Comportement au feu à l’échelle du matériau ("petite échelle")

A cette échelle, compte tenu des dimensions de l’échantillon (de l’ordre du centimètre), et plus particulièrement de son épaisseur (de quelques millimètres à plusieurs centimètres), la diffusion de la chaleur au sein de la phase solide n’est plus instantanée, si bien qu’il existe un gradient de température en profondeur. Ce paramètre modifie les processus de dégradation : cela justifie la pertinence de réaliser des tests au feu à cette échelle. Le cône calorimètre est un dispositif de mesure, développé au NIST (National Institute of Standards and Technology) par Babrauskas [54] permettant l’évaluation de nombreuses données comme le temps d’ignition tig, la vitesse de perte de masse

(MLR : Mass Loss Rate) et le débit calorifique (HRR : Heat Release Rate) d’un matériau (de 100 cm²) lors de sa combustion.

21

II. 3. 1. Paramètres mesurés

II. 3. 1. 1 Temps d’ignition (tig)

La résistance à l’inflammation d’un matériau polymère est exprimée en fonction du délai d’inflammation (ou temps d’ignition) quand le matériau est exposé à une source de chaleur. Ce délai dépend de divers paramètres, comme le flux de chaleur imposé, l’épaisseur du matériau e par rapport à la profondeur de la pénétration thermique δT (soit l’épaisseur caractéristique de diffusion thermique)

et les propriétés propres du matériau (conductivité thermique, inertie thermique…).

Le délai d’inflammation est considéré comme le temps au bout duquel une flamme continue est maintenue à la surface du matériau [55]. D’après Rhodes [56], le temps d’ignition est déterminé par une augmentation soudaine de la température de surface du matériau testé. Zeng et al. [57] montrent que le temps d’ignition peut également être déterminé par une augmentation brusque du débit calorifique car la réaction de combustion est une réaction exothermique.

II. 3. 1. 2 Débit calorifique ( ) ou Heat Release Rate (HRR)

D’après Babrauskas [58], le débit calorifique (HRR ou ) est la variable la plus importante dans la caractérisation de l’inflammabilité des matériaux et par conséquent dans l’évaluation des risques incendie.

La Figure 10 présente une courbe "type" de débit calorifique obtenue au cône calorimètre.

‐ La décomposition thermique du PMMA black2 commence par une phase de latence où la température de l'échantillon augmente sans l'apparition de dégradation. Cette étape est influencée par la valeur du flux de chaleur radiatif ; plus cette grandeur est élevée, plus le temps d'inflammation du matériau est faible.

‐ Après quelques secondes d’exposition, l'échauffement du polymère conduit à la formation de sites de nucléation et à l'apparition de fines bulles de gaz. L'influence de ces bulles a notamment été étudié par Kashiwagi [59] qui montre que la dégradation sous-surface (c'est-à- dire les bulles) joue un rôle important dans la vitesse de gazéification. Hertzberg et Zlochower [60] ont remarqué que pour de faibles flux de chaleur (15 kW/m²), les bulles sont grosses et la profondeur de la couche de bulles est épaisse (la décomposition thermique a principalement lieu en profondeur). En revanche, lorsque le flux de chaleur est plus important (de l'ordre de 50 kW/m²), le diamètre des bulles devient plus petit et la couche de bulles est plus mince (à

2

L'expression "PMMA black" correspond à un échantillon de PMMA contenant du noir de carbone dans la masse afin que ce matériau est une émissivité proche de 1.

22 cet instant, la décomposition à la surface peut être considérée). Les gaz volatils résultant du craquage thermique migrent librement vers la surface où ils réagissent avec l’oxygène de l’air conduisant à l’inflammation du matériau.

‐ Le matériau se dégrade progressivement, la flamme se propage à la surface de l'échantillon. La décomposition endothermique de la matrice se poursuit jusqu'à ce que le front de pyrolyse atteigne la face arrière non exposée. Le matériau, initialement thermiquement épais, devient thermiquement fin [35]. Le maximum de la courbe HRR est atteint.

‐ Après ce pic, le taux de dégagement de chaleur diminue jusqu'à l'épuisement du combustible et extinction de la flamme.

