© Frédéric Blondin, 2019
Caractérisation du risque incendie de la paille
compressée comme isolant d’une structure en bois
Mémoire
Frédéric Blondin
Maîtrise en sciences du bois - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Caractérisation du risque incendie de la paille
com-pressée comme isolant d’une structure en bois
Mémoire
Frédéric Blondin
Sous la direction de :
Pierre Blanchet, directeur de recherche
Christian Dagenais, codirecteur de recherche
iii
Résumé
De nombreux programmes de construction écologique ont vu le jour depuis la dernière décennie vi-sant à promouvoir la construction de bâtiments plus durables. Considérant que les matériaux biosour-cés peuvent aider à réduire l’empreinte environnementale des bâtiments, il est judicieux d’en étendre leur utilisation. Un récent engouement s’est créé pour les sous-produits de culture céréalière en guise de remplacement aux fibres isolantes non renouvelables dans les structures en bois. De nombreux chercheurs ont étudié certaines isolations naturelles alternatives utilisées de nos jours. En comparai-son aux matériaux d’isolations commerciaux, ces matériaux ont un impact environnemental remar-quablement faible. Dans cette optique, l’utilisation de la paille compressée comme isolant offre un très faible impact dans l’analyse de son cycle de vie. Cependant, la sécurité incendie a toujours été une grande préoccupation pour les constructeurs utilisant des matériaux naturels combustibles. L'objectif de cette étude est de documenter le risque incendie de la paille compressée lorsqu'elle est utilisée comme matériau isolant dans des assemblages à ossature en bois. Trois densités de paille comprimée (75, 125 et 175 kg/m3) ont été sélectionnées pour évaluer leurs propriétés de combustion
et leur conductivité thermique, en essayant de déterminer laquelle avait la meilleure combinaison de propriétés. La paille de la densité sélectionnée a ensuite été comparée aux matériaux d'isolation com-bustibles disponibles sur le marché pour comparer leur risque d'incendie. Par la suite, cet isolant de même densité a été testé dans un assemblage à ossature en bois à moyenne échelle pour évaluer l'im-pact de sa charge combustible comparativement à un matériau d'isolation incombustible.
Les résultats ont démontré que la paille compressée d'une densité de 75 kg/m3 avait les meilleures
propriétés de combustion et d'isolation. Les résultats suggèrent que la paille compressée aurait très probablement un meilleur comportement au feu par rapport à ceux des matériaux d'isolation combus-tibles disponibles sur le marché. Malgré la nature combustible de la paille compressée, l'impact de sa charge combustible dans un système de construction en bois a été moins important que prévu. Les propriétés de combustion de la paille compressée étant moins dangereuses que les matériaux d'isola-tion combustibles disponibles sur le marché, ainsi que l'impact de sa charge calorifique dans une structure à ossature de bois, l'utilisation de ce matériau comme isolant principal dans un bâtiment est, par bonne conception, gérable sans augmenter les risques.
iv
Abstract
Many green building programs have emerged since the last decade to promote the construction of more sustainable buildings. Considering those biobased materials can help reduce the environmental footprint of buildings, it is wise to expand their use. A recent craze has emerged for cereal crop by-products as a substitute for nonrenewable insulation fibers in wood structures. Many researchers have studied some of the alternative natural insulation materials used today. Compared to commercial in-sulation materials, these materials have a remarkably low environmental impact. In this context, the use of compressed straw as insulation offers a very low impact in the analysis of its life cycle. How-ever, fire safety has always been a big concern for builders using natural combustible materials. The objective of this study is to document the fire hazard of compressed straw when it is used as an insulating material in wood frame assemblies. Three compressed straw densities (75, 125 and 175 kg/m3) were selected to evaluate their combustion properties and thermal conductivity, in attempt to
determine which had the best combination of properties. The selected density straw was then com-pared to commercially available combustible insulation materials to compare their fire risk. Subse-quently, this same density straw was tested in a medium-scale wood frame assembly to evaluate the impact of its fuel load comparatively to a non-combustible insulation material.
The results showed that compressed straw with a density of 75 kg/m3 had the best properties of
com-bustion and insulation. The results suggest that compressed straw would most likely have better fire performance compared to combustible insulation materials available on the market. Despite the com-bustible nature of the compressed straw, the impact of its fuel load in a wooden construction system was less than expected. Because the burning properties of compressed straw are less hazardous than commercially available combustible insulation materials and the impact of its heat load in a wood frame structure, the use of this material as an insulator in a building is, by design, manageable without increasing risks.
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Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Liste des tableaux ... vi
Liste de figures ... vii
Remerciements ... ix
Avant-propos ... xi
Introduction ... 1
Mise en contexte ... 1 Objectifs ... 4Revue de Littérature ... 5
1.1. Isoler avec la paille, pourquoi? ... 5
1.2. Sécurité incendie ... 9
1.3 Dynamique incendie ... 10
1.4 Protection passive contre l’incendie ... 22
Fire hazard of compressed straw as an insulation material for wooden structures ... 33
2.1 Résumé ... 33
2.2 Abstract ... 33
2.3 Introduction ... 34
2.4 Materials and Method ... 36
2.5 Test Results and Analysis ... 41
2.6 Conclusion ... 51
Conclusion ... 54
vi
Liste des tableaux
Table 1.1 Caractéristiques techniques principales d'isolants ... 9 Table 2.1 Average cone calorimeter test results and thermal conductivity of three densities of compressed straw ... 42 Table 2.2 Average cone calorimeter test results and thermal conductivity of combustible insulations ... 43
vii
Liste de figures
Figure 1.1 Triangle du feu (Gustavb, 2006) ... 11
Figure 1.2 Représentation schématique d'une surface qui brûle (adapté de Drysdale, 2011) ... 11
Figure 1.3 Courbe idéalisée d’un scénario incendie (adapté de Spearpoint, 2008) ... 13
Figure 1.4 Mouvement de convection naturelle ... 16
Figure 1.5 Corrélation des temps d'allumage pour un meilleur ajustement « n » (données fictives) 20 Figure 1.6 Critères de performance pour la résistance au feu ... 21
Figure 1.7 Courbe température-temps des méthodes d’essai de résistance au feu (ULC, 2007; ISO, 2014) ... 22
Figure 1.8 Organigramme des concepts de sécurité́ incendie – traduite de (NFPA, 2012) ... 25
Figure 1.9 Propagation du feu dans un bâtiment a) avec séparation coupe-feu b) sans séparation coupe-feu ... 26
Figure 1.10 Propagation du feu dans une ossature de type plate-forme et à claire-voie ... 27
Figure 1.11 Chaleur spécifique des panneaux de gypse à haute température ... 30
Figure 1.12 Densité relative de panneaux de gypse à haute température ... 30
Figure 1.13 Conductivité thermique de panneaux de gypse à haute température ... 31
Figure 2.1 Compressed straw specimen restrained by a metallic wire mesh ... 37
Figure 2.2 H-TRIS test setup at The University of Edinburgh (Rickard, Bisby and Deeny, 2018) .. 39
Figure 2.3 Time-history of the incident heat flux at the centre of the target surface used in the current study ... 39
Figure 2.4 Thermocouple locations (plan view) in the test assembly with a) compressed straw b) mineral wool ... 41
Figure 2.5 Heat release rate of combustible insulation materials at 50 kW/m2 ... 44
Figure 2.6 Correlation of ignition times ... 44
Figure 2.7 Average temperature profiles at the unexposed side of the gypsum board ... 46
Figure 2.8 Average temperature profiles in the compressed straw ... 48
Figure 2.9 Average temperature profiles in the mineral wool ... 48
Figure 2.10 Compressed straw assembly after the test ... 49
Figure 2.11 Average temperature profiles on the unexposed face of the assemblies ... 49
Figure 2.12 Average temperature profiles on the exposed flange and the mid-depth web of the I-joists ... 51
viii
Figure 2.13 Damages after tests of light-frame wood assembly insulated with a) compressed straw b) mineral wool ... 51
ix
Remerciements
La rédaction de ce mémoire n’aurait pas été possible sans la participation, l’appui et l’implication de plusieurs collaborateurs. Je désire d’abord remercier mon directeur de recherche, le professeur Pierre Blanchet pour avoir su me proposer un projet de maîtrise répondant à mes intérêts. Également, je le remercie pour ses conseils judicieux, pour avoir partagé sa vision de la recherche et pour son efficacité́ toujours bien présente. Merci à mon codirecteur, Dr. Christian Dagenais, chercheur chez FPInnova-tions, qui a su me guider et me conseiller dans le domaine de l’ingénierie de la sécurité incendie. Aussi, je le remercie pour son accueil chaleureux dans son milieu de recherche chez FPInnovations. Je tiens également à exprimer ma reconnaissance à mon codirecteur, le professeur Luke Bisby, direc-teur du BRE Centre for Fire Safety Engineering et direcdirec-teur adjoint de la Institute for Infrastructure
and Environment de l'Université d'Édimbourg, pour m’avoir encadrée dans mes travaux au
labora-toire de l’université d’Édimbourg et de m’avoir offert l’opportunité d’intégrer son équipe.
