C 618-12 (ASTM, 1994) standartlarında belirle- nen parametrelere göre irdelenmiştir.
2.1. Andezit Toz Atıkları
Isparta Merkez Yazısöğüt Köyü civarında Isparta Belediyesi iktisadi işletmesi olan ISTEM Ltd. Şti.
tarafından işletilen Doğal Taş Fabrikası’nda ço- ğunlukla Isparta Merkez Direkli Köyü, bazen de Isparta Gönen İlçesi sınırları civarındaki ocaklar-
dan üretilen andezit taşları işlenmektedir.
Andezit blokların kesilmesi ve diğer işlemler sı- rasında artık tozlar oluşmaktadır. Kesim işlemi su ile yapıldığı için fabrikadan çıkan artıklar sulu artık şeklinde çıkmakta ve artıklar işletme çevre- sindeki artık havuzlarında toplanmaktadır. Bura- da açık havada güneş ve hava koşullarının et- kisiyle bir miktar suyunu kaybetmektedir. Havuz dibine çöken toz artıklar havuzu doldurduğun- da ekskavatör ile kazılarak alınmakta ve açıkta ayrı bir alanda stoklanmaktadır. Tesisin andezit toz artık miktarı yaklaşık 15 ton/gün olarak tah- min edilmektedir. Bu artıklar tesis çevresinde depolandığı için zamanla büyük artık yığınları oluşmaktadır. Tesis açısından bu miktardaki bir artık kütlesinin bertaraf edilmesi çok zor olmak- tadır. Tesiste attıkların değerlendirilmesi ile ilgi- li herhangi bir çalışma da yapılmamaktadır. Bu nedenle artıklar gün geçtikçe artmakta ve artık dağları oluşmaktadır. Bu durum çevre açısından ciddi olumsuzluklara neden olmaktadır.
3. BULGULAR
Bu çalışma kapsamında fabrika artık sahasın- dan alınan andezit toz numuneleri puzolanik ak- tivite açısından analiz edilmiştir. Artık sahasında alınan numunelerin ilk olarak nem oranı belirlen- miştir. Üzerinde çalışılan numunelerde yaklaşık
%12 oranında nem tespit edilmiştir.
Daha sonra andezit toz artıklarının boyut dağılı- mını belirleyebilmek için elek analizi yapılmıştır.
Andezit tozlarının kimyasal analiz sonuçları Çi- zelge 2’de, elek analizi değerleri ise Çizelge 3’de verilmiştir.
Çizelge 2. Andezit Toz Artıklarının Kimyasal Ana- liz Sonuçları
Kimyasal Bileşen Oranı (%)
SiO2 56.45
Al2O3 18.41
Fe2O3 5.61
MgO 1.78
CaO 5.22
Na2O 3.85
K2O 5.73
TiO2 0.52
SO3 0.16
Kızdırma Kaybı 2.37
Çizelge 3. Andezit Toz Artıklarının Elek Analiz Değerleri
Elek Açıklığı
(mm)
Elek Üstünde Kalan (g)
Elek Üstünde
Kalan Yığışımlı (g)
Elek Üstünde Kalan Yığışımlı (%)
Elekten Geçen
(%)
1 0 0 0 100
0.5 57 57 5.77 94.23
0.25 15 72 7.29 92.71
0.15 4 76 7.70 92.30
0.063 99 175 17.73 82.27
<0.063 812 987 100 0
3.1. Andezit Toz Atıklarının Puzolanik Özellikleri
Isparta’da Merkez Direkli Köyü civarında ve Gö- nen İlçesi’nde olmak üzere iki ayrı sahada andezit yatakları mevcuttur. Her iki andezit türü de TS 25, TS EN 450 ve ASTM C618-12 standartlarına göre puzolanik özellikleri açısından irdelenmiştir. Ana- lizler, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği AR-GE Laboratuarlarında yaptırılmıştır. Direkli andezi- ti toz artığının puzolanik özellikleri Çizelge 4’de tras standardına göre, Çizelge 5’de ise uçucu kül standartlarına göre kıyaslamalı olarak verilmek- tedir. Aynı şekilde Gönen andeziti toz artıklarının puzolanik özellikleri Çizelge 6’da tras standardına
göre, Çizelge 7’de ise uçucu kül standartlarına göre kıyaslamalı olarak verilmektedir.
Çizelge 4. Direkli Andeziti Toz Artıklarının Puzo- lanik Özelliklerinin Tras Standardına Göre İrde- lenmesi
Özellik Direkli Andeziti
Toz Artığı TS 25 Limit Değer SiO2 + Al2O3 +
Fe2O3 (%) 80.16 ³ 70
Reaktif SiO2 (%) 23.31 ³ 25
SO3 (%) 0.19 ≤ 3
K2O (%) 2.90 -
Na2O (%) 4.45 -
MgO (%) 1.62 -
Cl- (%) 0.0113 -
Kızdırma Kaybı (%) 3.38 -
45 µ elek üstü (%) 48 -
Özgül Ağırlık g/cm3 2.66 -
Özgül Yüzey cm2/g 5790 ³ 4000 ± % 25 7 Günlük
Basınç
Dayanımı MPa 8.5 ³ 4
28 Gün. Aktivite
Endeksi (%) 76.5 ³75
90 Gün. Aktivite
Endeksi (%) 79.3 ³85
Özellik Direkli
Andezit TS EN450 TS EN 197-1 ASTM C618-12
F Sınıfı C sınıfı
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 (%) 80.16 ³ 70 - - ³ 70 ³ 50
Reaktif SiO2 (%) 23.31 ³ 25 ³ 25 ³ 25 - -
SO3 (%) 0.19 ≤ 3.0 - ≤ 5.0 ≤ 5.0
K2O (%) 2.90
≤ 5.0[1] - - ≤ 1.5[1] ≤ 1.5[1]
Na2O (%) 4.45
MgO (%) 1.62 ≤ 4.0 - - - -
Cl- (%) 0.0113 ≤ 0.1 - - - -
Serbest CaO (%) 0 ≤ 2.5 - -
Kızdırma Kaybı (%) 3.38 ≤ 5 - 9 ≤ 5.0 ≤ 5.0 ≤ 6 ≤ 6
45 µ elek üstü (%) 48 ≤ 40 - - ≤ 34 ≤ 34
Özgül Ağırlık g/cm3 2.66 - - - - -
Özgül Yüzey cm2/g 5790 - - - - -
7 Gün. Basınç Dayanımı MPa 8.5 - - - - -
28 Gün. Aktivite Endeksi (%) 76.5 ³ 75 - - ³ 75 ³ 75
90 Gün. Aktivite Endeksi (%) 79.3 ³ 85 - - - -
[1] Eşdeğer alkali madde içeriği (KO + 0.658 NaO)
Çizelge 5. Direkli Andeziti Toz Artıklarının Puzolanik Özelliklerinin Uçucu Kül Standartlarına Göre İrdelenmesi
Özellik Gönen Andeziti Toz Artığı TS 25 Limit Değer
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 (%) 89.78 ³ 70
Reaktif SiO2 (%) 11.49 ³ 25
SO3 (%) 0.18 ≤. 3
