phénomène de smoldering et matériaux biosourcés
TRANSCRIPT
1
Mémoire de Master 2 ISI
Phénomène de smoldering et
matériaux biosourcés
Jean-Christophe CHEVALIER MASTER 2 INGENIERIE DE SECURITE INCENDIE
2
Table des matières I. REMERCIEMENTS................................................................................................................................... 4
II. INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 5
III. PRESENTATION DES PARTENAIRES ........................................................................................................ 6
A. L’ECOLE SUPERIEURE DU BOIS DE NANTES (ESB) .................................................................................................. 6 B. L’INSTITUT PPRIME DE POITIERS ......................................................................................................................... 6
IV. LA OUATE DE CELLULOSE ....................................................................................................................... 7
A. UN PEU D’HISTOIRE .......................................................................................................................................... 7 B. LES TECHNIQUES DE FABRICATION ....................................................................................................................... 7
V. CARACTERISTIQUES THERMIQUES ET PERFORMANCE DE LA OUATE DE CELLULOSE .............................. 9
A. LES CARACTERISTIQUES THERMIQUES DES MATERIAUX ............................................................................................ 9 1. Conductivité thermique (λ) ...................................................................................................................... 9 2. Capacité thermique (Cp) .......................................................................................................................... 9 3. Diffusivité ou déphasage ou inertie thermique (α) .................................................................................. 9 4. Effusivité thermique (b) ........................................................................................................................... 9
B. PERFORMANCE DE LA OUATE DE CELLULOSE ........................................................................................................ 10 1. Conductivité thermique (λ) .................................................................................................................... 10 2. Capacité thermique (Cp) ........................................................................................................................ 10 3. Diffusivité ou déphasage ou inertie thermique (α) ................................................................................ 10 4. Effusivité thermique (b) ......................................................................................................................... 10 5. Epaisseur de l’isolant à partir de la résistance thermique ..................................................................... 11
C. CONCLUSION ET APPLICATION A MON ETUDE ...................................................................................................... 11
VI. OUATE DE CELLULOSE ET REGLEMENTATION INCENDIE ....................................................................... 12
A. EUROCLASSES ................................................................................................................................................ 12 B. REGLEMENTATION APPLICABLE AUX ETABLISSEMENTS RECEVANT DU PUBLIC ............................................................. 13 C. REGLEMENTATION APPLICABLE AUX HABITATIONS ............................................................................................... 13 D. REGLEMENTATION APPLICABLE AUX ETABLISSEMENTS RECEVANT DES TRAVAILLEURS .................................................. 13
VII. PHENOMENE DE SMOLDERING ............................................................................................................ 14
A. GENERALITES ................................................................................................................................................ 14 B. ILLUSTRATION : LA COMBUSTION DE LA CIGARETTE .............................................................................................. 14 C. CONDITIONS D’APPARITION ............................................................................................................................. 16 D. REACTIONS EN PRESENCE................................................................................................................................. 16 E. LES RISQUES ASSOCIES .................................................................................................................................... 17
VIII. COMPORTEMENT AU FEU DE LA OUATE DE CELLULOSE ....................................................................... 18
A. INTRODUCTION ............................................................................................................................................. 18 B. MONTAGE EXPERIMENTAL POUR LES ESSAIS EN CONE CALORIMETRE ....................................................................... 18
1. Présentation du cône calorimètre ........................................................................................................ 18 2. Principe de fonctionnement du cône calorimètre ................................................................................ 20 3. Essais ..................................................................................................................................................... 21 4. Résultats et interprétation ................................................................................................................... 22
a) Temps d’inflammation ....................................................................................................................................... 22 b) Heat release rate (HRR) ...................................................................................................................................... 23 c) Courbe température/temps ............................................................................................................................... 25 d) Perte de masse ................................................................................................................................................... 28
5. Conclusion ............................................................................................................................................. 28 C. MONTAGE EXPERIMENTAL POUR LES ESSAIS EN CONE CALORIMETRE A ATMOSPHERE CONTROLEE ................................. 29
1. Présentation du cône calorimètre à atmosphère contrôlée ................................................................ 29 2. Principe de fonctionnement du cône calorimètre à atmosphère contrôlée ....................................... 31 3. Essais ..................................................................................................................................................... 32
3
4. Résultats et interprétation ................................................................................................................... 32 a) Temps d’inflammation ....................................................................................................................................... 32 b) Heat release rate (HRR) ...................................................................................................................................... 33 c) Courbe température/temps ............................................................................................................................... 34 d) Perte de masse ................................................................................................................................................... 35
5. Conclusion ............................................................................................................................................. 36 D. MONTAGE EXPERIMENTAL POUR LES ESSAIS SUR UNE MAQUETTE REPRESENTANT LES COMBLES D’UNE HABITATION ........ 36
1. Présentation de la maquette ................................................................................................................ 36 2. Campagne d’essais ............................................................................................................................... 37
a) 1er essai ............................................................................................................................................................... 37 (1) Présentation du 1er essai ........................................................................................................................... 37 (2) Description des signes observés ................................................................................................................ 38 (3) Analyse et commentaires .......................................................................................................................... 39
b) 2ième essai ........................................................................................................................................................... 40 (1) Présentation du 2ième essai ........................................................................................................................ 40 (2) Résultats et interprétation du 2ième essai .................................................................................................. 43 (3) Analyse et commentaires .......................................................................................................................... 44
c) 3ième essai ........................................................................................................................................................... 46 (1) Présentation du 3ième essai ........................................................................................................................ 46 (2) Résultats et interprétation du 3ième essai .................................................................................................. 47 (3) Description des signes observés ................................................................................................................ 49 (4) Analyse et commentaires .......................................................................................................................... 50
d) 4ième essai ........................................................................................................................................................... 52 (1) Présentation du 4ième essai ........................................................................................................................ 52 (2) Résultats et interprétation du 4ième essai .................................................................................................. 54 (3) Description des signes observés ................................................................................................................ 56 (4) Analyse, commentaires et comparaison avec le 3ième essai ....................................................................... 57
e) La transition vers la flamme de diffusion ........................................................................................................... 60 3. Conclusion ............................................................................................................................................. 61
IX. CONCLUSION GENERALE ...................................................................................................................... 62
X. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................................................................ 63
XI. RESUME ............................................................................................................................................... 64
4
I. Remerciements
Je souhaite remercier l’équipe pédagogique du master 2 ISI et en particulier Olivier VAUQUELIN. Je
veux souligner leurs qualités pédagogiques, leur patience, leur disponibilité et leur capacité
d’adaptation.
J’exprime ma reconnaissance au Professeur Thomas ROGAUME, au Docteur Jocelyn LUCHE et à l’aide-
ingénieur Marc POISSON qui m’ont apporté leur aide lors de mon passage à L’ENSMA de Poitiers.
J’exprime ma profonde gratitude au Colonel Michel TELLANGER (Directeur Adjoint, SDIS 44), au
Lieutenant-Colonel Philippe LANGLOIS (Chef du Groupement Territorial OUEST, SDIS 44), et au
Commandant Frederic PIETERS (Responsable du groupe technique incendie, SDIS 44) qui ont soutenu
ma candidature et m’ont permis d’accéder au master 2 ISI.
Je remercie Fabien CLEMENT de l’Ecole Supérieure du bois de Nantes pour son aide matériel.
Je remercie le Commandant Stéphane CHATRON (Chef du CIS Saint-Nazaire, SDIS 44) pour la relecture
de mon mémoire et le Colonel Honoraire Jean-François SCHAUCH pour m’avoir permis d’accéder à sa
magnifique et riche bibliothèque.
J’ai une pensée pour ma famille et mes amis qui m’ont apporté leur soutien durant les 2 années de la
formation.
Enfin, je ne peux conclure ces remerciements sans évoquer le groupe d’étudiants du master 2 ISI. Grâce
à l’excellent état d’esprit développé, au respect mutuel, des liens se sont créés entre nous. Ce groupe
solide a fait notre force.
5
II. Introduction
Le réchauffement climatique est un sujet d’actualité et les enjeux environnementaux sont
conséquents. La prise de conscience de notre classe politique mais également de la société toute
entière face aux dérèglements climatiques et à ses conséquences se manifestent par une volonté de
réduire les émissions des gaz à effet de serre (Le CO2, les Nox, etc.).
Le bâtiment avec les déperditions de chaleur provoquées par une isolation de mauvaise qualité est
également responsable d’une surconsommation d’énergie fossile qui participe au réchauffement
climatique.
Pour tenter d’enrayer ce phénomène, une politique publique a vu le jour afin de permettre aux
bailleurs sociaux et aux propriétaires privés de renforcer l’isolation des logements.
Les isolants biosourcés font partie des produits disponibles sur le marché qui présentent l’avantage
d’être naturels mais également sur le plan qualitatif d’être d’excellents matériaux.
La ouate de cellulose se développe de plus en plus dans l’habitation individuelle et collective, mais
également dans les établissements recevant du public (ERP) ou des travailleurs (ERT).
Le Service Départemental d’Incendie et de Secours de Loire-Atlantique, dans le cadre de ses missions,
lutte contre des incendies de structures bâtimentaires isolées par de la ouate de cellulose et d’autres
produits biosourcés.
Les techniques opérationnelles mises en œuvre habituellement pour traiter des incendies mettant en
cause des isolants classiques à base de laine minérale (laine de verre ou roche) ne suffisent plus pour
lutter de manière efficace contre les sinistres mettant en cause des matériaux biosourcés.
Des éléments de retour d’expérience prouvent que les sapeurs-pompiers connaissent des difficultés
face à ces nouveaux produits.
L’objet de mon mémoire est de :
• Présenter la ouate de cellulose et connaitre ses propriétés thermiques
• Connaitre les propriétés d’inflammabilité et de combustibilité de la ouate de cellulose,
• Comprendre le phénomène de smoldering,
• Connaitre les risques associés à ce phénomène.
6
III. Présentation des partenaires
A. L’Ecole Supérieure du Bois de Nantes (ESB)
L’ESB est un Etablissement d’Enseignement Supérieur et de recherche Privé d’Intérêt Général (EESPIG) sous contrat avec le ministère chargé de l’Agriculture.
Cette école, créée en 1934 à Paris, est aujourd’hui située à Nantes. Elle répond à trois missions
principales :
• La formation : des techniciens supérieurs aux architectes spécialisés en construction bois,
• La recherche autour du développement des connaissances du bois et des matériaux
biosourcés,
• L’ingénierie recherche et développement en partenariat avec le milieu professionnel et les
acteurs de la filière du bois.
La structure accueille 400 élèves et dispose de moyens performants et modernes pour dispenser des
formations : salles de cours, amphithéâtres, ateliers, laboratoires (microscopie, anatomie du bois,
chimie, mécanique et finition), un hall technologique.
B. L’institut Pprime de Poitiers
L’institut Pprime, situé à proximité du site du Futuroscope à Poitiers, est une Unité Propre de Recherche (UPR) du CNRS conventionnée avec l'Université de Poitiers et l’Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace - École Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique (ISAE-ENSMA). L’établissement est organisé autour de 3 départements : mécanique et physique des matériaux, mécanique et thermique des fluides et réactifs, mécanique des systèmes. Elle emploie 200 chercheurs et enseignants-chercheurs, 100 personnels techniques, 200 étudiants
doctorants, de nombreux scientifiques et étudiants étrangers en post-doctorat et masters.
L’institut dispose de nombreux moyens d’essais et notamment dans le domaine de l’incendie :
• Une plateforme incendie HESTIA qui permet d’étudier le comportement et la tenue au feu
des matériaux et structures,
• Un banc d’essais PERICLES, constitué d’un ensemble de caissons à échelle réduite, qui permet
d’étudier les phénomènes physico-chimiques en jeu lors des incendies en milieu confiné.
7
IV. La ouate de cellulose
A. Un peu d’histoire
Les premiers isolants naturels étaient constitués de mousses végétales ou de laines animales. En
Haute-Savoie, « le Chinaillon », isolant coincé entre des madriers de bois est toujours efficace après
plus de 200 ans de pose.
Ces produits ont laissé la place à l’ancêtre de la ouate de cellulose qui était constitué de papier broyé.
Aux Etats-Unis, la maison de Thomas Jefferson (troisième président USA de 1801 à 1809) était isolée
grâce à du broyat de papier (FIGURE 1). Isolant toujours fonctionnel à ce jour1.
Plus récemment, dans les années 20, des machines à insuffler de la ouate de cellulose fonctionnaient
sur des châssis de voiture Ford T (FIGURE 2). Cela prouve que la ouate de cellulose ainsi que la
technologie visant à l’épandre existent depuis de nombreuses années aux Etats-Unis.
Outre-Atlantique, les isolants naturels durant ces années sont majoritairement utilisés face à des
matériaux synthétiques ou minérales pas suffisamment développés.
La ouate de cellulose a connu des évolutions profondes avec la mise en œuvre de process de
fabrication intégrant des adjuvants comme le sel de bore (4% +/- 0,5 % d’acide borique) et le sulfate
de magnésium (7 % +/- 0,5 % de sulfate de magnésium) destinés à retarder l’inflammation et limiter la
propagation du feu.
Il faut attendre les années 1980 pour voir la ouate de cellulose arriver en Europe et notamment en
Allemagne. Aujourd’hui la France compte plusieurs unités de fabrication de ouate de cellulose sur le
territoire national.
B. Les techniques de fabrication
Quel sont les techniques de fabrication de la ouate de cellulose ?
Dans les années 2000-2010, les blocs de journaux recyclables étaient
broyés dans un moulin de type « marteaux ». Cet outil avait l’avantage
d’être peu fragile mais présentait l’inconvénient de pulvériser les fibres
longues de la ouate de cellulose (FIGURE 3).
