再生骨料混凝土研究的知识基础及热点主题
——基于CiteSpace和VOSviewer的知识图谱可视化分析

姚云龙, 刘 鑫, 黄辰瑞, 蔡国振, 洪宝宁

河海大学 土木与交通学院, 江苏 南京 210098

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)是一种可持续的建筑材料,近年来因环境效益得到了广泛应用。它有助于减少送往垃圾填埋场的建筑废弃量,保护自然资源并减少了与传统混凝土生产相关的碳排放,而且使用回收骨料具有一定的经济效益。因此,再生骨料混凝土成为了未来建筑行业广泛应用的必然选择,可推进实现碳达峰、碳中和的目标[1-3]。

文献计量分析是评估某一特定领域研究影响和趋势的有力工具,可以确定该领域随着时间推移的研究趋势和最活跃的研究主题,还可以确定推进该领域研究的主要作者、团体、文献、期刊等[4]。本文运用可视化知识图谱对再生骨料混凝土领域的研究成果进行文献计量分析,展示该领域的发文量历时变化,对该领域的作者、国家、研究机构、关键词、出版期刊等进行可视化分析,并进一步探究再生骨料混凝土研究的热点主题及未来发展趋势,为再生骨料混凝土的后续研究指引方向。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文选取了Web of Science(WoS)核心集数据库和中国知网(CNKI)数据库作为数据源,其中WoS数据库涵盖了不同领域的期刊文献,还可以提供一系列数据,例如标题、作者、机构、国家、摘要、关键词、参考文献、被引次数、影响因子等[5]。在WoS核心集数据库中,利用高级检索功能,搜索条件中,主题为“Recycled aggregate concrete”或“Recycled Concrete Aggregate”,文件类型设置为“Article”和“Review”,语种设置为“English”,时间范围设置为“2000年至2022年”,共检索到7 457篇英文文献。CNKI数据库的搜索主题词为“再生骨料混凝土”,检索时间限定为“2000年至2022年”,中文文献选自CNKI数据库中的EI、北大核心和CSCD期刊,不包含学位论文、会议、报纸等文章,最终检索到1 401篇中文文献。

1.2 研究方法

科学计量学是将文献计量学的常用方法与可视化技术相结合,将复杂科学知识的发展过程、知识框架及其结构关系可视化的理论[6]。本文采用科学计量学构建再生骨料混凝土领域的知识图谱,来展现该领域文献的潜在关系网络和发展脉络。与传统文献计量学相比,科学知识图谱的可视化分析更直观、易读。Citespace和VOSviewer是两款常用且功能强大的科学文献可视化分析软件,本文通过VOSviewer软件对主要作者、研究国家、研究机构和期刊共被引进行可视化分析。

VOSviewer是荷兰莱顿大学计量学研究所的Nees Jan Van Eck和Ludo Waltman共同开发的文献计量分析软件[7],处理速度较快,可用于共词分析、共被引分析和文献耦合分析。CiteSpace是美国德雷塞尔大学计算机与信息科学系陈超美教授开发的信息可视化软件,用于分析文献的引用关系和探索研究领域的演化趋势,可以进行多维度的可视化分析和展示。通过CiteSpace软件中“Keyword”来构建关键词知识图谱和聚类图谱,分析高频关键词和新兴词汇,从而揭示再生骨料混凝土领域的研究热点和文献前沿[8]。利用CiteSpace软件对查阅到的7 457篇英文文献进行去重,其中31篇文章是重复的,最终确定为7 426篇英文文献。

2 文献可视化结果分析

2.1 研究文献的年发文量

发文量是指某个领域或某个期刊在一定时间范围内发表的文献数量,一个研究领域的发文量的时间变化可以反映该领域在一定时期内的活跃程度和研究热度。如果某个领域的年发文量持续增加,说明该领域的研究方向、主题或研究方法受到越来越多研究者的关注和重视,具有很高的研究价值和发展前景[9]。因此,通过WoS核心集数据库和CNKI数据库中每年发表的关于再生骨料混凝土的文章数量,绘制了2000—2022年再生骨料混凝土领域的年发文量统计图(图1)。