Figure 10 : Variation du débit calorifique en fonction du temps pour un échantillon de PMMA black d'épaisseur 25 mm soumis à un flux de chaleur externe de 50 kW/m² [54]

II. 3. 1. 3 Vitesse de perte de masse ( ) ou Mass Loss Rate (MLR)

Chaque élément solide soumis à une réaction de combustion subit une perte progressive de sa masse. Comme expliqué précédemment, la combustion se produit dans la phase gazeuse. Ainsi, afin d'obtenir un mélange inflammable provenant de la réaction, les processus de décomposition doivent transférer la masse du solide vers un état gazeux. Le résultat de la décomposition thermique est donc une perte de masse. La perte de masse (ML : Mass Loss) est caractérisée comme étant la variation de masse d'un échantillon en fonction du temps, pour une température ou un profil de température donné. Et la dérivée de la perte de masse en fonction du temps est appelée vitesse de perte de masse.

23 Enfin, la vitesse de perte de masse spécifique ( ou SMLR : Specific Mass Loss Rate) est le dernier paramètre identifié. Cette grandeur va permettre de prendre en considération l’effet de la taille de l’échantillon face à un flux de chaleur. Elle est déterminée par l'équation (7) :

₍₇₎

Avec la vitesse de perte de masse spécifique (en kg/s.m²), la perte de masse (en kg/s) et S la surface de l’échantillon (en m²).

La Figure 11 représente le taux de perte de masse du matériau en fonction du temps ainsi que la vitesse de perte de masse spécifique en fonction du temps [44]. Les courbes obtenues sont en accord avec la description de la décomposition thermique du PMMA mentionnée précédemment.

Figure 11 : Perte de masse et vitesse de perte de masse spécifique lors de la décomposition thermique du PMMA d’épaisseur 15 mm au cône calorimètre pour un flux de chaleur de 12 KW/m2

[44]

Cependant, le flux massique à l’inflammation est contrôlé par les processus physico-chimiques de la phase gazeuse tels que le mélange des gaz de pyrolyse avec l’air et la chimie en phase gazeuse. De plus, il va dépendre également du flux de chaleur, de l’orientation de l’échantillon, de sa taille, de son épaisseur…

24

II. 3. 3. Paramètres influents

II. 3. 3. 1 Flux de chaleur

Des expériences menées par Zeng et al. [57], au cône calorimètre, sur un PMMA transparent de 3 mm d’épaisseur à différents flux de chaleur indiquent que le temps d’ignition est moins élevé pour des hauts flux de chaleur radiatifs. La Figure 12 illustre ces propos. Pour un flux de chaleur de 30 kW/m², le temps d’ignition est de 48 secondes tandis que pour un flux de chaleur de 50 kW/m², le PMMA transparent s’enflamme au bout de 18 secondes, soit une diminution du temps d’ignition de 37,5 %.

Figure 12 : Temps d'ignition (ignition pilotée) pour des flux de 30 et 50 kW/m² - PMMA transparent 3 mm d'épaisseur [57]

Pour calculer le temps d'ignition, la théorie dite "classique" de l'ignition [61], [62], [63] se base sur la résolution de l'équation de la chaleur pour un solide semi-infini soumis à un flux radiatif incident constant (système unidimensionnel). Elle lie linéairement l'inverse de la racine carrée du temps d’ignition avec le flux de chaleur appliqué au solide. Torero [63] présente en détail les différentes étapes de ce modèle. L’équation finale obtenue est la suivante (Equation (8)) :

(8)

Avec tig le temps d’ignition (en s), kρCp l’inertie thermique du matériau, Tig la température de surface

du matériau au moment de l’ignition (en K), T0 la température initiale du matériau et le flux de

25 L’hypothèse fondamentale de ce modèle est d'identifier le temps d'ignition comme étant le temps nécessaire pour que la température de surface atteigne la température de pyrolyse [64]. Ce modèle est basé sur six hypothèses supplémentaires :

 Le solide est inerte

 Le flux de chaleur incident total est absorbé à la surface (le solide est opaque au rayonnement et le coefficient d'absorption est égal à 1)

 La température de surface est le critère d'allumage (ou d’ignition)

 Toutes les propriétés du matériau sont indépendantes de la température

 Les pertes de chaleur à la surface exposée sont négligeables pour des flux de chaleur externes élevés.

 Le solide est considéré comme semi-infini (il se comporte comme un matériau thermiquement épais)

Pour des matériaux thermiquement "épais", les approximations prévoient une dépendance linéaire entre l’inverse de la racine carrée du temps d’allumage (tig-1/2) et le flux de chaleur incident [65]. La

Figure 13 représente schématiquement l’ignition d’un solide [66].