1 https://www.build-green.fr/tout-savoir-sur-la-ouate-de-cellulose
FIGURE 2 : MACHINE A INSUFFLER DE LA
OUATE DE CELLULOSE (ANNEE 1920)
FIGURE 1 : VILLA MONTICELLO-VIRGINIE-USA
MAISON DE THOMAS JEFFERSON
FIGURE 3 : FIBRES LONGUES DE LA
OUATE DE CELLULOSE
8
Or les fibres longues améliorent considérablement les performances du lambda (la conductivité
thermique exprimée en W/m.K) mais également la résistance au tassement.
A partir de 2010, les moulins à marteau ont été remplacés par des moulins centrifuges qui permettent
de broyer le papier en ménageant les fibres. Le papier est projeté entre 2 troncones (un fixe, l’autre
tournant) possédant des dents espacées de quelques millimètres.
Aujourd’hui une nouvelle génération de moulins dits à plateaux est apparue. Les 2 plateaux se font
face et tournent en sens opposés à grande vitesse. Les blocs de papier en passant entre les 2 plateaux
sont broyés et les fibres longues sont conservées. De surcroit, la contre-rotation permet d’enrouler les
fibres longues en constituant des sortes de ressort. Ces mini-ressorts, en plus d’améliorer le lambda
(conductivité thermique), améliore la résistance au tassement de la ouate de cellulose.
La ouate est ensuite dépoussiérée et conditionnée en sac.
9
V. Caractéristiques Thermiques et performance de la Ouate de Cellulose
A. Les caractéristiques thermiques des matériaux
Les caractéristiques thermiques des matériaux sont définies comme suit :
1. Conductivité thermique (λ)
Tout isolant est classé en fonction de sa capacité à perdre des calories. L’unité de mesure utilisée pour
mesurer cette capacité est la conductivité thermique noté λ (lambda) exprimée en W.m−1. K−1.
La conductivité thermique correspond au flux de chaleur (exprimé en watt) traversant un matériau d’1
mètre d’épaisseur (exprimé en mètre) entre 2 milieux possédant une différence de température d’1
degré kelvin.
Plus le lambda est faible et meilleur est l’isolant.
2. Capacité thermique (Cp)
Également appelé chaleur spécifique, elle correspond à la capacité du matériau à absorber une
quantité de chaleur avant de la restituer. La capacité thermique, notée Cp, s’exprime en J.kg−1. K−1.
Un matériau présentant une grande capacité thermique signifie qu’il peut stocker une grande quantité
d’énergie.
3. Diffusivité ou déphasage ou inertie thermique (α)
La diffusivité caractérise la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur avec une vitesse plus au
moins rapide. La diffusivité, notée α, s’exprime en m²/s. Cette notion est dépendante de la densité, de
la chaleur spécifique et de la conductivité thermique.
Plus son chiffre est faible et plus la transmission de la chaleur au sein du matériau est lente.
4. Effusivité thermique (b)
L’effusivité thermique caractérise l’aptitude d’un matériau à changer de température lorsqu’il reçoit
un apport d’énergie thermique. Deux phénomènes se produisent : l’absorption locale (liée à la capacité
thermique) et l’énergie transférée aux régions voisines en fonction de la conductivité thermique du
matériau.
Notée b, l’effusivité thermique s’exprime en J.m−2. K. s1/2
10
B. Performance de la ouate de cellulose
1. Conductivité thermique (λ)
Le lambda moyen de la ouate de cellulose vaut :
λ = 0,04 w.𝐦−𝟏. 𝐊−𝟏.
A titre de comparaison, l’air sec (la référence) présente un lambda de 0,0262 w.𝑚−1. 𝐾−1.
2. Capacité thermique (Cp)
La valeur de la capacité thermique de la ouate de cellulose est de :
Cp = 2110 J.𝐤𝐠−𝟏. 𝐊−𝟏
A titre de comparaison, la capacité thermique du cuivre est de Cp = 385 J.kg−1. K−1
3. Diffusivité ou déphasage ou inertie thermique (α)
Formule de la diffusivité thermique : α = 𝛌
𝝆.𝑪𝒑
Données pour la ouate de cellulose (fiche technique isocell) :
λ = 0,04 w.𝑚−1. 𝐾−1
ρ = 35 Kg/m³
Cp = 2110 J.𝑘𝑔−1. 𝐾−1
Application numérique : 𝜶𝒐𝒖𝒂𝒕𝒆 = 𝟎,𝟎𝟒
𝟑𝟓 𝒙 𝟐𝟏𝟏𝟎
𝜶𝒐𝒖𝒂𝒕𝒆= 0,54.𝟏𝟎−𝟔m²/s
A titre de comparaison, le cuivre présente une diffusivité thermique de 𝛼𝑐𝑢𝑖𝑣𝑟𝑒 = 117.10−𝟔 m²/s et la
laine de verre présente une diffusivité thermique de 𝛼𝑙𝑎𝑖𝑛𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑟𝑒 = 0,58.10−𝟔 m²/s
4. Effusivité thermique (b)
La ouate de cellulose présente une conductivité thermique très faible mais une capacité thermique
élevée. Cela signifie qu’elle va garder la chaleur et la transférer lentement aux régions voisines.
Formule de l’effusivité : b = √𝛌. 𝛒. 𝐜𝐩
Données pour la ouate de cellulose (fiche technique isocell) :
λ = 0,04 w.𝑚−1. 𝐾−1
ρ = 35 Kg/m³
Cp = 2110 J.kg−1. K−1
Application numérique : 𝒃𝒐𝒖𝒂𝒕𝒆 = √(𝟎, 𝟎𝟒 𝒙 𝟑𝟓 𝒙 𝟐𝟏𝟏𝟎)
11
𝒃𝒐𝒖𝒂𝒕𝒆= 54,35 J.𝐦−𝟐. 𝐊. 𝐬𝟏/𝟐
A titre de comparaison, le cuivre présente une effusivité thermique de 𝑏𝑐𝑢𝑖𝑣𝑟𝑒 = 35849 J.m−2. K. s1/2 et
la laine de verre présente une effusivité thermique de 𝑏𝑙𝑎𝑖𝑛𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑟𝑒 = 41 J.m−2. K. s1/2
5. Epaisseur de l’isolant à partir de la résistance thermique
La méthode pour calculer l’épaisseur d’isolant à mettre en œuvre afin d’obtenir une résistance
thermique est la suivante :
R = 10 m².K.𝑊−1 (en ce qui concerne l’isolation des combles R ≥ 10 m².K.𝑊−1pour un bâtiment à
énergie positive BEPOS dans le cadre de la RT 2020 et R ≥ 8 pour un bâtiment basse consommation
BBC 2012)
Alors on applique la formule :
Epaisseur = R x λ = 10 x 0,04= 0,40 m soit 40 cm.
Pour atteindre un R = 10 m².K.𝑊−1 alors l’épaisseur de l’isolant doit être de 40 cm.
C. Conclusion et application à mon étude
Les caractéristiques thermiques de la ouate de cellulose traduisent une capacité importante du produit
à retenir la chaleur en son sein. Cette capacité intéressante en matière d’isolation aura sans aucun
doute un impact réel lorsque le produit sera soumis à un incendie.
La ouate de cellulose est donc un piège à calories.
La densité retenue pour les phases d’expérimentation sera de 35 Kg/m³ (correspondant à la densité
haute de pose sur surface horizontale comme les combles d’une maison).
L’épaisseur de la ouate de cellulose lors de la mise en place d’essais sur maquette sera de 0,4 mètre.
12
VI. Ouate de cellulose et réglementation incendie
A. Euroclasses
En Europe, la norme de référence NF EN 13501-1 est régie par l’arrêté du 21 novembre 2002 qui établit les « euroclasses » de réaction au feu. De façon plus complète que la classification française, elle prend en compte les fumées dégagées ainsi que d’éventuelles gouttelettes projetées.
Les euroclasses intègrent ainsi un système de classement en cinq catégories d’exigence :
Euroclasse F : aucune performance déterminée.
Produits pour lesquels aucune performance de réaction au feu n’a été déterminée ou revendiquée par le fabriquant, et qui ne peuvent être classés dans aucune des classes A, B, C, D ou E.
Euroclasse E : réaction au feu acceptable.
Produits capables de résister pendant une courte période à l’attaque d’une petite flamme sans propagation substantielle. Des gouttes enflammées peuvent être observées.
Euroclasse D : contribution au feu acceptable.
Produits satisfaisant aux critères de la classe E et résistant pour une période plus longue à l’attaque d’une petite flamme sans propagation substantielle et avec une formation limitée de gouttes enflammées. De plus, ils sont capables de subir l’essai SBI (attaque thermique par un objet isolé en feu).
Euroclasse C : contribution au feu limitée.
Cette classe est définie comme la précédente mais avec des critères plus stricts.
Euroclasse B : contribution au feu très limitée.
Cette classe est définie comme la précédente mais avec des critères plus stricts. De plus dans les conditions d’un feu bien engagé, ces produits ne contribuent que très peu à la charge combustible et au développement du feu.
Euroclasse A1, A2 : aucune contribution au feu, même dans le cas d’un feu très développé.
Classements pour la production de fumées
• s1 : dégagement de fumées très limité • s2 : dégagement de fumées limité • s3 : matériau ne répondant ni au critère S1 ni au critère s2.
Classement d pour la production de gouttelettes / particules enflammées
• d0 : pas de gouttelettes • d1 : dégagement de gouttelettes persistant pendant au plus 10 s (essai SBI) • d2 : matériau ne répondant ni au critère d0 ni au critère d1.
Les ouates de cellulose sont classées B-s2, d0 ou C-s2, d0.
13
B. Règlementation applicable aux établissements recevant du public
L’article AM 8 § 1 du règlement de sécurité du 25 juin 1980 précise que les produits d’isolation
thermique d’une épaisseur supérieure à 5 mm doivent présenter un classement au feu A2-s2, d0 ou
être protégé par un écran thermique disposé sur la ou les faces susceptibles d’être exposées à un feu
intérieur durant au moins ½ heure.
C. Règlementation applicable aux habitations
L’article 16 de l’arrêté du 31 janvier 1986 reste très général et indique que les produits d’isolation ne
doivent pas constituer un risque inadmissible pour les occupants au regard des phénomènes suivants :
• Diminution du délai d’embrasement généralisé du local,
• D’émission de gaz toxiques pendant la période où les occupants sont encore présents dans le
logement où le feu a pris naissance,
• D’émission de gaz toxiques et fumées hors du logement dans lequel le feu a pris naissance,
après l’évacuation du logement sinistré.
Cet article indique également que les matériaux d’isolation doivent être conformes aux indications du
guide de l’isolation par l’intérieur des bâtiments d’habitation du point de vue des risques en cas
d’incendie (éditeur CSTB).
Ce guide reste dans l’esprit de la réglementation ERP et indique que les produits d’isolation doivent
être au moins A1 ou A2-s1, d0 ou protégé par un écran protecteur :
• Pendant 15 minutes pour les plafonds des habitations de 1ère et 2ième famille,
• Pendant au moins 30 minutes pour les plafonds des habitations des 3ième et 4ième famille.
D. Règlementation applicable aux établissements recevant des travailleurs
Les isolants thermiques mis en œuvre en contact direct avec l'air, sur les parois verticales ou sous les plafonds d'un local ou d'un dégagement, doivent être en matériaux au moins de catégorie M 1 (A2-s1, d0).
Toutefois, les isolants en matériaux de catégorie inférieure peuvent être autorisés s'ils sont protégés par un plafond formant un écran protecteur pendant 30 minutes ou protégés par une paroi formant un écran protecteur pendant 15 minutes pour les rampants.
La réglementation incendie encadre l’utilisation des matériaux isolants dans le bâtiment afin d’éviter la naissance d’un feu et les risques de propagation associés. La ouate de cellulose étant un isolant d’origine végétale utilisé en couche épaisse, il peut être le siège d’un phénomène appelé le smoldering. J’aborderai dans la suite de l’étude une présentation de ce type de combustion.
14
VII. Phénomène de Smoldering
A. Généralités
La combustion classique dite « vive », est essentiellement une combustion gazeuse. La flamme visible
est le résultat de la rencontre d’un comburant, l’oxygène de l’air, avec un combustible. Les deux
réactifs diffusent l’un vers l’autre jusqu’à atteindre des concentrations leur permettant de réagir en
produisant une flamme appelée flamme de diffusion.
Ce type de combustion appelée vive, connue des sapeurs-pompiers, est très bien représentée par la
flamme de bougie.
Le smoldering (appellation Américaine également nommée smouldering au Royaume -Unis) n’est pas
une combustion gazeuse classique. En France, le smoldering peut-être traduit par combustion
couvante ou combustion lente. Au cours de mon étude, j’utiliserai ces trois termes.
La combustion couvante se fait sans flamme et concerne des combustibles en phase condensée.
Les exemples de combustion couvante les plus connues sont la combustion du charbon de bois (FIGURE
4) la cigarette ((FIGURE 5A).
B. Illustration : la combustion de la cigarette
Le phénomène de smoldering peut être appréhendé en observant un feu couvant unidimensionnel
dans un objet commun, connu de tous, la cigarette. Le tabac est une matière cellulosique et le
déplacement de la zone de réaction se fait dans une seule direction.
FIGURE 4 : COMBUSTION COUVANTE DU
CHARBON DE BOIS
FIGURE 5A : LA COMBUSTION
COUVANTE DE LA CIGARETTE
15
La combustion couvante est initiée par une flamme de briquet qui est une source de chaleur suffisante
pour lancer la combustion auto-entretenue. La zone d’oxydation correspondant à la couleur
rougeoyante (incandescence) qui progresse vers le filtre et dans le sens de l’air aspiré.
