In dieser Doktorarbeit wird eine neue numerische Simulationsmethode zur Beschreibung des rheologischen Verhaltens von Frischbeton unter Nutzung der Diskrete Element Methode (DEM) vorgestellt. Das Hauptziel der durchgerührten Untersuchungen war die Entwicklung eines numerischen Modells für Frischbeton, das eine einfache, schnelle und stabile prädiktive Simulation verschiedener betontechnologischer Vorgänge ermöglicht. In der Literaturanalyse wird der Kenntnisstand zu numerischen Simulationen von Frischbeton vorgestellt und kritisch diskutiert, um Vor- und Nachteile anderer Methoden und Modellierungsansätze aufzudecken. Offene Fragen werden hervorgehoben und die Grundlagen zu deren Untersuchung im Rahmen dieser Doktorarbeit umfassend dargestellt. Die Grundbegriffe der Rheologie werden vorgestellt und die elementaren rheologischen Modelle von viskoelastischen Materialien betrachtet. Des Weiteren werden die rheologischen Verhalten verschieden zusammengesetzter Frischbetone vorgestellt und Einflussfaktoren auf deren Rheologie diskutiert. Ebenso werden die Basismethoden für die wissenschaftliche Untersuchung und Prüfung von Frischbeton vorgestellt. Diese werden kritisch diskutiert, um eine experimentelle Methode, die als Referenz für die numerischen Simulationen dienen soll, auswählen zu können. Als experimentelle Referenz wurde das Setzmaß- bzw. Setzfließmaßversuch (Slump or Slump Flow Test) ausgewählt. Dieser Test wurde grundlegend studiert und dafür eine analytische Lösung entwickelt, mit der die Ergebnisse der experimentellen Messungen interpretiert und in einen Zusammenhang mit den rheologischen Konstanten des Bingham-Modells gestellt werden konnten. In einem weiteren Schritt wurde ein umfassendes experimentelles Programm auf der makroskopischen Untersuchungsebene ausgeführt, um das rheologische Verhalten frischer Betone zu untersuchen und damit Eingangsdaten für numerische Simulationen zu generieren. Hier wurde das rheologische Verhalten der frischen Betone mit Hilfe verschiedener Tests (Slump Test, Slump Flow Test, L-Box Test) untersucht. Das Setzfließmaßversuch wurde dann verwendet, um das numerische Modell für den frischen Beton zu kalibrieren. Als essentielle Kennwerte wurden Slump Flow, Slump Flow Time und die Form des "Betonkuchens" genutzt. Damit konnten die entscheidenden Phänomene beim Fließen von frischem Beton klar dargestellt, die Kontrollpunkte für ein Kontaktmodell ausgewählt und die initialen Eingangsdaten für die Entwicklung des Kontaktmodells erhalten werden.

This thesis reports recent numerical investigation of the rheological behavior of fresh concrete using the Discrete Element Method (DEM). Some relevant questions of the concrete rheology e.g. the influence of the concrete composition on the rheological behavior of the fresh concrete, the experimental determination of the Bingham rheological constants as well as the use of these constants in the numerical simulation were discussed thoroughly. An important topic of the performed investigation was the development of the numerical model for fresh concrete which enables simple, fast and stable predictive simulation of different technological operations with fresh concrete. Firstly, in a literature survey, the state-of-the-art of the numerical simulation of fresh concrete was presented and critically discussed in order to show advantages and disadvantages of other methods and modeling approaches. Open (unsolved) questions were highlighted and the basis for their investigation is created within this thesis. Fundamental concepts of the rheology were then presented and the basic rheological models of viscoelastic materials were considered; the rheological behaviors of different types of concretes were presented and its influencing factors were discussed. Additionally main methods for scientific investigation and testing of the fresh concrete were shown. The test methods were critically discussed in order to select the test, which has been used as a reference experimental test for the numerical simulations. Chosen reference experimental test was the slump flow test. The slump flow test was thoroughly analyzed and an analytical solution was developed which helps to interpret the results of measurements and provides a link between rheological constants and measured quantities. In a further step an extensive experimental program was carried out in order to investigate the rheological behavior of fresh concrete and get the input data for numerical simulation. Firstly, the experiments on macrolevel were performed. Here the rheological behavior of the fresh concrete flow in different tests was investigated (slump and slump flow tests, L-Box). Further, the experiments on mesolevel with polymer on Carbopol basis and mortar were developed and performed in order to investigate the interaction between discrete particles suspended in a fluid matrix. The necessary material parameters, especially those representative of the fluid suspension micromechanical behavior, i.e. the force-displacement relationship, yield force and bond strength, were determined by these experiments. The slump flow test was used as the basic test to calibrate the model for fresh concrete (key data: slump value, slump flow diameter (for concretes with a soft consistency) and the time of spreading). Thus, the decisive phenomena of the fresh concrete flow were highlighted, control points for a contact model were selected and the initial input data for the development of the contact model was obtained.