Figure 13 : Représentation schématique de l'ignition d'un solide [66]

La méthode dite "classique" ne prend pas en considération un certain nombre de paramètres pouvant influencer l’ignition comme les conditions atmosphériques des essais, la position de l’igniteur, la source de chaleur, l’orientation de l’échantillon, la formulation du PMMA transparent et du PMMA black, l’isolation de l’échantillon, la méthode de détection de l’ignition…Au vu de ces manques, nous avons décidé de réaliser des essais supplémentaires pouvant venir compléter les modèles existants.

Cette observation est confortée par Bal et Rein [67]. Ils ont réalisé une étude complète du temps d’ignition en faisant varier les appareils de mesure et les conditions expérimentales. La Figure 14 répertorie les valeurs de temps d’ignition obtenues pour chaque test et les compare avec la théorie dite "classique".

26 Figure 14 : Temps d'ignition en fonction du flux de chaleur imposé – PMMA black [67]

Figure 15 : Graphique représentant l’inverse de la racine carrée du temps d'ignition en fonction du flux de chaleur imposé – PMMA black [67]

Après la collecte des données, Quintiere [55] a développé un modèle pour extrapoler le flux de chaleur critique (CHF : Critical Heat Flux) de la courbe de régression du 1/√tig en fonction du flux de

chaleur imposé [68] (Figure 15). L’équation utilisée est la suivante :

(9)

Avec ε l’émissivité et hc le coefficient de convection (en W/m².K).

Par définition, le flux de chaleur critique pour l’inflammation du solide est le flux de chaleur pour lequel la surface du solide atteint l’équilibre thermique. Il est possible de le déterminer soit par expérience (le matériau est soumis à des flux de chaleur décroissants jusqu’à atteindre un flux de

27 chaleur où le matériau ne s’enflamme pas), soit par une méthode d’extrapolation des données de la courbe tig-1/2 en fonction du flux de chaleur incident [56], [68], [69].

(10) (11) (12)

Dans la littérature, le CHF théorique pour le PMMA black est compris entre 4 et 5 kW/m2. Le CHF effectif, obtenu expérimentalement, est compris entre 9 et 13 kW/m2 [55], [56], [70], [71].

La différence entre le CHF expérimental et extrapolé est attribuée à la non-linéarité du temps d’ignition conduisant à la non-linéarité de l’inverse de la racine carrée du temps d’allumage. Une explication a été proposée pour comprendre la différence entre l’expérience et la théorie [72]. Le rayonnement de la surface de l’échantillon de PMMA entraînerait un CHF expérimental plus élevé que la valeur extrapolée.

Enfin, Tsai [73] propose une définition plus détaillée du CHF. Il considère le CHF comme étant le flux de chaleur minimum pour lequel le matériau ne s’enflamme pas au bout de 15 minutes d’exposition.

Babrauskas [54] compare les courbes de débits calorifiques obtenues pour du PMMA black lorsqu’il est soumis à différents flux de chaleur : 25, 50 et 75 kW/m². La Figure 16 permet de conclure que plus le flux de chaleur appliqué à l’échantillon est élevé, plus la perte de masse est rapide en termes de temps et de vitesse de combustion et, plus le pic HRR est élevé.

28 Figure 16 : Effet du flux de chaleur imposé à l'échantillon (PMMA black) sur son comportement au feu en

termes de chaleur dégagée [54] II. 3. 3. 2 Epaisseur de l’échantillon

La Figure 17 présente les résultats obtenus pour un échantillon de PMMA transparent testé avec plusieurs épaisseurs (3, 6 et 10 mm) et exposé à 20 kW/m² au cône calorimètre [57]. Les essais montrent que le temps d’ignition du matériau dépend de son épaisseur. Plus l’échantillon est épais, plus le temps d’ignition est long car la température de surface des échantillons minces augmente plus rapidement car la chaleur ne peut s’évacuer. La température de pyrolyse est ainsi atteinte plus rapidement par rapport aux échantillons épais. L’évolution des données illustre une courbe de tendance logarithmique.