Cette notion d’apport d’oxygène dans le sens de la propagation ou à l’inverse de la propagation sera
étudiée ultérieurement (paragraphe montage expérimental sur une maquette de comble, chapitre VIII
alinéa D.).
Derrière la zone d’oxydation, après le passage de la zone de réaction, il y a une zone de résidus
charbonnés appelé « CHAR » et des cendres (ashes).
Devant la zone d’oxydation, il y a une zone de pyrolyse qui dégage de la fumée (FIGURE 5B).
La dégradation thermique est précédée d’un autre phénomène appelé l’échauffement.
L’échauffement permet au combustible de monter en température et de chasser l’humidité
(préchauffage et séchage).
L’analyse et la description du smoldering lors de la combustion d’une cigarette sont intéressantes car
elles permettent de visualiser simplement ce phénomène.
Il existe 2 cas de figure dans le cadre de la propagation
unidirectionnelle (FIGURE 6) 2:
• L’air arrive dans le même sens que le déplacement du front
de réaction (forward flow), exemple de la cigarette.
• L’air arrive dans le sens opposé au déplacement du front
de réaction (opposed flow)
Dans la suite du mémoire, le forward flow sera appelé propagation à co-courant et l’opposed flow
sera appelé propagation à contre-courant. Ces appellations sont issues du mode de transfert de
chaleur dans les échangeurs thermiques.
Cependant les propagations unidirectionnelles sont incomplètes et idéalisées par rapport à la réalité.
La propagation étudiée n’est valable qu’en une dimension (1 D).
La réalité est beaucoup plus complexe et les propagations lors du smoldering sont souvent
multidirectionnelles. Dans le cas général, la propagation s’effectue dans les toutes les directions mais
2 SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Fifth Edition, page 584, Guillermo Rein
FIGURE 6 : MODE DE PROPAGATION
UNIDIRECTIONNEL
FIGURE 5B : EXEMPLE DE PROPAGATION UNIDIMENSIONNELLE
DANS UNE CIGARETTE
16
également à des vitesses différentes suivant la taille et l’hétérogénéité des particules concernées au
sein de la matière.
C. Conditions d’apparition
Pour que la combustion couvante ait lieu le combustible doit être finement divisé afin d’offrir une plus
grande surface d’échange avec l’oxygène. Le combustible devra également présenter des qualités en
termes de perméabilité. Cette porosité permettra à l’oxygène d’arriver jusqu’à la zone de réaction.
La température est également un facteur important. La phase d’échauffement se produit à partir de
50°C. Le séchage provoque une évaporation de l’humidité contenue dans les matériaux combustibles.
A 100°C l’eau liquide passe à l’état de vapeur.
À partir de 250°C, la pyrolyse de la ouate de cellulose3 suit la phase de séchage. La pyrolyse laissera la
place à l’oxydation des résidus charbonneux (Char) qui pourra aller jusqu’à l’incandescence suivant
l’apport d’oxygène.
Un équilibre s’établit entre la chaleur dégagée par l’oxydation et les pertes de chaleur liées aux
phénomènes endothermiques de séchage et de pyrolyse. Pour devenir auto-entretenu, le smoldering
doit avoir un bilan énergétique positif : plus de gain que de perte d’énergie.
Les températures pourront atteindre 700°C.
Une analyse plus détaillée est proposée lors des phases d’essais d’inflammabilité et de combustibilité
(chapitre VIII alinéa B.).
Le phénomène de smoldering en dehors des matériaux biosourcés intéresse d’autres produits naturels
comme la tourbe, le charbon ou des produits synthétiques manufacturés comme les mousses de
polyuréthane.
D. Réactions en présence
Cette combustion présente une particularité essentielle, l’oxygène doit entrer en contact directement
avec le solide poreux pour pouvoir réagir. La réaction est donc de nature solide-gaz.
Généralement le processus de combustion implique de nombreuses réactions chimiques. Le
phénomène de smoldering peut être simplifié selon les équations suivantes4 :
• Processus de pyrolyse
Combustible solide + chaleur gaz de pyrolyse + résidu charbonneux + cendres
• Processus d’oxydation hétérogène (gaz/solide)
3 G Rein, C Lautenberger, AC Fernandez-Pello, JL Torero, DL. Urban, Application of Genetic Algorithms and Thermogravimetry to Determine the Kinetics of Polyurethane Foam in Smoldering Combustion, Combustion and Flame 146 (1-2), pp 95–108,2006. 4 SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Fifth Edition, page 582, Guillermo Rein
Une fois la combustion auto-entretenue, le taux de propagation de la combustion lente est contrôlé
par 2 mécanismes :
• L’apport d’oxygène
• La perte de chaleur (plus l’isolant est efficace et moins la perte de chaleur est importante)
17
Résidu charbonneux + O2 (gaz) chaleur + CO2 +autres gaz + cendres
• Processus d’oxydation homogène (gaz/gaz)
Gaz de pyrolyse + O2 (gaz) chaleur + CO2 + H2O + autres gaz
Il est d’usage d’employer le terme CHAR pour définir le « résidu charbonneux ».
Pour le reste de l’étude j’utiliserai le terme CHAR.
Les températures atteintes sont inférieures à celle de la combustion classique d’une flamme de
diffusion (450 à 700 °C pour une combustion couvante au lieu de 1500 °C pour la flamme de diffusion)5.
E. Les risques associés6
5 SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Fifth Edition, page 582, Guillermo Rein 6 SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Fifth Edition, page 595, Guillermo Rein
Ce type de combustion présente les risques suivants :
• Pour les personnes, la production d’espèces gazeuses toxiques (essentiellement du
monoxyde de carbone). La combustion dite incomplète se caractérise par une production
plus importante de monoxyde de carbone par rapport à la combustion complète. Le
rapport des concentrations de CO/CO2 est d’environ 0,4 lors de la combustion
incandescente alors qu’il est de 0,1 lors d’une combustion enflammée. Les gaz de pyrolyse
génèrent des mélanges organiques volatils composés de (COV), des hydrocarbures
aromatiques polycycliques (HAP), d’autres hydrocarbures et particules.
• Pour la structure bâtimentaire, la production de flammes. La phase transitionnelle vers la
flamme de diffusion pourra se produire lorsque le front réactif de la combustion couvante
rencontrera un matériau solide approprié comme le bois. Cette particularité sera étudiée
ultérieurement (paragraphe montage expérimentale sur une maquette de comble).
18
VIII. Comportement au feu de la ouate de cellulose
A. Introduction
L’étude du phénomène de smoldering au sein de la ouate de la cellulose nécessite de connaitre ses propriétés d’inflammabilité et de combustibilité. L’inflammabilité représente la facilité d’allumage et la capacité à produire et maintenir une flamme. La combustibilité correspond à la capacité à se consumer.
Les propriétés d’inflammabilité et de combustibilité de la ouate de cellulose sont
connues depuis de nombreuses années. Un article de la revue du « NFPA
Association » (FIGURE 7) précisait en octobre 1934 que la température d’ignition de
la cellulose (papier) était de 239 °C.
La capacité d’inflammabilité de la ouate de cellulose est renforcée par la présence
d’impuretés de métaux alcalins contenus dans les végétaux. Les métaux alcalins ont
la particularité d’être très réactifs en présence d’oxygène ce qui a un impact non
négligeable lors de la combustion.
Afin de limiter ses propriétés d’inflammabilité et de
combustibilité la ouate de cellulose est traitée à l’aide d’acide
borique (3% d’acide borique) et de sulfate de magnésium.
Le principal effet du sel de Bore (FIGURE 8) est de limiter l’inflammabilité et la propagation de la combustion en permettant la formation du CHAR. Quant au sulfate de magnésium présent dans la ouate de cellulose, son principal intérêt est de libérer des molécules d’eau au fur et à mesure de la montée en température du produit.
Les propriétés d’inflammabilité et de combustibilité de la ouate de cellulose vont être déterminées lors des phases d’essais en cône calorimètre et en cône calorimètre à atmosphère contrôlée en mesurant :
• Le temps d’inflammation
• Le HRR (correspond au taux de dégagement de chaleur)
• Les températures atteintes et les vitesses de propagation
• La perte de masse
B. Montage expérimental pour les essais en cône calorimètre
1. Présentation du cône calorimètre
Le cône calorimètre (FIGURES 9-10-11-12) est un appareil d'essai qui répond aux normes ISO 5660-1, 2 & 3 et ASTM E 1354.
FIGURE 7 : REVUE NFPA
ASSOCIATION DE 1934
FIGURE 8 : SEL DE BORE 1
19
C'est un dispositif de calorimétrie permettant la détermination de :
• Débit calorifique en kW/m² par calorimétrie à déplétion d'oxygène • Chaleur effective de combustion en MJ/kg • Vitesse de perte de masse en g/s • Délais d'inflammation en s • Vitesse de production de fumées en m²/s • Concentrations en O2 (CO et CO2 en option)
FIGURE 9 : CONE CALORIMETRE DE L'ENSMA
POITIERS
20
FIGURE 10 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE D’UN CONE CALORIMETRE
2. Principe de fonctionnement du cône calorimètre
Un échantillon de produit est positionné dans un porte-échantillon métallique de 100 cm² (FIGURES
13-14) sur la thermobalance à 25 mm d’une résistance électrique délivrant un flux thermique
préalablement déterminé (exprimée en KW/m²).
La résistance thermique délivre un flux calibré sensé représenté le flux thermique d’un incendie.
Le produit, suivant ses caractéristiques, va émettre des gaz de pyrolyse qui au contact d’une source
d’ignition créée par une bougie vont s’enflammer ou non.
La thermobalance mesure l’évolution de la masse au cours du temps et donc de calculer la perte de
masse (exprimée en g/s).
Les fumées produites sont récupérées dans une hotte aspirante et des analyseurs de gaz situés dans
le conduit mesure la concentration des gaz O2, CO2, CO.
C’est à partir de ces concentrations que le taux de dégagement de chaleur appelé HRR (heat release
rate) est déterminé (voir résultats et interprétation).
FIGURE 11 : RESISTANCE CHAUFFANTE EN FORME DE
SPIRAL
FIGURE 12 : THERMOBALANCE
21
3. Essais
Les essais réalisés ont pour but de connaitre les propriétés d’inflammabilité et de combustibilité de la
ouate de cellulose avec 2 densités différentes 35 et 42 Kg/m³.
Cette différence de densité est intéressante car la ouate de cellulose au bout d’un certain nombre de
mois après la pose, se tasse avec une valeur maximum de 20% ce qui revient à modifier la densité du
produit. Après tassement la densité d’origine passe à 35 𝑋 20
100 + 35 = 42 kg/m³.
La ouate de cellulose est positionnée dans un porte-échantillon modifié pour ses essais pour
permettre la mesure de température dans l’épaisseur de la ouate de cellulose grâce à un
arbre de thermocouples (TC PROSENSOR 415-80-2-8 MMK, FIGURES 15-16). Elle est soumise à un flux de 20 KW/m² (+ ou – 5% d’erreur admise par la norme ISO 5660). Le flux
choisi correspond à celui nécessaire pour enflammer le mobilier commun (FIGURE 17). Une bougie
d’ignition amorce la réaction (FIGURE 18). Le temps d’inflammation est mesuré (FIGURE 19).
Les thermocouples mesurent le niveau de température atteint lors de la combustion couvante mais
aussi la vitesse de déplacement du front de réaction et donc la vitesse de propagation de la combustion
lente dans la ouate de cellulose.
Pour valider les résultats, les essais sont répétés 2 à 3 fois pour 2 densités différentes (35 kg/m³ et 42
kg/m³).
FIGURE 13 :
PORTE -ECHANTILLON VIDE
FIGURE 14 :
PORTE- ECHANTILLON AVEC
OUATE DE CELLULOSE
FIGURE 15 : ARBRE DE THERMOCOUPLES FIGURE 16 : MISE EN PLACE DU PORTE-ECHANTILLON SUR LA THERMO-BALANCE
22
4. Résultats et interprétation
a) Temps d’inflammation
Soumis à un flux de chaleur de 20 KW/m², le temps d’inflammation fluctue de 18 à 24 secondes
(FIGURE 20). Ces fluctuations sont indépendantes de la densité (35 ou 42 Kg/m²)
Test 1 Test 2 Test 3
Densité 35 kg/m³ 18 secondes 18 secondes 24 secondes
Densité 42 Kg/m³ 21 secondes 21 secondes 21 secondes
FIGURE 20 : TEMPS D'INFLAMMATION EN FONCTION DE LA DENSITE DE OUATE DE CELLULOSE
La ouate de cellulose traitée au bore soumise à un flux de 20 KW/m est inflammable. Le flux
d’inflammation critique de la ouate est donc inférieur à 20 KW/m² pour une épaisseur de 50 mm
d’échantillon. Ce flux d’inflammation critique a été étudié par Hadden et Al7. Il dépend de la hauteur
de masse combustible mais également de la nature du combustible.
7 R Hadden, A Alkatib, G Rein, JL Torero, Radiant Ignition of Polyurethane Foam: the Effect of Sample Size, Fire Technology 50 (3), pp. 673–691 (2014)
FIGURE 18 : BOUGIE D'IGNITION EN
ACTION FIGURE 19 : INFLAMMATION DE LA
OUATE DE CELLULOSE
FIGURE 17 : EFFETS DU FLUX RAYONNANT A TITRE D’EXEMPLE
23
Le temps d’inflammation est compris entre 18 et 24 secondes.
