Experimental Study on the Behavior of Reinforced Recycled Concrete Aggregate Beams under Direct Fire Flame

Abstract

This study aims to analyze the structural behavior of reinforced concrete beams incorporating recycled concrete aggregate RCA subjected to direct fire flame. Evaluating the suitability of used in fire-prone structural environments. The experimental program was conducted using reinforced concrete specimens with standardized dimensions and reinforcement detailing. A constant concrete cover of 25 mm was maintained across all specimens to ensure uniform thermal exposure to the steel reinforced bars. The beams were divided into five primary groups based on two key parameters: the percentage of RCA and whether the beam was exposed to fire. Reference Group B0: Three beams made entirely with natural concrete aggregate NCA not exposed to fire, serving as the baseline for structural performance under ambient conditions. Group B1: Two beams with the same reference mix exposed to fire, intended to isolate the thermal effect from material substitution. Groups B2, B3, B4: Each group includes two fire-exposed beams with increasing recycled aggregate content—50%, 75%, and 100%, respectively designed to investigate the interaction between sustainability and thermal degradation, and to quantify the impact of aggregate replacement on fire resistance. The results revealed a marked reduction in peak load capacity and a significant increase in deflection due to fire exposure, even in beams made with ordinary concrete. As the recycled aggregate content increased, structural performance continued to decline, with peak load dropping from 41.375 kN at 0% RCA to 33.34 kN at 100%, indicating a progressive loss in flexural resistance under thermal stress. Maximum deflection values also varied, generally increasing with higher recycled content, suggesting a shift in failure mode and flexural behavior.

Keywords

• Recycled Concrete Aggregate
• Fire Flame
• Sustainability
• Reinforced Concrete Beams
• Structural Behavior

Ethical Statement

Acknowledgments This research did not receive any specific grant from funding agencies in the public, commercial, or not-for-profit sectors. Authors’ Contributions 1a, 1bMade the methodology and substantial contribution to the design of the article. The acquisition, analysis, interpretation, and investigation of data. Managed and funded the work. Originally drafted the article, revised it, and edited it critically for important intellectual content. 1c, 1dConceived and designed the analysis. Support in the contributed data and analysis tools. Approved the version to be published. Competing Interests The authors declare that they have no conflict of interest. Data and materials availability All data are available in the main text or the supplementary materials.

Doğrudan Alev Altında Güçlendirilmiş Geri Dönüştürülmüş Beton Agrega Kirişlerin Davranışı Üzerine Deneysel Çalışma

Abstract

Bu çalışma, doğrudan yangın alevine maruz kalan geri dönüştürülmüş beton agregası (RCA) içeren betonarme kirişlerin yapısal davranışını analiz etmeyi amaçlamaktadır. Yangına eğilimli yapısal ortamlarda kullanımının uygunluğunu değerlendirmek hedeflenmektedir. Deneysel program, standartlaştırılmış boyutlara ve donatı detaylandırmasına sahip betonarme numuneler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çelik donatı çubuklarının homojen termal maruziyetini sağlamak için tüm numunelerde 25 mm'lik sabit bir beton örtüsü korunmuştur. Kirişler, iki temel parametreye göre beş ana gruba ayrılmıştır: RCA yüzdesi ve kirişin yangına maruz kalıp kalmaması. Referans Grup B0: Tamamen doğal beton agregası (NCA) ile yapılmış ve yangına maruz kalmamış üç kiriş, ortam koşullarında yapısal performans için temel teşkil etmektedir. Grup B1: Aynı referans karışımına sahip ve yangına maruz kalmış iki kiriş, malzeme ikamesinden kaynaklanan termal etkiyi izole etmeyi amaçlamaktadır. B2, B3, B4 Grupları: Her grup, sürdürülebilirlik ve termal bozulma arasındaki etkileşimi incelemek ve agrega değişiminin yangın direncine etkisini ölçmek amacıyla tasarlanmış, sırasıyla %50, %75 ve %100 oranında artan geri dönüştürülmüş agrega içeriğine sahip iki adet yangına maruz kalmış kiriş içermektedir. Sonuçlar, sıradan betondan yapılmış kirişlerde bile, yangına maruz kalma nedeniyle tepe yük kapasitesinde belirgin bir azalma ve sehimde önemli bir artış olduğunu ortaya koymuştur. Geri dönüştürülmüş agrega içeriği arttıkça, yapısal performans düşmeye devam etmiş, tepe yük %0 RCA'da 41,375 kN'den %100'de 33,34 kN'ye düşmüştür; bu da termal gerilme altında eğilme direncinde kademeli bir kayıp olduğunu göstermektedir. Maksimum sehim değerleri de değişmiş, genellikle daha yüksek geri dönüştürülmüş içerikle artmıştır; bu da arıza modunda ve eğilme davranışında bir kaymaya işaret etmektedir.