Figure 17 : Temps d'ignition obtenus en fonction de l'épaisseur - PMMA transparent [57] soumis à un flux de chaleur de 20 kW/m² au cône calorimètre

29 Zeng et al. [57] ont observé (Figure 18) que l’épaisseur de l’échantillon avait également une influence sur le débit calorifique du matériau. La consommation de dioxygène diminue lorsque l’épaisseur de l’échantillon augmente. Zeng et al. ont supposé que les échantillons épais avaient une vitesse de combustion plus stable que les échantillons fins. Plus l’échantillon est épais, plus il se rapproche d’une combustion en régime stationnaire et plus, il peut être considéré comme étant un matériau semi-infini.

Figure 18 : Effet de l'épaisseur de l'échantillon sur la concentration d'O2 – PMMA transparent[57]

II. 3. 3. 3 Absorption en profondeur

Pour un matériau considéré comme homogène, un corps peut être caractérisé par deux classes : (a) thermiquement "épais" et (b) thermiquement "mince".

Un solide est considéré thermiquement "épais" si la profondeur de pénétration thermique δT est

inférieure à son épaisseur.

(13)

Avec α la diffusivité thermique [74], [75], [76].

Lorsque δT devient supérieure à l’épaisseur du solide alors la température est supposée identique dans

tout le solide : le matériau est classé thermiquement "fin" ou thermiquement "mince".

Des expériences et des analyses menées par Hallman et al. [77], [78] dans les années 1970 ont permis de conclure que le temps d’ignition était fortement affecté par l’absorption en surface du rayonnement incident.

D’après Marquis et Guillaume [79], la plupart des matériaux composites dont l’épaisseur est inférieure à 2 mm sont considérés comme thermiquement "minces". D’après Jiang et al. [80], l’absorption en profondeur du rayonnement serait la principale cause du temps de retard de

30 l’allumage pour les échantillons de PMMA transparents. Plus le flux de chaleur est élevé, plus le rayonnement pénètre dans le solide ce qui provoque un retard d’allumage. Pour caractériser la pénétration du rayonnement en profondeur dans le matériau, il est nécessaire de connaître son coefficient d’absorption. Le terme "absorption en profondeur" est employé quand le rayonnement atteint une profondeur significative à l'intérieur du solide au lieu d'être absorbé directement à la surface. Ce phénomène permet d’atténuer l'augmentation de la température de surface et de retarder le temps d'ignition.

Linteris et al. [81] ont montré l’influence de l’épaisseur sur le coefficient d’absorption αλ (Figure 19).

Les auteurs utilisent une technique (appareil NIST IS pour Integrating Sphere) développée par le NIST [82] permettant de mesurer le spectre de réflectance ou de transmittance directement pour une épaisseur donnée. Pour déterminer le coefficient d’absorption, ils tracent -ln (I/I0) en fonction de

l’épaisseur. La pente de cette courbe est la valeur moyenne du coefficient d’absorption. De plus, la Figure 19 permet d’observer que le PMMA black réagit différemment par rapport au PMMA transparent, il possède un coefficient d’absorption plus élevé quelle que soit l’épaisseur de l’échantillon. Par exemple, pour le PMMA transparent, 80 % de l’énergie a été absorbée à une profondeur de 0,89 mm, une valeur pour le coefficient d’absorption de 1870 m-1 est relevée. Tandis que pour le PMMA black, 80 % de l’énergie a été absorbée à une profondeur de 0,72 mm, une valeur de coefficient d’absorption égale à 2620 m-1

. De plus, Linteris et al. [81] ont montré que le temps d'ignition pouvait être fortement affecté par le coefficient d'absorption. Si αλ diminue de 6000 m-1 à

1000 m-1, alors le temps d'ignition augmente d'un facteur 1,5 pour un flux de chaleur de 50 kW/m².