Je souhaite une autre fois remercier mon directeur Pierre Blanchet et mon codirecteur Luke Bisby d’avoir établi ce partenariat avec l’université d’Édimbourg. Mes remerciements vont également au gestionnaire du laboratoire du BRE Centre for Fire Safety Engineering, Dr. Rory Hadden, pour m’avoir acceptée dans son département. Un merci spécial à M. Michal Krajcovic, superviseur du laboratoire, qui a facilité mon séjour à Édimbourg par sa générosité et son aide précieuse ainsi qu’un merci à tous les étudiants, doctorants et stagiaires qui ont rendu mon séjour en Écosse si agréable. J’aimerais remercier tout le personnel professionnel et technique qui a contribué à ce projet, autant au Centre de recherche sur les matériaux renouvelables de l’Université Laval (Benoît St-Pierre, Luc Germain, Jean Ouellet, Daniel Bourgault et David Lagueux) que chez FPInnovations (Francine Côté). Merci à vous tous pour vos bons conseils et votre collaboration. Également, je remercie le personnel administratif du CRMR, Guylaine Bélanger et Caroline Trahan pour leur soutien durant mon projet. Merci aussi au personnel du CIRCERB, Pierre Gagné et Jenny McKenzie pour avoir réussi à faire rayonner les projets de la chaire comme ils ont su le faire. Je tiens aussi à remercier tous mes collègues du CIRCERB et du CRMR à l’Université Laval pour la création d’une ambiance amicale et dyna-mique tout au long de mon parcours à la maîtrise.
De plus, je tiens à remercier les partenaires industriels du CIRCERB pour leur engagement et soutien, et plus particulièrement, Coarchitecture pour l’apport matériel et les spécificités du projet ainsi que FPInnovations pour l’aide technique et l’accès aux laboratoires. Enfin, je suis reconnaissante du
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soutien financier offert par le Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG) et Jubilé de diamant de la reine Élisabeth d’Université Canada.
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Avant-propos
Le projet présenté dans ce manuscrit a été réalisé dans le cadre de la Chaire industrielle de recherche du CRSNG sur la construction écoresponsable en bois (CIRCERB), sous la direction de M. Pierre Blanchet, professeur au Département des sciences du bois et de la forêt de l’Université Laval, et sous la codirection de Dr. Christian Dagenais, chercheur chez FPInnovations, et le professeur Luke Bisby, directeur du BRE Centre for Fire Safety Engineering et directeur adjoint de la Institute for
Infrastruc-ture and Environment de l'Université d'Édimbourg. Les travaux se sont déroulés en partie au Centre
de recherche sur les matériaux renouvelables du département des sciences du bois et de la forêt, dans les laboratoires du partenaire industriel, FPInnovations - laboratoire de Québec, ainsi qu’au BRE
Centre for Fire Safety Engineering de l’Université d’Édimbourg. Cette étude a été réalisée dans le
cadre du programme de maîtrise en sciences du bois avec mémoire et est présentée sous forme d’un mémoire de publications. Un article scientifique rédigé en anglais est inclus dans ce mémoire. L’article « Fire hazard of compressed straw as an insulation material for wooden structure » par Blon-din, F., Blanchet, P., Dagenais, C. et Bisby, L., a été soumis pour publication à la revue scientifique Fire and Materials le 16 août 2018. Il est présenté au chapitre 2 de ce document.
Cet article a été entièrement écrit par l’étudiant Frédéric Blondin. Les résultats et analyses ont été discutés entre l’étudiant, son directeur et ses codirecteurs. L’article a fait l’objet d’une révision et critique par Pierre Blanchet, Christian Dagenais et Luke Bisby.
Les résultats de ce mémoire ont également été présentés dans le cadre des évènements suivants.
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9e Bureau de direction CIRCERB, 27 avril 2017, Montréal-
École professionnelle CIRCERB, 15 juillet 2017, Québec1
Introduction
Mise en contexte
Le développement durable est l’un des enjeux les plus importants de l’ère contemporaine. Le domaine de la construction étant l’un des plus grands producteurs mondiaux de déchets, il se doit de fixer des objectifs de durabilité. Utilisant 40 % des ressources extraites dans les pays industrialisés et respon-sables de 70 % de la consommation d’électricité, le secteur du bâtiment est également responsable de la grande consommation d’eau potable et des déchets mis en décharges (Baharetha, Al-Hammad and Alshuwaikhat, 2013; Volf, Divi and Havlik, 2015). Il contribue jusqu’à 30% des gaz à effet de serre produit globalement annuellement (UNEP, 2009). Depuis les dernières décennies, l’extraction de ma-tières premières a bondi en flèche et la tendance à la hausse de la consommation en énergie des bâti-ments, due à la croissance mondiale de la population, indique que nous devons reconsidérer la façon dont nous construisons (Milani, 2005; Franzoni, 2011; Baharetha, Al-Hammad and Alshuwaikhat, 2013). Le défi demeure dans la construction de bâtiments plus efficaces en utilisant des matériaux respectueux de l’environnement.
Dû à son grand impact sur l’environnement, l’industrie s’oriente vers de nouvelles approches pour améliorer l’efficacité et la durabilité de leurs conceptions (Franzoni, 2011; Palumbo, Formosa and Lacasta, 2015). De nombreux pays et régions ont développé des programmes de construction écolo-gique visant à promouvoir des bâtiments plus durables (Newsham, Mancini and Birt, 2009). Les sys-tèmes d'évaluation ou de certification des bâtiments écologiques élargissent la portée au-delà du pro-duit pour considérer le projet dans son ensemble. Les systèmes de notation sont un type de système de certification des bâtiments qui évalue ou récompense les niveaux de conformité ou de performance relatifs aux objectifs et des exigences environnementales spécifiques. Les systèmes de notation et les systèmes de certification sont fréquemment utilisés de manière interchangeable (Stephanie Vierra, 2016). Depuis la dernière décennie, la certification LEED (Leadership in Energy and Environmental
Design) a pris une place importante dans le marché immobilier canadien et a participé de manière
considérable à la croissance du secteur de la construction durable. De nos jours, plusieurs autres pro-grammes ont vu le jour en Amérique du Nord tel que HQE (Haute Qualité Environnementale), Green
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Pour diminuer l’impact environnemental, il y a plusieurs facteurs décisifs dans le cycle de vie d’une construction sur lesquels il est possible de se pencher. Par exemple, un urbanisme bien réfléchi au sein d’une ville augmente la densité de population par des logements multiétagés et donc, densifie l’activité humaine et diminue les pertes inutiles d’énergie (Cangelli and Fais, 2012). La diminution d’extraction de matières non renouvelables par l’utilisation de matières recyclées telle que les agré-gats de béton de démolition pour substituer ceux naturels dans la fabrication de nouveaux bétons est une solution de remplacement au béton structural (Sassoni et al., 2014). Une solution encore plus efficace est de remplacer les matériaux non renouvelables par des matériaux renouvelables.
Actuellement, les architectes et les ingénieurs s’efforcent de construire des structures durables, éner-gétiques et rentables en utilisant des matériaux biosourcés1. À la demande de plus en plus criante des
concepteurs de produits, des prescripteurs de matériaux, des promoteurs immobiliers ainsi que des propriétaires, les produits de construction certifiés provenant de ressource durable deviennent donc une stratégie essentielle (Falk, 2009). Leurs excellentes performances environnementales et leurs pro-priétés techniques et structurales sont à la base d’une conception optimisée. L'utilisation de matériaux de construction renouvelables, comme le bois, est souvent proposée, mais la substitution des fibres minérales inorganiques par des fibres naturelles, pour l'isolation thermique du bâtiment, n’est pas systématique.
