再生骨料混凝土研究的知識基礎及熱點主題
——基于CiteSpace和VOSviewer的知識圖譜可視化分析

姚云龍, 劉 鑫, 黃辰瑞, 蔡國振, 洪寶寧

河海大學 土木與交通學院, 江蘇 南京 210098

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)是一種可持續的建筑材料,近年來因環境效益得到了廣泛應用。它有助于減少送往垃圾填埋場的建筑廢棄量,保護自然資源并減少了與傳統混凝土生產相關的碳排放,而且使用回收骨料具有一定的經濟效益。因此,再生骨料混凝土成為了未來建筑行業廣泛應用的必然選擇,可推進實現碳達峰、碳中和的目標[1-3]。

文獻計量分析是評估某一特定領域研究影響和趨勢的有力工具,可以確定該領域隨著時間推移的研究趨勢和最活躍的研究主題,還可以確定推進該領域研究的主要作者、團體、文獻、期刊等[4]。本文運用可視化知識圖譜對再生骨料混凝土領域的研究成果進行文獻計量分析,展示該領域的發文量歷時變化,對該領域的作者、國家、研究機構、關鍵詞、出版期刊等進行可視化分析,并進一步探究再生骨料混凝土研究的熱點主題及未來發展趨勢,為再生骨料混凝土的后續研究指引方向。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文選取了Web of Science(WoS)核心集數據庫和中國知網(CNKI)數據庫作為數據源,其中WoS數據庫涵蓋了不同領域的期刊文獻,還可以提供一系列數據,例如標題、作者、機構、國家、摘要、關鍵詞、參考文獻、被引次數、影響因子等[5]。在WoS核心集數據庫中,利用高級檢索功能,搜索條件中,主題為“Recycled aggregate concrete”或“Recycled Concrete Aggregate”,文件類型設置為“Article”和“Review”,語種設置為“English”,時間范圍設置為“2000年至2022年”,共檢索到7 457篇英文文獻。CNKI數據庫的搜索主題詞為“再生骨料混凝土”,檢索時間限定為“2000年至2022年”,中文文獻選自CNKI數據庫中的EI、北大核心和CSCD期刊,不包含學位論文、會議、報紙等文章,最終檢索到1 401篇中文文獻。

1.2 研究方法

科學計量學是將文獻計量學的常用方法與可視化技術相結合,將復雜科學知識的發展過程、知識框架及其結構關系可視化的理論[6]。本文采用科學計量學構建再生骨料混凝土領域的知識圖譜,來展現該領域文獻的潛在關系網絡和發展脈絡。與傳統文獻計量學相比,科學知識圖譜的可視化分析更直觀、易讀。Citespace和VOSviewer是兩款常用且功能強大的科學文獻可視化分析軟件,本文通過VOSviewer軟件對主要作者、研究國家、研究機構和期刊共被引進行可視化分析。

VOSviewer是荷蘭萊頓大學計量學研究所的Nees Jan Van Eck和Ludo Waltman共同開發的文獻計量分析軟件[7],處理速度較快,可用于共詞分析、共被引分析和文獻耦合分析。CiteSpace是美國德雷塞爾大學計算機與信息科學系陳超美教授開發的信息可視化軟件,用于分析文獻的引用關系和探索研究領域的演化趨勢,可以進行多維度的可視化分析和展示。通過CiteSpace軟件中“Keyword”來構建關鍵詞知識圖譜和聚類圖譜,分析高頻關鍵詞和新興詞匯,從而揭示再生骨料混凝土領域的研究熱點和文獻前沿[8]。利用CiteSpace軟件對查閱到的7 457篇英文文獻進行去重,其中31篇文章是重復的,最終確定為7 426篇英文文獻。

2 文獻可視化結果分析

2.1 研究文獻的年發文量

發文量是指某個領域或某個期刊在一定時間范圍內發表的文獻數量,一個研究領域的發文量的時間變化可以反映該領域在一定時期內的活躍程度和研究熱度。如果某個領域的年發文量持續增加,說明該領域的研究方向、主題或研究方法受到越來越多研究者的關注和重視,具有很高的研究價值和發展前景[9]。因此,通過WoS核心集數據庫和CNKI數據庫中每年發表的關于再生骨料混凝土的文章數量,繪制了2000—2022年再生骨料混凝土領域的年發文量統計圖(圖1)。

