Finite Element Modeling of the Mechanical Behavior of Municipal Solid Waste Incineration Bottom Ash with the Mohr-Coulomb Model

Authors: Le Ngoc Hung, Abriak Nor Edine, Binetruy Christophe, Benzerzour Mahfoud, Shahrour Isam, Patrice Rivard

Abstract:

Bottom ash from Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) can be viewed as a typical granular material because these industrial by-products result from the incineration of various domestic wastes. MSWI bottom ash is mainly used in road engineering in substitution of the traditional natural aggregates. As the characterization of their mechanical behavior is essential in order to use them, specific studies have been led over the past few years. In the first part of this paper, the mechanical behavior of MSWI bottom ash is studied with triaxial tests. After, analysis of the experiment results, the simulation of triaxial tests is carried out by using the software package CESAR-LCPC. As the first approach in modeling of this new class material, the Mohr-Coulomb model was chosen to describe the evolution of material under the influence of external mechanical actions.

Keywords: Bottom ash, granular material, triaxial test, mechanical behavior, simulation, Mohr-Coulomb model, CESARLCPC.

Digital Object Identifier (DOI): doi.org/10.5281/zenodo.1110732

References:

[1] J. M. Chimenos, A. I. Fernandez, R. Nadal, F. Espiell. Short-term natural weathering of MSWI bottom ash. Journal of Hazardous Materials B 2000; 79: 287-299.
[2] M. Arm. Variation in deformation properties of processed MSWI bottom ash: results from triaxial tests. Waste Management 2004; 24: 1035-1042.
[3] K. O. Joar, G. Elin, M. Amund. Mass-balance estimation of heavy metals and selected anions at a landfill receiving MSWI bottom ash and mixed construction wastes. Journal of Hazardous Materials A 2005; 123: 70-75.
[4] Ademe Itom. Les installations de traitement des ordures ménagères 2008.
[5] N. Lapa, R. Barbosa, J. Morais, B. Mendes, J. Méhu, J. F. S. Oliveira. Ecotoxicological assessment of leachates from MSWI bottom ashes. Waste Management 2002; 22: 583-593.
[6] Ademe Brgm. Mâchefers d’incinération des ordures ménagères. Etat de l’art et perspectives 2008.
[7] F. Becquart, F. Bernard, N. E. Abriak, R. Zentar. Monotonic aspects of the mechnical behaviour of bottom ash grom municipal solid waste incineration and its potential use for road construction. Waste Management 2008; 29: 1320-1329.
[8] CESAR-LCPC. CESAR-LCPC, un progiciel de calcul dédié au génie civil. Bulletin des LPC -256-267 Juillet-Août-Septembre 2005 –RRF; 4573: 7-37.
[9] P. Mestat, P. Humbert. Référentiel de tests pour la vérification de la programmation des lois de comportement dans les logiciels d’éléments finis. Bulletins des LPC -230 2001.
[10] J. M. Chimenos, M. Segarra, M. Fernandez, F. Espiell. Characterization of the bottom ash in municipal solid waste incinerator. Journal of Hazardous Materials A 1999; 64: 211-222.
[11] R. Ibanez, A. Andrés, J. R. Viguiri, I. Ortiz, J. A. Irabien. Characterization and management of incinerator wastes. Journal of Hazardous Materials A 2000; 79: 215-227.
[12] Ademe Itom. Les installations de traitement des ordures ménagères 2004.
[13] Ademe Itom. Les installations de traitement des ordures ménagères 2006.
[14] SETRA-LCPC. Guide technique SETRA D9233-1. Réalisation des remblais et des couches de forme. Fascicule I.
[15] M. P. Luong. Phénomène cyclique dans les sols pulvérulents. Revue Française de Géotechnique 1980; 10: 39-53.
[16] M. Prat. La modélisation des ouvrages AFPC. Emploi des éléments finis en génie civil 1995.
[17] P. Evesque. Eléments de mécanique quasi-statique des milieux granulaires mouillés ou secs. Mécanique des milieux granulaires 2000; 157 pages.
[18] CESAR-LCPC, 2002a. CESAR-LCPC version 4.0, Manuel de référence du solveur. Lcpc – Itech 2002.
[19] CESAR-LCPC, 2002b. CESAR-LCPC version 4.0, Manuel de référence CLEO2D. Lcpc – Itech 2002.
[20] F. Becquart. Comportement mécanique au triaxial d'un mâchefer d'incinération d'ordures ménagères. European journal of environmental and civil engineering 2008; 2: issue 6.
[21] N. H. Le, N. E. Abriak, C. Binetruy, M. Benzerzour, S. Chaki. The study of behavior of bottom ash under homogeneous stresses. Determination of parameters for Nova behavior models. Proceeding of Euromediterranean Symposium on Advances in Geomaterials and Structures, Djerba, Tunisia 2010, 653-660.
[22] N. H. Le, N. E. Abriak, M. Benzerzour, C. Binetruy, M. L. Nguyen. Influence of loading rate on mechanical behaviour of a bottom ashes from municipal solid waste incineration in a triaxial test. Proceeding of the Geotechnics for Suitainable Development – Geotec Hanoi 2011, Vietnam 2011, 651-658.
[23] F. Bernard., N. E. Abriak. Étude physique, géotechnique, et mécanique d’un mâchefer d’incinération d’ordures ménagères. Journal of catalytic materials and environment 2003; 1: 9-18.
[24] C. Caroline. Étude expérimentale du gonflement des Mâchefers d’Incinération d’Ordures Ménagères traités aux liants hydrauliques. Thèse de doctorat, Université des Sciences et Techniques de Lille 2000; 144 pages.
[25] N. H. Le, N. E. Abriak, M. Benzerzour, C. Binetruy. Comportement mécanique d'un mâchefer d'incinération d'ordure ménagers. Journal of catalytic materials and environment 2012; 10: 3-12.
[26] H. Birgisdottir, G. Bhander, M. Z. Hauschild, T. H. Christensen. Life cycle assessment of disposal of residues from municipal solid waste incineration: Recycling of bottom ash in road construction or landfilling in Denmark evaluates in the ROAD-RES model. Waste Management 27 (2007) 75-84.
[27] R. Forteza, M. Far, C. Segui, V. Cerda. Characterization of bottom ash in municipal solid waste incinerators for its use un road base. Waste Management 24 (2004) 899-909.
[28] O. Hjelmar. Waste Management in Denmark. Waste Management 1996; 6: 389-394.
[29] J. A. Meima, R. N. J. Comans. Overview of geochemical processes controlling leaching characteristics of MSWI bottom ash. Waste Materials in Construction : Putting Theory into Practice 1997.
[30] Note SETRA. Note d’information: Utilisation des mâchefers d’incinération d’ordures ménagères en technique routière. SETRACSTR, Août 1997.
[31] GTIF. Guide technique pour l’utilisation des matériaux régionaux d’Ilede- France. Catalogue des structures de chaussées. Décembre 2003.
[32] P. Mestat. Lois de comportement des géomatériaux et modélisation par la méthode des éléments finis. ERLPC Série géotechnique, ISSN 1157- 3910, mars 1993, 193 pages.
[33] P. Mestat. Méthodologie de détermination des paramètres des lois de comportement à partir d’essais triaxiaux conventionnels, Rapport interne LPC, 1990, FAER, 1.16.21.0.
[34] P. Mestat. Étude du comportement des sables sous sollicitations homogènes. Mémoire de DEA d’Emile Youssef (École Centrale de Paris) 1992, 169 pages.