Keywords

• Geri Dönüştürülmüş Beton Agregası
• Ateş Alevi
• Sürdürülebilirlik
• Donatılı Beton Kirişler
• Yapısal Davranış

Ethical Statement

Teşekkür Bu araştırma, kamu, ticari veya kar amacı gütmeyen sektörlerdeki fon sağlayan kuruluşlardan herhangi bir özel hibe almamıştır. Yazarların Katkıları 1a, 1b: Makalenin metodolojisini ve tasarımına önemli katkıyı sağladı. Verilerin toplanması, analizi, yorumlanması ve incelenmesi. Çalışmanın yönetimi ve finansmanı. Makalenin orijinal taslağını hazırladı, revize etti ve önemli entelektüel içerik açısından eleştirel olarak düzenledi. 1c, 1d: Analizi tasarladı ve kurguladı. Veri ve analiz araçlarına katkıda bulundu. Yayınlanacak versiyonu onayladı. Çıkar Çatışması Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan ederler. Veri ve materyallerin erişilebilirliği Tüm veriler ana metinde veya ek materyallerde mevcuttur.

References

1. 1. Quadri, A.I., Fadugba, O.G. Risk Assessment and Safety Precautions for Construction Site Scaffolding. Journal of Rehabilitation in Civil Engineering. 2022. 10(4). Pp. 1–13. DOI:10.22075/jrce.2021.22451.1480. URL: https://civiljournal.semnan.ac.ir/article_5963.html.
2. 2. Hassanean, Y.A., Rashwan, M.M., Assaf, K.A., el Samee, K. IMPROVEMENT OF CONCRETE PROPERTIES MADE FROM RECYCLEDCONCRETE AGGREGATE USING NON-TRADITIONAL ADMIXTURE. JES. Journal of Engineering Sciences. 2014. 42(No 2). Pp. 303–316. DOI:10.21608/jesaun.2014.114715. URL: https://jesaun.journals.ekb.eg/article_114715.html.
3. 3. Oliveira, A.M.C.P. de, Lanzinha, J.C.G., Kern, A.P. Building Rehabilitation: A Sustainable Strategy for the Preservation of the Built Environment. Sustainability. 2024. 16(2). DOI:10.3390/su16020553. URL: https://www.mdpi.com/2071-1050/16/2/553.
4. 4. Khan, S.W., Nagarajan, K., Narwade, R. Risk Assessment and Challenges faced in Repairs and Rehabilitation of Dilapidated buildings. Journal of Rehabilitation in Civil Engineering. 2022. 10(2). Pp. 93–112. DOI:10.22075/jrce.2021.23343.1508. URL: https://civiljournal.semnan.ac.ir/article_5489.html.
5. 5. Tawashi, A., Alamoudi, S., Akkash, M. Environmental risks and the impact of rehabilitation on the sustainability of affected buildings in urban communities. Journal of Sustainable Construction Materials and Technologies. 2025. 10(1). Pp. 22–38. DOI:10.47481/jscmt.1667452. URL: https://doi.org/10.47481/jscmt.1667452.
6. 6. Purvis, B., Mao, Y., Robinson, D. Three pillars of sustainability: in search of conceptual origins. Sustainability Science. 2019. 14(3). Pp. 681–695. DOI:10.1007/s11625-018-0627-5. URL: https://doi.org/10.1007/s11625-018-0627-5.
7. 7. Paul, S. MECHANICAL BEHAVIOUR AND DURABILITY PERFORMANCE OF CONCRETE CONTAINING RECYCLED CONCRETE AGGREGATE2011.
8. 8. Li, X. Recycling and reuse of waste concrete in China: Part II. Structural behaviour of recycled aggregate concrete and engineering applications. Resources, Conservation and Recycling. 2009. 53. Pp. 107–112. DOI:10.1016/j.resconrec.2008.11.005.