(a) 英文文獻 (b) 中文文獻圖1 再生骨料混凝土領域的年發文量統計圖

從發表論文數量的時間分布來看,WoS核心集數據庫的年發文量呈增長趨勢,2000—2007年發表的英文文獻數量趨勢相對平緩,對再生骨料混凝土的研究較少,說明該領域還處于研究的初始階段;2008—2017年是緩慢增長期,文獻數量逐年增加;2018—2022年是快速增長期,發表的文獻數量顯著增加,再生骨料混凝土的研究得到了廣泛的關注,在這5年時間里發表了4 966篇論文,占2000—2022年總發文量的66.9%。相比WoS數據庫,CNKI數據庫的年發文量呈現緩慢增長且存在波動,其中2005年以前的年發文量較少,2005—2014年的發文量逐漸增加,2014—2021年的發文量呈波動式發展,2020—2021年的發文量呈下降趨勢,而2021—2022年的發文量呈現回升的趨勢。

2.2 主要作者知識圖譜分析

作者知識圖譜可以識別該領域和研究方向上貢獻較高的作者,還可以識別各個作者在研究領域內的合作關系。圖2為2000—2022年再生骨料混凝土領域文獻的作者合作網絡圖譜。

圖2中每個節點代表的是一個作者,節點大小反映作者發表文章的數量,作者之間的連線代表的是作者之間的合作。表1列出了2000—2022年樣本文獻發文量前10位的作者排名。英文文獻中發文量最多的作者是De Brito Jorge[10-12],發文量為203篇;其次英文文獻發文量最多的作者是同濟大學的XIAO Jianzhuang(肖建莊),英文文獻發文量為190篇,他也是中文文獻中發文量最多的作者,中文發文量為48篇,主要的研究方向是再生混凝土材料與結構、再生骨料混凝土火災損傷及殘余強度研究、混凝土結構加固與再利用、3D打印再生混凝土與減碳分析、結構的可持續性設計與綠色建造等[13-15];其他發文量較多的國外作者還有Poon Chi Sun、 Arulrajah Arul、Tam Vivian W. Y.、Horpibulsuk Suksun等。國內發文量較多的作者還有朱平華、李秋義、崔正龍、秦擁軍等,他們對再生骨料混凝土領域的研究都做出了重要的貢獻。

(a) 英文樣本文獻 (b) 中文樣本文獻圖2 再生骨料混凝土領域文獻的作者合作網絡圖譜

表1 2000—2022年再生骨料混凝土樣本文獻發文量前10的作者排名

由表1可知,最高產作者的發文量為203篇,根據普賴斯[16]定律核心作者計算公式M=0.749×(Nmax)1/2(其中Nmax為最高產作者的發文量),可以得出再生骨料混凝土英文樣本文獻中核心作者的閾值為10.67。因此,可以將發文量大于或等于11的作者定義為核心作者,通過統計可得英文文獻中的核心作者的發文量達到2 517篇,約占英文文獻總發文量的33.9%,未達到50%以上,表明了再生骨料混凝土領域還未形成有影響力和高產的核心作者群,作者之間的科研合作關系還較弱。同樣,根據普賴斯定律可得中文樣本文獻中核心作者的閾值為5.19,可將發文量大于或等于6的作者定義為核心作者。經統計,中文樣本文獻中的核心作者發文量共899篇,占中文樣本文獻的64.2%,這表明國內再生骨料混凝土領域的作者之間的科研合作程度較高。主要的研究團隊有以肖建莊、李秋義、曹萬林、范玉輝、鄭建嵐、黃靚為核心的研究團隊,以朱平華、陳春紅、封金財為核心的研究團隊,以崔正龍和汪振雙為核心的研究團隊,以秦擁軍和嚴文龍為核心的研究團隊等。整體來看,團隊合作關系較多,但不同研究團隊之間合作交流較少,有待于進一步加強。

2.3 主要國家和研究機構知識圖譜分析

國家和研究機構知識圖譜用于展示不同國家和機構在某研究領域的學術貢獻和合作關系,可以識別出國際間的合作頻率較高的國家和機構。圖3是中文文獻的機構發文量情況,圖4和圖5分別為英文文獻的國家和機構合作網絡圖譜,表2列出了2000—2022年樣本文獻排名前10的國家和機構。

