Caractérisation et modélisation du comportement au feu couvant dans les matériaux isolants biosourcés

Le secteur du bâtiment montre un intérêt croissant pour l'utilisation de matériaux biosourcés. Ces matériaux issus de ressources naturelles renouvelables, principalement d'origine végétale, ont une faible empreinte carbone et contribuent à limiter l'impact environnemental de la construction. De plus, la plupart de ces matériaux possèdent de bonnes propriétés isolantes et contribuent à réguler le climat intérieur des bâtiments. Du point de vue du comportement au feu, ces matériaux biosourcés doivent être soumis à des essais expérimentaux afin de valider leur classement au feu. À ce jour, la plupart des études se sont concentrées sur la réaction au feu [1]. De plus, le feu couvant est une combustion lente et sans flamme qui est particulièrement fréquente dans les combustibles poreux tels que les isolants biosourcés, et qui constitue une préoccupation majeure pour les pompiers. Le feu couvant est un phénomène complexe qui demeure relativement peu étudié. De plus, peu d'études fournissent une description approfondie des feux couvants dans les matériaux isolants. Il est donc essentiel d'améliorer notre compréhension de ce phénomène afin d'anticiper et de réduire son occurrence et, par conséquent, de limiter le risque d'incendie dans les bâtiments.

Ces dernières années, l'utilisation des bétons biosourcés pour l'isolation a suscité un intérêt croissant dans le secteur du bâtiment. Ces éco-matériaux, qui combinent des matériaux d'origine végétale et un liant minéral, visent à isoler les bâtiments en favorisant l'utilisation de ressources renouvelables et locales, tout en contribuant au stockage du carbone. Bien que les bétons biosourcés contribuent à relever les nouveaux défis imposés par le développement durable, leur utilisation est freinée par un manque de connaissances sur leur comportement au feu. Certaines études [2-5] indiquent que le feu couvant est l'un des phénomènes d’incendies les plus critiques et les plus spécifiques et qu'il est nécessaire de mieux la comprendre afin d'en prévenir les conséquences dans les bâtiments.

La thèse MODEFIRE vise à réaliser des simulations numériques et des essais expérimentaux afin de mieux comprendre les mécanismes régissant le feu couvant dans les bétons isolants biosourcés, puis de proposer des solutions de protection. Pour mener à bien ce projet de thèse, les questions abordées peuvent être synthétisés dans les objectifs suivants :

Caractérisation des matériaux : lorsqu'un matériau est exposé à une élévation de température, ses propriétés thermo-physiques changent en fonction de la température. De plus, les combustibles poreux se décomposent en fonction de la température. Cela entraîne des modifications des propriétés des matériaux. Les essais seront réalisés afin de caractériser les propriétés thermo-physiques des bétons isolants biosourcés afin de fournir les paramètres d'entrée pour la modélisation.

Modélisation numérique : afin de réduire le coût des essais expérimentaux et de fournir un outil d'aide à la décision pour la protection contre les feux couvants, un modèle prédictif est nécessaire. Il est donc essentiel de comprendre et de développer un modèle multiphysique permettant de prédire les mécanismes régissant les feux couvants dans les matériaux. Ce modèle sera développé dans le cadre de cette thèse.

Tests de propagation du feu couvant : à ce jour, les mécanismes régissant les feux couvants ne sont pas encore bien compris et doivent faire l'objet d'études approfondies. Cette thèse vise à comprendre le comportement des feux couvants, leur propagation au sein des matériaux et les paramètres qui les influencent. Ces essais permettront de valider le modèle numérique développé.

Etude des barrières anti feu couvant : le dernier objectif est d'étudier les solutions de protection contre les feux couvants. Plus précisément, différentes configurations de barrières seront étudiées. Des approches numériques seront utilisées pour valider la configuration optimale permettant de limiter/éviter la propension du feu couvant.