K2O (%) 2.75 -
Na2O (%) 4.25 -
MgO (%) 0.19 -
Cl- (%) 0.0043 -
Kızdırma Kaybı (%) 1.09 -
45 µ elek üstü (%) 50 -
Özgül Ağırlık g/cm3 2.65 -
Özgül Yüzey cm2/g 5700 ³ 4000 ± % 25
7 Günlük Basınç Dayanımı MPa 1.4 ³ 4
28 Günlük Aktivite Endeksi (%) 71.5 ³75
90 Günlük Aktivite Endeksi (%) 71.6 ³85
Çizelge 6. Gönen Andeziti Toz Artıklarının Puzolanik Özelliklerinin Tras Standardına Göre İrdelenmesi
Çizelge 7. Gönen Andeziti Toz Artıklarının Puzolanik Özelliklerinin Uçucu Kül Standartlarına Göre İr- delenmesi
Özellik Gönen Andeziti Toz
Artığı
TS EN450 F Sınıfı C sınıfı
ASTM C618-12
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 (%) 89.78 ³ 70 ³ 70 ³ 50
Reaktif SiO2 (%) 11.49 ³ 25 - -
SO3 (%) 0.18 ≤. 3 5 5
K2O (%) 2.75 - - -
Na2O (%) 4.25 ≤ 5 ≤. 1.5 ≤. 1.5
MgO (%) 0.19 ≤ 4 - -
Cl- (%) 0.0043 ≤. 0,1 - -
Kızdırma Kaybı (%) 1.09 ≤. 5 - 9 ≤. 6 ≤. 6
45 µ elek üstü (%) 50 ≤. 40 ≤. 34 ≤. 34
Özgül Ağırlık g/cm3 2.65 - - -
Özgül Yüzey cm2/g 5700 - - -
7 Günlük Basınç Dayanımı MPa 1.4 - - -
28 Günlük Aktivite Endeksi (%) 71.5 ³ 75 ³ 75 ³ 75
90 Günlük Aktivite Endeksi (%) 71.6 ³ 85 - -
4. SONUÇ
Direkli andeziti toz artıklarının puzolanik özellik- lerini belirlemek amacıyla yapılan kimyasal, fizik- sel ve mekanik analiz sonuçları tras standardına göre irdelendiğinde, SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 oranı, 7 günlük basınç dayanımı ve 28 günlük aktivi- te endeksi değerlerinin limit değerleri sağladığı görülmektedir. Reaktif silika oranı ve 90 günlük aktivite endeksi değerleri ise limit değerlerin al- tında olmakla birlikte yakın değerler olduğu söy- lenebilir. Analiz sonuçları TS EN 450 ve ASTM C 618-12 uçucu kül standartlarına göre irdelen- diğinde ise belirtilen tüm özelliklere göre limit değerlere uygun olduğu ve tipik bir uçucu külde aranan özellikleri sağladığı görülmektedir. Direkli andezit toz artıklarının SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ora- nının % 70’den yüksek olması nedeniyle ASTM C 618-12 standardına göre, F sınıfı uçucu kül özelliğinde olduğu belirlenmiştir.
Direkli andeziti toz artıklarının tras ve uçucu kül standartlarında puzolanik özellik açısından belir- tilen temel parametreleri sağladığı görülmekte- dir. Bu nedenle çimentoda ve/veya betonda mi- neral katkı olarak denenmesinin uygun olacağı düşünülmektedir.
Aynı şekilde Gönen andeziti toz artığının puzola- nik özellikleri, Çizelge 6’da tras standardına göre, Çizelge 7’de ise uçucu kül standartlarına göre kı- yaslamalı olarak verilmiştir. Analiz sonuçları TS EN 450 ve ASTM C 618-12 uçucu kül standart- larına göre irdelendiğinde andezit toz artıklarının SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 oranının % 70’den yüksek ancak 7 günlük basınç dayanımı ve 28, 90 gün- lük aktivite endeksi değerlerinin limit değerleri sağlamadığı görülmektedir. Bu nedenle Gönen andeziti toz artıklarının tras ve uçucu kül stan- dartlarında puzolanik özellik açısından belirtilen temel parametreleri sağlamadığı söylenebilir.
Andezit toz artıklarının puzolanik özelliklerinin belirlenmesini amaçlayan bu çalışmadan sonra çimento ve/veya betonda mineral katkı olarak kullanımı ile ilgili deneysel araştırmaların yapıl- ması uygun olacaktır.
TEŞEKKÜR
Bu çalışmayı destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordi- nasyon Birimine teşekkür ederiz.
KAYNAKLAR
ASTM 618-12, 1994. Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, Annual Book of ASTM Standards, Pennsylvania, USA.
Ceylan, H., 2000, Mermer Fabrikalarındaki Mermer Toz Atıklarının Ekonomik Olarak Değerlendirilmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi (Yayınlanmamış), 53 s., Isparta.
Davraz, M., Gündüz, L., 2006. Isparta-Direkli Köyü Mevkii Trakiandezit Taşının Beton Agregası Olarak Değerlendirilmesi, IV. Ulusal Kırmataş Sempozyumu, 2-4 Aralık İstanbul.
Erçıkdı, B., Cihangir, F., Kesimal, A., Deveci, H., Alp, İ., 2008. Doğal Puzolan Özelliklerinin Macun Dolgunun Dayanım ve Duraylılığına Etkisi, Yerbilimleri, 29 (1), s. 25-35.
Erdoğan, S., T., Erdoğan, T., Y., 2007. Puzolanik Mineral Katkılar ve Tarihi Geçmişleri, 2. Yapılarda Kimyasal Katılar Sempozyumu Bildiriler Kitabı, s. 263- 274, Ankara.
ETKB, 2011. Mermer, Türkiye Doğal Taş Üretim De- ğerleri, Güncelleme, 31.01.2011, Erişim, 23.12.2012.
http://www.enerji.gov.tr/index.php?dil=tr&sf=webpa- ges&b=mermer&bn=230&hn=230&nm=390&id=395 Gencel, O., Özel, C., Köksal, F., Erdoğmuş, E., Barrera, G. M., Brostow, W., 2012. Properties of Concrete Paving Blocks Made With Waste Marble, Journal of Cleaner Production, 21(2012), s. 62-70.
Karakuş, A., 2011. Investigating on Possible Use of Diyarbakır Basalt Waste in Stone Mastic Asphalt, Construction and Bulding Materials, 25 (2011), s.
