Khanh-Son nguyen

CINETIQUE THERMO-CHIMIQUE DES LIANTS MINERAUX : DE L’EXPERIMENTAL A L’APPLICATION NUMERIQUE
Khanh-Son NGUYEN, Christophe Baux, Yannick Mélinge, LANOS Lanos

Equipe THM - Laboratoire Génie Civil Génie Mécanique – EA 3913

INSA & IUT Rennes, Département Génie Civil – 3 rue du Clos Courtel - 35700 Rennes Cédex

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Le thème de notre travail est le comportement à haut température des matériaux minéraux destinés à la protection incendie dans le domaine du génie civil (ventilation, désenfumage des bâtiments et bâtiments industriels, protection des tunnels, …). Nous développons une simulation numérique du problème de transfert thermique dans les tests d’accréditations des produits coupe-feu à base minéraux règlementés par la norme. Les produits formulés présentent lorsqu’ils sont sollicités thermiquement une ou plusieurs réactions de changement de phase qui contribuent, dans la plupart des cas, à la protection au cours de l’élévation de la température.

A la recherche d’une méthode de modélisation, nous avons essayé une approche plus pertinente que la méthode traditionnelle dans le domaine dont les changements de phase (CP) des minéraux sont traduits par une variation apparente des valeurs de chaleur spécifique et/ou de l’enthalpie. Cette méthode nommée  “fictif terme source” interprète les effets de CP par l’introduction d’un terme source dans l’équation de la chaleur (1). Le modèle développé est basé sur la reconstitution de la cinétique de changement de phase (2) où α est un paramètre, fonction du temps, caractéristique de l’état d’altération du matériau (du degré d’avancement de la réaction). La variation au cours du temps de α est modélisée par une loi de type Arrhenius (3). La fonction f(α) est une extension du modèle de Prount-Tompkins (4).

(1)

Où le terme source : (2)

(3)

f(α) = α^m(1-α)ⁿ (4)

Les paramètres caractéristiques de la cinétique de changement de phase sont déterminés par voie expérimentale au moyen d’analyses TD/TG réalisés avec des échantillons de petites tailles dans différentes conditions (chauffe à vitesse constante ou isotherme). L’ajustement du modèle avec signaux expérimentaux de perte de masse est réalisé par méthode de régression non-linéaire.Des premières estimations sont investies parallèlement pour rendre facile la convergence de résultat. Le même protocole est appliqué selon les cas des minéraux; produits coupe-feu à base du plâtre : Gypse CaSO₄.2H₂O, Calcaire CaCO₃ ; produits à base du ciment : Chaux Ca(OH)₂, Gibbsite Al(OH)₃  et produits à base des liants phosphomagnésiens KMgPO₄.6H₂O, Brucite Mg(OH)₂. Résultats d’ajustement doivent aussi adapter dans les cas des changements de phases complexes du gypse avec deux étapes de déshydratation consécutives (gypse hémihydrate anhydrite) et du gibbsite avec deux première étapes de calcination en parallèles (gibbsite a-alumine et gibbsite bohemite).

Résultat de cinétique du gypse est précisé dans cette communication avec l’effet de couplage entre deux étapes de réaction. Le code numérique se base sur la méthode de différentes finies et repose sur un schéma de calcul implicite. Des hypothèses de conditions aux bords, échanges convectives et rayonnement entre matériaux et ambiance (exposé et non-exposé au feu), sont en plus supposées. L’influence de cinétique chimique sur l’évolution des propriétés thermo-physiques (conductivité l(T), chaleur spécifique Cp(T), chaleur latente DH) se traduit en résultats températures du transfert thermique. Un modèle cinétique pertinent permet faire converger entre résultats températures de tests expérimentaux et ceux de simulation numérique. Ce dernier nous permet d’envisager l’application dans les cas des produits de même famille développés par notre partenaire industriel.
Remerciement : Les auteurs tiennent à remercier l’Equipe Matériaux Inorganiques: Chimie Douce et Réactivité de l’UMR 6226 pour leur contribution dans le cadre des analyses TD-TG.