La démarche expérimentale choisie pour mener à bien cette étude s’effectue en trois grandes étapes et est détaillée dans la Figure A.3-1.
Figure A.3-1 : Synthèse de la démarche expérimentale pour les essais effectués à différentes échelles
La partie A regroupe deux grandes étapes. La première consiste à effectuer des essais de feu avec différents combustibles et à différentes teneurs en [O2] ou ventilations dans des dispositifs
d’échelles variables. Ceci permettra d’obtenir différents échantillons de suies. La deuxième étape
correspond à la caractérisation en ligne des aérosols de combustion au moyen d’appareils métrologiques, ainsi qu’à la caractérisation ex situ des suies prélevées pendant ces essais.
Ces deux étapes permettent d’obtenir les informations nécessaires pour la troisième étape, qui
consiste en l’obtention et en l’interprétations des données de sorption d’eau, présentées dans la seconde partie de ce manuscrit (cf. partie B).
Dans la présente partie, les différentes installations utilisées pour produire les suies sont présentées (cf. partie A.3.1), plus particulièrement l’installation analytique PARIS dont le
fonctionnement a été vérifié et validé (cf. partie A.3.2). Enfin, les résultats expérimentaux concernant les propriétés du feu, des aérosols de combustion (cf. partie A.4) ainsi que les propriétés physico-chimiques des suies (cf. partie A.5) seront présentés et discutés.
Installation à petite échelle : PARIS
L’installation PARIS (Production d’Aérosols Représentatifs des Incendies Sous-ventilés) correspond à un cône calorimètre à atmosphère contrôlée (Figure A.3-2).
(i) (ii)
(iii)
Figure A.3-2 : Photographies (i, ii) et schéma de conception 3D (iii) de l’installation PARIS De nombreux dispositifs du même type ont été développés pour l’étude des propriétés du feu
selon la norme ISO 5660-1 & 2 (Babrauskas, 1982). Le rôle de ce banc consiste davantage à étudier les propriétés des aérosols de combustion et à prélever en masse les suies destinées à des analyses ex situ ou à l’obtention d’isothermes de sorption. Il est composé d’une chambre de combustion dans
A.3 Démarche expérimentale 38/198
laquelle est placé le combustible et où le gaz comburant consistant en un mélange d’air et d’azote
est injecté. L’atmosphère environnant le combustible est alors maîtrisée en termes de teneur en dioxygène que l’on notera par la suite [O2] et permet de reproduire les conditions d’une atmosphère
viciée. La chambre de combustion est surmontée d’une colonne dans laquelle vont être transportés
les aérosols : ces deux éléments sont calorifugés et la colonne est chauffée pendant les essais à 150°C
afin d’éviter les dépôts de suies par thermophorèse. La colonne est surmontée d’une hotte et est
dotée de plusieurs piquages afin de prélever des quantités significatives de suies et de relier les appareils métrologiques pour effectuer l’analyse de l’aérosol. Le volume de la chambre de combustion étant de 0,03 m3 et le débit de gaz comburant acheminé de 180 NL.min-1, le temps de résidence
s’élève à une dizaine de secondes, ce qui correspond à un taux de renouvellement de 400.h-1.
Installation à échelle pilote : CADUCEE
L’installation CADUCEE (Controlled Atmosphere Device for Unburnt and Carbon Emission Evaluation) correspond à un cône calorimètre à atmosphère contrôlée de plus grande dimension que celui de Babrauskas ou Tewarson (Figure A.3-3).