3502-3507.
Kılıçkale, F., M., 1996. Çeşitli Puzolanların Puzolanik Aktivitesi ve Bu Puzolanlarla Üretilen Harçların Dayanımı, İMO Teknik Dergi, Yazı 91, s. 1217-1229.
Sarıışık A., Sarıışık G., Şentürk, A., 2011. Applications of Glaze and Decor on Dimensioned Andesites Used in Construction Sector, Construction and Bulding Materials, 25 (2011), s. 3694-3702.
TS 25, 2008. Doğal Puzolan (tras)-Çimento ve Betonda Kullanılan-Tarifler, Gerekler ve Uygunluk Kriterleri, Türk Standartları Enstitüsü, 14 s., Ankara.
TS EN 450, 2008. Uçucu Kül- Betonda Kullanılan-Tarif, Özellikler ve Uygunluk Kriterleri, Türk Standartları Enstitüsü, 32 s., Ankara.
Yıldız, Ö., Eskikaya, Ş., 1995., Afyon Mermeri Toz Atıklarının Değerlendirilmesi, Türkiye 1. Mermer Sempozyumu Bildiriler Kitabı, s. 45-52, Afyon.
Madencilik, Cilt 52, Sayı 1, Sayfa 9-16, Mart 2013 Vol.52, No.1, pp 9-16, March 2013
KESKİ GEOMETRİSİNİN SPESİFİK ENERJİ DEĞERİ ÜZERİNE OLAN ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Investigation of the Effect of Chisel Tool Geometry on Specific Energy
A. Emre DURSUN* Niyazi BİLİM**
M. Kemal GÖKAY***
ÖZET
Spesifik enerji birim hacim kayayı kesmek için gereken enerji miktarı olarak tanımlanmaktadır. Spesifik enerji değeri, mekanize kazı makinelerinin verimliliğinin tahmin edilmesinde kullanılan en geçerli metotlardan biridir. Bu değer laboratuarda küçük veya tam boyutlu kazı setleri kullanılarak kaya kesme deneyleri ile elde edilmektedir. Daha verimli ve ekonomik bir kazı performansı için kama tip keskilerin geometrisi çok önemlidir. Bu nedenle hem keskinin mekanik dayanımını azaltmayacak hem de kesme esnasında spesifik enerjinin makul seviyede tutulabildiği bir keski geometrisinin belirlenmesi önemlidir.
Bu çalışmada Konya ve civarından temin edilen 7 farklı doğal taş numunesi üzerinde çeşitli kesme koşullarında (kesme derinliği, kesme açısı, temizleme açısı vs.) 0°, 15°, 30°, 45° yanal açıları olan kama tipi keskiler kullanılarak kesme deneyleri yapılmış ve numunelerin kazılabilirlik özellikleri belirlenmiştir.
Bu çalışmada kesme ve temizleme açıları sabit tutularak yanal açıların kesme performansına olan etkileri araştırılarak optimum kesme geometrisi belirlenmeye çalışılmıştır. Bu çalışma sonucunda keski geometrisinin spesifik enerji üzerine olan etkisi ve bu sonuçların bazı kazı makinelerinin performans tahmininde kullanılabilirliği araştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Spesifik enerji, Yanal açı, Doğrusal Kaya Kesme, Yük hücresi, Kama Keski
ABSTRACT
Specific energy is defined as the amount of energy required to cut a unit volume of rock. Specific energy value is one of the most popular method in order to predict the efficiency of mechanical excavators.
This value can be derived from small and full-scale laboratory rock cutting experiments. Chisel tool geometry is very important for more effective and economical excavation performance. For this reason it is important to determine chisel tool geometry not only reducing mechanical strength of tool but also keeping the specific energy in a suitable level during the cutting. In this study linear rock cutting tests were performed on seven different natural stone samples obtained from near Konya using cutting tools with 0°, 15°, 30° and 45° sideways angles at different cutting conditions (depth of cut, rake angle, clearence angle etc.) and cuttability properties of the samples were determined. In this study, we attemped to determine the optimum cutting geometry by investigating effect of sideways angles on cutting performance keeping constant rake and clearence angles. As a results of this study effect of chisel tool geometry on specific energy and usability of the experimental results for performance prediction of some excavation machines were investigated.
Keywords: Specific Energy, Sideways Angle, Linear Rock Cutting, Load Cell, Chisel Tool
* Arş. Grv., Selçuk Üniversitesi, Müh. Fak. Maden Müh. Bölümü, KONYA, aedursun@hotmail.com,
** Doç. Dr., Selçuk Üniversitesi, Müh. Fak. Maden Müh. Bölümü, KONYA
*** Prof. Dr., Selçuk Üniversitesi, Müh. Fak. Maden Müh. Bölümü, KONYA
1. GİRİŞ
Son yıllarda ülkemizde hem doğal taş sektörün- deki teknolojik gelişmeler hem de inşaat sektö- ründe metro, karayolu ve su tüneli, yer altı de- posu gibi uygulamaların hızla artması mekanize kazı sistemlerinin kullanılmasını zorunlu hale getirmektedir. Bu nedenle mekanize kazı sistem- lerinde kazı performansının güvenli bir şekilde kestirimi çok önemlidir. Kazı performansının kes- tirimi; teknik, ekonomik olarak uygulanabilirliğin ve kazı hızlarının kestirimi olarak tanımlanabilir ve kazı işlerinin ekonomikliğini hayati derecede etkilemektedir. Bu da mekanize kazı sistemle- rinde kullanılacak makinenin seçiminin kayaç özelliklerine uygun olarak yapılmasını ve bu tür makinelerin verimli çalışmasını sağlamakta ve mekanize kazıyı diğer kazı sistemlerine göre daha avantajlı duruma getirmektedir.
Makine ile kazı kayacın çeşitli keskilerle parça- lanması esasına dayanmaktadır. Kazı işinin me- kaniğini anlamak için çok çeşitli teorik, deneysel ve empirik performans modelleme çalışmaları yapılmıştır. Bir kesici uç ile kaya arasındaki et- kileşimi inceleyen teorik ve deneysel çalışmalar mevcuttur. Bu çalışmalarda kayaların mekanik bir uçla kırılması mekanizmasının araştırılması- na yönelik olmuştur.
Kazı mekaniğinde yapılan deneysel çalışmalar ve empirik modelleme çalışmaları birçok araş- tırmacı tarafından çalışılmıştır. Bu deneysel ça- lışmalar sonucunda teorik çalışmalar desteklen- miş ve kazı mekaniğinin temel esasları ortaya konmuştur (Fowell, Smith 1976; Smith, Fowell 1977; Roxborough,1973; Bilgin ve ark., 1988, 1990, 1996, 1997; Çopur vd. 2001). Bu çalış- malar sonucunda keski tasarım parametrelerinin kesme performansına olan etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Çeşitli kazı makinelerinin kazı hız- larının ve keski aşınmalarının tahminine yönelik olarak istatistiksel modeller geliştirilmiştir.
