Modélisation de la réaction au feu des matériaux en milieux sous ventilés. Application au PMMA

Modeling of the Reaction to Fire of Materials in Under-Ventilated Spaces. Application on the PMMA

• Auteur / Autrice : Rita Nohra
• Direction : Thomas Rogaume, Benjamin Batiot, Damien Marquis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 15/03/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire national de métrologie et d'essais (France) - Institut Pprime [UPR 3346] / PPrime [Poitiers]
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Fontaine, Yannick Pizzo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anthony Collin, Bart Merci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Transfert de chaleur

Pyrolyse

Inflammabilité

Polyméthacrylate de méthyle

Incendies -- Prévention

Essais de comportement au feu

Combustion

Calorimètres

Air confiné

Mots clés libres

Sous-oxygénation

Cône calorimètre à atmosphère contrôlée

Under-oxygenation

Controlled atmosphere calorimeter cone

Résumé

Dans le domaine de la sécurité incendie, l'inflammation et la combustion des matériaux polymères sont étroitement liées aux conditions ambiantes, notamment à la concentration en oxygène. Dans les premiers instant, l'incendie présente des caractéristiques similaires à une situation bien ventilée, mais au fur et à mesure que le feu se développe et que les matériaux combustibles se consument, la disponibilité d'oxygène peut diminuer. Le feu passe alors à un état de sous-oxygénation caractérisé par un comportement complexe et instable de la phase gazeuse. La diminution de l'oxygène influence également le transfert de chaleur et de masse à l'intérieur du matériau étudié, affectant sa décomposition thermique et sa combustion, ainsi que la cinétique et la nature des produits gazeux émis. Les études expérimentales ayant pour enjeu de caractériser l’influence de la sous oxygénation sur la réaction au feu des matériaux solides restent très limitées, et de manière corrélée, les modèles numériques sont souvent non validés pour des telles atmosphères. Dans ce contexte, le présent travail vise à caractériser la décomposition thermique et la combustion des matériaux polymères dans des environnements viciés, en se focalisant sur le poly(méthyl)méthacrylate (PMMA). Un cône calorimètre à atmosphère contrôlée (CACC) a alors été instrumenté de sorte à caractériser l’influence de la concentration d’oxygène sur les processus de décomposition thermique et de combustion : perte de masse, champs de températures, flux de chaleur, composition gazeuse. Au cours de l’étude expérimentale des concentrations d’oxygène allant de 10% à 21% ont été étudiées, pour 3 flux de chaleur.Les résultats expérimentaux soulignent l'influence significative de la concentration d'oxygène et du flux thermique externe sur le transfert de chaleur et de masse ainsi que sur la combustion du PMMA. La perte de masse, le taux de dégagement de chaleur et les températures représentent des progressions linéaires avec la concentration d’oxygène jusqu’à une certaine concentration pour laquelle le comportement devient chaotique et imprévisible. Un paramètre adimensionné représentant la concentration d’oxygène a été introduit, permettant de trouver des corrélations adaptées pour les différents paramètres étudiés.

In the field of fire safety, the ignition and combustion of polymeric materials are closely linked to the ambient conditions, particularly the oxygen concentration. In the initial stages, the fire displays characteristics similar to a well-ventilated situation, but as the fire develops and the combustible materials burn, the availability of oxygen decreases. The fire moves into a state of under-oxygenation characterised by complex and unstable behaviour of the gaseous phase. Oxygen depletion also affects heat and mass transfer within the material under study, affecting its thermal decomposition and combustion, as well as the kinetics and nature of the gaseous products. Experimental studies aimed at characterising the influence of the under-oxygenation on the reaction to fire of solid materials are still very limited in the literature, and numerical models are often not validated for such atmospheres. In this context, the present work aims to characterise the thermal decomposition and the combustion of polymeric materials in contaminated environments, focusing on poly(methyl)methacrylate (PMMA). A controlled atmosphere calorimeter cone (CACC) was instrumented to characterise the influence of oxygen concentration on thermal decomposition and combustion processes: mass loss, temperature fields, heat flux, gas composition. During the experimental study, oxygen concentrations ranging from 10% to 21% were studied, for 3 different heat flows. The experimental results highlight the significant influence of oxygen concentration and external heat flux on heat and mass transfer as well as on PMMA combustion. Mass loss, heat release rate and temperatures show linear progression with oxygen concentration up to a certain value where the behaviour becomes chaotic and unpredictable. A dimensionless parameter representing the oxygen concentration was introduced, allowing suitable correlations to be found for the various parameters studied.