La différence de densité à peu d’impact sur le temps d’inflammation de la ouate de cellulose.
Le temps d’inflammation (noté tig) peut être déterminé selon la formule :
tig = 𝛑
𝟒𝐱 𝛌𝛒𝐜 𝐱 (
𝑻𝒊𝒈−𝑻𝜶
𝒒"𝒆)𝟐
Les données sont les suivantes :
λρc = 0,22 [KW/m²K] ² (source Quintière)
q’’e= 20 KW/m² (flux radiant)
Tig = 506,15° K (température d’inflammation)
T𝛼= 293,15 °K (température ambiante)
tig = 19,6 secondes ce qui est conforme avec les résultats trouvés.
b) Heat release rate (HRR)
Nous retrouvons différentes phases durant le test (FIGURE 21).
Une première phase d’inflammation avec l’atteinte d’un pic dans la valeur du taux de dégagement de chaleur,
appelé PIC HRR.
Ensuite, une phase descendante brutale qui permet d’atteindre un HRR proche de 20KW/m² appelée perte
d’inflammation.
Et enfin, une phase de descente progressive qui correspond au phénomène de smoldering.
Que ce soit pour le pic HRR ou la forme de la courbe, l’impact de la densité est pratiquement nul (FIGURE 22).
Les pic HRR (environ 100 KW / m²) sont conformes à la littérature pour la ouate de cellulose.
-20
0
20
40
60
80
100
120
26
8
13
4
20
0
26
63
32
39
8
46
4
53
05
96
66
2
72
8
79
4
86
0
92
69
92
10
58
11
24
11
90
12
56
13
22
13
88
14
54
15
20
15
86
16
52
17
18
17
84
18
50
19
16
19
82
20
48
HR
R K
W/m
²
temps (sec)
test 1 comparaison HRR densité 35 Kg/m³ et 42 Kg/m³
HRR test 1 densité 35 kg/m³ HRR test 1 densité 42 Kg/ m³
Pic HRR
Perte d’inflammation
smoldering
FIGURE 21 : COURBE DE COMPARAISON DU HRR/ TEMPS AVEC 2 DENSITES
24
Test 1 Test 2 Test 3
Pic HRR 35 kg/m³ 104,3 KW/m² 111,7 KW/m² 113 KW/m²
Pic HRR 42 Kg/m³ 103,6 KW/m² 103,8 KW/m² 105 KW/m²
FIGURE 22 : COMPARAISON DES PIC HRR LORS DES 3 TESTS REALISES
Le HRR peut être déterminé à partir des données extraites au cône calorimètre ou à partir de la perte de
masse.
Détermination du HRR à partir du cône calorimètre :
Pour obtenir le HRR il faut appliquer la formule suivante : de diviser le �̇� obtenu par la surface de
l’échantillon soit 0,00884 m²
HRR= �̇�
𝑨 KW /m²
Où �̇� est le taux de dégagement de chaleur exprimé en KW
Et A correspond à la surface de l’échantillon en m²
Lorsque l’O2 et le CO2 sont mesurés, la détermination du taux de dégagement de chaleur �̇� exprimé en KW se fait selon la formule suivante8 :
�̇� = 𝐸 Φ
1+ 𝛷(𝛼−1)M𝑚𝑒̇ ar
MO2
𝑀𝑎 (1 − 𝑋𝐻2𝑂
0 − 𝑋𝐶020 ) 𝑋𝑂2
𝐴0
Φ facteur d’appauvrissement en O2 se calcule grâce à la mesure d’O2, CO2 et CO
Φ = 𝑋𝑂2
𝐴0 (1 − 𝑋𝐶02𝐴 − 𝑋𝐶0
𝐴 ) − 𝑋𝑂2𝐴 (1 − 𝑋𝐶𝑂2
𝐴0 )
(1 − 𝑋02𝐴 − 𝑋𝐶02
𝐴 − 𝑋𝐶0𝐴 )𝑋𝑂2
𝐴0
𝑚𝑒̇ : Débit massique mesuré dans le conduit (kg/s) est déterminé selon la formule suivante :
𝑚𝑒̇ = 18 + 4 (1 − 𝑋𝐻2𝑂0 )( 𝑋𝑂2
𝐴 + 4 𝑋𝐶02𝐴 + 2,5)
E= 13,1 MJ/Kg chaleur perdue par unité de masse d’𝑂2 consumé
Eco= 17,6 MJ/Kg dégagement de chaleur par unité de masse d’𝑂2 consumé
𝑀𝑂2 : 32 kg/kmol 𝑀𝑎 : 29 kg/kmol 𝛼 : Facteur de combustion selon la littérature vaut 1,105
𝑋𝑂2𝐴 : fraction molaire d’O2 mesuré dans le conduit
𝑋𝐶0𝐴 : fraction molaire de C0 mesuré dans le conduit
𝑋𝐶02𝐴 : fraction molaire de CO2 mesuré dans le conduit
𝑋𝑂2𝐴0 : fraction molaire d’O2 dans l’air ambiant
𝑋𝐻2𝑂0 : fraction molaire d’eau dans l’air ambiant
8 « Measuring rate of heat release by oxygen consumption », Marc L. Janssens
25
Détermination du HRR à partir de la perte de masse mesurée :
Calcul du HRR sur 360 secondes :
HRR = �̇�
𝑨 x Δhc X ꭓ KW/m²
�̇� correspond au débit massique
�̇� = 𝑚
𝑡 où m est la masse de matière consommée exprimée en g et t le temps en secondes
�̇� = 6,4
360 = 0,017 g/s pour une surface de 0,00884 m²
Donc pour une surface de 1 m², HRR = 0,017
0.00884 x Δhc x ꭓ
Or ꭓ correspond au coefficient d’efficacité de combustion, ꭓ = 0,7 (lorsque la combustion des matériaux
génèrent des suies)
Et Δhc = 16 KJ/g 9 (chaleur de combustion réelle)
HRR= 0,017
0.00884 x 16 X 0,7
HRR= 21,53 KW/m²
Le Calcul du HRR est équivalent au HRR déterminé par le cône calorimètre sur 360 secondes (23 KW/m²).
c) Courbe température/temps
Ces essais ont pour but de :
• Connaitre le niveau des températures atteint,
• Comprendre le déplacement du front de réaction,
• Déterminer la vitesse de propagation de la combustion couvante
• Déterminer l’influence de la densité sur la vitesse de propagation au sein de la matière
9 Table 5.3, heats of combustion SFPE Handbook fifth edition, page 143
TC1
TC2 TC3
FIGURE 24 : LES SONDES SONT SEPAREES DE 1 CM. LE
THERMOCOUPLE 1 EST POSITIONNE VERS LE HAUT A 1,5 CM DE LA
SURFACE ET DONC LE PLUS PROCHE DE LA RESISTANCE ELECTRIQUE
26
FIGURE 25 : COURBE TEMPERATURE/TEMPS POUR UNE DENSITE DE 35 KG/M³
FIGURE 26 : COURBE TEMPERATURE/TEMPS POUR UNE DENSITE DE 42 KG/M³
0
100
200
300
400
500
600
700
0
60
12
0
18
0
24
0
30
0
36
0
42
0
48
0
54
0
60
0
66
0
72
0
78
0
84
0
90
0
96
0
10
20
10
80
11
40
12
00
tem
pér
atu
re °
C
temps (sec)
température/temps pour densité 35 Kg/m³
TC 3 TC 2 TC 1
0
100
200
300
400
500
600
700
0
50
10
0
15
0
20
0
25
0
30
0
35
0
40
0
45
0
50
0
55
0
60
0
65
0
70
0
75
0
80
0
85
0
90
0
95
0
10
00
10
50
11
00
11
50
12
00
tem
pér
atu
re °
c
temps (sec)
température/temps pour densité 42 Kg/m³
TC 3 TC 2 TC 1
27
Les profils de courbes sont identiques. Les températures atteintes quelle que soit la densité sont
identiques.
Densité 35 Kg/m³ Densité 42 Kg/m³
TC1 622°C 622°C
TC2 600°C 595°C
TC3 525°C 565°C
t1 390 secondes 350 secondes
t2 630 secondes 630 secondes
T3 810 secondes 820 secondes
t1-surface (1,5 cm) 390 secondes 350 secondes
t2-t1 (1cm) 240 secondes 280 secondes
t3-t2 (1 cm) 180 secondes 190 secondes
Vitesse de propagation entre TC1 et la surface
260 secondes/cm soit 2,28 mm/min
233 secondes/cm soit 2,58 mm/min
Vitesse de propagation entre TC2 et TC1
240 secondes/cm soit 2,46 mm/min
280 secondes/cm 2,1 mm/min
Vitesse de propagation entre TC3 et TC2
180 secondes/cm 3,3 mm/min
180 secondes/cm 3,3 mm/min
FIGURE 27 : TABLEAU SYNTHETIQUE DES TEMPERATURES, TEMPS, ET VITESSES DE PROPAGATION SUIVANT LES DENSITES
DE 35 KG/M³ ET 42 KG/M³
La vitesse d’inflammation est légèrement différente suivant la densité de ouate (densité à 35 kg/m³ ou
à 42 Kg/m³), cependant les valeurs sont du même ordre de grandeur.
Les températures atteintes sont quasiment similaires. L’impact de la densité sur les températures
atteintes est peu significatif.
La vitesse de propagation est de l’ordre de 0,04 mm/s.
Le tassement à 20% a peu d’effet significatif sur la vitesse de propagation.
La vitesse de propagation semble se ralentir lorsque l’épaisseur de la ouate de cellulose augmente.
Elle passe de 240 secondes à 180 secondes entre le TC2-TC1 et le TC3-TC2.
Les travaux de Palmer10 ont montré qu’un lien existe entre l’épaisseur de la couche de matériel poreux
type ouate de cellulose et le temps de pénétration de la combustion lente à l’intérieur de la couche
épaisse. Selon ce lien t = A L², t est le temps, A est une constante qu’il convient de déterminer lors des
mesures expérimentales et L correspond à l’épaisseur de la couche.
10 SFPE Handbook third Edition, section 2 chapitre 9, T.J Ohlemiller, page 2-202
28
d) Perte de masse
Les 2 courbes sur la durée complète de l’essai (1900 secondes) ont des formes identiques.
La pente de la tangente étant plus importante en début d’essai, on peut en déduire que la vitesse de perte de
masse est plus importante durant cette phase.
5. Conclusion
Soumis à un flux radiant de 20 KW/m², la ouate s’enflamme.
Le traitement au bore supprime rapidement la présence continue d’une flamme.
Une fois que la flamme disparait, le phénomène de combustion lente auto-entretenu est initié. Un
front de réaction se propage du haut vers le bas à une vitesse estimé à 1 cm/270 secondes. Les
températures atteintes sont relativement importantes (environ 600°C).
Le tassement de la ouate de cellulose, et donc la modification de sa densité, a peu d’impact sur
l’inflammabilité, les températures de la zone de réaction, la perte de masse et la vitesse de propagation
moyenne.
A ce stade des essais, plusieurs questions peuvent être posées :
• Quel est l’effet de l’apport d’oxygène sur l’inflammabilité et la combustibilité ?
• Quel est le réel impact de l’épaisseur de la couche sur la vitesse de propagation ?
• La transition entre la combustion lente vers une flamme de diffusion est-elle possible ?
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
2
65
12
8
19
1
25
4
31
7
38
0
44
3
50
6
56
9
63
2
69
5
75
8
82
1
88
4
94
71
01
0
10
73
11
36
11
99
12
62
13
25
13
88
14
51
15
14
15
77
16
40
17
03
17
66
18
29
18
92
19
55
20
18
mas
se (
g)
temps (secondes)
Comparaison perte de masse à 35 Kg/m³ et 42Kg/m³
35 Kg/m³ 42 Kg/m³
FIGURE 28 : COURBE PERTE DE MASSE SUIVANT LES DENSITE A 35 KG/M³ ET 42 KG/M³
29
C. Montage expérimental pour les essais en cône calorimètre à atmosphère contrôlée
1. Présentation du cône calorimètre à atmosphère contrôlée
Le cône calorimètre à atmosphère contrôlée permet d’étudier l’effet de l’appauvrissement en
oxygène sur l’inflammabilité et la combustibilité des matériaux.
L’évolution de la concentration en oxygène dans l’environnement de l’échantillon est possible en
modifiant l’admission d’azote et d’air.
Le débit total d’air est de 140 l/min soit 2,33 l/seconde contrairement au cône fire (cône calorimètre
traditionnel) où le débit d’air est de 24 l/seconde.
FIGURE 29 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DU CONE CALORIMETRE A ATMOSPHERE CONTROLE (CCAC)
30
FIGURE 30 : CONE CALORIMETRE A
ATMOSPHERE CONTROLE
FIGURE 31 : THERMOBALANCE AVEC LE
PORTE-ECHANTILLON
FIGURE 32 : DEBITMETRE AVEC MOLETTES DE REGLAGE AIR A GAUCHE ET AZOTE
A DROITE
31
2. Principe de fonctionnement du cône calorimètre à atmosphère contrôlée
Pour déterminer la concentration en O2, il faut régler manuellement le débit d’amenée d’azote et d’air.