Références
[1] Lopes, T., Labeni, S., Sonnier, R., Ferry, L., Regazzi, A., Uwizeyimana, P., Aprin, L., Delot, P., Hellouin de Menibus, A., & Potin, M. (2024). Ignition of biobased concretes. Construction and Building Materials, 440, 137423.
[2] Torero, J. L., Gerhard, J. I., Martins, M. F., Zanoni, M. A., Rashwan, T. L., & Brown, J. K. (2020). Processes defining smouldering combustion: Integrated review and synthesis. Progress in energy and combustion science, 81, 100869.
[3] Lopes, T., Uwizeyimana, P., Sonnier, R., Ferry, L., Regazzi, A., Aprin, L., Delot, P., Hellouin de Menibus, A., & Potin, M. (2025). Fire performance of hemp concrete. In Advances in Bio-Based Materials for Construction and Energy Efficiency (pp. 199-228). Woodhead Publishing.
[4] Lopes, T., Sturlèse, L., Sonnier, R., Reynaud, C., Regazzi, A., Hellouin de Menibus, A., Wielezynski, F., Ferry, L., Aprin, L., Potin, M., Delot, P., Uwizeyimana, P., Carvalho Martins, R., Warren, S. (2025). Smoldering in biobased concretes. Construction and Building Materials, 498, 143949.
[5] Rein, G. (2016). Smoldering combustion. In SFPE handbook of fire protection engineering (pp. 581-603). New York, NY: Springer New York.

La thèse sera réalisée à l’IMT Mines Alès (https://www.imt-mines-ales.fr/). Créée il y a plus de 180 ans (créée en 1843), IMT Mines Alès est une grande école de prestige qui se classe parmi les meilleures écoles d’ingénieurs sur le plan national et mondial. L’école compte plus de 1400 élèves et 380 personnels. Elle est implantée à Alès, ville à taille humaine, capitale des Cévennes où la qualité de vie est fortement appréciée par ses habitants. Ville du département du Gard (30), à 30 km au nord de Nîmes, Alès se situe au pied du Parc national des Cévennes, dont elle est la ville la plus importante, avec ses 42 452 habitants et son agglomération de 133 546 habitants (29e Agglo de France, 5e d’Occitanie).

IMT Mines Alès dispose de 3 centres de recherche et d’enseignement de haut niveau scientifique et technologique, qui œuvrent dans les domaines des matériaux et du génie civil (C2MA), de l’environnement et des risques (CREER), de l’intelligence artificielle et du génie industriel et numérique (CERIS). Ces entités regroupent environ 85 enseignants-chercheurs permanents, 40 personnels de soutien à la recherche, 100 doctorants et post-doctorants, qui produisent chaque année plus 130 publications de rang A et 3M€ de contrats de recherche, dont un tiers de contrats directs avec les entreprises. Ces personnels de recherche contribuent à 6 unités de recherche, dont 4 UMR. IMT Mines Alès est accréditée à délivrer le diplôme de docteur dans 4 écoles doctorales. Elle dispose de 12 plateformes technologiques et compte 1600 entreprises partenaires.

Parmi ces trois centres de recherche et d’enseignement, la thèse MODEFIRE sera menée au C2MA, dont l’expertise concerne le développement de matériaux destinés aux secteurs du bâtiment, du transport et de l’emballage, avec un accent particulier porté sur les matériaux biosourcés, dans une démarche visant à réduire leur impact environnemental. Le C2MA assure le lien stratégique entre les activités de formation, de recherche et de développement économique dans ces domaines. Le candidat à la thèse travaillera avec les membres de deux équipes du C2MA : l'équipe DMS (Durabilité des éco-Matériaux et des Structures), qui contribue à la caractérisation thermo-physique et à la modélisation numérique du comportement des matériaux, et l'équipe PCH (Polymer Composites and Hybrids), dont l'objectif est le développement de matériaux multifonctionnels à faible impact et qui contribue à l'analyse du comportement au feu des matériaux.

Le candidat doit être titulaire d'un master ou d'un diplôme d'ingénieur, posséder de solides compétences en modélisation, en matériaux et en phénomènes de transfert, ainsi qu'un intérêt marqué pour la simulation numérique et l'analyse expérimentale. Une connaissance du comportement au feu des matériaux serait appréciée.