Néanmoins, ces dernières années, un engouement s’est créé pour les sous-produits de culture céréa-lière. Leur faible empreinte environnementale et leur disponibilité locale a déclenché un réel intérêt pour leur utilisation (Palumbo et al., 2017). Utiliser les sous-produits de culture de céréales est une alternative attrayante aux matériaux de construction traditionnels. Cette revalorisation de déchets de l’agriculture n’a besoin que de très peu d’énergie dans son processus de transformation et ne génère pratiquement aucun déchet de construction (Madurwar, Ralegaonkar and Mandavgane, 2013). De plus, isoler une structure en bois avec un matériau biosourcé est une stratégie gagnante pour créer un puits de carbone biogénique à très faible coût (Norford et al., 1999; Papadopoulos, 2005; Volf, Divi and Havlik, 2015).
Cependant, la sécurité incendie a toujours été une préoccupation majeure pour les matériaux de cons-truction biosourcés à travers le monde entier. En tant que matériaux de croissance naturelle, les struc-tures en bois et les isolants biosourcés sont principalement constitués de carbone organique et sont
1 Se dit d’un produit ou d’un matériau entièrement ou partiellement fabriqué à partir de matières
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donc combustibles. Si l'isolation en paille compressée est marginalement utilisée dans les bâtiments, le bois est plus courant, mais avec des réglementations spécifiques en matière de protection incendie (EN 1995-1-2, 2004; NBCC, 2010). La méconnaissance des risques incendie liés à la paille compres-sée comme isolant limite l'utilisation de ce matériau renouvelable à faible empreinte environnemen-tale (Canadian Wood Council, 1996). Néanmoins, certaines recherches effectuées au cours des der-nières années suggèrent que les murs non porteurs en ballots de paille peuvent atteindre une résistance au feu de deux heures sous les feux normalisés ASTM E-119 et ISO-834 (NA, 2007; Dzidic, 2017). Comme il n'y a pas de feu sans source d’énergie, de combustible et d'oxygène, la compression de la paille diminuerait considérablement la capacité de l'oxygène à alimenter le feu dans le matériau (Garas, Allam and Mamdouh, 2009; Dzidic, 2017) et semblerait par conséquent une solution raison-nable afin de réduire le risque incendie.
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Objectifs
Ce projet de maîtrise a pour objectif général de documenter le risque incendie de la paille compressée lorsqu’elle est utilisée comme matériau isolant dans une structure en bois. Les objectifs spécifiques du projet sont les suivants :
- Objectif 1 : Évaluer les propriétés de combustion et la conductivité thermique de trois densi-tés différentes de paille (75, 125 et 175 kg/m3).
- Objectif 2 : Comparer les propriétés de la densité de paille la plus performante aux tests de l’objectif 1 à celles d’une sélection d’isolants commerciaux combustibles.
- Objectif 3 : Documenter l’impact de la charge combustible de la densité de paille sélectionnée suite à l’objectif 1 dans un assemblage à ossature de bois.
La méthodologie employée et les résultats obtenus pour répondre à ces objectifs sont présentés dans l’article scientifique contenu dans ce mémoire.
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C
HAPITRE
1
Revue de Littérature
Les motivations de l’utilisation de la paille compressée comme isolant principal dans les bâtiments et ses avantages envers d’autres isolants biosourcés ainsi que les isolants de base pétrochimique sont d’abord proposés. Puis, ce chapitre présente les principales notions en sécurité incendie qui sont per-tinentes aux objectifs de recherche.
1.1. Isoler avec la paille, pourquoi?
Construire un bâtiment résidentiel en utilisant du matériel biosourcé inculque une méthode passive et durable pour construire. Apparu il y a près de deux cents ans aux États-Unis, dans l'État du Nebraska, l’usage des ballots de paille pour l’isolation présente certaines caractéristiques intéressantes, notam-ment une empreinte écologique quasi nulle (King and Aschheim, 2006; Paradis-Bolduc, 2016). À l’époque, par sa présence abondante et son faible coût, il a été possible de construire des abris de faible hauteur avec un mur porteur de ballots de paille pour les nouveaux Européens arrivés en Amé-rique du Nord. Utilisée jusque dans les années 50, cette technique tombe dans l'oubli avec l'arrivée des matériaux de construction modernes (King and Aschheim, 2006).
De nos jours, l’utilisation de paille pour l’isolation revient sur le devant de la scène pour faire face aux nouveaux défis. La paille, sous-produit de la culture céréalière, est un matériau ayant un grand potentiel d'économie d'énergie et économique dans la construction de bâtiment. La grande quantité produite due à la récolte céréalière peut être valorisée et utilisée pour isoler les bâtiments (Paradis-Bolduc, 2016). Naturel, renouvelable, abondant et biodégradable, il réduit également les coûts de construction, la consommation d'énergie, ainsi qu’accumuler et de stocker du carbone. Il nécessite un faible processus de fabrication et ne génère aucun gaspillage de construction (King and Aschheim, 2006; Ryan, 2011).
Une importante distinction doit être faite entre la paille et le foin. Le foin est constitué d'une combi-naison d'herbes provenant de champs, coupées encore vertes et empaquetées pour servir d'aliments aux animaux lorsque l'herbe fraîche ou les plantes ne sont pas disponibles. Le foin a une teneur élevée en humidité et est très sensible aux insectes, à la pourriture et à la moisissure. En aucun cas, il ne
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devrait être utilisé à la place de la paille à des fins de construction (Magwood, Mack and Therrien, 2005).
1.1.1 Situer la paille
Choisir la paille, c'est choisir un matériau naturel, renouvelable, récupéré, non toxique, isolant et présent en abondance à travers le monde. Toutefois, il existe présentement déjà plusieurs produits d’isolation biosourcée sur le marché. Alors, pourquoi la paille? Volf, Divi et Havlik (2015) ont étudié certaines isolations naturelles alternatives utilisées de nos jours. En comparaison aux matériaux d’iso-lations commerciaux, ces matériaux ont un impact environnemental remarquablement faible. Au cours des dernières années, plusieurs recherches ont été réalisées afin d’enrichir la base de connais-sances sur les différentes alternatives naturelles (Norford et al., 1999; Ashour and Wu, 2011; Franzoni, 2011; Zach et al., 2012; Volf, Divi and Havlik, 2015). Afin de situer la pertinence de la paille comme méthode d’isolation, plusieurs matériaux d'isolation ont été sélectionnés sur la base de plusieurs recherches :
• Ballot de paille compressée • Fibre de bois
• Laine biosourcée • Cellulose
• Mousse de polyuréthane
La sélection de ces matériaux a été effectuée du fait de leur récurrence dans la littérature à titre d’iso-lant. Tous ces matériaux sont d’origine biosourcée, à l'exception de la mousse de polyuréthane qui est utilisé comme matériau de référence pour les matériaux pétrochimiques. Ces isolants sont tous utilisés dans l’enveloppe de murs de bâtiment et conviennent comme couche d’isolant principale (Ryan, 2011). Une courte description de chacun de ces matériaux suit :
Paille compressée mise en balles
Les balles sont des masses de paille compressées et liées en blocs rectangulaires. La ficelle de poly-propylène est le lien le plus commun, mais le fil de chanvre ou d'autres types de ligne de mise en balles sont parfois utilisés (King and Aschheim, 2006).
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La fibre de bois est obtenue par des résidus de bois résineux de défibrage thermomécanique. Ensuite, il s'agglomère par voie sèche ou humide avec l'ajout de liant pour former des panneaux plus ou moins denses (energievie.info, 2014).
Laine biosourcée
La laine biosourcée est constituée de fibres végétales (bois, chanvre, lin), de fibres textiles recyclées (coton), de fibres animales (laine de mouton) ou d'un mélange de ces matières. Il est texturé comme un rouleau ou des panneaux en ajoutant de la fibre de polymère à laquelle sont ajoutés des additifs pour réduire son inflammabilité et augmenter sa résistance aux moisissures (Ye et al., 2006; energievie.info, 2014).