Le calcul du débit d’Azote (𝑫𝑵𝟐) et d’air (𝑫𝒂𝒊𝒓) pour une certaine concentration en O2 se fait selon la
formule :
𝑫𝒂𝒊𝒓 + 𝑫𝑵𝟐 = 𝑫𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍
D’où 𝑫𝑵𝟐 = 𝑫𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 - 𝑫𝒂𝒊𝒓
𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 140 l/min (correspond au débit maximum pouvant être injecté dans le cône)
Exemple de calcul du débit d’azote pour obtenir un pourcentage d’O2 égal à 15% :
𝐷𝑂2
𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =
15
100 = 0,15
Or 𝐷𝑂2 = 21 % 𝐷𝑎𝑖𝑟 soit 𝐷𝑂2 = 0,21 𝑋 𝐷𝑎𝑖𝑟
Donc 0,21 𝑋 𝐷𝑎𝑖𝑟
𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,15
𝐷𝑎𝑖𝑟
𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =
0,15
0,21
𝐷𝑎𝑖𝑟 = 0,15
0,21𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Or 𝐷𝑎𝑖𝑟 = 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙− 𝐷𝑁2
𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙− 𝐷𝑁2 = 0,15
0,21𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐷𝑁2 = 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 −0,15
0,21𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐷𝑁2 = 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙( 1 −0,15
0,21)
Or 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 140 l/min
Donc 𝐷𝑁2 = 140 ( 1 −15
21) l/min
𝑫𝑵𝟐 = 𝟒𝟎 𝒍/𝒎𝒊𝒏
Pour avoir 15% d’O2 dans le cône calorimétre il faut injecter un débit de 40 l/min d’AZOTE.
3 % d’O2 10% d’O2 15% d’O2 21% d’O2
120 l/min d’Azote 73 l/min d’Azote 40 l/min d’Azote 0 l/min
FIGURE 33 : TABLEAU DE CORRESPONDANCE ENTRE LE % D’OXYGENE ET LE DEBIT D’AZOTE
32
3. Essais
Les essais ont été réalisés pour des concentrations en oxygène de 3%, 10%, 15%, 21% (2 à 4 tests pour chaque concentration). La concentration à 0 % était impossible à obtenir car l'azote utilisé provenait d'un générateur d'azote. L’azote généré présentait une pureté de ce dernier pouvant être variable dans le temps et en fonction des conditions météorologiques.
4. Résultats et interprétation
a) Temps d’inflammation
3% d’O2 10% d’O2 15% d’O2 21% d’O2
Pas d’inflammation Pas d’inflammation 13 secondes 11 secondes
FIGURE 34 : TEMPS D'INFLAMMATION EN FONCTION DU % D’OXYGENE
L’inflammation de la ouate de cellulose n’est possible qu’à partir d’un pourcentage d’O2 compris entre
10 et 15%.
Au cône calorimètre traditionnel (Fire cône), le temps d’inflammation était de 19 secondes.
Le temps d’inflammation à 21% d’O2 sous cône calorimètre à atmosphère contrôlé (11 secondes) est
largement inférieur. Ce décalage est lié à la différence de débit d’air entrant entre les 2 cônes (Fire et
CCAC). En effet, le débit d’air entrant est de 24 l/seconde pour le fire cône et 2,33 l/seconde pour le
CCAC. La dilution des gaz de pyrolyse est plus importante sous Fire cône ce qui explique que le temps
d’inflammation est plus long.
33
b) Heat release rate (HRR)
Pour pourcentage d’O2 inférieur à 10 %, le taux de dégagement de chaleur est nul.
Le taux de dégagement de chaleur atteint 36 KW/m² pour un pourcentage d’O2 correspondant à celui
présent dans l’air ambiant.
Ces courbes sont cohérentes car le HRR est dépendant de la fraction molaire d’O2 dans l’air ambiant
entrant dans le cône calorimètre. Plus il est faible et plus le HRR est faible.
Par contre, il est intéressant de constater que pour un pourcentage d’oxygène inférieur à 15%, un
dégagement de chaleur est mesurable même si la courbe est très instable.
FIGURE 35 : COURBES HRR EN FONCTION DU TEMPS SUIVANT LE % D’OXYGENE
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
15
21
03
15
42
05
25
63
07
35
84
09
46
05
11
56
26
13
66
47
15
76
68
17
86
89
19
97
01
02
11
07
21
12
31
17
41
22
51
27
61
32
71
37
81
42
91
48
01
53
11
58
21
63
31
68
41
73
51
78
6
HR
R (
KW
/m²)
Temps (secondes)
HRR en fonction du % d'O2
HRR 3 % O2 HRR 10 % O2 HRR 15 % O2 HRR 21 % O2
34
c) Courbe température/temps
L’analyse des différentes courbes confirme que les températures sont dépendantes du pourcentage
d’O2.
Au niveau du thermocouple TC 3, les relevés réalisés indiquent que le déplacement du front de réaction
est plus lent lorsque le pourcentage d’O2 est faible.
Au niveau du thermocouple TC3, Il faut :
• 1229 secondes pour attendre 400 °C avec 3 % O2
• 505 secondes pour attendre 400°C avec 10 % O2
• 335 secondes pour atteindre 400°C avec 15 % O2
• 312 secondes pour atteindre 400°C avec 21% O2
0
100
200
300
400
500
600
0
98
19
6
29
4
39
2
49
0
58
8
68
6
78
4
88
2
98
0
10
78
11
76
12
74
13
72
14
70
15
68
16
66
17
64
Tem
pér
atu
re (
°C)
temps (secondes)
Températures 3% O2
TC3 TC2 TC1 température des fumées
0
100
200
300
400
500
600
0
10
2
20
4
30
6
40
8
51
0
61
2
71
4
81
6
91
8
10
20
11
22
12
24
13
26
14
28
15
30
16
32
17
34
tem
pér
atu
res
(°C
)
temps (secondes)
Temperatures 10 % O2
TC 3 TC2 TC1 Température fumées
0
100
200
300
400
500
600
700
0
10
1
20
2
30
3
40
4
50
5
60
6
70
7
80
8
90
9
10
10
11
11
12
12
13
13
14
14
15
15
16
16
17
17
18
18
tem
pér
atu
res
(°C
)
temps (secondes)
températures 15 % O2
TC3 TC2 TC1 températures fumées
0
100
200
300
400
500
600
700
01
23
24
63
69
49
26
15
73
88
61
98
41
10
71
23
01
35
31
47
61
59
91
72
21
84
51
96
82
09
1
tem
pér
atu
res
'°C
)
temps (secondes)
températures 21 % O2
TC3 TC2 TC1 températures fumées
FIGURE 36 : Synthèse des courbes températures/temps en fonction du % d’oxygène
35
d) Perte de masse
FIGURE 37 : COURBE PERTE DE MASSE SUIVANT % D’OXYGENE
La perte de masse traduit la consommation de la matière par la combustion.
L’analyse des courbes permet de préciser certains éléments. La perte de masse est directement liée
au pourcentage d’O2 dans l’air ambiant. Plus le milieu est appauvri en O2, moins la perte de masse sera
importante. En revanche, pour des taux d’alimentation en O2 proche de 3 %, la perte de masse existe
malgré tout.
L’inflammation pour des faibles pourcentages en O2 (inférieurs à 10%) est impossible.
Lorsque le taux d’oxygène est faible (3% et 10%), l’oxydation du CHAR ne se produit pas.
A ces taux d’oxygène, il n’y a pas d’incandescence et donc pas de production de cendres (FIGURE 38).
En revanche pour un taux d’oxygène à partir de 15 %, l’oxydation du CHAR se produit avec présence
de cendre (FIGURE 39).
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
0
60
12
0
18
0
24
0
30
0
36
0
42
0
48
0
54
0
60
0
66
0
72
0
78
0
84
0
90
0
96
0
10
20
10
80
11
40
12
00
12
60
13
20
13
80
14
40
15
00
15
60
16
20
16
80
17
40
18
00
mas
se (
g)
temps (secondes)
comparaison des pertes de masse en fonction du % d'O2
perte de masse 0% O2 perte de masse 10% 02
perte de masse 15% O2 perte de masse 21% O2
FIGURE 38 : ECHANTILLON APRES PASSAGE
AU CCAC AVEC 3 % D’OXYGENE.
FIGURE 39 : ECHANTILLON APRES PASSAGE
AU CCAC AVEC 21 % D’OXYGENE.
36
5. Conclusion
Soumis à un flux radiant de 20 KW/m², l’inflammation de la ouate de cellulose est possible pour des
pourcentages d’oxygène dans l’air ambiant compris entre 10 et 15 % d’oxygène.
Le pourcentage d’oxygène a un impact sur les températures atteintes lors de la combustion de la ouate
de cellulose et également sur le taux de dégagement de chaleur.
Pour des pourcentages d’O2 faibles (3 et 10 % d’O2), l’oxydation du char ne se produisant pas, il n’y a
pas d’incandescence ce qui explique que les températures atteintes sont moins importantes.
Même à des taux très faibles d’oxygène dans l’air ambiant, la dégradation thermique du solide
notamment la pyrolyse, existe et du CHAR est produit. Cette pyrolyse est un phénomène
endothermique ce qui peut expliquer que le taux de dégagement de chaleur est nul entre 3 et 10% O2
dans l’air.
D. Montage expérimental pour les essais sur une maquette représentant les combles d’une habitation
1. Présentation de la maquette
La maquette créée représente une coupe de comble. Elle est composée :
• d’un cadre en bois représentant le faux solivage bois
• de suspentes métalliques pour fixer des fourrures métalliques
• de 2 fourrures métalliques pour accueillir une plaque de placoplâtre BA13
• Un spot halogène de 40 W au centre alimenté en 220 V représentant la source de
chauffage de la combustion
La maquette est ensuite remplie de ouate de cellulose avec une densité de 35 Kg/m³.
Puis l’allumage de l’ampoule halogène est réalisée.
FIGURE 40 : PRESENTATION DE LA MAQUETTE REPRESENTANT UNE COUPE DE COMBLE
37
2. Campagne d’essais
Quatre essais sont effectués, 2 au SDIS 44 et 2 à l’ENSMA de Poitiers.
a) 1er essai
(1) Présentation du 1er essai
Le premier essai s’est déroulé le 11 septembre 2019 avec des conditions météorologiques favorables
(temps sec et une température extérieure d’environ 22°C).
Il a consisté à vérifier la crédibilité du scénario envisagé et de confirmer les attendus.
Ce premier essai visait à savoir si une combustion de la ouate de cellulose était possible dans la
configuration se rapprochant des conditions réelles de mise en œuvre de la ouate de cellulose dans
des combles de bâtiment.
L’essai se rapproche de scenarios réels opérationnels mis en évidence au cours d’investigations post-
incendie.
Un spot allogène encastré et allumé peut-il être à l’origine d’un incendie dans les combles d’une
structure bâtimentaire?
Une sonde thermocouple est installée à 8,5 cm du fond de la maquette au droit de l’ampoule.
38
(2) Description des signes observés
Tem
ps
De 0 seconde A 1800 secondes (30 minutes)
1800 secondes (30 minutes)
De 1800 secondes (30 minutes) à 9000 secondes (150 minutes)
9000 secondes (150 minutes)
Ph
oto
s
Sign
es
ob
serv
és
La densité de ouate est de 365 Kg/m³ L’épaisseur de la couche est de 0,25 m Le test se déroule le 11 septembre. Les conditions météorologiques sont favorables avec un beau temps et une température extérieure de l’ordre de 25 °C. Un thermocouple est installé à l’aplomb du spot halogène à 8,5 cm au-dessus du fond de la maquette et 5 cm au-dessus du spot. L’allumage du spot halogène est réalisé. Pendant 1800 secondes, aucun signe extérieur n’est apparent. Pas de fumée. En revanche, les températures relevés augmentent très rapidement.
Au bout de 1800 secondes, de la fumée indiquant de la pyrolyse apparait suivi d’une tache noirâtre confirmant la production du CHAR. La température atteinte au niveau du TC indique 300 °C (FIGURE 41). La température d’inflammation de la ouate de cellulose (249°C) et du bois (250 à 300 °C) est atteinte.
Sur les bords de la maquette, un espace se créé consécutif à l’affaissement de la ouate en partie centrale. Ce vide d’air a un rôle majeur puisqu’il permet à l’oxygène d’arriver plus facilement au cœur de la ouate et au niveau du bois qui commence à pyrolyser. Des traces de CHAR et de pyrolyse s’étalent à la surface. La perte de matière est visible car l’épaisseur de la ouate de cellulose diminue. Des cavités apparaissent dans la ouate confirmant la perte de masse du produit. Ces cavités constituent de véritable puit d’infiltration d’oxygène vers les parties de bois en train de pyrolyser. Nous pouvons distinguer des zones de char (résidus charbonneux) et de cendres (ashes) après le passage. L’oxydation du char se produit. Des zones incandescentes apparaissent.
A 9000 secondes, une phase de transition se produit permettant le passage de la combustion couvante vers la flamme de diffusion. L’inflammation des parties en bois se produit.
39
(3) Analyse et commentaires
Le phénomène de smoldering peut être initié avec une source d’origine électrique domestique comme
un spot halogène classique d’une puissance de 40 W. Ce spot est à l’origine d’un chauffage radiatif sur
la ouate de cellulose.
Très peu de signes extérieurs sont visibles pendant les 30 premières minutes.
Le dégagement de chaleur est à l’origine de différents phénomènes thermiques comme la pyrolyse, la
production de CHAR, l’oxydation du char, la production de cendres.