Spesifik enerji birim hacim kayayı kesmek için ih- tiyaç duyulan enerji miktarı olarak tanımlanır ve birimi MJ/m³ veya kWh/m³ tür. Spesifik enerji de- ğeri, mekanize kazı makinelerinin verimliliğinin tahmin edilmesinde, en geçerli metotlardan biri- dir. Mekanize kazı makinelerinin hızlarının basit ve ucuz yöntemlerle, tahmin edilebilmesi kazı mekaniği bilimi açısından oldukça yeni ve önem- lidir. Doğrusal kayaç kesme deneylerinde, birim hacimdeki kayayı kesmek için gereken spesifik enerji değeri gerçeğe yakın bir şekilde bulunabil- mektedir. Bu değer mekanize kazı makinelerinin
kazı miktarı tahmininde ve performans analizle- rinde kullanılır. Mekanize kazı sistemlerinin seçi- mi ve tasarımı aşamasında, kazılacak olan for- masyonlardan kaya blokları alınmakta ve labora- tuvarda doğrusal kazı setinde kesme deneyleri- ne tabi tutulmaktadır (Fowell, Smith 1976; Smith, Fowell 1977; Roxborough,1973; Bilgin ve ark., 1988,1990,1996,1997; Çopur vd. 2001). Spesifik enerji üzerine yapılan bu araştırmalarda genelde spesifik enerji değeri laboratuvar kesme deney- leri ile belirlenmekte ve bu değer özellikle kollu galeri açma makinelerinin performans tahminin- de kullanılmaktadır. Bu alanda bilinen ilk çalış- malardan McFeat-Smith ve Fowell (1976,1977), Bilgin ve ark. (1988, 1990, 1996,1997)’ nın mo- delleri, en iyi bilinen deneysel tahmin modelleri- dir. Bu çalışmalarda spesifik enerji değeri ile orta ve ağır ağırlıktaki galeri açma makinelerinin kazı hızı arasında yakın bir ilişkinin olduğu görülmüş- tür. McFeat-Smith ve Fowell (1977)’ ın çok çe- şitli sedimanter kayaçlar kullanarak geliştirdikleri model, kayaçların mekanik aletlerle kesilebilirlik özelliklerinin; dokusal, bileşimsel ve mühendislik özellikleri ile ilişkisinin belirlenmesi amacıyla en sık kullanılan modellerden biridir.
Bilgin ve Shariar (1988)’ de yaptıkları bir çalış- mada madenlerde mekanize kazı için bir planya tezgâhı ve ölçme sisteminden oluşan bir kazı seti oluşturarak Amasra karbonifer havzasında karot ve blok numuneleri üzerinde kesme de- neyleri ile fiziksel ve mekanik deneyler yapmış- lardır. Kesme deneyleri sonucunda formasyonu kendi aralarında kazılabilirlik özelliğine göre sı- nıflandırmışlardır. Daha sonra bu formasyonlar için en uygun mekanize kazı sistemlerini tavsiye etmişlerdir.
Çopur vd. (2007) çeşitli doğal taş numuneleri üzerinde farklı yanal açılara sahip kama tipi keski kullanarak doğrusal kesme deneyleri yapmıştır.
Deney sonucunda keskilere gelen kuvvetler ve birim hacimdeki kayayı kesmek için gereken spesifik enerji değerleri elde edilmiştir. Çalışma sonucunda yanal açıların kuvvetler ve spesifik enerji değeri üzerine olan etkisini ve zincir kollu kesme makinaları ile kesme işlemini determinis- tik olarak simule etmek amacıyla bir seri doğru- sal kesme deneyleri yapmıştır.
Çopur (2009) doğal taş numuneleri üzerinde doğrusal kesme deney seti kullanarak kesme deneyleri yapmıştır. Bu çalışmada numuneler doğrusal kesme setinde chisel tip (kama tip) keski kullanılarak farklı yanal açı ( 0º, 15º, 30º, 45º), kesme derinliği ve keskiler arası mesafeler-
de kesme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalış- mada kayaçların kesilebilirliği, zincir kollu kesme makinesinin kesme karakteristiği, simetrik ve si- metrik olmayan yanal açıların ve farklı kesme mo- dellerinin kesme performansına etkilerini araştırıl- mıştır. Sonuç olarak zincir kollu kesme makine- sinin performans tahmini; doğrusal kayaç kesme deneylerinin sonuçları ve kinematiğin kanunları kullanılarak tahmin edilmiştir. Deneysel çalışma- ların sonuçları ve yerinde araştırmalar zincir kollu kesme makinelerinin kesme işlemlerinin doğru- salkesme deneyleri ile temsili olarak başarılı bir şekilde belirlenebileceğini göstermiştir.
İTÜ mekanizasyon laboratuvarında mevcut kü- çük boyutlu kesme seti kullanılarak yapılan kes- me deneylerinde çeşitli doğal taş ocaklarından alınan blok mermer numuneleri üzerinde kazıla- bilirliği belirlemek ve zincir ile kesme işlemini si- müle etmek amacıyla laboratuvarda bir seri kes- me deneyleri yapılmıştır. Bu çalışmada köşe kes- me deneyleri üzerine araştırma yaparak, köşe kesme deneyleri sonucunda keskilere gelen kuvvetler ve birim hacimdeki kayayı kesmek için gereken spesifik enerji değerleri belirlenmiştir.
Kesme deneylerinde parametreler kama tipi kes- ki (chisel tip) kullanılmış olup, kesme parametre- leri ise temizleme açısı 5º, kesme açısı -5º, keski genişliği 12,7 mm olarak belirlenmiştir. Sonuçta, küçük boyutlu kazı setinde (planya tezgâhı) doğ- rusal kesme deneyleri yapılarak bir zincir kesme makinesindeki köşe keskiler simüle edilmiştir. Bu çalışmada da yine planya tezgâhı kesme seti ola- rak kullanılmıştır (Çopur ve diğ., 2009).
Çopur (2010) zincir kollu kesme makinesi kulla- nılan çeşitli doğal taş ocaklarında hem ocaklarda hem de laboratuvarda çalışmalar yaparak bu ma- kinelerin performansını araştırmıştır. Bu çalışma- sında çeşitli doğal taş numuneleri kazılabilirliğini belirlemek için doğrusal kesme deneyleri yapmış- tır. Deney sonucunda kayaç özellikleri ile keski performansı keski kuvvetleri arasındaki ilişkiyi be- lirlemiştir. Bu deneylerde yanal açıya sahip kama tipi keskiler kullanarak çeşitli kesme koşullarında kesme deneyleri yapmış ve yanal açıların etkilerini incelemiş ve zincir kollu kesme makinelerinin performans tahmini için modeller oluşturmuştur.