Cellulose
La cellulose est obtenue à partir de papier recyclé (papier journal non vendu, papier d'impression neuf) auquel sont ajoutés des additifs pour réduire son inflammabilité et augmenter sa résistance aux moisissures (energievie.info, 2014).
Mousse de polyuréthane
La mousse de polyuréthane est basée sur des associations polyisocyaniques. Sa fabrication est réalisée à partir de mousse avec du dioxyde de carbone ou des gaz de pentane (Papadopoulos, 2005; energievie.info, 2014).
Les propriétés des matériaux isolants, présentées dans ce document, concernent deux groupes diffé-rents. D’une première part, les propriétés physiques qui décrivent le comportement du matériau en termes de densité, d'isolation, de chaleur spécifique, etc. Ensuite, moins clairement énoncé et moins communément accepté, le second groupe concerne l'impact environnemental des matériaux isolants (Papadopoulos, 2005). Ce groupe inclut le critère de l'énergie intrinsèque (énergie grise). Ces pro-priétés sont définies ci-dessous.
Conductivité thermique
La conductivité thermique est la propriété d'un matériau à transférer de la chaleur (énergie interne) par des collisions microscopiques de particules et le mouvement d'électrons dans un corps (King and Aschheim, 2006). En d'autres termes, c'est la quantité de chaleur qui traverse un mètre carré de ma-tériau sur une épaisseur d'un mètre en une seconde pour un écart de température d'un kelvin entre les deux surfaces (energievie.info, 2014). Elle est désignée par le coefficient λ en W / (m∙K). Donc, plus la conductivité thermique est faible, meilleure est l'isolation.
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Densité anhydre
La densité anhydre est la masse, sans humidité, d'une matière par unité de volume anhydre. Elle est désignée par r en kg/m3.
Chaleur spécifique
Ceci est la capacité d'un matériau à stocker la chaleur en fonction de son poids. Elle caractérise la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un kilogramme de masse d'un kelvin. Elle est désignée par !" en J/(kg∙K) (energievie.info, 2014). Plus !" est élevé, plus il faut de l’énergie pour augmenter la température d’un matériau.
Résistance de diffusion de vapeur d'eau
Ceci est la capacité d'un matériau à empêcher le passage de la vapeur d'eau, désignée par μ. Plus μ est élevé, plus le matériau est étanche à la vapeur (energievie.info, 2014).
Énergie intrinsèque
L'énergie intrinsèque est la somme de toute l'énergie consommée pendant tout le processus d'un ma-tériau. Il compte l'énergie pour extraire, fabriquer, transformer, assembler, entretenir et le processus de fin de vie du matériau pour la construction d'un bâtiment (Franzoni, 2011).
Le tableau 1.1 présente les propriétés mesurées des matériaux nommés ci-dessus (energievie.info, 2014; Volf, Divi and Havlik, 2015). Il démontre qu’il existe des variations entre les propriétés de ces différents matériaux. Sans surprise, il semble y avoir certains avantages pour la mousse de polyuré-thane du point de vue de l’isolation. En revanche, l’énergie intrinsèque est de loin la pire. Le ballot de paille compressée, dont la conductivité thermique moyenne est un peu plus de deux fois supérieure à celle du polyuréthane, consomme en moyenne trois cents fois moins d'énergie et comparativement aux autres matériaux biosourcés, il consomme entre 30 et 100 fois moins d’énergie. De plus, par sa faible résistance à la diffusion de vapeur, il est perspirant, c’est-à-dire qu’il a la capacité d’évacuer la vapeur d’eau générée par les occupants dans une habitation.
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Table 0.1 Caractéristiques techniques principales d'isolants
Isolants Conductivité thermique l [W/m.K] Densité sèche r [kg/m3] Chaleur spéci-fique cr [J/kg∙K] Résistance de diffusion de vapeur d’eau µ Énergie in-trinsèque [kWh/kg] Ballot de paille 0.052-0.080 80-120 1550 1-2 0.1 Fibre de bois 0.038-0.049 110-240 2000-2100 3-5 1-3 Cellulose 0.037-0.042 30-70 2000 2 1-2 Laine bio-sourcée 0.032-0.047 20-80 1350-1800 1-3 5-10 Mousse de polyuré-thane 0.022-0.028 30-40 1000 80-200 25-35
Lorsque les intentions sont de construire des bâtiments plus efficaces et plus responsables, il est né-cessaire de considérer toutes les propriétés d'un matériau, incluant l’énergie et l’impact impliqués dans son cycle de vie. Au fait de ces informations, la pertinence d’utiliser la paille compressée comme isolant principal est bien réelle notamment pour sa faible empreinte environnementale, son faible coût, sa grande disponibilité et sa bonne propriété d’isolation considérant son faible niveau de trans-formation.
1.2. Sécurité incendie
La sécurité incendie a toujours été une préoccupation majeure pour toutes les constructions. Bien entendu, aucun bâtiment ne peut être érigé et occupé sans risque de danger, mais des mesures sont prises pour les minimiser. Le premier but de la sécurité incendie est de limiter, à un niveau acceptable, les probabilités de décès, de blessures, de perte de propriété et de dommages à l'environnement suite à un incendie (Buchanan and Abu, 2017). La sécurité incendie est l'une des principales actions à prendre en compte au début d'une conception. Il s'agit d'un ensemble de pratiques visant à retarder un incendie afin que les occupants aient le temps de s'échapper ou soient en sécurité jusqu'à l'arrivée des secours. Les mesures de sécurité contre l'incendie comprennent celles qui visent à prévenir un
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incendie incontrôlé et celles qui sont utilisées pour limiter le développement et les effets d'un feu après son déclenchement.
1.2.1
Risque incendie de la paille : l’idée reçue
Plusieurs idées reçues circulent autour des dangers de la paille comme isolant dans un bâtiment. Son risque face au feu est celui qui préoccupe le plus puisqu’il est une menace directe à la sécurité des occupants. L’origine de cette croyance ne vient pas de loin, elle provient du réel risque des feux de granges entreposant des bottes de pailles et de foin (Hartschuh et al., 2017). Le fait est que ces feux sont causés par le foin qui a été mis en balles trop tôt avec des niveaux élevés d'humidité dans la culture (Andrew Morrison, 2007; Hartschuh et al., 2017). Ces feux commencent lorsque cette humi-dité crée une amplification de la respiratoire des cellules végétales dans le foin. Les bactéries méso-philes libèrent de la chaleur provoquant des températures qui augmentent entre 55 °C et 60 °C (130‒ 140 °F) et lorsque celles-ci meurent et que les bactéries thermophiles prennent le relais, les tempé-ratures peuvent atteindre plus de 80 °C (175 °F) (Farm and Ranch eXtension in Safety and Health (FReSH), 2012). À ces températures, le foin peut s’enflammer spontanément. Quant à elle, la paille est mise en balles lorsque la culture est morte et sèche, habituellement avec une teneur en humidité d'environ 8% en volume, de sorte qu'aucune décomposition à l'intérieur ne se produit (Andrew Morrison, 2007). Puisque la paille est compressée, cela diminue considérablement sa concentration en oxygène qui est nécessaire pour alimenter un feu dans le matériau. Contrairement aux idées reçues, lorsque la paille est utilisée dans les bâtiments, elle ne présente pas de dangers particuliers face au feu si on la compare aux autres matériaux combustibles de construction (Paradis-Bolduc, 2016). Ce-pendant, pendant les chantiers de construction, il faut être particulièrement vigilant à ce que les quelques brins de paille qui s’échappent des bottes lors leur manutention ne s’accumulent pas en vrac dans un coin, ce qui deviendrait alors propice à une combustion facile.
1.3 Dynamique incendie
Il y a trois éléments de base pour que la combustion se produise : l'oxygène, la chaleur et le carburant. Ces éléments interdépendants interagissant simultanément a conduit au concept du « triangle du feu » montré à la Figure 0.1 (Spearpoint, 2008). Sans l’un de ces trois éléments, la combustion cesse. Ce principe est à la base de la plupart des moyens de suppression où, par exemple, ajouter de l'eau enlève le composant thermique, recouvrir de mousse ou d'autres matériaux fournit une barrière entre la cha-leur et les combustibles non brûlés et étouffe le feu en le privant d'oxygène. La combustion est appelée une « réaction en chaîne », car la chaleur agit comme un catalyseur, mais est également un produit de la réaction et a le potentiel de perpétuer la réaction. Ce quatrième élément de combustion et de
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production de flamme est souvent inclus, ce qui explique cette réaction chimique en chaîne. Il est également souvent combiné au triangle de feu formant ainsi le tétraèdre du feu (Drysdale, 2011).
