Bibliographie & annexes
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En anglais
RÉSUMÉ
Pour être capable de prédire le comportement au feu des matériaux combustibles, il convient de comprendre l'étape de production de gaz combustibles par le solide lors de sa décomposition thermique, puisque ces gaz alimentent la flamme. La relation entre cinétique de production de ces gaz, température et atmosphère de dégradation peut ainsi être établie avec certaines hypothèses à l'échelle de la matière. Ce modèle nécessite ensuite l'adjonction de paramètres physiques, l'objectif étant de simuler le comportement réel des matériaux dans les situations d'incendie.
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In order to predict the behavior to fire of combustible materials, it is necessary to understand the production stage of combustible gases by the solid during its thermal decomposition, as these gases feed the flames. The relationship between the kinetics of production of these gases, temperature and degradation atmosphere can thus be established with certain hypotheses at the scale of the matter. This model then requires the addition of physical parameters, the aim being to simulate the true behavior of materials in the event of a fire.
Auteur(s)
-
Éric GUILLAUME : Responsable recherche et développement – Direction des essais Laboratoire national de Métrologie et d'Essais
INTRODUCTION
Pour être capable de prédire le comportement au feu des matériaux combustibles naturels ou synthétiques, il convient de comprendre finement l'étape de production de gaz combustibles par une phase condensée lors de sa décomposition thermique. En effet, la flamme est alimentée par différentes espèces gazeuses qui s'échappent du solide en pyrolyse. La cinétique de production de ces gaz tout comme leur nature dépendent de nombreux paramètres, en premier lieu la température et l'atmosphère dans laquelle a lieu le phénomène.
Établir une relation entre la température locale (résultant du bilan local d'échange d'énergie), l'atmosphère locale et les gaz produits susceptibles d'alimenter la flamme en vapeurs combustibles est donc une étape essentielle de la modélisation de l'incendie. Celle-ci implique au préalable d'identifier les phénomènes physico-chimiques en jeu. Historiquement, plusieurs techniques ont été établies, groupées en deux grandes familles : l'approche isoconversionnelle et l'approche modélistique. La difficulté de cette modélisation réside dans la grande complexité des phénomènes en jeu et les hypothèses de simplification retenues. L'approche isoconversionnelle se base sur une analyse graphique des résultats d'analyse thermogravimétrique, alors que l'approche modélistique fait appel à un schéma réactionnel supposé et à la résolution d'un modèle cinétique préétabli. Les outils numériques actuels, basés sur ces différentes méthodes, ont permis le développement de techniques de détermination des paramètres cinétiques de ces systèmes complexes.
Des algorithmes liant la température au taux de pyrolyse commencent à être implémentés dans les outils de modélisation numérique de l'incendie. In fine, une approche basée sur l'étude des principaux matériaux impliqués dans un incendie et la détermination des paramètres cinétiques associés permettent une représentation satisfaisante du comportement au feu à l'échelle de la matière. Des analyses complémentaires sont alors nécessaires, comme l'introduction de différents phénomènes physiques, afin de représenter le comportement à l'échelle du système, donc de l'incendie réel.
Algorithme génétique : technique d'optimisation utilisant la notion de sélection naturelle et l'appliquant à une population de solutions potentielles au problème donné. La solution est approchée par bonds successifs, comme dans une procédure de séparation et évaluation, appliquée à des fonctions.
Décomposition (thermique) [ISO 13943] : processus par lequel l'action de la chaleur ou de températures élevées sur un objet conduit à des changements de la composition chimique.
Dégradation (thermique) [ISO 13943] : processus par lequel l'action de la chaleur ou de températures élevées sur un objet cause une détérioration d'une ou plusieurs propriétés (ces propriétés peuvent être par exemple physiques, mécaniques ou électriques).
Dévolatilisation : au cours d'un traitement thermique, les composés organiques perdent des matières volatiles, d'abord de l'eau et du dioxyde de carbone, des hydrocarbures liquides puis gazeux, ensuite de l'oxyde de carbone, et enfin de l'hydrogène.
Échelle de la matière : échelle de travail pour laquelle le comportement du système étudié se réduit à celui d'une substance indépendamment de sa mise en forme (cette échelle est caractéristique des appareils d'analyse thermogravimétrique).