Bu çalışmalarda öncelikle kesme parametreleri belirlenmekte ve bu parametreler göz önünde bulundurularak spesifik enerji değeri hesaplan- maktadır. Kesme parametreleri genelde kesme açısı, yanal açı, kesme derinliği, temizleme açı- sı, keski genişliği, keskiler arası mesafe, kesme hızı gibi parametrelerden oluşmaktadır.
Bu çalışmamızda kesme deneyleri esnasında keski geometrisinin spesifik enerji değeri, kesme kuvveti ve pasa miktarı üzerine olan etkisi ince- lenmiştir. Keski geometrisi belirlenirken yanal açı dışındaki diğer parametreler sabit tutularak yanal açının kazılabilirlik üzerine olan etkisi araştırıl- mıştır. Bunun için mermer, traverten ve tüflerden oluşan 7 çeşit doğal taş numunesi üzerinde doğ- rusal kesme deneyleri yapılarak yanal açının spe- sifik enerji değeri üzerine olan etkisi incelenmiştir.
Böylelikle hem harcanan enerji açısından hem de kazılan pasa miktarı açısından en uygun yanal açı yani keski geometrisi belirlenmeye çalışılmıştır.
2. DOĞRUSAL KESME DENEYLERİ ve SPESİFİK ENERJİ DEĞERİNİN BELİRLENMESİ
2.1. Doğrusal Kesme Deneyleri
Bu çalışmada kesme deneylerinde kullanı- lan kesme deney seti Fowell ve McFeat-Smith (1976), McFeat-Smith ve Fowell (1977) ve Bilgin ve Shariar (1988) tarafından kullanılan makine- nin bir benzeri olan planya tezgâhıdır. Bunun için Klopp marka bir planya tezgâhı modifiye edile- rek yük hücresi, AC tip motor hız kontrol cihazı, akım-gerilim dönüştürücü, enerji analizörü gibi bazı ekipmanlar monte edilmiş ve kesme deney- lerinde kullanılmıştır (Şekil 1).
Şekil 1. Doğrusal kesme deney seti.
Kesme deneyleri Selçuk Üniversitesi Maden Mü- hendisliği bölümü laboratuvarında bulunan doğ- rusal kesme deney setinde gerçekleştirilmiştir.
Bu doğrusal kesme deney seti fonksiyonel ola- rak üç ana kısımdan oluşmaktadır. Ana gövde, hareketli başlık ve hareketli iş tablası (Şekil 1).
Kesme deneyleri esnasında 30x30x10 cm boyu- tundaki kayaç numunesi planyanın iş tablasına yerleştirilerek başlık kısmının git-gel hareketi ile
Kaya numunesi ve sabitleyici Kesme derinliği ayarlama Veri toplama ünitesi
AC tip motor sürücü
Keski tutucu ve yük hücreleri
kayaç numunesi üzerine oluk açmakta böylece kesme işlemi gerçekleştirilmektedir. Deneylerde planya makinesinin tablasına yerleştirilen kayaç numunesi aşağı-yukarı ve sağa-sola hareket et- tirilerek kesme derinliği ve keskiler arası mesafe gibi parametrelerde incelenebilmektedir.
Kesme deneylerinde keskiler tungsten karbürden yapılmış kama tip keskilerdir. Şekil 2’de kama tip bir keskiye ait tasarım parametreleri (keski geometrisi) verilmiştir. Keski geometrisinin kazı performansını etkilediği bilinmektedir. Keski ge- ometrisi üzerine yapılan çalışmalar genelde kes- me açısı, temizleme açısı, keski genişliği üzeri- ne yoğunlaşmıştır. Yanal açılar üzerine yapılan çalışmalar azınlıktadır. Bu sebeple bu çalışmada yanal açıların kesme performansı üzerine olan etkilerinin araştırılması planlanmıştır. Şekil 3’de görüldüğü gibi her bir keskiye farklı yanal açı (0°, 15°, 30°, 45°) verilmiştir. Kesme deneyleri esnasında bazı kesme parametreleri belirlene- rek yanal açılar dışında diğer parametreler sabit tutulmuştur. Bu parametreler; kesme açısı -5°, temizleme açısı 5°, kesme derinliği 2 mm, keski genişliği 12 mm, kesme hızı ~36 cm/sn, keski- ler arası mesafe yardımsız ve veri toplama hızı 1000 Hz olarak belirlenmiştir.
Yanal açısı olmayan (0° yanal açı) keski, kollu galeri açma makinelerinin performans tahminleri için kullanılan standart keskidir. Kesme deneyle- ri esnasında keski 750 kg kapasiteli yük hücresi üzerinde bulunan keski tutucuya, blok şeklindeki kayaç numuneleri iş tablasına sıkıştırma paletleri ile sıkıca sabitlenerek ayarlanır. Daha sonra kes- me derinliği, keskiler arası mesafe, kesme hızı gibi parametreler ayarlandıktan sonra numune kesim için hazır hale getirilmektedir. Yük hücreleri veri ölçer hale getirildikten sonra ilk kesim yapı- larak veri toplama kartı ve MATLAB yazılım programı yardımıyla kuvvet verileri kayıt edilir.
Şekil 2. Kama tip keskiye ait keski geometrisi (Fowell 1993).
Şekil 3. Deneylerde kullanılan keskiler.
2.2. Spesifik Enerji Değerinin Belirlenmesi Spesifik enerji birim hacimdeki kayayı kesmek için harcanan enerji olarak tanımlanır ve kazı/
kesme sistemlerinin performanslarını hesapla- mak, kıyaslamak ve optimum kesme geometrisi- ni belirlemek için kullanılan en önemli paramet- relerden biridir. Spesifik enerji aşağıdaki Eşitlik 1’den hesaplanır (Roxborough, 1973);
SE=FC/Q (1)
Burada,
SE spesifik enerji (MJ/m3),
FC keskiye etkiyen kesme kuvveti (kN)
Q birim kesme mesafesinde kesilen kayaç hac- mi (m3/km)’ dir.
Bu çalışmada her kayaç numunesi için 3 defa kesme deneyi yapılarak veriler elde edilmiş ve bu 3 deneyin ortalaması alınarak spesifik ener- ji değeri hesaplanmıştır. Kesme deneyi sonrası kaya numunesine ait kesilmiş yüzeye ait fotoğraf Şekil 4’de verilmiştir. Kesme deneyleri sonucun- da elde edilen spesifik enerji değerleri, kesme kuvvetleri ve pasa miktarı Çizelge 1, 2 ve 3’ de verilmiştir.