Figure 0.1 Triangle du feu (Gustavb, 2006)
La dynamique incendie est l'étude de la façon dont la chimie, la science du feu, la science des maté-riaux et les disciplines du génie mécanique de la mécanique des fluides et du transfert de chaleur interagissent pour influencer le comportement du feu (NIST, 2010). En d'autres termes, la dynamique incendie est l'étude de la façon dont les incendies commencent, se propagent et se développent. La Figure 0.2 représente les interactions et le processus de transfert de masse et de chaleur entre une surface qui brûle et son environnement.
Figure 0.2 Représentation schématique d'une surface qui brûle, présentant le processus de transfert de masse et de chaleur (adapté de Drysdale, 2011)
Naissance
La naissance d’un incendie comprend l'allumage et le développement d'une réaction de combustion autoentretenue. Il existe de nombreuses sources d'inflammation possibles, qu'elles soient délibérées ou accidentelles. La source d'inflammation est généralement très petite et a une faible énergie, mais
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si elle affecte les matériaux combustibles, cela suffit souvent pour déclencher un incendie. L'allumage est toujours précédé du chauffage du combustible potentiel, produisant souvent de la fumée et/ou d'autres produits de combustion. La durée de la phase initiale d’un incendie peut être de quelques millisecondes à plusieurs jours en fonction du carburant initial, des conditions ambiantes, de la source de chaleur, etc. (Spearpoint, 2008).
Croissance
Le développement d’un incendie peut être séparé en deux phases, c’est-à-dire avant et après l’embra-sement général. La compréhension de la croissance d’un incendie avant l’embral’embra-sement est très im-portante pour l'ingénierie de la sécurité incendie, car le risque initial pour la sécurité des occupants est dû à la chaleur et à la fumée produites pendant cette étape. La phase de croissance suit le début de la combustion accompagnée de flammes au fur et à mesure que le feu se développe et se propage aux combustibles adjacents. Une fois la combustion entamée, le feu continuera de se développer et se propager à moins qu’il ne soit éloigné des autres combustibles ou que des mesures de lutte contre le feu soient appliquées. Habituellement, une analyse de l'ingénierie de la sécurité incendie évaluant la sécurité des occupants d'un bâtiment nécessite une compréhension de la croissance du feu jusqu'à l'embrasement (Spearpoint, 2008).
Il existe un grand nombre de logiciels pour une variété d'applications dans l'ingénierie de la sécurité incendie allant de la conception des sorties d’évacuations, la conception des gicleurs, la gestion de la fumée et les performances structurelles qui mettent l'accent sur des modèles de la phase de croissance du feu. Ils ne sont toutefois pas capables de modéliser les déclenchements d’incendies, ou les feux couvant, qui sont intrinsèquement imprévisibles, à la fois en termes de vitesse de croissance du feu et de temps à partir duquel ils peuvent se transformer en combustion accompagnée de flammes (Spearpoint, 2008).
Incendie pleinement développé
Une fois que l'embrasement général a eu lieu, le feu est à l'étape de développement complet, qui se caractérise par un taux de dégagement de chaleur élevé et des températures élevées par rapport aux conditions de préallumage. Ce stade est le plus important lorsqu’on considère la protection du bâti-ment, de sa stabilité structurelle et la possibilité que le feu se propage à d’autres propriétés. À ce stade, l’incendie est habituellement limité par la quantité de comburant introduit au système de com-bustion, c’est-à-dire par la quantité d’air pouvant alimenter le feu par les ouvertures des comparti-ments. Il est donc dit que l’incendie est contrôlé par la ventilation. Autrement, sa combustion serait limitée par la quantité de combustibles disponibles (Dagenais, 2016a).
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Décroissance
Suite à l'étape de développement complet, l'intensité du feu diminue à mesure que le combustible est consommé. Une fois que l'approvisionnement en carburant diminue au point où il est incapable de maintenir le taux de combustion maximum, l'incendie est considéré comme étant en phase de décrois-sance. Le passage à cette phase est souvent défini comme le moment où 70% du combustible a été consommé (EN1991-1-2, 2003). Cette phase difficile à prédire est habituellement représentée linéai-rement et se termine lorsque la totalité de la charge calorifique est consumée (Dagenais, 2016a).
Feux de conception
La plupart des calculs de conception effectués par un ingénieur de la sécurité incendie dépendent du taux de dégagement de chaleur de l'incendie. La première étape dans la plupart des cas est de déter-miner quel feu doit être utilisé comme « feu de conception ». La Figure 0.3 présente la courbe idéa-lisée d’un scénario incendie affichant les étapes précédemment présentées. Simplifiée, cette courbe représente les éléments les plus importants de la plupart des modèles de croissance d’un incendie dans un cadre qualitatif (Spearpoint, 2008). Pour utiliser des méthodes quantitatives de calcul et con-naître le taux de dégagement de chaleur pour la conception incendie, il faut notamment comprendre les modes de transfert thermique, caractériser la combustibilité et l’inflammabilité des matériaux uti-lisés dans la construction d’un bâtiment, etc.
Figure 0.3 Courbe idéalisée d’un scénario incendie (adapté de Spearpoint, 2008)
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Pour comprendre la dynamique incendie et comprendre sa propagation, il faut d’abord comprendre quels sont les modes de transfert thermique. Un transfert thermique, communément appelé transfert de chaleur, est l'un des modes d'échange d'énergie thermique entre deux systèmes et est une notion fondamentale de la thermodynamique. Le transfert thermique d’un incendie peut être assimilé à un transfert d’énergie microscopique désordonné à l’environnement qui l’entoure. On distingue trois types de transfert thermique :
• la conduction, due à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière ; • le rayonnement, qui correspond à la propagation de photons ;
• la convection, transfert thermique qui accompagne les déplacements macroscopiques de la matière.
Pour distinguer la chaleur de la température, la chaleur est un transfert d’énergie (exprimée en J) alors que la température caractérise l’état d’un corps et peut être mesurée en °C ou en K.
Conduction
Le transfert par conduction est un échange d'énergie se réalisant sans déplacement de matière : il concerne les solides et les fluides immobilisés. La conduction est l'effet microscopique de l'activité physique existant au niveau atomique et moléculaire. Ce transfert est causé par l’interaction entre les particules à l’intérieur d'un seul corps ou par contact entre deux corps. L'énergie thermique due à la vibration des particules les plus énergétiques se transmet aux particules moins énergétiques (CASTETS, 2008). En présence d’un gradient de chaleur 89:9;
<, il y a donc un transfert de chaleur
dans la direction des températures les plus faibles (équation 1). Tel que mentionné plus tôt, la con-duction thermique d’un matériau est un facteur important sur sa performance au feu.=̇?@AB" = E(:) ∙BH
BI (1)
Le flux =̇?@AB" (W/m2) est le taux de transfert de chaleur par unité de surface perpendiculairement à
cette surface et est proportionnel au gradient de température.
Rayonnement
Le rayonnement thermique est de l'énergie émise par la matière à une température finie et peut pro-venir d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz. L'énergie du champ radiatif est transportée par les ondes électromagnétiques (les photons) (CASTETS, 2008). Tandis que la conduction requiert la présence de matière, le rayonnement, lui, est plus efficace dans le vide.
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Le flux maximum (W/m2) émis par un corps à une température :
J (K) est donné par la loi de
Stephan-Boltzman (équation 2). =̇KLB" = M ∙ :
JN (2)
Où M est la constante de Stephan-Boltzman et vaut : 5.67x10TU W/(m2K4). Un corps qui émet
entiè-rement cette énergie est appelé un corps noir. Le flux émis par un corps est habituellement moins élevé (équation 3).
