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2.1.6. LES FUMÉES | |
Les fumées sont des gaz qui diffusent ou absorbent la lumière parce qu'ils contiennent des particules solides de carbone imbrûlé.
Les fumées, qui résultent le plus souvent d'une combustion de corps en phases solide et liquide, peuvent être constituées par des gaz à la fois toxiques et inflammables. Les particules solides qu'elles renferment sont parfois imprégnées de liquides. Elles sont constituées :
- essentiellement des suies (souvent de l'ordre de 10 % de la masse du matériau brûlé), - des particules liquides en suspension et des goudrons (produits de pyrolyse). - les « envols » (cokes volants, cendres volantes, escarbilles),
La quantité et la composition des fumées dépendent du combustible, de la température de combustion, de l'apport en oxygène et éventuellement de la pression. Un incendie de moyenne importance émet en moyenne quelques kilogrammes par seconde de gaz chauds et fumées à des températures de l'ordre de 800 °C.
La couleur et l'odeur des fumées peuvent donner une indication sur la nature du combustible :
- des fumées épaisses et noires, révélatrices de nombreuses particules de carbone, sont produites par des combustibles tels que hydrocarbures, caoutchoucs, polymères de synthèse... - des fumées brunâtres ou rougeâtres indiquent la présence d'oxydes d'azote, - des fumées gris-jaunâtres sont caractéristiques de la présence de nombreux imbrûlés et d'oxyde de carbone, - des fumées blanches sont constituées principalement d'aérosols.
La présence d'aérosols et de suies confère aux fumées leur opacité, effet majeur qui altère la visibilité. L'opacité des fumées est très variable, en fonction de la nature du combustible et des conditions environnantes. Des essais sur les fumées produites lors d'incendies d'habitations ont permis de considérer qu'une seule masse de 0,5 kg d'un matériau fournirait assez de fumée pour réduire la visibilité à 3 m dans un volume de 400 m3, ce qui correspond à un taux d'enfumage maximal pour l'évacuation des occupants.
En outre, plus les fumées sont noires et plus elles absorbent, donc restituent la chaleur, par rayonnement. Si la température est de 30°C au sol, elle peut être de 300 °C à hauteur de tête et brûler les poumons.
Pratiquement tous les matériaux en cause dans les incendies ont un point commun : ils contiennent majoritairement du carbone et de l'hydrogène. Il se produit donc en grande quantité du gaz carbonique (CO2) et de la vapeur d' eau. L'importance de la masse de gaz carbonique formée s'explique par la réaction avec l'oxygène de l'air qui augmente la masse des fumées.
La proportion d'oxygène diminuant au fur et à mesure de l'évolution de la combustion, si la quantité d'oxygène n'est pas suffisante pour assurer l'oxydation totale du carbone, la seconde oxydation ne sera que partielle, et les fumées contiendront du monoxyde de carbone (CO).
Dans un incendie, la combustion étant toujours incomplète, il se forme des fumées dont la composition est complexe. Outre la vapeur d'eau, le gaz carbonique, l'oxyde de carbone et le carbone sous forme de suies, elles comprennent une multitude de substances dont beaucoup contiennent un noyau benzénique, comme le benzène, le toluène.
Les produits de condensation, tels que ceux présents dans les fumées provenant des matières cellulosiques en combustion (acides organiques, aldéhydes), ou celles provenant de la combustion de graisses (dégagement d'acroléine) peuvent avoir un effet extrêmement irritant.
LES DANGERS DES FUMÉES
Les fumées présentent plusieurs types de dangers qui agissent directement sur la sécurité des personnes et des biens : leur opacité, leur toxicité, leur température et leur corrosivité.
En raison de leur faible masse volumique, les fumées chaudes ayant tendance à s'élever, le salut se trouve, dans la plupart des cas, près du sol, là où les températures sont les plus basses et l'air le moins toxique et le plus riche en oxygène.
Opacité
Le manque de visibilité peut, d'une part, contrarier et même empêcher l'évacuation en faisant perdre aux occupants leurs points de repère et, d'autre part, retarder l'intervention des services de secours.
Toxicité
Parmi les gaz émis par les matières en combustion lors d'un incendie, les plus dangereux sont : le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures, les oxydes d'azote (NOx), l'acide cyanhydrique (HCN), les composés SO2 et SO3, ainsi que H2S, HCl gazeux... En outre, quelques minutes peuvent suffire pour réduire la concentration en oxygène, entraînant les victimes vers la syncope, voire la mort.
Température
Les fumées sont un facteur important de propagation de l'incendie en raison de leur température qui facilite la pyrolyse et l'inflammation des matériaux combustibles et de leur composition qui comprend de nombreux imbrûlés gazeux.
Corrosivité
Certains imbrûlés gazeux acides (HCl, H2SO4 par exemple) représentent un danger aussi bien pour l'organisme que pour les éléments du bâtiment ou les biens situés dans le local (structures métalliques, composants électroniques...).
LE COMPORTEMENT DES FUMÉES
L'un des effets majeurs de la combustion est la production de fumées. Ce sont elles, plus que les flammes elles-mêmes, qui sont le plus souvent à l'origine des pertes humaines dans les incendies. C'est la raison pour laquelle les différentes législations imposent le désenfumage dans la plupart des bâtiments. Les assureurs ont également établi une règle de conception et d'installation d'exutoires de fumées qui vient en complément des prescriptions réglementaires.
Le débit et le volume des fumées
Le débit des fumées correspond grossièrement à la quantité d'air entraînée dans le panache de flammes et de gaz chauds. Il est possible de calculer le temps mis par les fumées pour envahir un local. La vitesse horizontale d'un front étant de l'ordre de 0,20 m/s à 1 m/s, une distance de 40 m peut être parcourue en moins de quatre minutes.
Les fumées ayant tendance à occuper le maximum de volume, la surpression dans un local en feu s'explique suivant la loi des gaz parfaits : PV/T = Constante, dans laquelle P représente la pression dans le local (N/m2 ou Pa), V le volume des gaz du local (m3), T la température absolue de ces gaz (K). L'application de cette loi peut se faire à volume constant. Dans ce cas, on a une augmentation de la pression ; ce serait le cas d'un volume hermétiquement clos. Elle peut également se faire à pression constante et provoque alors une augmentation du volume. En pratique, les locaux n'étant pas étanches, le phénomène est une combinaison des deux cas. Aussi existe-t-il une légère surpression (5 à 40 Pa) du local incendié relativement aux locaux adjacents et une forte expansion en volume des fumées.
Le tirage thermique
À ce phénomène, vient s'ajouter un phénomène vertical, le tirage thermique, qui favorise la migration des fumées vers le haut. Dans un local incendié muni d'une seule ouverture donnant sur l'extérieur, il s'établit, de part et d'autre d'un plan horizontal neutre, un équilibre aéraulique : au-dessus de ce plan, le local est en surpression par rapport à l'extérieur, et en dépression au-dessous. Ceci se traduit par l'entrée d'air frais au-dessous du plan neutre et la sortie de gaz de combustion, au-dessus de ce plan. L'effet moteur de ce phénomène est la différence de température, donc de masse volumique, existant entre deux atmosphères mises en communication à des niveaux différents. Ce phénomène est particulièrement sensible vers les étages supérieurs par l'intermédiaire des cheminements verticaux que constituent les conduits, les gaines et les trémies.
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