Şekil 4. Kesilmiş kaya yüzeyi görünüşü.
α: Kesme açısı β: Temizleme açısı d: Kesme derinliği w: Keski genişliği s: Keskiler arası mesafe
Çizelge 1. Yanal Açılara Göre Spesifik Enerji Değerleri
Spesifik Enerji Değerleri (MJ/m3)
Kayaç Adı 0° 15° 30° 45°
Traverten 1 28,38 81,31 79,05 74,22 Traverten 2 26,62 58,20 55,13 48,78 Traverten 3 33,81 93,27 66,12 64,55 Traverten 4 38,03 94,37 66,14 44,63 Traverten 5 43,92 100,14 87,23 85,86
Mermer 64,59 101,48 93,85 86,81
Tüf 7,34 21,15 18,13 14,73
Çizelge 2. Yanal Açılara Göre Kesme Kuvvetleri Kesme Kuvvetleri (kgf)
Kayaç Adı 0° 15° 30° 45°
Traverten1 106,29 75,10 60,30 52,51 Traverten2 122,82 101,80 64,92 56,84 Traverten3 124,40 101,18 76,84 62,09 Traverten4 140,38 116,50 99,23 85,33 Traverten5 155,36 129,49 105,20 83,49 Mermer 149,74 126,38 118,27 96,91
Tüf 24,54 24,28 18,32 14,84
Çizelge 3. Yanal AçIlara Göre Kazılan Pasa Ağırlığı
Kazılan Pasa Ağırlığı (gr)
Kayaç Adı 0° 15° 30° 45°
Traverten 1 23,37 5,74 4,77 4,41
Traverten 2 29,18 11,24 7,57 7,49
Traverten 3 25,42 7,43 7,97 6,65
Traverten 4 29,25 14,37 11,60 9,63
Traverten 5 21,35 7,99 7,04 5,78
Mermer 17,72 9,81 9,87 8,49
Tüf 7,34 5,23 4,27 4,34
2.3. Deneysel Sonuçlar ve Tartışma
Yapılan kesme deneyleri sonucunda her bir kes- ki geometrisi veya yanal açılar (0°, 15°, 30°, 45°) için elde ettiğimiz spesifik enerji değerleri, keski kuvvetleri ve kazılan pasa ağırlığı arasındaki iliş- kiler sırasıyla Şekil 5, 6 ve 7’ de verilmektedir.
Şekil 5’de görüldüğü gibi 2 mm kesme derinli- ğinde, yardımsız (keskilerin birbirini etkilemediği durum) olarak yapılan kesme deneyleri sonu- cunda elde ettiğimiz spesifik enerji değeri en yüksekten en düşüğe doğru 15°, 30°, 45° ve 0°
yanal açılı keskiler ile elde edilmiştir. Bu sıralama beklenen bir sonuçtur, çünkü keskilerin teorik sü- pürme alanı ve keski geometrisi ile ilgilidir (Şekil 8). Bu durum kazı mekaniği açısından beklenen bir eğilimdir. Ayrıca burada keski yanal açısının yanında kayaç sökülme açısının da etkili olduğu söylenebilir.
Şekil 6’de görüldüğü gibi kesme kuvveti, keski geometrisi göz önünde bulundurularak teorik sü- pürme alanına ve keski yanal açısına bağlı ola- rak yüksekten düşüğe doğru 0°, 15°, 30° ve 45°
yanal açılı keskiler ile elde edilmiştir. Aynı durum Şekil 7’de pasa ağırlığı ile yanal açılar arasında da görülmektedir. Burada kazılan pasa miktarı yüksekten düşüğe doğru 0°, 15°, 30° ve 45° ya- nal açılı keskiler ile elde edilmiştir.
Şekil 8’de görülen teorik süpürme alanı göz önünde bulundurulduğunda yanal açılar ile Şekil 5, 6 ve 7’de görülen keski kuvvetleri, spesifik enerji değerleri ve pasa ağırlıkları arasındaki ilişki keskilerin teorik süpürme alanına ve keski geometrisi ile ilgilidir.
Deney sonuçlarına göre kesme kuvvetleri ve spesifik enerji değerlerinin genel olarak kazı me- kaniği prensiplerine uygun olduğu görülmektedir.
Bu durum, küçük boyutlu doğrusal kesme de- neylerinin kollu galeri açma makineleri ve ben- zeri kazı makinelerinin performansının tahmin edilebilmesine olanak sağlamaktadır
Şekil 5. Spesifik enerji değerleri ile yanal açı arasındaki ilişki.
Şekil 6. Kesme kuvvetleri ile yanal açı arasındaki ilişki.
0 20 40 60 80 100 120
0 15 30 45
Yanal Açı (o) Spesifik Enerji (MJ/m3 )
Tra 1 Tra 2 Tra 3 Tra 4 Tra 5 Mermer Tüf
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0 15 30 45
Yanal Açı (o)
Kesme Kuvveti (kgf)
Tra 1 Tra 2 Tra 3 Tra 4 Tra 5 Mermer Tüf
0 5 10 15 20 25 30
0 15 30 45
Yanal Açı (o)
Kazılan Pasa Ağırlığı (gr) Tra 1Tra 2
Tra 3 Tra 4 Tra 5 Mermer Tüf
Şekil 7. Kazılan pasa ağırlığı ile yanal açı arasındaki ilişki.
Şekil 8. Keski geometrisine bağlı keskilerin teorik süpürme alanı (Çopur, 2009).
3. SONUÇLAR
Bu çalışmadan elde edilen sonuçlara göre kes- ki geometrisine bağlı olarak performans tahmini yapılabileceği görülmektedir. Farklı doğal taş nu- muneleri kullanılarak optimum kesme geomet- risi belirlenmeye çalışılmış ve en uygun keski geometrisi ile kazı yapılmasına ön bir çalışma olmuştur.
Sonuçta keski geometrisinin spesifik enerji üze- rine olan etkisi görülmüş ve bu durumun ileride kama tipi keski kullanılan kazı makinelerinin daha verimli kazı yapmalarına bir ön çalışma olacağını göstermiştir. Özellikle kama tipi keski kullanılan kollu galeri açma makineleri gibi kazı makineleri ile doğal taş sektöründe kullanılan zincirli kesme makinelerinin performans tahmi- ninde, makine seçimi, tasarımı ve fizibilite çalış- malarında bu deney sonuçları kullanılabilir.
KAYNAKLAR
Bilgin N, Shahriar K, 1988; “Madenlerde Mekanize Kazı İçin Bir Ölçme Sisteminin Geliştirilmesi ve Amasra Karbonifer Havzasına Uygulanışı”, Türkiye 6.
Kömür Kongresi, s.13-29.