=̇KLB" = V ∙ W ∙ M ∙ :
JN (3)
Où V est le facteur de forme (ou d’exposition) qui considère la position spatiale du corps émetteur par rapport au corps récepteur et prenant une valeur entre 0 et 1, W est une propriété radiative de la matière appelée l'émissivité. L’émissivité correspond au flux radiatif émis par la surface d’un élément à température donnée, rapporté à la valeur de référence qu’est le flux émis par un corps noir à cette même température. Cette dernière valeur étant la valeur maximale possible (corps noir W = 1), l'émis-sivité est comprise entre 0 et 1 et indique l'efficacité du transfert par rapport au corps noir (Modest, 2013). De la même manière, si un corps reçoit un flux incident de rayonnement, il va en absorber une partie qui peut être évaluée grâce à une propriété radiative de la matière appelée le coefficient d'ab-sorption X (équation 4). Tandis que l'émission de rayonnement réduit l'énergie thermique de la ma-tière, l'absorption l'augmente.
=̇LYZ" = X ∙ =̇
[A?" (4)
Où =̇LYZ" est le flux absorbé par la matière réceptrice et =̇
[A?" le flux incident émis par la matière
rayon-nante.
La détermination des échanges nets entre deux surfaces est en général plus complexe. Il faut inclure la température de la surface réceptrice ainsi que son absorption, l’influence des gaz entre les surfaces, etc. Néanmoins, dans le cas assez courant d'une petite surface complètement incluse dans une plus grande surface les équations se simplifient quand on suppose que (CASTETS, 2008) :
• W = X pour la petite surface (corps gris) ;
• le gaz séparant les deux surfaces n'a pas d'influence sur les échanges par rayonnement. Les équations simplifiées s’écrivent comme ci-dessous.
=̇KLB" = V ∙ W ∙ M ∙ \:
16 W = ` _ abc ` adT_ ≤ 1 (6)
Où :J est la température du corps émetteur, :K celle du corps récepteur, WJ est l’émissivité du corps émetteur et WK est l’émissivité (absorption) du corps récepteur.
Convection
Le transfert thermique par convection est dû au déplacement de molécules qui induit un déplacement macroscopique de l'énergie thermique : il se produit dans les fluides (liquides ou gaz) et à l'interface entre un solide et un fluide (CASTETS, 2008). Ces molécules se déplaçant, elles transfèrent leur énergie thermique à une autre partie du système. On distingue deux types de convection.
• La convection naturelle (ou libre) est due à la différence de masse volumique entre les parti-cules composant le fluide. Les partiparti-cules des zones chaudes, de masse volumique plus faible, montent sous l’effet d’une force d’Archimède et laissent leur place à des particules plus froides qui descendent (voir Figure 0.4). Ce mouvement fait passer l’énergie de la surface chaude à la surface froide. Ce phénomène est plus important qu’un transfert purement con-ductif dans l’air, puisque sa conductivité thermique (λ) est faible.
• La convection forcée est due à la mise en mouvement du fluide par une action extérieure comme l'effet d'un ventilateur. Ce mouvement accélère le transfert thermique.
Figure 0.4 Mouvement de convection naturelle
Le flux thermique par convection est proportionnel à l’écart de température entre les deux surfaces (équation 7). Le coefficient de transfert thermique par convection (X?)dépend du type de substrat, gaz ou liquide et de la vitesse des gaz et des autres propriétés dépendantes de la température. Pour une convection naturelle dans un gaz, sa valeur varie entre 2 et 25 W/(m2∙K) (CASTETS, 2008).
=̇?@Af" = X
17
Où :Z est la température à la surface et :g la température ambiante.
1.3.2 Charge calorifique
Toutes réactions de combustion prennent place en dégageant de l’énergie. La charge combustible est quantifiée en définissant la chaleur effective de combustion h? (MJ/kg), aussi appelée pouvoir
calo-rifique net, lorsqu’une quantité unitaire de carburant est complètement oxydée à 25 °C et à pression atmosphérique (Drysdale, 2011). Pour un hydrocarbure, tels les matériaux de construction combus-tibles, leurs molécules sont constituées essentiellement d’atomes de carbone et d’hydrogène et sont, dans certains cas, additionnés d’atomes d’oxygène, d’azotes et autres (Dagenais, 2016a). L’énergie maximale (i) dégagée lorsqu’un combustible ce consume est exprimée selon l’équation 8 où M est la masse en kg. De cette valeur, la densité de charge calorifique \jk^ est calculée pour déterminer la
charge calorifique en fonction de la surface de plancher (lm) (équation 9). Suite à la quantification de ces deux paramètres, il est possible d’estimer la charge calorifique d’un bâtiment pour sa durée de vie utile. Elle doit toutefois refléter la quantité maximale anticipée (Dagenais, 2016a).
i = n ∙ ho (np) (8) jk = q rs (np t u ⁄ ) (9)
1.3.3 Combustibilité et inflammabilité
Le contrôle du contenu combustible joue un rôle important dans la gestion d’un incendie. Peu importe quel matériau prend feu en premier, si le feu démarre et se propage lentement, les occupants auront suffisamment de temps pour évacuer les lieux. C’est pourquoi le code national du bâtiment du Canada (CNBC) régit la combustibilité et l’inflammabilité des matériaux de construction.
Combustibilité
Le CNBC décline les bâtiments en deux types de construction : une construction combustible et une construction incombustible. Ici, l’expression « construction incombustible » ne sous-entend pas que les composants du bâtiment sont faits entièrement de matériaux incombustibles ou que la construction ne peut pas brûler. Elle peut contenir des matériaux combustibles dans les limites prescrites par le code (NBCC, 2010). Une construction incombustible désigne un « type de construction dans laquelle un certain degré de sécurité incendie est assuré grâce à l’utilisation de matériaux incombustibles pour les éléments structuraux et autres composants » (CWC, 1997). Une construction combustible se dit
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d’un type de construction qui ne répond pas aux critères d’une construction incombustible. Puisque cette recherche porte sur des matériaux de croissance naturelle et que la structure en bois et l'isolation de paille consistent principalement en composés de carbone organique, la construction est donc com-bustible.
Un matériau est combustible ou incombustible; il n’existe pas de degrés différents de combustibilité au sens du CNBC. L’incombustibilité des matériaux est déterminée suivant la norme CAN/ULC S114 « Méthode d’essai normalisé pour la détermination de l’incombustibilité́ des matériaux de construc-tion » (ULC, 2005). Cet essai rigoureux s’effectue en exposant un échantillon du matériau à une température ambiante de 750 °C pendant 15 minutes. Un matériau contenant une petite quantité de carbone (comme la cellulose dans le bois) risque d’échouer l’essai. Les matériaux soumis à cet essai sont jugés incombustibles si :
• la moyenne de la hausse de température maximale (mesurée par le thermocouple témoin) n’excède pas 36°C pour l’ensemble des trois échantillons pendant la durée de l’essai ; • s’il n’y a pas jaillissement de flammes de n’importe quel des trois échantillons pendant les
dernières 14,5 minutes de l’essai ;
• si la perte de masse maximale de n’importe quel des trois échantillons mis à l’essai n’excède pas 20 %.
Inflammabilité
L’inflammabilité́ est la propension d’un matériau à brûler ou s'enflammer, provoquant un incendie ou une combustion. Le degré de difficulté requis pour provoquer la combustion d'un matériau est quantifié par des essais tels ISO 5660, ASTM E1354 et CAN/ULC S135 (ASTM, 2013; ISO, 2015; ULC, 2016). À l'échelle internationale, divers protocoles d'essai existent pour quantifier l'inflamma-bilité. Lorsqu’un matériau est soumis à un flux thermique, un gradient de température se profile pour atteindre un maximum en surface. La température en surface peut, par la suite, atteindre un maximum et décomposer le matériau en émettant des vapeurs combustibles. Si le mélange atteint des concen-trations inflammables suffisantes, une source d’énergie peut l’enflammer, ou simplement s’enflam-mer spontanément si la température est amplement élevée (Dagenais, 2016b). Les paramètres décri-vant l’inflammabilité d’un matériau sont :
• L’allumage ; • La combustibilité ; • Le débit calorifique ;
19 • La propagation de la flamme ;
• La production de fumée et d’effluents gazeux.
