Etude du comportement au feu de structures de gazon artificiel : essais à petite échelle et développement de stratégies d'ignifugation

Fire performance of artificial turf structures : small-scale testing and development of fireproofing strategies

• Auteur / Autrice : Angeline Paturel
• Direction : Sophie Duquesne, Mathilde Casetta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 05/11/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....) - Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207 / UMET
• Jury : Président / Présidente : Yann Rogaume
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Baley, Laurent Ferry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphorylation

Liège

Analyse multiéchelle

Plan d'expérience

Règlements de sécurité

Incendies

Essais de comportement au feu

Revêtements de sol

Mots clés libres

Gazon artificiel

Test au panneau radiant

Artificial turf

EN ISO 9239-1 radiant panel test

Experimental design methodology

Flame retardancy

Phosphorylation

Change of scale

Résumé

Le gazon artificiel utilisé pour le sport est un revêtement de sol généralement composé d'un support tufté, de brins en polyoléfine, d'une couche de sable et d'un matériau de remplissage (souvent en polymère synthétique, parfois d'origine naturelle comme le liège). Même si le gazon artificiel présente un risque d'incendie important en raison de sa teneur élevée en matière organique, son comportement au feu a rarement été étudié. D’autre part, les structures de gazon artificiel sont de plus en plus utilisées en intérieur ou dans des espaces fermés. Dans ce cas, la réglementation incendie en vigueur est la norme européenne EN ISO 13501-1 pour les matériaux de construction. Dans ce système Euroclass, le panneau radiant (norme EN ISO 9239-1) est le principal test permettant d'évaluer le comportement au feu des revêtements de sol. Un classement CFL avec un taux de fumée inférieur à 750 %/min est requis pour une utilisation en intérieur. Cependant, très peu de structures de gazon artificiel répondent à ces exigences. Dans ce cadre, l’objectif de cette thèse est triple ; il s’agira d’une part (i) de mieux comprendre le comportement au feu de ces structures complexes, d’autre part (ii) de développer une méthodologie d’étude afin, in fine (iii) de développer des structures aux propriétés feu améliorées. Afin de répondre au premier objectif, des essais au calorimètre à perte de masse ont été réalisés sur plusieurs structures de gazon artificiel et ont mis en évidence l'impact majeur du matériau de remplissage qui contribue majoritairement à la chaleur dégagée durant la combustion. Parmi les quatre matériaux de remplissage testés, le liège présente le meilleur comportement avec une quantité de chaleur libérée plus faible et un temps de combustion plus court. La performance au feu des structures a ensuite été évaluée en utilisant le test au panneau radiant EN ISO 9239-1. De grandes quantités de matière étant nécessaires à la réalisation des tests à échelle réelle, un plan d’expériences a été mis en œuvre pour permettre la transposition du test à petite échelle. La performance au feu des structures de gazon artificiel a ensuite été évaluée aux deux échelles et les résultats obtenus ont été comparés, conduisant à la validation du test à échelle réduite et de la méthodologie d’essai. Enfin, la réalisation d’une structure ignifugée plus performante a été envisagée, en utilisant un remplissage à base de liège modifié. Une recherche bibliographique importante a d’abord été effectuée sur le liège et sur la manière d'ignifuger les composés naturels plus généralement car l'ignifugation du liège n'a jamais été décrite auparavant. La phosphorylation est la méthode de modification en masse choisie afin d'améliorer le comportement au feu du liège. Elle consiste à fonctionnaliser les groupes hydroxyles du liège avec des retardateurs de flamme phosphorés. Le protocole de phosphorylation a d’abord été développé puis optimisé. Enfin, le comportement au feu du liège modifié, seul et intégré à la structure de gazon, a été évalué au calorimètre à perte de masse et au panneau radiant à petite échelle. Diverses caractérisations ont également été réalisées afin de mieux comprendre le comportement du liège modifié, notamment lors de la combustion, et de déterminer les mécanismes d'action impliqués. Ce travail a permis de conclure que l’utilisation d’un remplissage en liège phosphorylé dans une structure de gazon artificiel permet d'obtenir une amélioration notable des propriétés feu au panneau radiant à échelle réduite et ainsi a priori, d'atteindre les exigences de la norme Européenne pour une utilisation en intérieur. La nécessité d’utiliser un remplissage ignifugé dans les structures de gazon artificiel pour améliorer leur comportement au feu a été clairement mise en évidence.

Artificial turf for sports applications is a floor covering generally composed of a tufted backing, a polymeric pile, a sand layer and an infill material (often petroleum-based polymer, sometimes of natural origin such as cork). Even if artificial turf presents a significant fire hazard due to its high organic content, its fire behaviour has rarely been studied. Moreover, artificial turf structures are increasingly used in closed areas. In this case, the current fire regulation is the EN ISO 13501-1 European standard for building materials. In this Euroclass system, the EN ISO 9239-1 radiant panel test is the main test for assessing the fire behaviour of flooring products. A CFL rating is required for indoor use and the smoke rate must be lower than 750 %/min (s1). However, only few structures meet these requirements. In this context, the PhD work has three objectives: (i) to better understand the fire behaviour of such complex structures, (ii) to develop a new testing method to allow fast screening of new formulations and (iii) to develop new artificial turf structures with improved fire-retardant performances. First, in order to better understand the fire behaviour of the structures, investigations with the Mass Loss Calorimeter test on several artificial turf structures were carried out and highlighted the major impact of the infill material. Infills represent the main contributor to the heat release during combustion. Among the four different tested materials, cork shows the best performance with the lowest heat release rate and the shortest combustion time. The fire performance of the turf structures has then been assessed using the EN ISO 9239-1 radiant panel test. As large amounts of material are needed to perform the test, an experimental design methodology was implemented to allow the test to be transposed on a small-scale. The fire performance of artificial turf structures was evaluated at both scales and the results were compared leading to the validation of the downscaling method. Based on those results, the use of a flame retarded cork-based infill was considered. An important literature review was carried out on cork and on the different fireproofing methods for natural compounds, as the fireproofing of cork has never been reported previously. Phosphorylation, a method of bulk modification, has been selected to improve the fire behaviour of cork. This method consists of functionalizing the hydroxyl groups of cork with phosphorus-containing fire retardants. The phosphorylation protocol was first developed and then optimized. The fire behaviour of modified cork, alone and integrated into the turf structure, was evaluated using the Mass Loss Calorimeter test and the small-scale radiant panel test confirming the benefits of the proposed approach. Various characterizations were also performed to demonstrate the efficiency of the phosphorylation protocol, to better understand the behaviour of modified cork, especially during combustion, and to define the involved mechanisms of action. It was concluded that phosphorylation of cork resulted in a significant improvement of the fire properties of artificial turf at the small-scale radiant panel test according to the European standard, allowing to reach the requirements for indoor use. The need to use a fire-retarded infill in artificial turf structures to improve their fire behaviour was clearly evidenced.