Bilgin N, Seyrek T, Erdinc E, and Shahriar K, 1990;
“Roadheaders clean valuable tips for İstanbul Metro”, Tunnels and Tunneling, Oct., pp. 29-32.
Bilgin N, Yazıcı S, and Eskikaya S, 1996; “A model to predict the performance of roadheaders and impact hammers in tunnel drivages”, Proceedings, Eurock
’96, Balkema, pp. 715-720.
Bilgin N, Kuzu C and Eskikaya S, 1997; “Cutting performance of rock hammers and roadheaders in Istanbul Metro drivages”, Pro. Word Tunnel Congress’97, Tunnels for People, Balkema, pp. 455- 460.
Çopur H, Tunçdemir H, Bilgin N, and Dinçer T, 2001; “Specific energy as a criterion for use of rapid excavation systems in Turkish mines”, Trans. Inst.
Min. Metall.-Section A, Vol. 110, pp. A149-157.
Çopur H, Balcı C, Bilgin, N, Tumaç D, Düzyol İ, 2007; “Doğal taş madenciliğinde kullanılan zincirli kesme makinelerinin performansı”, Türkiye 1. Maden Makinaları Sempozyumu Bildiriler Kitabı, s.37-46, Kütahya.
Çopur H., 2009; “Linear stone cutting tests with chisel tools identification of cutting principles and predicting performance of chain saw machines”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol.47, No 1, January 2010, Pages 104-120.
Çopur H, Balcı C., Tumaç D., Bilgin, N., 2009; “Zincirli kesme makinelerinin performans tahminine yönelik yapılan köşe kesme deneyleri ve yorumu”, Türkiye 2.
Maden Makinaları Sempozyumu Bildiriler Kitabı, s.79- 91, Zonguldak.
Fowell R.J. and McFeat-Smith I., 1976; “Factors influencing the cutting performance of a selective tunnelling machine”, In: Int. Tunnelling ’76 Symp.
London, 1-5 March, pp. 301-318.
Fowell R.J., 1993; ”The mechanics of rock cutting”, Compressive Rock Engineering, ed J.A Hudson, Vol.4, Permagon, pp: 155-176.
Mc Feat-Smith and Fowell R.J., 1977; “Correlation of Rock Properties and the Cutting Performance of Tunnelling Machines”, Proceedings of a Conference on Rock Engineering, CORE-UK, Conference organized jointly by the British Geotechnical Society and Deparment of Mining Engineering, The University of Newcastle upon Tyne, pp: 581-602.
Mc Feat-Smith, 1977; “Rock property testing for the assessment of tunneling machine performance”, Tunnels and Tunneling, pp: 29-33, March.
Mc Feat-Smith and Fowell R.J, 1979; “The Selection and Application of Roadheaders for Rock Tunneling”, Proc 4 th Rapid Excavation and Tunneling Conference Atlanta, pp. 261-279, AIME, Newyork.
Roxborough, F.F., 1973; “Cutting rock with picks”, The Mining Engineer, June, pp. 445-452.
Bu Makale 13 – 15 Aralık 2012 tarihinde Afyonkarahisar’da düzenlenen MERSEM 2012 – 8. Uluslararası Mermer ve Doğaltaş Kongresi’nde bildiri olarak sunulmuştur.
Madencilik, Cilt 52, Sayı 1, Sayfa 17-24, Mart 2013 Vol.52, No.1, pp 17-24, March 2013
DOĞAL TAŞ OCAKLARINDA, KANAL AÇMA YÖNTEMİNDE YENİ BİR UYGULAMA VE VERİMLİLİK ANALİZİ
A New Application of New Channel Opening Method in Natural Stone Quarries and Productivity Analysis
Erkan ÖZKAN*
Gencay SARIIŞIK**
Sadık CEYLAN***
ÖZET
Doğal taş ocaklarında basamak tasarımı ve planlaması amacıyla V (üçgen) ve U (dikdörtgen) şeklinde kanal açma yöntemleri uygulanmaktadır. Ocak aynasının düz ve sürekli olduğu durumlarda yeni bir ba- samağın oluşturulması için V şeklinde kanal açma yöntemi doğal taş ocaklarında yaygın olarak kulla- nılmaktadır. Bu yöntemin en önemli eksikliği üretim kayıplarının yüksek olması, basamak oluşturulması için hazırlık aşamasının uzun sürmesi ve ocak içerisinde ilerleme miktarının kontrol edilememesidir. U şeklinde kanalın açma yöntemi, ocağın topografyası ve jeolojik yapısının uygun olması durumunda, zincirli kollu kesme makinesi ile uygulanabilmektedir. Bununla birlikte, doğal taş ocaklarında doğrudan arka kesim yapabilen elmas tel kesme makinesi ile kombine çalışan kanal açma ekipmanının ilk yatı- rım maliyeti yüksek ve kullanım alanı sınırlıdır. Bu çalışmada elmas tel kesme makinesinin U şeklinde kesim yapabilmesi için yeni geliştirilen delik tasarımı ve bu yöntemin V şeklinde kanal açma yöntemine göre verimlilikleri karşılaştırılmıştır. Bu U kanal açma yöntemi ile üretim kayıpları azalmakta ve % 60 daha az sürede ocak basamaklarının oluşturulması sağlanabilmektedir. Yeni geliştirilen kanal açma yöntemi Bilecik bej ve Eskişehir Süpren doğal taş ocaklarında uygulanmaktadır. Bu ocaklarda blok ve- rimlilikleri V kanal açma yöntemine göre ortalama 3 kat artmış ve aynı miktarda blok üretildiği durumda artık ve moloz miktarı 3,2 kat azalmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kanal Açma, U ve V Şeklinde Kanal, Verimlilik
ABSTRACT
V (triangle) and U (rectangular) channel opening methods have been carried out in natural stone qu- arries for the aim of designing and planning benches. In circumstances where quarry face plain and continuous, in order to form a new bench, V shape channel opening method is widely used in natural stone quarries. The most important shortcomings of this method are high production losses, long pre- paration process to form a bench, and failure in the control of the progress in the quarry. Providing the topography and geological structure of the quarry is appropriate, the U shape channel opening method can be applied with armed chained cutting machines. However, the initial investment cost of the chan- nel opening equipment operated in an integrated way with diamond wire cutting machine, which can perform back cut directly in natural stone quarries, is high and also has limited usage field. In this study, a recently developed hole design for diamond wire cutting machine to be able to perform U shape cut and the efficiency of this method when compared to V shape method are investigated. With U channel opening method, production losses decrease and quarry benches can be formed in 60% less time.
Recently developed channel opening method is being applied in Bilecik Biege and Eskişehir Süpren natural stone quarries. In these quarries, quarry productivity has increased threefold with respect to V channel opening method and in the event of producing same amount of block, the waste and rubble amount have decreased 3.2 times.