(i)
(ii)
(iii) (iv)
Figure A.3-3 : Schéma du principe de fonctionnement (i) et photographies (ii), (iii), (iv) de
l’installation à échelle pilote CADUCEE
Le gaz comburant est introduit à la base du combustible avec une teneur en dioxygène variable selon les débits en dioxygène et azote considérés. La structure octogonale d’environ trois mètres de
hauteur est ouverte par le haut et permet de récupérer les produits formés à l’aide d’une hotte
(Alibert, 2017). L’intérêt principal de cette installation est de réaliser des essais de feu avec des
foyers plus grands que ceux des cônes calorimètres analytiques conventionnels. Il est ainsi possible de réaliser des expérimentations avec des foyers rectangulaires de 40 cm de PMMA ou encore
circulaires de 30 cm d’heptane. Le volume de la chambre de combustion étant de 22 m3 et le débit de gaz comburant acheminé de 3000 m3.h-1, le temps de résidence s’élève à une trentaine de secondes
(26 secondes), ce qui correspond à un temps de renouvellement de 138.h-1, ce qui est inférieur à celui dans PARIS.
Installations à grande échelle
L’installation SATURNE (Figure A.3-4.i) correspond à un cône calorimètre à grande échelle. Il
est composé d’une grande hotte située dans un local, dont la hauteur sous plafond (~20 mètres) laisse l’espace nécessaire aux conduits d’évacuation reliés à la hotte. Cet ensemble de conduites permet
de récupérer les produits formés lors d’un essai de feu. Cette installation est utilisée au sein du
laboratoire de feux de l’IRSN, elle a la particularité de reproduire les conditions d’atmosphère libre
et fortement ventilé à grande échelle.
L’installation DIVA (Figure A.3-4.ii) est composée de plusieurs locaux de tailles identiques (6mx5mx4m), qui peuvent être connectés par différents types d’ouvertures de taille variable (portes, ouvertures simples, grilles). Ces compartiments sont également reliés à un système de ventilation.
Ce dispositif permet d’étudier le développement d’un feu confiné à grande échelle et faiblement
ventilé, afin de créer des conditions de ventilation semblables à celles retrouvées lors d’un incendie dans une INB. Le taux de renouvellement de l’air est généralement faible et proche de 3 h-1, le temps de résidence des suies dans le foyer est donc important (quelques dizaines de minutes) (Ouf, 2016).
(i)
(ii)
Figure A.3-4: (i) Schéma de l’installation SATURNE (F.-X. Ouf, 2016), (ii) schéma de l’installation
DIVA (Coutin et al.,2012)
Récapitulatif des essais
Les résultats expérimentaux présentés par la suite concernent une variété d’échantillons de suies obtenus à partir d’essais de feu. Concernant les essais de feu dans PARIS et CADUCEE, la dénomination « type d’essai » sera attribuée à l’échantillon issu de l’ensemble des essais de feu effectués avec le même combustible et à la même teneur en dioxygène du gaz comburant (exemple :
Heptane à 21% en dioxygène). Afin de ne pas alourdir la mise en forme des résultats, un nom d’une
longueur raisonnable sera attribué pour chaque échantillon étudié (Tableau A.3-1).
Dans ce tableau, différentes caractéristiques sont représentées, telles que le combustible
A.3 Démarche expérimentale 40/198
Tableau A.3-1 : Tableau résumant l’ensemble des essais de feu d’où sont issus les échantillons
étudiés Combustible Composition
globale Dimensions Installation
Nom de l’essai
de feu
Heptane Liquide
(hydrocarbure)
Ø = 5,7 cm PARIS Heptane PARIS
Ø = 21 cm CADUCEE Heptane
CADUCEE
PMMA Polymère 5cmX5cmX1cm PARIS PMMA PARIS
40cmX40cmX3cm CADUCEE PMMA CADUCEE
Huile DTE Medium Huile
hydraulique
Ø = 5,7 cm PARIS Huile DTE
Medium PARIS
Ø = 1 m DIVA FES DIVA
TBP/TPH (proportions volumique 30%/70%) Solvants pour le retraitement de déchets nucléaires Ø = 5,7 cm PARIS TBP/TPH PARIS Boîte à gants Cf. partie A.2
SATURNE BAG SATURNE
DIVA CSS 1.8 DIVA
Câbles électriques (avec gaines sans halogène)
DIVA
CORE DIVA Câbles électriques
(gaines PVC) CFS DIVA