Figure 19 : Coefficient d'absorption en fonction de l'épaisseur du matériau PMMA transparent et PMMA black [81]

31 Bal et Rein [66] ont montré que l’absorption en profondeur du rayonnement a un effet important sur le temps d’ignition à partir de 75 kW/m² (Figure 20). La méthode utilisée (appelée modèle de pyrolyse) par Bal et Rein [66] prend en considération l'effet de la variation du coefficient d’extinction

κ, coefficient analogue au coefficient d'absorption (en plus de l'absorbance, les effets dus à la

diffusion et à la luminescence sont pris en compte), et explique la non-linéarité de la courbe du (Figure 20) par rapport à la théorie dite "classique" (cf. II. 3. 3. 1.) [63], [83], [84]. La valeur du coefficient d'extinction permettant de prédire au mieux le temps d'ignition du PMMA transparent est de 500 à 600 m-1 pour un flux de chaleur incident compris entre 40 et 200 kW/m². En revanche, Jiang et al. [80] ont observé que pour des flux de chaleur compris entre 3 et 30 kW/m², une valeur de 960 m-1± 14 % était plus adaptée. De plus, l'ajout d’un revêtement noir de carbone sur l’échantillon n’annule pas l’absorption du rayonnement en profondeur mais son effet permet d’absorber à la surface 35 % ± 5 % du flux appliqué [85], une valeur de κ égale à 1400 m-1 est retenue en comparaison avec les valeurs expérimentales du obtenues par Beaulieu et Dembsey .[86], [87].

Figure 20 : Graphique représentant l’inverse de la racine carrée du temps d'ignition en fonction du flux de chaleur - Influence du coefficient d'extinction [66]

II. 3. 3. 4 Orientation de l’échantillon

La Figure 21 permet de représenter les mécanismes de transferts de chaleur et d’air selon l’orientation de l’échantillon exposée au cône calorimètre. Le rayonnement est similaire pour les deux orientations ; en revanche, la convection s’avère différente. D’après Babrauskas [88], pour les échantillons placés horizontalement, l’air est entraîné de tous les côtés et une température de surface relativement constante est observée sur la face avant de l’échantillon. En revanche, pour les échantillons placés verticalement, une couche limite s’établit avec un flux d'air principal du bas vers

32 le haut de l’échantillon conduisant à une température de surface plus élevée au sommet de l’échantillon.

Figure 21 : Représentation schématique des mécanismes de transferts de chaleur et d'air selon l'orientation de l'échantillon au cône calorimètre [89]

Linteris et al. [90] ont réalisé des tests au cône calorimètre en position verticale et horizontale. Ils constatent des pics de débits calorifiques HRR très similaires ; le pic HRR (Vertical) est 8 % plus élevé que le pic HRR (Horizontal). Néanmoins, selon l’orientation de l’échantillon, le matériau ne brûle pas de la même manière. Le temps de combustion en position horizontale est 7 % plus long qu’en position verticale. Tsai [73] recommande les tests en position verticale pour l'évaluation du comportement au feu d’un matériau car la position verticale d’un objet serait plus destructrice lors d’un incendie que l’orientation horizontale.

II. 3. 3. 5 Préparation de l’échantillon

Paul [91] a montré l’effet de la préparation de l’échantillon sur l’allure de la courbe de débit calorifique. Selon la norme ISO 5660-1, les côtés et la base de l’échantillon sont recouverts d’une feuille d'aluminium. L'échantillon est ensuite placé sur un matelas de fibres réfractaires à l'intérieur du porte-échantillon métallique carré. Les échantillons peuvent être directement exposés, mais il est

33 maintenant plus courant de les insérer dans un cadre métallique. Enfin, lorsque les matériaux gonflent (phénomène appelé intumescence), ils peuvent être testés sous une grille métallique pour minimiser le gonflement de la surface.

Les résultats obtenus par Paul [91] sont représentés sur la Figure 22. L’utilisation du cadre métallique réduit la valeur du pic HRR. Durant le test, de petites flammes (au niveau des côtés de l'échantillon) continuent à brûler pendant une période considérable (environ 100 s) après la combustion principale.

Figure 22 : Influence de la préparation de l'échantillon sur le HRR pour du PMMA black d'après Paul [91] Carvel et al. [92] ont montré que l'ajout d'un bloc d'aluminium à l'arrière de l'échantillon au lieu de la laine de roche permet une prédiction plus précise des propriétés thermiques du matériau.

De nombreuses études ont été réalisées au cône calorimètre afin d’évaluer l’influence du type d’inflammation, de l’épaisseur du matériau, du flux de chaleur imposé, de l’orientation (horizontale ou verticale) et de la préparation de l’échantillon sur le temps d’ignition, le débit calorifique et la vitesse de perte de masse.

Toutefois, cette échelle ne permet pas d’évaluer tous les paramètres d’un échantillon en train de brûler notamment en termes de propagation de flamme. Des tests à une échelle supérieure ont donc dû être effectués.

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