Pyrolyse [ISO 13943] : décomposition chimique d'une substance provoquée par l'action de la chaleur. Le terme est souvent utilisé pour se référer à un stade du feu avant que la combustion avec flammes n'ait commencé (en science du feu, aucune hypothèse n'est émise quant à la présence ou l'absence d'oxygène.)
Thermolyse (réaction) : décomposition chimique causée par la chaleur seule, c'est-à-dire en l'absence d'oxygène. La réaction est habituellement endothermique, car de l'énergie est requise pour briser les liaisons chimiques lors de la réaction.
Thermo-oxydative (réaction) : décomposition chimique causée par l'action conjointe de la chaleur et de la présence d'oxygène favorisant certaines réactions. Parfois elle est appelée « pyrolyse oxydative ».
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MOTS-CLÉS
panorama mise en oeuvre comportement au feu matériaux sécurité incendie dégradation thermique décomposition thermique
KEYWORDS
overview | usage | fire behaviour | materials | fire safety | thermal degradation | thermal decomposition
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4. Modélisation des constantes cinétiques
4.1 Établissement d'un schéma réactionnel
4.1.1 Principe et approche théorique
Dans le cas de l'étude de la décomposition thermique d'un matériau, en vue d'établir le schéma réactionnel à mettre en œuvre à l'échelle de la matière, il est souhaitable de s'appuyer sur une chimie de décomposition globalement comprise par l'analyse des gaz de pyrolyse et de décomposition, une approche basée uniquement sur la perte de masse observée étant insuffisante pour sélectionner un schéma réactionnel parmi plusieurs possibles.
Pour comprendre les phénomènes en jeu au niveau des solides lors de l'incendie, il est nécessaire de séparer les réactions de thermolyse, qui concernent l'action de la température seule, des réactions thermo-oxydatives où l'oxydant a un rôle prépondérant. Ces réactions sont en général bien dissociées.
Les réactions de thermolyse concernent trois grandes familles :
-
les réactions de réarrangement, comme par exemple la formation d'un charbon par cyclation dans le cas du bois ;
-
les réactions de réticulation, concernant la formation de nouvelles liaisons dans le polymère lors de son échauffement ;
-
les réactions de décomposition par scission de chaîne polymère, soit aléatoirement, soit en bout de chaîne.
Les réactions thermo-oxydatives des polymères, appelées schéma mécanistique standard des réactions d'oxydation radicalaire en chaîne, ont été établies par Bolland en 1946 ...
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Modélisation des constantes cinétiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KISSINGER (H.E.) - Reaction kinetics in differential thermal analysis. - Analytical Chemistry, vol. 29(11), p. 1702-1706 (1957).
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(2) - FRIEDMAN (H.) - Kinetics of thermal degradation of char forming plastics from thermogravimetry. Application to a phenolic plastic. - Journal of Polymer Science, Part C, vol. 6, p. 183-195 (1963).
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(3) - OHLEMILLER (T.) - Modeling of smoldering combustion propagation. - Progress in Energy and Combustion Science, vol. 11, p. 277-310 (1985).
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(4) - ROGERS (F.), OHLEMILLER (T.) - Pyrolysis kinetics of a polyurethane foam by thermogravimetry ; a general kinetic method. - Journal of Macromolecular Science A, vol. 15,1, p. 169-185 (1981).
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(5) - REIN (G.), LAUTENBERGER (C.), FERNANDEZ-PELLO (A.C.) - Using genetic algorithms to derive the parameters of solid-phase combustion from experiments. - 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Montreal, Canada (2005).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
ThermaKin. University of Maryland http://www.enfp.umd.edu/
Netzsch Component kinetics. NETZSCH-Gerätebau GmbH Headquarters, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb, Germany http://www.therm-soft.com/english/compkin.htm
AKTS Thermokinetics AKTS AG, TECHNOArk 1, 3960 Siders, Switzerland http://www.akts.com/
Thermo-Calc and DICTRA software – Thermo-Calc Software Stockholm Technology Park Björnnäsvägen 21 SE-113 47 Stockholm, Sweden http://www.thermocalc.se/
Gpyro – Generalized pyrolysis model for combustible solids http://www.code.google.com/p/gpyro/
FDS – Fire Dynamics Simulator and Smokeview. NIST, 100 Bureau Drive, Gaithesburg, MD, USA http://www.fire.nist.gov/FDS
FireFOAM (Librairies complémentaires pour OpenFOAM http://www.openfoam.org/
FM Global http://www.code.google.com/p/firefoam-dev/
...
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