phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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1 Mémoire de Master 2 ISI Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés Jean-Christophe CHEVALIER MASTER 2 INGENIERIE DE SECURITE INCENDIE

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Page 1: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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Mémoire de Master 2 ISI

Phénomène de smoldering et

matériaux biosourcés

Jean-Christophe CHEVALIER MASTER 2 INGENIERIE DE SECURITE INCENDIE

Page 2: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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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

Page 3: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 4: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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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.

Page 5: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 6: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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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.

Page 7: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 8: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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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.

Page 9: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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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

Page 10: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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)

Page 11: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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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.

Page 12: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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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.

Page 13: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 14: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 15: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 16: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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)

Page 17: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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).

Page 18: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 19: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 20: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 21: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 22: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 23: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 24: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 25: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 26: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 27: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 28: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 29: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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)

Page 30: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 31: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 32: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 33: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 34: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 35: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 36: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 37: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 38: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 39: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 40: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 41: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 42: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 43: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 44: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 45: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 46: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 47: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 48: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 49: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 50: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 51: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 52: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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).

Page 53: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 54: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 55: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 56: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 57: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 58: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 59: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 60: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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

Page 61: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 62: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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.

Page 63: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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)

Page 64: Phénomène de smoldering et matériaux biosourcés

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