9. 9. Kadhum, M. Fire Resistance of Reinforced Concrete Rigid Beams. Journal of Civil Engineering and Construction Technology. 2014. 4(4).
10. 10. American Society for Testing and Materials. ASTM E119 - Standard test methods for fire test of building construction and materials. ASTM - American Society for Testing and Materials. 1992. 552(1). Pp. 36.
11. 11. Bilow, D., Kamara, M. Fire and Concrete Structures Effect of Fire on Building Materials. Structures Congress 2008. 2008.
12. 12. Gales, J., Parker, T., Cree, D., Green, M. Fire Performance of Sustainable Recycled Concrete Aggregates: Mechanical Properties at Elevated Temperatures and Current Research Needs. Fire Technology. 2016. 52(3). Pp. 817–845. DOI:10.1007/s10694-015-0504-z. URL: https://doi.org/10.1007/s10694-015-0504-z.
13. 13. Sanjayan, J., Stocks, L.J. Spalling of High-Strength Silica Fume Concrete in Fire. ACI Materials Journal. 1993. 90. Pp. 170–173.
14. 14. Jacob, B., Balaji, A., John, E. Behaviour of concrete structures under fire-a comparative study between IS 456: 2000 and finite element software ANSYS. American Journal of Engineering Research (AJER). 2013. Pp. 62–66.
15. 15. Wit, A.D.E. Behaviour and structural design of concrete structures exposed to fire-Master of Science Thesis. Independen. Concrete Structures, Civil and Architectural Engineering, School of Architecture and the Built Environment (ABE), KTH, 2011. 125 p.
16. 16. Tawashi, A., Alamoudi, S. The Thermal Effects on the Self-Compacting Concrete Beams Exposed to the Fire. El-Cezeri. 2023. 10(2). Pp. 268–283. DOI:10.31202/ecjse.1209551.
17. 17. Yehia, S., Helal, K., Abusharkh, A., Zaher, A., Istaitiyeh, H. Strength and Durability Evaluation of Recycled Aggregate Concrete. International Journal of Concrete Structures and Materials. 2015. 9. DOI:10.1007/s40069-015-0100-0.
18. 18. Abuellella, A.A., Elmalky, A. Use of crushed bricks and recycled concrete as replacement for fine and coarse aggregates for sustainable concrete production. Challenge Journal of Concrete Research Letters. 2023. 14(2). Pp. 39–46. DOI:10.20528/cjcrl.2023.02.002.
19. 19. Etman, Z.A., Rokbah, S.A. Evaluation of the lightweight foamed concrete characteristics. Challenge Journal of Concrete Research Letters. 2023. 14(3). Pp. 59–68. DOI:10.20528/cjcrl.2023.03.001.
20. 20. Tawashi, A., Alamoudi, S. The Structural Performance of Reinforced Self Compacting Concrete Beams (SCC) Subjected to Fire Flame. Homs University (Formerly Al-Baath University), 2023. 1–257 p.
21. 21. Mehta, P.K., Monteiro, P.J.M.. Concrete : microstructure, properties, and materials. New York, McGraw-Hill Education, 2014. 675 p. ISBN:9780071797870.
22. 22. Pedro, D., de Brito, J., Evangelista, L. Influence of the use of recycled concrete aggregates from different sources on structural concrete. Construction and Building Materials. 2014. 71. Pp. 141–151. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.08.030. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061814009416.
23. 23. Dilbas, H. An investigation on effect of aggregate distribution on physical and mechanical properties of recycled aggregate concrete (RAC). Journal of Sustainable Construction Materials and Technologies. 2022. 7(2). Pp. 108–118. DOI:10.47481/jscmt.1106786.
24. 24. Stock, A.F., Hannantt, D.J., Williams, R.I.T. The effect of aggregate concentration upon the strength and modulus of elasticity of concrete. Magazine of Concrete Research. 1979. 31(109). Pp. 225–234. DOI:10.1680/macr.1979.31.109.225. URL: https://doi.org/10.1680/macr.1979.31.109.225.