圖3 中文樣本文獻的機構發文量情況圖4 英文樣本文獻的國家合作網絡圖譜

圖5 英文樣本文獻的機構合作網絡圖譜

表2 2000—2022年再生骨料混凝土樣本文獻發文量前10的國家和機構排名

對再生骨料混凝土的研究,中國的貢獻最大,2000—2022年中國學者在該領域發表論文1 759篇,約占總發文量的23.7%;其次是美國,發表論文633篇;其他貢獻相對較大的國家還有澳大利亞、西班牙、印度、葡萄牙等。中國、美國、澳大利亞、西班牙、葡萄牙等國家的節點中心度都在0.1以上,表明這些國家是合作網絡中的重要交流樞紐。同濟大學是國內外在再生骨料混凝土領域發文量最多的機構,說明同濟大學在該領域的影響力最大;其次是香港理工大學和里斯本大學(Universidade de Lisboa),分別發表論文209篇和177篇;同濟大學、香港理工大學和里斯本大學的機構中心度均達到了0.1以上。國內文獻最多產的機構還有西安建筑科技大學、東南大學、廣西大學、深圳大學、廣東理工大學、哈爾濱工業大學等機構。各國和機構之間的合作交流關系仍有待加強。

2.4 關鍵詞圖譜分析

關鍵詞在總結文獻研究的內容方面發揮著重要的作用,一般用關鍵詞來概括文章的研究內容[17]。在CiteSpace軟件中,選擇的“節點類型”為關鍵字,閾值設為TOP 50,生成的樣本文獻的關鍵詞網絡圖譜如圖6所示。每個節點表示一個關鍵詞,節點大小表示關鍵詞出現的頻率,節點之間的線粗表示相關強度,圖6(a)共有234個節點和860條連接線,圖6(b)共有248個節點和1 016條連接線。通過對WoS和CNKI數據庫再生骨料混凝土領域高頻關鍵詞的比較,可以發現二者的研究方向基本一致。分析表明,WoS數據庫和CNKI數據庫的文獻與力學性能、抗壓強度、耐久性、粉煤灰、廢棄物、再生骨料透水混凝土、自密實混凝土、地聚物、微觀結構、硅灰、抗凍性、收縮、碳化和鋼纖維等關鍵詞相關最多。

(a) 英文樣本文獻 (b)中文樣本文獻圖6 樣本文獻的關鍵詞網絡圖譜

對關鍵詞網絡圖譜按“LLR”算法進行聚類,得到的英文文獻的關鍵詞聚類圖譜如圖7所示,圖譜中共顯示了11個聚類結果。網絡圖聚類模塊指數為0.426 1(大于0.3),平均輪廓指數為0.594 5(大于0.5),說明該圖譜的結構顯著,而且聚類結果是合理的[8,18]。通過CiteSpace中的Burst分析功能,得到CNKI數據庫文獻的高頻關鍵詞突現圖譜(圖8),發現2000—2022年有20個關鍵詞突變強度較高。研究方向和交叉研究領域較多,數據庫的高頻關鍵詞分布不均勻,研究重點相對分散?？偟膩碚f,由關鍵詞圖譜可得,WoS和CNKI數據庫再生骨料混凝土領域的研究主要集中在以下幾個方面。

(1)提高再生骨料混凝土的力學性能和長期耐久性[19]。目前再生骨料混凝土的強度和耐久性,以及相關預測模型仍有待進一步研究。通過控制水灰比、摻入外加劑(如鋼纖維、粉煤灰、礦渣、鋼渣、硅灰和減水劑等)、使用改性骨料或新型混合料等方法來提高力學性能,提高長期耐久性(如抗凍性、干燥收縮、徐變、耐磨性、抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化性、抗氯離子滲透等)。