(a) 英文文献 (b) 中文文献图1 再生骨料混凝土领域的年发文量统计图

从发表论文数量的时间分布来看,WoS核心集数据库的年发文量呈增长趋势,2000—2007年发表的英文文献数量趋势相对平缓,对再生骨料混凝土的研究较少,说明该领域还处于研究的初始阶段;2008—2017年是缓慢增长期,文献数量逐年增加;2018—2022年是快速增长期,发表的文献数量显著增加,再生骨料混凝土的研究得到了广泛的关注,在这5年时间里发表了4 966篇论文,占2000—2022年总发文量的66.9%。相比WoS数据库,CNKI数据库的年发文量呈现缓慢增长且存在波动,其中2005年以前的年发文量较少,2005—2014年的发文量逐渐增加,2014—2021年的发文量呈波动式发展,2020—2021年的发文量呈下降趋势,而2021—2022年的发文量呈现回升的趋势。

2.2 主要作者知识图谱分析

作者知识图谱可以识别该领域和研究方向上贡献较高的作者,还可以识别各个作者在研究领域内的合作关系。图2为2000—2022年再生骨料混凝土领域文献的作者合作网络图谱。

图2中每个节点代表的是一个作者,节点大小反映作者发表文章的数量,作者之间的连线代表的是作者之间的合作。表1列出了2000—2022年样本文献发文量前10位的作者排名。英文文献中发文量最多的作者是De Brito Jorge[10-12],发文量为203篇;其次英文文献发文量最多的作者是同济大学的XIAO Jianzhuang(肖建庄),英文文献发文量为190篇,他也是中文文献中发文量最多的作者,中文发文量为48篇,主要的研究方向是再生混凝土材料与结构、再生骨料混凝土火灾损伤及残余强度研究、混凝土结构加固与再利用、3D打印再生混凝土与减碳分析、结构的可持续性设计与绿色建造等[13-15];其他发文量较多的国外作者还有Poon Chi Sun、 Arulrajah Arul、Tam Vivian W. Y.、Horpibulsuk Suksun等。国内发文量较多的作者还有朱平华、李秋义、崔正龙、秦拥军等,他们对再生骨料混凝土领域的研究都做出了重要的贡献。

(a) 英文样本文献 (b) 中文样本文献图2 再生骨料混凝土领域文献的作者合作网络图谱

表1 2000—2022年再生骨料混凝土样本文献发文量前10的作者排名

由表1可知,最高产作者的发文量为203篇,根据普赖斯[16]定律核心作者计算公式M=0.749×(Nmax)1/2(其中Nmax为最高产作者的发文量),可以得出再生骨料混凝土英文样本文献中核心作者的阈值为10.67。因此,可以将发文量大于或等于11的作者定义为核心作者,通过统计可得英文文献中的核心作者的发文量达到2 517篇,约占英文文献总发文量的33.9%,未达到50%以上,表明了再生骨料混凝土领域还未形成有影响力和高产的核心作者群,作者之间的科研合作关系还较弱。同样,根据普赖斯定律可得中文样本文献中核心作者的阈值为5.19,可将发文量大于或等于6的作者定义为核心作者。经统计,中文样本文献中的核心作者发文量共899篇,占中文样本文献的64.2%,这表明国内再生骨料混凝土领域的作者之间的科研合作程度较高。主要的研究团队有以肖建庄、李秋义、曹万林、范玉辉、郑建岚、黄靓为核心的研究团队,以朱平华、陈春红、封金财为核心的研究团队,以崔正龙和汪振双为核心的研究团队,以秦拥军和严文龙为核心的研究团队等。整体来看,团队合作关系较多,但不同研究团队之间合作交流较少,有待于进一步加强。

2.3 主要国家和研究机构知识图谱分析

国家和研究机构知识图谱用于展示不同国家和机构在某研究领域的学术贡献和合作关系,可以识别出国际间的合作频率较高的国家和机构。图3是中文文献的机构发文量情况,图4和图5分别为英文文献的国家和机构合作网络图谱,表2列出了2000—2022年样本文献排名前10的国家和机构。