Keywords: Channel Opening, U-and V-shaped Channel, Productivity
* Afyon Kocatepe Üniversitesi, Müh. Fak., Maden Müh. Böl., AFYONKARAHİSAR, erkanozka@gmail.com
** Afyon Kocatepe Üniversitesi, GSF-Endüstri Ürünleri Tasarımı Böl., AFYONKARAHİSAR
*** Natura Mermer Madencilik İnşaat Sanayi ve Ticaret, AFYONKARAHİSAR
1. GİRİŞ
Bir doğal taş ocağının açılması sırasında blok üretimin yapılabilmesi için örtü tabakası, yatağın coğrafi konumu, topografyası ve jeolojisine bağlı olarak basamak tasarımı ve geometrisi değişir.
Ocak makinelerinin verimli bir şekilde çalışabil- mesi için örtü tabakasının kaldırılması gerek- mektedir. Doğal taş ocaklarında, ocak ağzının açılması ve yeni üretim basamaklarının oluştu- rulması için kanal açma işlemi uygulanır. Ocak ağzının doğru yönde açılması, basamakların planlanması ve verimliliğinin artırılması açısın- dan önemlidir (Bozkurt, 1989; Kulaksız, 2007;
Kulaksız, vd, 2008).
Türkiye’deki doğal taş ocaklarında U (dikdört- gen) ve V (üçgen) şeklinde kanal açma işlemi gerçekleştirilmektedir. Üretim yöntemine göre zincirli kollu kesici, elmas tel kesme veya elmas tel kesme makinesi ile kombine çalışan kanal açma ekipmanı yardımıyla kanal açma işlemi uy- gulanmaktadır. U şeklinde kanal açma işlemin- de V şeklinde kanal açma işlemine göre kesilen blokların geometrisinden dolayı üretim kayıpları daha azdır. (Capuzzi, 1989; Bozkurt, 1989; Ak- koç, 2003; Fantini 2005; Onargan, vd, 2005; Ku- laksız, 2007; Kulaksız, vd, 2008).
Doğaltaş ocağının jeolojik yapısının uygun olma- sı durumunda, yatay ve düşey yönde sürekli ke- sim yapabilen zincirli kollu kesme makinesi ile U şeklinde kanal açılabilmektedir. Bu zincirli kollu kesme makinesi ile ocakta üretime başlanabil- mesi için örtü tabakasının kaldırılması ve maki- nenin kurulacağı yerin tesviye edilmesi gerek- mektedir. Zincirli kollu kesicinin çalışacağı yerin iş makineleriyle tesviye edilememesi durumun- da yardımcı olarak elmas tel kesme makinesi ile zemin tesviye edilir. Eğer zincirli kollu kesme makinesinin çalışacağı alan iyi bir şekilde tesvi- ye edilmezse sonraki kesimlerin yapılmasında güçleşecek ve ocak basamağının geometrisi bozulacaktır (Akkoç, 2003; Fantini 2005). Zincir- li kollu kesme makinesinde, deliklerin delinmesi ve deliklerden elmas telin geçirilmesi gibi kesim öncesi hazırlık işlemleri olmadığı için, zaman kayıpları en aza inmektedir. Zincirli kollu kesme makinesi ile standart boyutlara yakın, kaliteli ve düzgün yüzeyli bloklar üretilebilmektedir. Ocak içerisinde basamak yüksekliği zincirli kollu kesi- cinin kol yüksekliğiyle sınırlıdır. Elmas tel kesme makinesinde telin kopması ve kasnaktan çıkma- sı gibi tehlikelerin, zincirli kollu kesme makine- sinde, olmaması nedeniyle, ocakta iş kazası riski daha azdır (Gündüz ve Demirdağ, 2004; Çopur
vd, 2006; Çopur vd, 2007 (a); Çopur vd, 2007 (b), Demirel, 2008; Engin ve Özkan, 2009; Sa- rıışık and Sarıışık, 2010;2012, Çopur vd, 2011;
Sarıısık vd, 2011).
Doğaltaş ocaklarında, V şeklinde kanal açma işlemi, dikey delik ve iki tane açılı yatay delik ke- siştirilerek elmas tel kesme makinesinin kesme işlemini gerçekleştirmesi için yüzeyler oluşturur.
(Capuzzi, 1989; Bozkurt 1989). Ocak aynasın- dan ayrılan V şeklindeki üçgen kütle, kütle ayırı- cılar veya iş makineleri ile devrilerek blok üretimi gerçekleştirilmektedir. V şeklinde kanal açma iş- leminde, kütlenin devrilmesinden dolayı istenilen kalite, boyut ve miktarda blok üretilememektedir.
Basamak geometrisinden dolayı V şeklinde ka- nal açma işleminde üretim ve zaman kayıpları ile karşılaşılmaktadır (Kulaksız, 2007; Kulaksız vd, 2008).
Doğaltaş ocaklarında, U şeklinde kanal açma yöntemi elmas tel kesme makinesi ile kombine çalışan kanal açma ekipmanı ile gerçekleştirile- bilmektedir. Bu yardımcı ekipmanların ilk yatırım maliyetinin yüksek ve ocak içersinde kullanım alanının sınırlı olmasından dolayı yatırımcılar ta- rafından pek fazla tercih edilmemektedir. Zincirli kollu kesme makinesinin, ilk yatırım maliyetinin yüksek olması nedeniyle yeni yatırım yapılan ocaklarda üretim öncesi hazırlık işlemlerinde ve kanal açma işlemlerinde genellikle tercih edilme- mektedir. (Capuzzi, 1989; Karaca, 2001; Onar- gan vd, 2005).
Ceylan vd, (2012) tarafından doğal taş ocak- larında üretim basamağının oluşturulması için kullanılan yeni bir U kanal açma yöntemi ince- lenmiştir. Bu çalışmada ise elmas tel kesme makinesinin U şeklinde kesim yapabilmesi için yeni geliştirilen delik tasarımı ve bu yöntemin V şeklinde kanal açma yöntemine göre verimlilikle- ri karşılaştırılmıştır.
Yeni geliştirilen delik tasarımı sayesinde elmas tel kesme makinesi ile U şeklinde kanal açıla- bilmektedir. Bu yöntem ile açılan U şeklindeki kanalın dikdörtgen prizma olmasından dolayı, ocak basamaklarının tasarlanması ve planlaması kolaylaşmaktadır. Buna bağlı olarak kanalın geometrik özelliklerinden dolayı blok üretiminde üretim kayıpları azalmakta ve blok verimliliği artmaktadır. Elmas tel kesme makinesi ile kesme işlemi gerçekleştirildiği için zincirli kollu kesicilerden farklı olarak kanalın yüksekliği sınırlı değildir. Özel geliştirilen delik sistemi sayesinde bloklar dikdörtgen prizması şeklinde