圖7 英文樣本文獻的關鍵詞聚類圖譜圖8 中文樣本文獻前20的突現高頻關鍵詞

(2)降低再生骨料混凝土的成本并優化生產過程。使用更高效、更經濟的回收技術,以及開發出更經濟的制備方法,來降低再生骨料混凝土的成本。評估再生骨料混凝土的生命周期碳足跡,包括隱含的碳排放及碳封存的潛力;優化再生骨料混凝土的生產過程,研發出更加可持續、綠色和生態的再生骨料混凝土,以減少碳排放和廢料[20]。

(3)推廣再生骨料混凝土的應用。目前再生骨料混凝土已經得到了廣泛應用,但仍然存在局限性。推廣一些改性的再生骨料混凝土在其他工程領域(如房屋建造、橋梁橋面、路基路面工程、水利工程、護岸工程、生態公路防護工程等)的廣泛應用,同時也可將再生骨料混凝土應用于環境治理等工程領域。

2.5 期刊共被引分析

根據Dzikowski[21]的理論,一種期刊發表的論文越多,被引用的次數越多,其影響力就越大。期刊是科學成果傳播的主要方式,對期刊分布的研究可以突出一個研究領域的理論和實踐價值。期刊共被引圖譜可以用于展示期刊之間的引用關系及期刊的影響力。圖9為發表再生骨料混凝土研究論文的英文期刊共被引知識圖譜,圖10為中文文獻所屬的主要期刊及論文分布情況。

圖9 英文樣本文獻的期刊共被引圖譜

圖10 中文樣本文獻的主要期刊及論文分布

由國外樣本文獻的期刊共被引圖譜可知,WoS數據庫中本文樣本文獻的期刊共被引次數排名前10的期刊及共被引次數分別為《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)。按所屬期刊的發文量排序,2000—2022年CNKI數據庫中發表再生骨料混凝土研究論文數量前10的中文期刊及論文數量占比分別為《建筑結構學報》(41.3%)、《同濟大學學報(自然科學版)》(8.8%)、《哈爾濱工業大學學報》(8.8%)、《遼寧工程技術大學學報(自然科學版)》(6.3%)、《中南大學學報(自然科學版)》(5%)、《中山大學學報(自然科學版)》(5%)、《東南大學學報(自然科學版)》(5%)、《農業工程學報》(3.8%)、《水力發電學報》(3.8%)、《湖南大學學報(自然科學版)》(3.8%)。這表明再生骨料混凝土領域在以上期刊獲得了更高的關注度。

3 結論

本文基于CiteSpace和VOSviewer科學計量軟件,統計分析再生骨料混凝土領域的國內外研究成果,對2000—2022年WoS核心集數據庫中發表的7 426篇英文文獻和CNKI數據庫中發表的1 401篇中文文獻進行知識圖譜分析,可得以下結論:

(1)基于對英文文獻的發文量分析,再生骨料混凝土研究的發文量趨勢處于快速增長期,而國內數據庫的年發文量呈現緩慢增長趨勢且存在波動。從該領域的文獻分布來看,中國的發文量處于領先位置,約占總發文量的23.7%。

(2)依據作者合作關系圖譜,其研究學者較多且存在一定的合作關系。De Brito Jorge、Xiao Jianzhuang(肖建莊)和Poon C S是英文文獻高產作者前三名,肖建莊、朱平華和李秋義是國內高產作者前三名。同濟大學是國內外最具生產力的研究機構,除此之外,文獻最多產的研究機構還有香港理工大學、里斯本大學、西安建筑科技大學等。再生骨料混凝土領域還未形成合作密切和高產的核心作者群,作者及機構之間的合作交流關系均有待進一步加強。

(3)關鍵詞圖譜及前20個突顯關鍵詞,展示了關于再生骨料混凝土領域內關鍵詞出現頻次及其關系,從一定程度上反映了國內外再生骨料混凝土領域的研究情況和熱點主題。以往的研究更加集中于提高再生骨料混凝土的力學性能和長期耐久性。

(4)未來的研究除了著重于提高再生骨料混凝土的力學性能和長期耐久性,對于改性增強及相關的預測模型等方面仍有待進一步研究。在當下的“雙碳”目標背景下,如何研發出更可持續、綠色和生態的再生骨料混凝土也應該是未來研究的關注熱點。此外,研究人員還應考慮如何降低再生骨料混凝土的生產成本和優化其施工過程,并進一步開拓再生骨料混凝土的其他工程應用領域。