图3 中文样本文献的机构发文量情况图4 英文样本文献的国家合作网络图谱

图5 英文样本文献的机构合作网络图谱

表2 2000—2022年再生骨料混凝土样本文献发文量前10的国家和机构排名

对再生骨料混凝土的研究,中国的贡献最大,2000—2022年中国学者在该领域发表论文1 759篇,约占总发文量的23.7%;其次是美国,发表论文633篇;其他贡献相对较大的国家还有澳大利亚、西班牙、印度、葡萄牙等。中国、美国、澳大利亚、西班牙、葡萄牙等国家的节点中心度都在0.1以上,表明这些国家是合作网络中的重要交流枢纽。同济大学是国内外在再生骨料混凝土领域发文量最多的机构,说明同济大学在该领域的影响力最大;其次是香港理工大学和里斯本大学(Universidade de Lisboa),分别发表论文209篇和177篇;同济大学、香港理工大学和里斯本大学的机构中心度均达到了0.1以上。国内文献最多产的机构还有西安建筑科技大学、东南大学、广西大学、深圳大学、广东理工大学、哈尔滨工业大学等机构。各国和机构之间的合作交流关系仍有待加强。

2.4 关键词图谱分析

关键词在总结文献研究的内容方面发挥着重要的作用,一般用关键词来概括文章的研究内容[17]。在CiteSpace软件中,选择的“节点类型”为关键字,阈值设为TOP 50,生成的样本文献的关键词网络图谱如图6所示。每个节点表示一个关键词,节点大小表示关键词出现的频率,节点之间的线粗表示相关强度,图6(a)共有234个节点和860条连接线,图6(b)共有248个节点和1 016条连接线。通过对WoS和CNKI数据库再生骨料混凝土领域高频关键词的比较,可以发现二者的研究方向基本一致。分析表明,WoS数据库和CNKI数据库的文献与力学性能、抗压强度、耐久性、粉煤灰、废弃物、再生骨料透水混凝土、自密实混凝土、地聚物、微观结构、硅灰、抗冻性、收缩、碳化和钢纤维等关键词相关最多。

(a) 英文样本文献 (b)中文样本文献图6 样本文献的关键词网络图谱

对关键词网络图谱按“LLR”算法进行聚类,得到的英文文献的关键词聚类图谱如图7所示,图谱中共显示了11个聚类结果。网络图聚类模块指数为0.426 1(大于0.3),平均轮廓指数为0.594 5(大于0.5),说明该图谱的结构显著,而且聚类结果是合理的[8,18]。通过CiteSpace中的Burst分析功能,得到CNKI数据库文献的高频关键词突现图谱(图8),发现2000—2022年有20个关键词突变强度较高。研究方向和交叉研究领域较多,数据库的高频关键词分布不均匀,研究重点相对分散。总的来说,由关键词图谱可得,WoS和CNKI数据库再生骨料混凝土领域的研究主要集中在以下几个方面。

(1)提高再生骨料混凝土的力学性能和长期耐久性[19]。目前再生骨料混凝土的强度和耐久性,以及相关预测模型仍有待进一步研究。通过控制水灰比、掺入外加剂(如钢纤维、粉煤灰、矿渣、钢渣、硅灰和减水剂等)、使用改性骨料或新型混合料等方法来提高力学性能,提高长期耐久性(如抗冻性、干燥收缩、徐变、耐磨性、抗硫酸盐侵蚀、抗碳化性、抗氯离子渗透等)。

图7 英文样本文献的关键词聚类图谱图8 中文样本文献前20的突现高频关键词

(2)降低再生骨料混凝土的成本并优化生产过程。使用更高效、更经济的回收技术,以及开发出更经济的制备方法,来降低再生骨料混凝土的成本。评估再生骨料混凝土的生命周期碳足迹,包括隐含的碳排放及碳封存的潜力;优化再生骨料混凝土的生产过程,研发出更加可持续、绿色和生态的再生骨料混凝土,以减少碳排放和废料[20]。