Les méthodes d’essai (ISO 5660, ASTM E1354 ou CAN/ULC S135) permettent d'évaluer le débit calorifique et le taux de dégagement dynamique de fumée d'éprouvettes orientées horizontalement et exposées à des niveaux de flux thermique radiant incident contrôlé au moyen d'une source externe (ISO, 2015). Le débit calorifique est déterminé en mesurant la consommation d'oxygène dérivée de la concentration d'oxygène, ainsi que le débit dans le conduit d'évacuation des produits de combus-tion. Le temps d'allumage (moment où apparition d’une flamme persistante) est également mesuré au cours de cet essai.
Cette méthode s’effectue avec le calorimètre à cône, un appareil d’essai incendie à petite échelle en laboratoire basé sur la performance (Karlsson, 2001; Babrauskas, 2016). Des plaques d’échantillons de dimensions de 100 mm x 100 mm x 25 mm sont étudiées dans des conditions de flambage forcé. Pour l’ingénierie de la sécurité incendie, la taille de l’échantillon est du plus petit ordre de grandeur, tandis que pour l’analyse du matériau ou du composé lui-même, elle est du plus grand ordre. Par conséquent, le calorimètre à cône constitue un lien important entre l'ingénierie de la sécurité incendie et la science des matériaux, ce qui est crucial dans le domaine interdisciplinaire de la science du feu (Schartel, Bartholmai and Knoll, 2005). En outre, il offre un aperçu complet non seulement des risques d'incendie tels que le taux de dégagement de chaleur, le dégagement de chaleur total et le délai de combustion, mais aussi les risques d'incendie tels que la libération de fumée et la production d’effluents gazeux tels que le CO et CO2. La configuration du calorimètre à cône a été développée de
manière approfondie pour cibler les propriétés des matériaux plutôt que pour correspondre à un scé-nario spécifique à grande échelle d'un feu réel (Babrauskas, 2000).
Pour une meilleure compréhension du comportement d’un matériau face à un feu et à des fins de modélisation, quatre paramètres sont fondamentaux pour caractériser l’inflammabilité d’un matériau :
1. w[x, le temps où l’allumage survient en secondes ; 2. ="̇?K, le flux thermique critique d’allumage en yz t⁄ u ;
3. :[x, la température de surface à l’allumage en { ou ℃ ;
4. y}!~, l’inertie thermique (ypu⁄(tN{u).
Suite aux essais au calorimètre à cône, seul w[x peut en être directement tiré correspondant à un flux thermique incident spécifique. Selon le guide de référence BRANZFIRE (Wade, 2004), il est possible d’établir une corrélation entre les données d'inflammation afin d'estimer le flux thermique critique
20
sous une source d’allumage \="̇?K^, la température d’allumage \:[x^ et l'inertie thermique effective en utilisant les données mesurées d’un minimum de trois flux de thermique incident. En guise d’exemple, la Figure 0.5 établit la corrélation des temps d'allumage en reportant [1 w⁄ ]A sur l'axe Y
contre ="̇ sur l'axe X en variant « Ç » pour atteindre le plus haut facteur de corrélation Éu. L’abscisse
à l’origine représente le ="̇?K tandis qu’il est possible de déterminer :[x selon l’égalité de l’équa-tion 10 où ℎ? = 0,0135 yz t⁄ u{ et :g est la température ambiante.
Figure 0.5 Corrélation des temps d'allumage pour un meilleur ajustement « n » (données fictives)
á="̇?K = ℎ?\:[x− :g^ + á\:[xN − :gN^ (10)
1.3.4 Résistance au feu
La résistance au feu est définie par la durée, en heure, qu'un système de protection incendie passif (matériau ou construction) conserve sa capacité à résister à une exposition au feu, continue à remplir une fonction structurale donnée, ou les deux, déterminé par un test normalisé de résistance au feu (Régie du Bâtiment du Québec, 2013). L’aptitude d’une structure à résister à un feu peut être vérifiée selon trois niveaux : temps (minutes ou heures), température (°C) et résistance (kN ou kN∙m). Ces niveaux permettent de satisfaire trois critères de performance présentés à la Figure 0.6 : la résistance mécanique (R), qui est l’aptitude d’un ensemble ou d’un élément structural à résister aux actions spécifiées pendant l’exposition au feu donné ; l’intégrité́ (E), qui est l’aptitude d’un élément séparatif d’un bâtiment à empêcher le passage des flammes et des gaz chauds et à éviter l’apparition de flammes du côté non exposé, puis l’isolation (I), qui est l’aptitude d’un élément séparatif d’un bâtiment à
R² = 0,9942 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0 10 20 30 40 50 60 tig -n(s ec -n) Niveau d'irradiance (kW/m²)
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limiter l’augmentation de température de la face non exposée en dessous des niveaux spécifiés (Dagenais, 2016c).
Figure 0.6 Critères de performance pour la résistance au feu
Bien que le développement d'un incendie soit un phénomène très aléatoire, il s'est avéré nécessaire de reconstituer d'une manière expérimentale différents types d'incendies dans le but de définir des lois générales sur la résistance au feu des éléments de construction et de structures des bâtiments. Au début des années 1900, des recherches ont conduit à adopter une formule standard considérant les variations de température en fonction du temps pour assurer la conformité des éléments structuraux et des assemblages et ainsi unifier tous les essais d'incendie en une seule norme pour éviter toute confusion au sein de la communauté (Woolson, 1904; Freitag, 1912; NFPA, 1917). Cette formule arbitraire, qui ne reflète pas les températures atteintes lors de scénarios réels d’incendies, n'a prati-quement pas changé depuis (ASTM, 2000; ULC, 2007; CEN, 2012). Malgré quelques améliorations techniques, de nombreux problèmes subsistent jusqu'à présent, tels que des coûts d'exploitation éle-vés, une mauvaise répétabilité, des conditions limites irréalistes et/ou inappropriées et une faible fia-bilité statistique (Maluk, 2017).
Au Canada, la résistance au feu doit être déterminée à l'aide de la norme CAN/ULC-S101 « Essais d'endurance au feu de la construction et des matériaux » ou de l'annexe D du CNBC (NBCC, 2010). Ce type d’essai normalisé a également été adopté par l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO) et l’American Society for Testing and Materials (ASTM) aux États-Unis, afin de normaliser un type de feu et de permettre la comparaison du comportement des matériaux de construction vis-à-vis ce feu. Les courbes « température-temps normalisée » sont illustrées à la Figure 0.7 Le CNBC permet
22
d'utiliser le degré de résistance au feu des assemblages lorsqu’ils sont évalués conformément à la norme par des laboratoires accrédités par le Conseil canadien des normes.
Figure 0.7 Courbe température-temps des méthodes d’essai de résistance au feu (ULC, 2007; ISO, 2014)
Nouvelle méthode d’essai Heat Transfer Rate Inducing System (H-TRIS)
De nos jours, de nouvelles méthodes tentent de s'imposer en contrôlant un essai au feu en utilisant un flux thermique radiant incident plutôt que des brûleurs à gaz (fournaise). Tel que mentionné plus tôt pour d’autres méthodes d’essai, l'utilisation d'un flux thermique radiant incidente pour des expé-riences scientifiques sur le feu n'est pas un nouveau concept. Il a d’ailleurs été largement utilisé au cours des cinquante dernières années dans une grande variété d'études sur le feu à petite échelle (Gross and Loftus, 1963; Robertson, 2004; Quarles and Sindelar, 2011). Pour répondre aux inconvénients des tests incendies actuellement utilisés, plusieurs auteurs ont suggéré d'utiliser un historique tempo-rel du flux thermique radiant incident au lieu d'un historique tempotempo-rel de la température lors de la description d'un feu (Pettersson, 1974; Bøhm, 1978; Law and Beever, 1995; Sultan, 2010). Le prin-cipal avantage scientifique est associé à la capacité de contrôler directement les conditions aux limites thermiques à la surface exposée des éprouvettes. D'autres avantages de ce type de méthode compren-nent la possibilité d'imposer une plage d'exposition thermique, une répétabilité accrue et un fonction-nement à faible coût économique et temporel (Maluk, 2017). C’est l'approche adoptée dans la pré-sente recherche.