La transition vers la combustion vive est rendue possible grâce à la rencontre du front de réaction avec
les pièces de bois en sapin qui présentent une température d’inflammation comprise entre 250 et 300
°C.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
tem
pér
atu
re °
C
temps (sec)
évolution température en fonction du temps
FIGURE 41 : PROFIL DE TEMPERATURE ATTEINTE DANS LA MAQUETTE
A ce stade des essais, je suis en mesure de préciser que le phénomène de smoldering est un
processus de combustion avec différentes étapes chronologiques qui peuvent être décrites de la
manière suivante :
source de chaleur
échauffement pyrolyseproduction du
charoxydation du
charproduction des
cendres
40
b) 2ième essai
(1) Présentation du 2ième essai
Le second test s’est déroulé au laboratoire de l’ENSMA à Poitiers le 14 novembre 2019. Les conditions
météorologiques se caractérisent pas une période de plusieurs semaines de pluie sur la région et une
température extérieure entre 8 et 12°C. Le sac de ouate de cellulose est ouvert depuis le début du
mois de septembre.
Entre 2 campagnes d’essais le sac est maintenu fermé à l’aide d’adhésif.
La maquette utilisée présente un volume total V= 0,075 m³ (FIGURE 42).
La densité de ouate de cellulose est D= 35 Kg/m³.
La masse de ouate de cellulose positionnée dans la maquette est de
m = V x D soit m = 2,625 Kg.
Différents arbres de thermocouples sont installés dans la maquette afin de mesurer les températures
atteintes, la vitesse de propagation (FIGURE 43).
Le spot encastré est de type halogène et présente une puissance de 40W.
FIGURE 42 : MAQUETTE VU DU DESSUS FIGURE 43 : MAQUETTE INSTRUMENTEE PAR DES
ARBRES DE THERMOCOUPLES
41
Les 21 thermocouples, à partir de la référence 0, sont positionnés de la manière suivante :
Numéro des TC Position x (mm) Position y (mm) Position z (mm)
TC1 240 240 85
TC2 240 240 115
TC3 240 240 145
TC4 240 240 175
TC5 240 240 205
TC6 240 240 235
TC7 240 240 265
TC8 240 240 295
TC9 240 240 325
TC10 240 240 355
TC11 240 240 385
TC 21 275 240 10
TC 22 290 240 45
TC 23 305 240 85
TC 24 320 240 115
TC 25 335 240 150
TC 26 350 240 185
TC 27 365 240 220
TC 28 380 240 255
TC 29 395 240 290
TC 30 410 240 325
FIGURE 45 : COORDONNEES GEOMETRIQUES DES DIFFERENTS THERMOCOUPLES
TC 1
Spot
halogène
encastré
x
y z
0
TC 11
TC 6
TC 21
TC 30
TC 25
FIGURE 44 : REPRESENTATION EN COUPE DE LA MAQUETTE AVEC LES 2 ARBRES DE THERMOCOUPLES ET LEURS
EMPLACEMENTS SELON LES 3 AXES X, Y, Z
42
Les thermocouples TC1 à TC11 sont positionnés du bas vers le haut au droit de l’ampoule halogène.
Les thermocouples TC21 à TC31 sont positionnés du bas vers le haut sur le côté de l’ampoule suivant
un axe oblique. Le rôle de ces thermocouples est de déterminer un profil de propagation d’onde de
chaleur et du front de réaction.
43
FIGURE 46 : COURBES TEMPERATURE/TEMPS DES TC 1 A TC11
FIGURE 47 : COURBES TEMPERATURES/TEMPS DES TC 21 A TC 30
(2) Résultats et interprétation du 2ième essai
0
50
100
150
200
2500
31
06
20
93
01
24
01
55
01
86
02
17
02
48
02
79
03
10
03
41
03
72
04
03
04
34
04
65
04
96
05
27
05
58
05
89
06
20
06
51
06
82
07
13
07
44
07
75
08
06
08
37
08
68
08
99
09
30
09
61
09
92
01
02
30
10
54
0
tem
pér
atu
re (
¨C)
temps (secondes)
courbe température/temps TC 1 à TC 11
TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6
TC7 TC8 TC9 TC10 TC11
0
50
100
150
200
250
300
03
10
62
09
30
12
40
15
50
18
60
21
70
24
80
27
90
31
00
34
10
37
20
40
30
43
40
46
50
49
60
52
70
55
80
58
90
62
00
65
10
68
20
71
30
74
40
77
50
80
60
83
70
86
80
89
90
93
00
96
10
99
20
10
23
01
05
40
tem
pér
atu
re (
°C)
temps (secondes)
courbe température TC 21 à TC 30
TC21 TC22 TC23 TC24 TC25
TC26 TC27 TC 28 TC 29 TC 30
44
Les températures relevées lors de cet essai sont nettement inférieures à celles relevées lors du test
n°1.
Au bout de trois heures, aucun signe visible (fumée, crépitements, chaleur perçue à la surface
extérieure de la maquette, …) depuis l’extérieur n’a pu être relevé.
Les courbes au début de l’allumage du spot progressent rapidement et ensuite stagne au bout de 6000
secondes (FIGURES 46 et 47).
La température d’inflammation de la ouate de cellulose (250°C) n’est pas atteinte au bout de 10800
secondes.
Lors du retrait de la ouate de cellulose une zone de pyrolyse apparait, localisée très proche de la douille
en céramique. La combustion est très lente. Il n’y a pas d’incandescence (FIGURE 48).
Les relevés de températures indiquent le déplacement d’une onde de chaleur mais pas d’un front de
réaction de combustion couvante.
(3) Analyse et commentaires
Les résultats contrastent énormément avec les résultats extraits du 1er essai.
La vitesse de réaction est extrêmement lente.
A ce stade, deux phénomènes peuvent expliquer ce décalage :
1. L’humidité au sein de la matière ralentit le processus de combustion couvante.
L’enthalpie de vaporisation de l’eau est de l’ordre de 2265 KJ/Kg. Cela signifie qu’il faut apporter une
énergie de 2265 KJ pour assurer la vaporisation d’un litre d’eau ou 1 Kg.
La ouate de cellulose utilisée lors de ces essais est soumise à l’humidité ambiante.
FIGURE 48 : APPARITION DE SIGNES DE PYROLYSE ET DE CHAR LOCALISES AUTOUR DE LA
DOUILLE EN CERAMIQUE
45
Le processus de vaporisation de l’eau à l’intérieur de la ouate de cellulose humide absorbe de l’énergie.
Cette perte énergie doit être compensée pour un apport de chaleur suffisant pour lancer le processus
de combustion.
L’humidité du milieu ambiant a donc une influence non négligeable et réelle sur la vitesse de
propagation. Cependant les courbes de températures relevées restent ascendantes et l’atteinte de la
température d’ignition de la ouate de cellulose pourrait être atteinte au bout de 7 heures d’expérience.
2. L’humidité contenue dans la ouate de cellulose favorise le déséquilibre entre les gains et les
pertes d’énergie :
Dans le domaine de la construction, la relation entre la conductivité thermique d’un matériau sec et
celle d’un matériau humide est la suivante :
λ = k. λ0 𝑒0,08 𝐻
K est un coefficient de dimension
λ conductivité thermique avec humidité
λ0 conductivité thermique avec matériau sec
H : taux d’humidité
Plus l’humidité dans le matériau est importante, plus la conductivité thermique est importante. Si la
conductivité thermique est forte alors la ouate de cellulose ne garde pas sa chaleur.
Afin de diminuer le délai d’ignition de la ouate de cellulose, la configuration des 4 essais suivants va
être modifiée afin que l’apport d’énergie au départ de l’expérience soit plus important. De plus l’objet
du mémoire (cf. introduction) n’est pas de quantifier la quantité d’énergie nécessaire à l’ignition mais
bien de comprendre le phénomène de smoldering dans son intégralité.
Le choix qui est fait pour permettre d’augmenter la quantité d’énergie au démarrage de l’expérience
est d’inverser le sens de l’ampoule halogène. La douille se trouve vers l’extérieur de la maquette et le
verre en quartz vers l’intérieur.
46
c) 3ième essai
(1) Présentation du 3ième essai
Le 3ième essai s’est déroulé le 21 novembre 2019 dans les locaux du laboratoire de combustion de
l’ENSMA à Poitiers. Les conditions météorologiques sont similaires à celles du 2ième essai.
Afin de valider les hypothèses émises lors 2ième essai, le spot de 40 watts est tourné. Le verre à base de
quartz est positionné contre la ouate. Les thermocouples sont positionnés de manière identique au
second essai. L’objectif de cet essai est de mesurer l’effet d’une propagation couvante de bas en haut
à l’opposé de l’apport d’air, appelée propagation à contre-courant.
TC 1
Spot halogène
encastré
x
y z
0
TC 11
TC 6
TC 21
TC 25
TC 30
FIGURE 49 : REPRESENTATION EN COUPE DE LA MAQUETTE AVEC LES 2 ARBRES DE THERMOCOUPLES ET LEURS
EMPLACEMENTS SELON LES 3 AXES X, Y, Z. LE SPOT HALOGENE A ETE RETOURNE POUR APPORTER UNE ENERGIE
SUFFISANTE AU DECLENCHEMENT DE LA COMBUSTION COUVANTE ET MESURER L’EFFET DE LA PROPAGATION A
CONTRE-COURANT
47
(2) Résultats et interprétation du 3ième essai
FIGURE 50 : COURBES TEMPERATURES/TEMPS DES TC 1 A TC 11
FIGURE 51 : COURBES TEMPERATURES/TEMPS DES TC 21 A TC 30
0
100
200
300
400
500
600
0
34
0
68
0
10
20
13
60
17
00
20
40
23
80
27
20
30
60
34
00
37
40
40
80
44
20
47
60
51
00
54
40
57
80
61
20
64
60
68
00
71
40
74
80
78
20
81
60
85
00
88
40
91
80
95
20
98
60
10
20
0
10
54
0
10
88
0
11
22
0
11
56
0
tem
pér
atu
resv
(°C
)
temps (secondes)
Courbe température/temps TC 1 à TC 11
TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6 TC7 TC8 TC9 TC10 TC11
0
100
200
300
400
500
600
0
34
0
68
0
10
20
13
60
17
00
20
40
23
80
27
20
30
60
34
00
37
40
40
80
44
20
47
60
51
00
54
40
57
80
61
20
64
60
68
00
71
40
74
80
78
20
81
60
85
00
88
40
91
80
95
20
98
60
10
20
0
10
54
0
10
88
0
11
22
0
11
56
0
tem
pér
atu
re (
°C)
temps (secondes)
courbe température/temps TC 21 à TC 30
TC21 TC22 TC23 TC24 TC25 TC26 TC27 TC28 TC29 TC30
48
Les températures maximales atteintes (500°C) sont nettement supérieures à celles enregistrées lors
de l’essai n°2. La température d’ignition de la ouate de cellulose (250 °C) est atteinte au bout de 1480
secondes au niveau du TC 1 et 1820 au niveau du TC 21 (FIGURE 50 et 51)
Celles atteintes au-dessus du point d’ignition à la verticale de l’ampoule sont les plus importantes.
Le processus de combustion est auto-entretenu.
N° TC TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 ΔH TC5/TC1
Δt TC5/TC1
Vitesse de propagation
mm/min
Temps d’atteinte
1480 sec 3800 sec 5260 sec 6960 sec 11130 sec 9650 sec
0,72 mm/min
Hauteur Z en mm
85 mm 115 mm 145 mm 175 mm 205 mm 120 mm
N°TC TC21 TC22 TC23 TC24 TC25 ΔH TC25/TC21
Δt TC5/TC1
Vitesse de propagation
Temps d’atteinte
1820 sec 2450 sec 3940 sec 6570 sec 9510 sec 7690 sec 1 mm/min
Hauteur Z en mm
10 mm 45 mm 85 mm 115 mm 150 mm 140 mm
FIGURE 52 : TEMPS D’ATTEINTE DE LA TEMPERATURE SEUIL DE 250°C ET VITESSE DE PROPAGATION
Dans cet essai la propagation du front de réaction se passe de bas en haut et l’air arrive de haut en bas
(propagation à contre-courant).
La vitesse de propagation du front de réaction est comprise entre 0,72 mm/min (TC 1 à TC 5) et 1
mm/min (TC 21 à TC 25) (FIGURE 52). Cette vitesse de propagation est plus lente que celle déterminée
dans l’échantillon de 50 mm de profondeur (tests réalisés en cône calorimètre). La vitesse de
propagation dans l’échantillon de 50 mm était de l’ordre de 3 mm/min. La comparaison ne peut
cependant pas être effectuée car la source d’ignition, sa puissance et son positionnement étaient
différents.
49
(3) Description des signes observés
Tem
ps 0 seconde 7200 secondes
(120 minutes) 8100 secondes (135 minutes)
10800 secondes (180 minutes)
11600 secondes (193 minutes)
Ph
oto
s
Sign
es
ob
serv
és
Aucun signe visible. La montée en température se fait progressivement pour atteindre 250 °C au bout de 1480 secondes au niveau du TC1 (FIGURE 52). Au bout de 2760 secondes (46 minutes), des filets de fumée ponctuels apparaissent à la surface. Au bout de 3000 secondes (50 minutes) les filets de fumée sont permanents. Rien n’est visible à la caméra thermique. Le niveau de ouate de cellulose baisse progressivement.
Filets de fumée permanents. Zone blanche visible à la caméra thermique en surface. La hauteur de la ouate de cellulose a baissé de 40 mm.
Filets de fumée permanents. Point rouge visible à la caméra thermique en surface. La hauteur de la ouate de cellulose a baissé de 70 mm.
Dégagement de fumée permanent. Nombreuses zones rouges à la surface de la maquette. La hauteur de la ouate de cellulose a baissé de 90 mm.
Arrêt de l’expérience. Enlèvement de la ouate saine. Premiers signes de pyrolyse trouvés à 22 cm du fond de la maquette (coloration brune de la ouate de cellulose). Premières traces de CHAR (zones noires) découvertes à 19 cm du fond de la maquette. Le solivage bois situé à 21 cm au-dessus du fond de la maquette n’est pas impacté.