(3)推广再生骨料混凝土的应用。目前再生骨料混凝土已经得到了广泛应用,但仍然存在局限性。推广一些改性的再生骨料混凝土在其他工程领域(如房屋建造、桥梁桥面、路基路面工程、水利工程、护岸工程、生态公路防护工程等)的广泛应用,同时也可将再生骨料混凝土应用于环境治理等工程领域。

2.5 期刊共被引分析

根据Dzikowski[21]的理论,一种期刊发表的论文越多,被引用的次数越多,其影响力就越大。期刊是科学成果传播的主要方式,对期刊分布的研究可以突出一个研究领域的理论和实践价值。期刊共被引图谱可以用于展示期刊之间的引用关系及期刊的影响力。图9为发表再生骨料混凝土研究论文的英文期刊共被引知识图谱,图10为中文文献所属的主要期刊及论文分布情况。

图9 英文样本文献的期刊共被引图谱

图10 中文样本文献的主要期刊及论文分布

由国外样本文献的期刊共被引图谱可知,WoS数据库中本文样本文献的期刊共被引次数排名前10的期刊及共被引次数分别为《Construction and Building Materials》(63 447次)、《Cement and Concrete Research》(19 303次)、《Cement and Concrete Composites》(14 466次)、《Journal of Cleaner Production》(13 837次)、《Journal of Materials in Civil Engineering》(7 602次)、《Waste Management》(6 878次)、《Materials and Structures》(6 233次)、《Resources Conservation and Recycling》(5 182次)、《ACI Materials Journal》(3 648次)和《Engineering Structures》(3 640次)。按所属期刊的发文量排序,2000—2022年CNKI数据库中发表再生骨料混凝土研究论文数量前10的中文期刊及论文数量占比分别为《建筑结构学报》(41.3%)、《同济大学学报(自然科学版)》(8.8%)、《哈尔滨工业大学学报》(8.8%)、《辽宁工程技术大学学报(自然科学版)》(6.3%)、《中南大学学报(自然科学版)》(5%)、《中山大学学报(自然科学版)》(5%)、《东南大学学报(自然科学版)》(5%)、《农业工程学报》(3.8%)、《水力发电学报》(3.8%)、《湖南大学学报(自然科学版)》(3.8%)。这表明再生骨料混凝土领域在以上期刊获得了更高的关注度。

3 结论

本文基于CiteSpace和VOSviewer科学计量软件,统计分析再生骨料混凝土领域的国内外研究成果,对2000—2022年WoS核心集数据库中发表的7 426篇英文文献和CNKI数据库中发表的1 401篇中文文献进行知识图谱分析,可得以下结论:

(1)基于对英文文献的发文量分析,再生骨料混凝土研究的发文量趋势处于快速增长期,而国内数据库的年发文量呈现缓慢增长趋势且存在波动。从该领域的文献分布来看,中国的发文量处于领先位置,约占总发文量的23.7%。

(2)依据作者合作关系图谱,其研究学者较多且存在一定的合作关系。De Brito Jorge、Xiao Jianzhuang(肖建庄)和Poon C S是英文文献高产作者前三名,肖建庄、朱平华和李秋义是国内高产作者前三名。同济大学是国内外最具生产力的研究机构,除此之外,文献最多产的研究机构还有香港理工大学、里斯本大学、西安建筑科技大学等。再生骨料混凝土领域还未形成合作密切和高产的核心作者群,作者及机构之间的合作交流关系均有待进一步加强。

(3)关键词图谱及前20个突显关键词,展示了关于再生骨料混凝土领域内关键词出现频次及其关系,从一定程度上反映了国内外再生骨料混凝土领域的研究情况和热点主题。以往的研究更加集中于提高再生骨料混凝土的力学性能和长期耐久性。

(4)未来的研究除了着重于提高再生骨料混凝土的力学性能和长期耐久性,对于改性增强及相关的预测模型等方面仍有待进一步研究。在当下的“双碳”目标背景下,如何研发出更可持续、绿色和生态的再生骨料混凝土也应该是未来研究的关注热点。此外,研究人员还应考虑如何降低再生骨料混凝土的生产成本和优化其施工过程,并进一步开拓再生骨料混凝土的其他工程应用领域。