Lubricity test cihazının köpük karakterizasyonu amacıyla kullanılabilirliğinin araştırılması

Abstract

Köpükler, EPB TBM uygulamalarında en yaygın kullanılan zemin şartlandırma katkılarıdır. Zemin şartlandırmada kullanılan köpüklerin karakterizasyonu ve optimizasyonu için günümüzde bir standart bulunmamakla birlikte literatürde de kısıtlı sayıda çalışma yer almaktadır. Tez çalışmasının temel amacı, sondaj çamurlarının kayganlaştırıcı (lubricity) etkilerini ölçmek için yaygın olarak kullanılan lubricity test cihazının köpük karakterizasyonu ve optimizasyonu amacıyla kullanılabilirliğini ortaya koymaktır. Bu amaçla dört farklı kaya ve zemin numuneleri ile farklı firmalara ait dokuz farklı köpük ajanı temin edilmiştir. Temin edilen köpüklerin karakterizasyonu için köpük ajanlarının lubricity katsayıları ve yarı ömür süreleri belirlenmiştir. Temin edilen numuneler üzerinde üretilen farklı köpükler ile, zemin şartlandırma parametreleri aynı tutularak, zemin şartlandırma deneyleri yapılmıştır. Ardından köpüklerin lubricity katsayıları ile köpük ve zemin+köpük karakterizasyon deney sonuçları arasında istatistiksel bir ilişki aranmıştır. Bu sayede köpük karakterizasyonu, seçimi ve optimizasyonu için lubricity test cihazının kullanılabilirliği doğrulanmaya çalışılmıştır. Bu doğrultuda, kazısı devam eden bir tünel projesinden iki farklı formasyona ait kaya numunesi (kiltaşı-silttaşı ve kireçtaşı) ile zemin numunesi (killi siltli kum) ve endüstriyel kullanım amaçlı üretilen bentonit numunesi temin edilmiştir. Deneylerde endüstriyel amaçlı üretilen bentonit numunesinin kullanılmasının nedeni mümkün olduğunca standart bir örnek kullanılmak istenmesidir. Bu sayede zemin şartlandırma deneylerinde, köpükleri karşılaştırabilmek için olabildiğince diğer parametreler sabit tutulmuştur. Öncelikle deneylerde kullanılan numunelerin karakteristiklerini belirlemek amacıyla doğal nem içeriği, tane boyut dağılımı (elek ve hidrometre analizi) ve Atterberg kıvam limitleri (likit ve plastik limit) deneyleri yapılmıştır. Kiltaşı-silttaşı ve kireçtaşı numunesinin şartlandırma deneyleri için iki farklı firmaya ait baz köpük, killi siltli kum numunesinin zemin şartlandırma deneyleri için bir anti-kil özellikli köpük ve bentonit numunesinin zemin şartlandırma deneyleri için ise üç farklı firmanın hem baz hem de anti-kil özellikli köpükleri kullanılmıştır. Şartlandırılmış kiltaşı-silttaşı numunesinin (zemin+köpük) karakterizasyonu amacıyla güç ve yapışma ölçümlü karıştırma deneyi yapılmıştır. Kiltaşı-silttaşı numunesinin (zemin+köpük) şartlandırma deneylerinde sabit köpük konsantrasyonunda (Cf = %2) ve sabit köpük genleşme oranında (FER = 15) üretilen köpükler kullanılmıştır. Şartlandırma deneyleri doğal nem içeriğinde (wn=%22) ve her iki köpük için aynı köpük enjeksiyon (FIR) değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Köpük enjeksiyon değerleri %40 ile %100 arasında değiştirilmiştir. Şartlandırılmış kireçtaşı numunesinin karakterizasyonu amacıyla güç ve yapışma ölçümlü karıştırma deneyi, mini slump deneyi ve yayılma tablası deneyi yapılmıştır. Kireçtaşı numunesinin (zemin+köpük) şartlandırma deneylerinde sabit köpük konsantrasyonunda (Cf = %2) ve sabit köpük genleşme oranında (FER = 15) üretilen köpükler kullanılmıştır. Şartlandırma deneyleri doğal nem içeriğinde (wn=%22) ve her iki köpük için aynı köpük enjeksiyon (FIR) değerlerinde yapılmıştır. Köpük enjeksiyon değerleri %30 ile %50 arasında değiştirilmiştir. Şartlandırılmış killi siltli kum numunesinin karakterizasyonu amacıyla güç ve yapışma ölçümlü karıştırma deneyi ve yayılma tablası deneyi yapılmıştır. Killi siltli kum numunesinin şartlandırma deneylerinde sabit köpük konsantrasyonunda (Cf = %2) ve sabit köpük genleşme oranında (FER = 15) üretilen anti-kil özellikli köpükler kullanılmıştır. Şartlandırma deneyleri sabit nem içeriğinde (w=%31) ve köpük enjeksiyon değerleri %40 ile 60 arasında değiştirilerek yapılmıştır. Şartlandırılmış bentonit numunesinin karakterizasyonu amacıyla güç ölçümlü karıştırma deneyi, konik penetrasyon deneyi ve cep tipi kanatlı kesme deneyi yapılmıştır. Bentonit numunesinin şartlandırma deneylerinde sabit köpük konsantrasyonunda (Cf = %3) ve sabit köpük genleşme oranında (FER = 15) üretilen köpükler kullanılmıştır. Şartlandırma deneyleri sabit nem içeriğinde (w=%195) ve her köpük için aynı köpük enjeksiyon değerlerinde, %60 ile 100 arasında değiştirilerek yapılmıştır. Deneylerden elde edilen veriler ışığında, köpük ajanlarının lubricity katsayıları ile köpüklerin yarı ömür süreleri arasında bir ilişkiye rastlanmamıştır. Kiltaşı-silttaşı ve kireçtaşı numunelerinin zemin şartlandırma deneylerinde iki farklı köpük kullanılmıştır. Zemin şartlandırma deneylerinde sadece iki köpük kullanıldığı için regresyon analizi yapılamamıştır. Fakat kullanılan köpüklerden lubricity katsayısı yüksek olan köpük, yapılan zemin şartlandırma deneylerinde daha düşük köpük enjeksiyon oranlarında optimum aralığa ulaşmıştır. Bentonit numunesi ile yapılan zemin şartlandırma deneyleri sonucunda köpük ajanlarının lubricity katsayısı ile güç tüketimi arasında, özellikle %100 köpük enjeksiyon oranında güçlü istatiksel ilişki (r2 =0,83) elde edilmiştir. Farklı köpük enjeksiyon oranlarında, köpük ajanlarının lubricity katsayıları arttıkça güç tüketimi artmıştır. Köpük ajanlarının lubricity katsayıları artışıyla, düşen konik penetrasyon deneyinden elde edilen penetrasyon değeri azalmıştır. Fakat istatistiksel ilişki yakalanamamıştır. Kanatlı kesme deneyinden elde edilen şartlandırılmış bentonit numunesinin kesme dayanımı, lubricity katsayısının artışıyla %60 ve %80 köpük enjeksiyon değerlerinde düşmüş fakat %100 köpük enjeksiyon değerinde artmıştır. Elde edilen veriler ışığında, köpük ajanlarının lubricity katsayıları kullanılarak, şartlandırılmış zeminin güç tüketiminin tahmin edilebileceği sonucuna varılmıştır.