50
(4) Analyse et commentaires
Les travaux de Palmer11 réalisés dans des conditions similaires, où le front couvant se trouve à la base
d’une couche de combustible et où l’apport d’air se fait à l’opposé de la source d’ignition (propagation
à contre-courant) mettent en évidence que plus l’épaisseur de la couche de combustible est
importante plus la fumée mettra du temps à arriver à la surface suivant la formule t = A L² (FIGURE 52)
A étant une constante mesurée lors d’étude expérimentale
L étant l’épaisseur de la couche de combustible (en cm)
t étant le temps (en heure)
La ouate de cellulose est poreuse et constitue ainsi un véritable filtre pour les aérosols. Ceci explique
que les premières traces de fumées n’apparaissent qu’au bout de 46 minutes après le début de
l’expérience.
Les gaz de pyrolyse n’apparaissent que dans certaines parties de la maquette et donc de manière
inégale au niveau de la surface du lit de combustible
Le déplacement vertical des gaz de pyrolyse, en présence d’un apport d’air naturel non forcé, suit la
perméabilité du milieu. C’est l’application concrète de la loi de DARCY12. Ce scientifique avait réussi à
établir un lien entre le débit d’un fluide et la pression qu’il exerçait au sein d’un matériel poreux. Les
gaz de pyrolyse, pilotés par la flottabilité, suivront le cheminement offrant le moins de résistance à
l’écoulement.
11 K. Palmer, “Smoldering Combustion in Dusts and Fibrous Materials,” Combustion and Flame, 1, p. 129 (1957). 12 Loi de DARCY : Loi physique de 1856 qui exprime le débit d’un fluide en fonction de la perméabilité du milieu
FIGURE 52 :
Combustion couvante à contre-courant à l'intérieur d'épaisses couches de sciure de bois mélangées. Carrés : couche d'initiale de 0,025 mètre de profondeur, 0,3 mètre boîte carrée Diamants : couche initiale de 0,052 mètres de profondeur, 0,3 mètre boîte carrée Triangles : couche initiale de 0,052 mètre de profondeur, 0,6 mètre boîte carrée Cercles : couche initiale de 0,052 mètre de profondeur, 0,9 mètre boîte carrée.
51
Le flux d’air arrivant au niveau de la zone de
réaction située en partie basse se fait
naturellement.
La convection se faisant naturellement la valeur
du coefficient d’échange convectif13 noté h est
compris entre 5 et 30 W /m²/K (soit 20.10−3KW/
m²/K).
La surface de la maquette est a = 0,16 m².
Le flux d’échange convectif moyen sur un temps
d’expérience de 9650 secondes peut être
déterminé selon la formule suivante :
Φ = h a (𝑇𝑇𝐶1- 𝑇𝑇𝐶5) exprimé en KW
h = 20.10−3KW/m²/K
𝑇𝑇𝐶1 = 780 °K
𝑇𝑇𝐶5 = 481 °K
Application numérique :
Φ = 20.10−3 x 0,16 x (780-481) KW
Φ = 0,9568 KW sur 0,16 m²
Φ = 6 KW/m²
Pour que la combustion couvante puisse être auto-entretenue, il faut que le bilan énergétique entre
les gains et les pertes soit positif.
La vitesse du front de propagation est déterminée par l’équilibre entre :
• La chaleur libérée par unité de masse d’O2 réagissant
• L’énergie nécessaire pour chauffer le combustible vierge et le flux d’air entrant
• Les pertes de chaleur dans l’environnement
La formule relative à la vitesse du front de propagation peut s’écrire14 :
Usml = �̇� ‘’O2 Qsml−�̇� ‘’g Cpg (Tsml −T0)− �̇�’’loss
Al
Ac+ �̇�’’ig
ρsCps(1−φ)(Tsml−T0)
Usml : vitesse de propagation de la combustion lente
�̇�’’ig : chaleur transférée par l’allumeur. Négligeable car on étudie la combustion auto-entretenue.
�̇� ‘’O2 Qsml : chaleur dégagée par la réaction �̇� ‘’O2 (Kg/m².s) et Qsml : MJ/Kg
13 Introduction aux transferts thermiques Battaglia, page 93 14 Smouldering Combustion Phenomena in Science an Technology, Guillaume Rein. BRE Centre for fire Safety Engineering. The
University of Edinburgh, UK, janvier 2009, page 9
Propagation du
front de réaction
Arrivée de l’air ambiant
FIGURE 53 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA PROPAGATION A
CONTRE-COURANT
52
�̇�’’loss Al/Ac : perte de chaleur de l’environnement externe où AL/Ac représente le rapport de la zone latérale
à la section transversale du front de combustion couvante.
ρsCps(1-φ)(Tsml-T0) : propriété du solide. ρsCpsΔT représente la chaleur qui s’accumule dans un
volume. (1-φ) prend en compte la porosité du solide.
�̇� ‘’g Cpg (Tsml -T0) : énergie nécessaire pour chauffer le flux d’air entrant à la température de la
combustion lente. Insignifiant par rapport aux autres termes énergétiques.
Alors la simplification suivante est possible :
Usml = �̇� ‘’O2 Qsml − �̇�’’loss
Al
Ac
ρsCps(1−φ)(Tsml−T0)
Plus la perte de chaleur dans l’environnement (�̇�’’loss Al/Ac) est importante et moins la vitesse de
propagation est importante.
La vitesse de propagation est liée à l’apport d’O2 au niveau de la zone de réaction. Plus l’apport d’O2
est important et plus la vitesse de propagation au sein de la matière sera rapide.
L’air est transporté au niveau du front de réaction par 2 phénomènes : la convection et la diffusion à
travers la matière.
Lorsque que le front de réaction se trouve en profondeur, c’est la diffusion qui domine.
d) 4ième essai
(1) Présentation du 4ième essai
Le 4ième essai s’est déroulé le 21 novembre 2019 dans les locaux du laboratoire de combustion de
l’ENSMA à Poitiers. Les conditions météorologiques sont les mêmes que lors du 3ième essai.
A la différence du 3ième essai, la source assurant le chauffage est positionnée en haut de la maquette.
L’objectif de cet essai est de mesurer l’effet d’une propagation couvante de haut en bas. Le
déplacement du front de réaction sera dans le même sens que l’apport d’air. Il s’agit d’une propagation
à co-courant, FIGURES 54 et 55).
53
Numéro des TC Position x (mm) Position y (mm) Position z (mm)
TC1 240 240 315
TC2 240 240 285
TC3 240 240 255
TC4 240 240 225
TC5 240 240 195
TC6 240 240 165
TC7 240 240 135
TC8 240 240 105
TC9 240 240 75
TC10 240 240 45
TC11 240 240 15
TC 21 410 240 390
TC 22 395 240 355
TC 23 380 240 320
TC 24 365 240 285
TC 25 350 240 250
TC 26 335 240 215
TC 27 320 240 180
TC 28 305 240 145
TC 29 290 240 110
TC 30 275 240 75
FIGURE 56 : COORDONNEES GEOMETRIQUES DES DIFFERENTS THERMOCOUPLES
z y
x 0
Spot halogène
encastré
TC 1
TC 5
TC 11
TC 25
TC 30
TC 21
FIGURE 54 : PHOTO DE LA MAQUETTE AVEC
PROPAGATION A CO-COURANT FIGURE 55 : REPRESENTATION EN COUPE DE LA MAQUETTE AVEC LES 2 ARBRES DE
THERMOCOUPLES ET LEURS EMPLACEMENTS SELON LES 3 AXES X, Y, Z. LE SPOT
HALOGENE A ETE POSITIONNE EN HAUT DE LA MAQUETTE POUR MESURER L ’EFFET
DE LA PROPAGATION A CO-COURANT
54
(2) Résultats et interprétation du 4ième essai
TC TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 ΔH TC5/TC1
Δt TC5/TC1
Vitesse de propagation
mm/min
Temps d’atteinte
2030 sec 3160 sec 3530 sec 5510 sec 7290 sec 5260 sec
1,36 mm/min
Hauteur Z en mm
315 mm 285 mm 255 mm 225 mm 195 mm 120 mm
N°TC TC21 TC22 TC23 TC24 TC25 ΔH TC25/TC21
Δt TC5/TC1
Vitesse de propagation
Temps d’atteinte
1240 sec 2720 sec 4030 sec 5170 sec 6310 sec 5070 sec 1,66 mm/min
Hauteur Z en mm
390 mm 355 mm 320 mm 285 mm 250 mm 140 mm
FIGURE 57 : TEMPS D’ATTEINTE DE LA TEMPERATURE SEUIL DE 250°C ET VITESSES DE PROPAGATION
0
100
200
300
400
500
600
700
03
20
64
09
60
12
80
16
00
19
20
22
40
25
60
28
80
32
00
35
20
38
40
41
60
44
80
48
00
51
20
54
40
57
60
60
80
64
00
67
20
70
40
73
60
76
80
80
00
83
20
86
40
89
60
92
80
96
00
99
20
10
24
0
10
56
01
08
80
tem
pér
atu
res
(°C
)
temps (secondes)
courbe températures/temps TC1 à TC 11
TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6 TC7 TC8 TC9 TC10 TC11
FIGURE 58 : COURBES TEMPERATURES/TEMPS DES TC 1 A TC 11
55
Les températures maximales atteintes sont supérieures à celles enregistrées lors de l’essai n°3. La
température d’ignition de la ouate de cellulose (250 °C) est atteinte au bout de 1240 secondes au
niveau du TC 21 et 2030 secondes au niveau du TC 11 (FIGURES 57 et 58).
Ce sont les thermocouples TC 21 et TC 22 qui sont les plus proches de la source de chauffage.
Les résultats obtenus sont donc cohérents (FIGURE 59).
Le processus de combustion est auto-entretenu.
Les températures s’effondrent au fur et à mesure que le niveau de ouate de cellulose baisse. Les
thermocouples reviennent à l’air libre.
Nous pouvons donc visuellement constater l’effet de la perte de masse sur les courbes de
températures.
Dans cet essai la propagation du front de réaction se passe de haut en bas. L’air arrive dans le même
sens que la propagation du front de réaction, du haut vers le bas (propagation à co-courant, FIGURE
61).
La vitesse de propagation du front de réaction est comprise entre 1,36 mm/min (TC 1 à TC 5) et 1,66
mm/min (TC 21 à TC 25) (FIGURE 57).
Cette vitesse de propagation est plus grande que celle déterminée dans l’essai n°3.
La vitesse de propagation est passée de 0,72 mm/min à 1,36 mm/min (TC 1 à TC 5) et de 1mm/min à
1,66 mm/min (TC21 à TC 25).
La vitesse de propagation est donc plus grande lorsque le point d’ignition est en partie supérieure du
combustible.
0
100
200
300
400
500
600
7000
31
0
62
0
93
0
12
40
15
50
18
60
21
70
24
80
27
90
31
00
34
10
37
20
40
30
43
40
46
50
49
60
52
70
55
80
58
90
62
00
65
10
68
20
71
30
74
40
77
50
80
60
83
70
86
80
89
90
93
00
96
10
99
20
10
23
0
10
54
0
10
85
0
Courbes températures/Temps TC 21 à TC 30
TC21 TC22 TC23 TC24 TC25 TC26 TC27 TC28 TC29 TC30
FIGURE 59 : COURBES TEMPERATURES/TEMPS DES TC 21 A TC 30
56
(3) Description des signes observés
Tem
ps
0 seconde 1800 secondes (30 minutes)
3600 secondes (60 minutes)
5400 secondes (90 minutes)
7200 secondes (120 minutes)
8100 secondes (135 minutes)
10800 secondes (180 minutes)
Ph
oto
s
Sign
es
ob
serv
és
Très rapidement après l’allumage les premières fumées de gaz de pyrolyse apparaissent. Le premier thermocouple TC 21 détecte 250 °C au bout de 1240 secondes.
La fumée s’élève en permanence. Des zones rouges apparaissent latéralement de part et d’autre de l’ampoule.
Des traces brunâtres apparaissent autour de l’ampoule (signes de pyrolyse). La zone brunâtre est circulaire autour de l’ampoule. La caméra thermique confirme l’étalement circulaire de la chaleur autour de l’ampoule.
Un creusement apparait sous l’ampoule. La cavité laisse apparaitre des cendres. Le CHAR est non incandescent. Le niveau de la ouate de cellulose descend dans la maquette. Au niveau de la caméra thermique, des traces rouges sont visibles sur la partie latérale de la maquette.
Une zone de décollement est perceptible le long du solivage bois. Ce décollement facilite l’arrivée de l’air jusqu’à la zone de réaction.
Le niveau de la ouate de cellulose a baissé de 15 cm à l’intérieur de la maquette. Une zone de carbonisation apparait au niveau du solivage bois. Ce signe traduit l’exposition du bois à la chaleur.
Les traces de carbonisation laissent la place à des braises incandescentes au niveau du bois mais également dans la ouate de cellulose. Une accélération du dégagement de fumée précède l’apparition d’une flamme qui s’élève au-dessus de la maquette. Une description plus précise de cette phase de transition est réalisée dans le paragraphe suivant.
57
(4) Analyse, commentaires et comparaison avec le 3ième essai
L’observation de cet essai permet de préciser les différentes étapes du processus de combustion couvante
allant jusqu’à l’incandescence et la production des cendres :
La figure 60 permet également de mettre en évidence qu’au sein d’une même matière le déplacement du front
n’est pas homogène et linéaire. Nous pouvons retrouver les différentes étapes du processus comme la
pyrolyse, le CHAR, l’oxydation du CHAR et les cendres.