1.4 Protection passive contre l’incendie
0 200 400 600 800 1000 1200 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Te m pé ra tu re (° C) Temps (min)
ULC S101 (ASTM E119) ISO 834
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L’organigramme des concepts de sécurité incendie de la NFPA (Figure 0.8) présente les éléments qui devraient être examinés pour assurer la sécurité incendie dans les bâtiments et établir les rapports entre eux. Il se divise en deux grandes branches, soit par la prévention de l’inflammation et la gestion de l’impact de l’incendie. Cette dernière branche présente la gestion de l’incendie qui se subdivise en trois branches présentant deux modes de protection, soit l’extinction de l’incendie par le mode de protection active, puis le contrôle du processus de combustion ainsi que le confinement du feu par la construction par le mode de protection passive.
Alors que la protection active est principalement dynamique et vise à secourir les victimes et à éteindre un feu aussi vite que possible après sa détection, la protection passive contre l’incendie dans les bâtiments est essentiellement préventive. Elle représente l’ensemble des mesures constructives permettant à un ouvrage ou une partie d’ouvrage de résister à un incendie pendant un temps prédé-terminé tel mentionné dans la section 1.3.4. La principale spécificité de la protection passive est que dès le début d’un incendie, elle fonctionne sans aucune intervention humaine ni aucun apport exté-rieur d’énergie.
Contrôler le processus de combustion implique de contrôler le comportement intrinsèque d’un incen-die (Figure 0.8a), c’est-à-dire par la caractérisation du taux de dégagement de chaleur et de fumée des matières combustibles ou de l’environnement. Essentiellement, il concerne les propriétés de combus-tion d’un matériau ou d’un environnement discuté dans la seccombus-tion 1.3. Le confinement du feu par la construction implique de contrôler la propagation d’un incendie au moyen d’éléments de construction utilisés afin de diviser un bâtiment en plusieurs compartiments résistants au feu (Figure 0.8b).
1.4.1 Confinement de l’incendie
La limitation de la combustibilité et du potentiel de propagation de la flamme des matériaux ne suf-firont pas à empêcher que le feu dépasse le stade de l’inflammation. Il faut donc avoir recours à d’autres moyens de confiner le feu, dans la mesure du possible, à l’intérieur de son lieu d’origine. La compartimentation est l’un des concepts utilisé pour contrôler les risques d’un feu en pleine évolution (CWC, 1997).
Séparation coupe-feu
Une séparation coupe-feu est une barrière avec ou sans degré de résistance au feu. Elle est conçue pour limiter la propagation d'un feu. Lorsque celles-ci confèrent une résistance au feu, elles permet-tent la subdivision des compartiments dans un bâtiment afin d'obtenir une certaine résistance au feu (Lévesque, 2017). Elle peut être illustrée comme une boîte à l’intérieur d’un bâtiment servant à
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contenir le feu pendant un temps limité. La Figure 0.9 illustre la propagation d’un incendie dans un bâtiment avec ou sans séparation coupe-feu.
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Figure 0.9 Propagation du feu dans un bâtiment a) avec séparation coupe-feu b) sans séparation coupe-feu
Coupe-feu
À même égard que les séparations coupe-feu qui permettent de contenir pendant un temps donné le feu dans une pièce, un coupe-feu est un système de protection contre l'incendie et est constitué de divers composants utilisés pour sceller les ouvertures et les joints des compartiments, mais également dans les murs ou les planchers pour résister au mouvement des flammes (American Wood Council, 2007). Les techniques de charpentes traditionnelles créent de nombreux vides de construction entre les éléments et les parois de part et d’autre des murs. Si ces vides se prolongent sur toute la hauteur du bâtiment ou se joignent à ceux du plafond, les gaz chauds et les flammes peuvent se propager loin dans ces espaces sous l’effet du mouvement d’air. C’est pourquoi le CNBC exige que des éléments massifs soient installés à intervalles réguliers dans ces vides de construction. Ces coupe-feux font partie des règles de l’art dans les constructions combustibles et incombustibles. La Figure 0.10 montre la propagation du feu dans les structures avec et sans séparations coupe-feu entre les étages.
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Figure 0.10 De gauche à droite, propagation du feu dans une ossature de type plate-forme et à claire-voie
1.4.2 Influence des panneaux de gypse
Un moyen efficace et facile d'augmenter la résistance au feu est d'utiliser une membrane ayant une bonne performance thermique au-dessus des éléments à protéger. La résistance au feu des assem-blages à ossature de bois (murs et planchers) dépend presque entièrement des panneaux de gypse utilisés pour protéger les éléments de charpente en bois contre les effets de la chaleur. Lorsqu'il est exposé au feu, le gypse absorbe de grandes quantités de chaleur lorsque sa teneur en eau est libérée (CWC, 2002). Il existe différents types de panneaux de gypse sur le marché, mais la construction d'assemblages à ossature de bois avec degré de résistance au feu nécessite des panneaux spécialement fabriqués.
On pense généralement qu'il existe deux types de panneaux de gypse: les panneaux réguliers et les systèmes à résistance au feu (ou type X). Une caractéristique majeure des panneaux de gypse est sa capacité à résister au feu. Cela se fait par sa composition chimique. Le gypse contient de l'eau chimi-quement combinée. Lorsqu'il est exposé au feu, l'eau, en raison de la chaleur, se transforme partielle-ment en vapeur en absorbant de l’énergie, ce qui ralenti efficacepartielle-ment le transfert de chaleur. Les panneaux de gypse réguliers, une fois que l'eau s’est évaporée, diminue de volume, développe de grosses fissures et finit par tomber laissant les éléments structuraux exposés au feu. Le type X a un noyau de gypse renforcé de fibres de verre. Les fibres réduisent l'étendue et la gravité des fissures dans le carton lorsqu'elles sont exposées à la flamme et à la chaleur, augmentant ainsi le temps d'exé-cution sans défaillance. Il existe un troisième type de panneaux de gypse : le type C. Sa composition est similaire à celle du Type X, sauf qu'il a plus de fibres de verre et qu'il contient un autre ingrédient dans le noyau de gypse. Cet ingrédient est un additif compensateur de retrait. Lorsqu'il est exposé à
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une chaleur élevée, le noyau de gypse rétrécit, mais l'élément compensateur de retrait se dilate à peu près au même rythme que le rétrécissement du gypse s’appauvri en eau. Le noyau de gypse est alors plus stable dans un incendie et reste en place même après que l'eau combinée du gypse a été évacuée (Construction Dimensions, 1983).
Les panneaux de gypse de type X ou C peuvent fournir une résistance au feu de 1 à 2 h, selon la configuration de l’assemblage (Forest Products Laboratory, 2010). Dans certains assemblages, une deuxième couche de panneau de gypse peut augmenter la résistance au feu par 78% pour une structure avec des solives en bois massif et de 71% pour une structure avec des poutrelles en I comparativement à un seul panneau de gypse (Sultan, 1998).
Réaction de déshydratation et propriété thermique
Les panneaux de gypses sont constitués de sulfate de calcium et d’eau libre à équivalence de 3% et d’eau chimiquement lié à environ 20% (T. Gerlich, C. R. Collier and H. Buchanan, 1996). L’eau présente dans les panneaux de gypse contribue significativement à sa bonne performance au feu. Lorsqu’exposée, la température à la surface du panneau augmente rapidement jusqu’à atteindre 100 ℃ puis plafonne puisque l’énergie est absorbée pour évaporer l’eau interne (équations 11 et 12). Ce phénomène est observé sur différents panneaux de gypse lors de tests sous une courbe temps-température effectuée par Sivakumar et Mahen (2015). Cette caractéristique des panneaux de gypse contribue énormément à la résistance au feu des structures. CaSOJ∙ 2HMO → CaSOJ∙OMHMO +MQHMO (11) CaSOJ∙OMHMO → CaSOJ+OMHMO (12)
Le carbonate de calcium dans les panneaux de gypse se décompose à une température de 670 °C tel qu’indiqué à l’équation 13 (Ghazi Wakili et al., 2007). Les équations 11 à 13 requièrent une quantité considérable d’énergie pour réagir. La température à laquelle ces réactions chimiques se produisent et l’énergie absorbée dans ces réactions sont des informations essentielles pour comprendre le com-portement des panneaux de gypse à température élevée, tant au niveau la protection que ceux-ci pro-curent qu’à des fins de modélisation numérique.
CaCOQ→ CaO + COM (13)
L'énergie consommée par ces réactions est incorporée dans les valeurs de chaleur spécifique des pan-neaux de gypse.