Ces résultats sont convergents avec les travaux de Kashiwagi et Nambu15.
La réaction la plus exothermique est l’oxydation du CHAR (incandescence du résidu charbonneux).
15 T. Kashiwagi, H. Nambu, Global kinetic constants for thermal oxidative degradation of a cellulosic paper, Combustion and Flame, Volume 88, Issues 3–4, March 1992, Pages 345–368,
pyrolyse de la cellulose
(apparition de zones brûnâtres)
production de char
oxydation du char
(incandescence)
production des cendres
FIGURE 60 : LES DIFFERENTS ETATS DE LA OUATE DE CELLULOSE SUITE AU PASSAGE DU FRONT DE REACTION D ’OXYDATION. EN VERT : LA
PYROLYSE, EN BLEU : LE CHAR, EN ORANGE : L’OXYDATION DU CHAR, EN ROUGE : CENDRE
58
La propagation à co-courant (FIGURE 61), mise en évidence lors cet essai, présente une différence
essentielle avec la propagation à contre-courant (FIGURE 53). La pyrolyse et l’oxydation se déplacent
à des allures différentes et présentent deux sous-faces distinctes. La pyrolyse arrivant en premier, suivi
de l’oxydation.
Alors que dans le cas de la propagation de bas en haut, les réactions de pyrolyse et d’oxydation se
chevauchent en formant un seul front. Cela rejoint les travaux par les travaux de Rein et Al16.
16 G Rein, AC Fernandez-Pello, DL Urban, Computational Model of Forward and Opposed Smoldering Combustion in Microgravity, Proceedings of the Combustion Institute 31 (2), pp. 2677–2684, 2007.
Arrivée de l’air
ambiant
Propagation du
front de réaction
Arrivée de l’air
ambiant
FIGURE 61 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA PROPAGATION
A CO-COURANT
FIGURE 62 : DEPLACEMENT DES 2 FRONTS PYROLYSE ET OXYDATION. A GAUCHE, LES 2 FRONTS SE
CHEVAUCHENT ET A DROITE, LA PYROLYSE PRECEDE L’OXYDATION DU CHAR
59
Propagation à co-courant :
Concernant l’étalement et le déplacement du
front de réaction, nous pouvons constater
que dans un premier temps la combustion se
propage en surface, latéralement et de
manière circulaire puis ensuite se propage en
profondeur (FIGURE 63).
Propagation à contre-courant :
Dans le cas de la propagation à contre-
courant, le profil du déplacement de front de
réaction présente une forme de cloche.
Cette forme est liée au flux d’air arrivant sur
les côtés (FIGURE 64).
La vitesse du front de réaction et les températures atteintes sont plus importantes dans le mode de
propagation à co-courant en raison de l’apport d’oxygène qui est directement disponible à la surface
du lit de combustible. Le courant de convection domine.
Ce n’est pas le cas dans le cas de la propagation à contre-courant, où l’oxygène doit passer à travers la
couche de combustible poreux pour atteindre la zone de réaction. Le combustible vierge entrave
l’approvisionnement en oxygène.
La perte de masse dans le cas d’une combustion couvante à contre-courant est plus petite que la perte
de masse dans le cas de la propagation à co-courant (environ 9 fois moins importante : 0,016
g/seconde pour la propagation à contre-courant et 0,14 g/seconde pour une propagation à co-courant
dans une couche de 0,4 m avec une densité de 35 Kg/m³).
FIGURE 63 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE EN COUPE DE
LA PROPAGATION A CO-COURANT AU SEIN DE LA MATIERE
FIGURE 64 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE EN COUPE DE LA
PROPAGATION A CONTRE-COURANT AU SEIN DE LA MATIERE
60
e) La transition vers la flamme de diffusion
La combustion couvante peut dans certaines conditions évoluer vers une combustion vive qui se
manifeste par l’apparition d’une flamme dite de diffusion.
La cinétique relativement lente du smoldering laisse la place à une phase de combustion beaucoup
plus rapide et plus instable pouvant aller jusqu’à l’embrasement généralisé de la structure
bâtimentaire.
Cette phase de transition est complexe. Le délai d’apparition est difficile à déterminer.
La transition se produit à l’interface air/bois dans la profondeur du résidu charbonneux (CHAR).
La combustion solide/gaz caractérisant le smoldering passe à une combustion purement gazeuse.
Cette transition peut avoir lieu si les conditions critiques d’inflammation des gaz de pyrolyse sont
atteintes et si la chaleur dégagée par l’oxydation du char est suffisante.
La figure 65 montre que la transition est possible lorsque la fraction molaire d’oxygène augmente. Un
flux d’air sur une couche de combustible poreux siège d’une combustion couvante favorisera cette
transition vers la flamme de diffusion.
De même que pour une fraction molaire d’oxygène élevée et fixe, l’augmentation du flux radiant rend
possible la transition vers la combustion vive (FIGURE 66).
Cette transition peut se produire aussi bien lors d’une combustion couvante avec propagation à co-
courant ou à contre-courant.
FIGURE 65 : TRANSITION POSSIBLE VERS LA FLAMME DE
DIFFUSION LORSQUE LA FRACTION MOLAIRE AUGMENTE POUR UN
FLUX RADIANT FIXE DE 7,25 KW/M²
FIGURE 66 : TRANSITION POSSIBLE VERS LA FLAMME DE
DIFFUSION LORSQUE LE FLUX RADIANT AUGMENTE POUR UNE
FRACTION MOLAIRE FIXE DE 0,35
61
3. Conclusion
Les essais réalisés avec les deux maquettes, représentant des coupes de combles de maison, ont
permis d’étudier 2 configurations distinctes.
La première concerne le déplacement d’un front de réaction dans le sens opposé à l’apport d’oxygène
(troisième essai, propagation à contre-courant) et la seconde porte sur le déplacement du front de
réaction de haut en bas dans le même sens que l’apport d’oxygène (quatrième essai, propagation à
co-courant).
Les 2 premiers essais ont permis de valider la maquette et de préciser la source de chauffage à l’origine
de l’ignition.
L’écart des résultats relatifs aux températures et à la vitesse de propagation, est significatif.
L’apport d’oxygène joue un rôle essentiel dans la vitesse de propagation du smoldering.
Dans le cas de la propagation à co-courant, l’arrivée de l’oxygène jusqu’à la zone de réaction étant
facile, la vitesse de déplacement du front de réaction est plus rapide.
Dans la configuration propagation à contre-courant, le déplacement de l’oxygène jusqu’au front de
réaction est plus difficile en raison de l’épaisseur de la ouate de cellulose à traverser ce qui explique
les résultats.
En situation réelle, la toiture d’un bâtiment est conçue pour favoriser un courant d’air permanent grâce
à des dispositifs appelés des chatières. Le rôle de ces chatières est de créer une aération afin d’éviter
le phénomène de condensation sous la toiture. Ces aérations peuvent accentuer l’apport d’air et
favoriser la transition vers la flamme de diffusion.
62
IX. Conclusion Générale
La ouate de cellulose représente un vrai atout sur le plan écologique parce que ce produit participe à
la diminution de l’empreinte carbone.
L’efficacité des propriétés thermiques des isolants biosourcés est réel.
Les matériaux biosourcés représenteraient aujourd’hui 8 à 10 % du marché des isolants en France
(murs et toiture). Le chiffre atteint 90% au Canada et aux Etats-Unis. De nombreux facteurs indiquent
que la tendance est à une augmentation des parts de marchés dans les années à venir. D’après une
étude de l’ADEME, le marché des laines isolantes végétales représentera plus de 13 % du marché global
des laines isolantes en 2030.
Pour accompagner ce déploiement, les professionnels ou les particuliers « poseurs » doivent prendre
conscience des propriétés de combustibilités des isolants biosourcés et respecter les règles de pose.
Un des principes à respecter lors de la pose est de ne pas mettre en contact la ouate de cellulose avec
une source de chaleur quelle soit d’origine électrique ou thermique. Un capot de spot ininflammable
doit être installé autour d’un éclairage encastré et un écart au feu de 18 cm est à respecter autour du
conduit de cheminée.
La Réglementation thermique 2012 et bientôt la RT 2020 entrent complétement dans ce champ de
dispositions visant à réduire l’impact humain sur l’environnement et le gaspillage énergétique.
L’habitation de demain ne devra plus être consommatrice d’énergie mais en produire. Le concept de
maisons à énergie positive se développera.
Dans le passé les sapeurs-pompiers ont su faire face, dans le cadre du principe de mutabilité, à de
nouveaux risques générés par les éoliennes, les véhicules à énergies alternatives, les panneaux
photovoltaïques, etc.
Les services de lutte contre l’incendie devront poursuivre cette démarche en adaptant leurs pratiques
professionnelles et les matériels associés afin d’accompagner les évolutions bâtimentaires.
63
X. Références Bibliographiques
• Build green : Tout savoir sur la ouate de cellulose, https://www.build-green.fr/tout-
savoir-sur-la-ouate-de-cellulose
• SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Fifth Edition, page 582, Guillermo Rein
• SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Fifth Edition, page 595, Guillermo Rein,
Gas Emissions
• G Rein, C Lautenberger, AC Fernandez-Pello, JL Torero, DL. Urban, Application of Genetic Algorithms and Thermogravimetry to Determine the Kinetics of Polyurethane Foam in Smoldering Combustion, Combustion and Flame 146 (1-2), pp 95–108,2006.
• R Hadden, A Alkatib, G Rein, JL Torero, Radiant Ignition of Polyurethane Foam: the Effect of Sample Size, Fire Technology 50 (3), pp. 673–691 (2014)
• « Measuring rate of heat release by oxygen consumption », Marc L. Janssens
• SFPE Handbook third Edition, section 2 chapitre 9, T.J Ohlemiller, page 2-202
• Table 5.3, heats of combustion SFPE Handbook fifth edition, page 143
• K. Palmer, “Smoldering Combustion in Dusts and Fibrous Materials,” Combustion and
Flame, 1, p. 129 (1957).
• Introduction aux transferts thermiques Battaglia page 93
• T. Kashiwagi, H. Nambu, Global kinetic constants for thermal oxidative degradation of a cellulosic paper, Combustion and Flame, Volume 88, Issues 3–4, March 1992, Pages 345–368,
• Smouldering Combustion Phenomena in Science an Technology, Guillaume Rein. BRE
Centre for fire Safety Engineering. The University of Edinburgh, UK, janvier 2009
• Forced Smolder Propagation and Transition to Flaming in cellulosic Insulation, Thomas
J. Ohlemiller, october 1985
• Smoldering Combustion US Departement of Commerce, T.J. OHLEMILLER 1986
• Avis technique 20/14-312_V2, Univercell +
• Règlement de sécurité contre l’incendie, articles AM de l’arrêté du 25 juin 1980
• Guide d’emploi des isolants combustibles dans les établissements recevant du public,
annexe 2 de l’arrêté du 24 septembre 2009
• Guide d’isolation par l’intérieur des bâtiments d’habitation du point de vue des risques
en cas d’incendie (guide technique CSTB version 2016)
64
XI. Résumé
Le traitement au bore et au sulfate de magnésium de la ouate de cellulose limite le risque
d’inflammation mais il ne peut pas le supprimer complètement.
Si une source de chaleur extérieure est amenée et que son intensité est suffisante, elle peut être à
l’origine d’une combustion couvante auto-entretenue. Les propriétés thermiques de la ouate de
cellulose (conductivité thermique, capacité thermique, diffusivité thermique, effusivité thermique)
traduisent la capacité de ce matériel à retenir la chaleur. La matière de la ouate constitue un piège à
calories. Ceci est un gage d’efficacité pour un produit isolant mais représente un inconvénient majeur
en limitant la perte de chaleur vers l’extérieur lorsque le produit est le siège d’une combustion
couvante.
L’humidité du milieu ambiant, au sein de la ouate, a une incidence significative sur ses propriétés
d’inflammabilité et de combustibilité notamment sur sa capacité à maintenir une combustion lente
auto-entretenue.
La différence de densité de la matière (35 Kg/m³ ou 42 Kg/m³) qui dans la réalité correspondra au
phénomène de tassement dans le temps de la ouate de cellulose estimé à 20% a pu être étudiée. Le
tassement à 20% de la ouate de cellulose a peu d’impact sur l’inflammabilité, les températures de la
zone de réaction, la perte de masse moyenne et sur la vitesse de propagation.
Le manque d’oxygène dans le milieu ambiant diminue la vitesse de propagation du front de réaction,
diminue la perte de masse mais n’empêche pas le phénomène de smoldering.
La comparaison entre le déplacement du front de réaction à contre-courant et à co-courant est
intéressante. Elle met en évidence que la propagation au sein de la masse de combustible est plus
lente lorsque le front de réaction se déplace à l’opposé de l’apport d’oxygène.
Lorsque la ouate de cellulose devient le siège de l’oxydation du CHAR, les températures atteintes
(environ 600°C) sont supérieures à la température d’inflammation du bois. Si l’apport d’air est
suffisant, la transition vers l’incandescence est possible et la production d’une flamme de diffusion
devient très probable.
Le smoldering est un processus constitué de différentes phases pouvant aller jusqu’à la transition vers
la flamme de diffusion :
Les risques associés au phénomène de smoldering, identifiés dans cette étude, sont de deux natures.
D’une part, la toxicité importante des gaz produits et d’autre part la transition d’un feu couvant vers
l’inflammation des parties combustibles des éléments de la construction au sein d’un bâtiment.
source de chaleur
échauffement
(préchauffage et séchage)
pyrolyseproduction du
CHARoxydation du
CHARProduction de
cendres
transition vers une flamme de
diffusion