钢纤维混凝土研究热点与前沿趋势的可视化分析.pdf
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1、为了对钢纤维混凝土的研究热点与前沿趋势进行更细致的分析,基于中国知网数据总库(C NK I),以国内2 0 0 82 0 2 2年发表的5 2 4篇关于钢纤维混凝土的核心文献作为研究对象,利用C i t e S p a c e软件从发文量、发文作者、关键词和发文机构等方面进行了可视化分析.结果表明:钢纤维混凝土的发文量随年份波动,近两年呈降低趋势;研究者和机构整体关系均较为分散;当前研究热点主要集中于力学性能、耐久性等基础性能,以及模拟和工作机理研究;前沿趋势主要聚焦于钢纤维混凝土与其他材料的复合研究.据此提出以下建议:创新与拓展对钢纤维混凝土科研领域的深入研究,建立高校之间的联系,加强校企合
2、作;根据钢纤维类型分类建立更为贴切的本构模型,更细化地分析构件性能;拓宽钢纤维混凝土复合其他材料的研究,增强钢纤维混凝土的耐久性能.关键词:钢纤维混凝土;C i t e S p a c e;可视化分析;知识图谱中图分类号:TU 5 2 8暋暋暋暋文献标识码:A暋暋暋暋文章编号:1 0 0 8-5 6 8 8(2 0 2 3)0 2-0 0 5 5-0 9混凝土作为建筑最主要的一种复合材料,其拥有较好的抗压强度与耐久性能,并广泛应用于房屋、道路、桥梁等工程建筑领域.目前,我国混凝土消耗量每年可达1 0 0多亿t,是目前使用率最高的建筑材料1.但混凝土同时也存在抗拉强度低、抗裂性能差等缺陷,而构件
3、的破坏往往由这些微裂缝处开始发展.为了弥补混凝土开裂对建筑产生的影响,许多学者通过在基体中掺入纤维材料来提高混凝土的性能2,其中钢纤维由于其自身具有较高的抗拉强度,可对混凝土力学性能及韧性产生可观的改善作用,所以被广泛地应用于工程中3.近2 0年以来,钢纤维混凝土研究一直是热门研究之一,在中国知网数据总库(C NK I)中仅是包括“钢纤维暠关键词的文献就高达1 32 3 2篇.文献综述作为一种传统的文献信息获取手段,其对文献利用率低,且信息具有局限性等4,对于高速发展的信息科学,这种静态的信息获取方式已经不能满足时代的需求5.本文基于C NK I中收录的文献,通过C i t e S p a c
4、 e软件整合、梳理了2 0 0 82 0 2 2年关于钢纤维混凝土的核心文献,并从发文量、发文作者、关键词和发文机构等多种角度对文章进行了可视化分析,进一步了解和分析钢纤维混凝土的研究热点及趋势,为钢纤维混凝土领域的研究提供了理论参考.1暋数据来源与研究方法1 灡 1暋数据来源本研究以C N K I收录的文献为基础,通过知网中的高级检索功能,以“钢纤维混凝土暠和5 6暋暋暋辽宁师专学报(自然科学版)2 0 2 3年第2期“S F R C暠为主题检索词,设置时间范围为“2 0 0 8 2 0 2 2年暠,来源类别为北大核心、S C I、E I、C S S 灢C I、C S C D和AM I的核心
5、期刊.通过人工复筛与检验后,去除了不相关文献、资讯类文献以及会议论文后,获得了5 2 4篇关于钢纤维混凝土的高质量文献,并以其作为知识图谱分析的数据基础.1 灡 2暋研究方法信息可视化是通过利用计算机程序将所提供的数据由抽象化转变成交互式可视,从而使人们能够更清晰地对这些抽象信息进行认知6.本文以C i t e S p a c e软件为工具制作信息可视化知识图谱.主要方法是将筛选出的5 2 4篇文献以“R e f w o r k暠的格式导出,并保存为“T X T暠文本文档,时间切片为“1年暠,时间设置为“2 0 0 8 2 0 2 2年暠,分别以关键词、作者、机构进行节点筛选,绘制关键词共现、
6、关键词聚类、关键词时间线、突发词探测、机构共现、作者共现可视化图谱,以便分析钢纤维混凝土领域中的发展趋势、研究热点、知识信息结构之间的关联.2暋结果与分析2 灡 1暋发文量分析利用C i t e S p a c e软件对C N K I中收录的关于钢纤维混凝土的年发文量进行了统计分析,以“1年暠为跨度单位对钢纤维混凝土领域的发文量进行时间切片,得到的年度发文量分布如图1所示.暋暋由图1可知,关于钢纤维混凝土的发文量不断波动,其总体经历了平稳增长突然下降持续低位逐步回升的趋势.从2 0 0 82 0 1 0年的发文量逐步上升至第一个峰值,说明关于钢纤维混凝土的研究已逐步发展,在2 0 1 1年发文
7、量急速降低了4 0%左右,之后发文数量一直处于较低且平缓的程度,这是由于随着钢纤维混凝土研究的不断深入,该领域待研究的内容逐渐减少,导致每年的发文数量持续保持低位.随着钢纤维混凝土逐渐应用于隧道、路面、机场地坪等,应用越来越广泛,从2 0 1 6年开始,年发文量逐渐提升,在2 0 2 0年达到第二个峰值,发文量开始呈现降低趋势,这可能是由于对钢纤维混凝土的研究达到饱和,关于创新的钢纤维混凝土的高质量论文的研究逐渐进入瓶颈.2 灡 2暋发文作者分布文献作者对学科领域的发展具有重要的意义,是推动钢纤维混凝土学科领域进步的内生力量7.通过分析作者和科研团队,可以了解国内钢纤维混凝土研究者、科研队伍之
8、间的合作关系,为将来的科研活动提供参考,从而促进我国钢纤维混凝土的研究快速发展.利用C i t e S p a c e对5 2 4篇关于钢纤维混凝土的高质量文献的作者进行了可视化分析,绘制了李九阳,等钢纤维混凝土研究热点与前沿趋势的可视化分析5 7暋暋暋作者网络共现图谱,如图2所示.钢纤维混凝土领域的作者网络共现图谱中含有2 9 8个结点、2 5 0条连线,D e n s i t y=0 灡 5 6%,发文作者合作的网络图谱密度不高,说明钢纤维在国内的研究较为分散,各研究团队之间未形成密切的关系网.暋暋根据普赖斯公式8对钢纤维混凝土核心作者进行统计分析.通过在公式中输入作者中最多的发文数,计算
9、得出m=3 灡 9 6 3(核心作者最低发文量),可知在核心期刊发文4篇及更多的作者为该研究领域的核心作者.根据统计,在2 0 0 82 0 2 2年有关钢纤维混凝土核心期刊发文量最高的作者为高丹盈,共计2 8篇,其主要研究了钢纤维混凝土与钢筋、钢管结合后在梁、柱或剪力墙中对于强度的增强作用及模型9 灢 1 2;赵军发表了1 4篇核心文献,其团队主要研究钢纤维混凝土在连续梁、梁柱节点和剪力墙中的力学性能及抗震能力1 3 灢 1 5;王志杰发表了1 0篇核心文献,其团队主要研究钢纤维混凝土隧道衬砌的受力性能与模型试验1 6 灢 1 7;范小春发表7篇核心文献,其主要研究玄武岩筋钢纤维混凝土中掺入
10、废旧轮胎后构件的性能,为固废资源化提供了有效方法1 8 灢 2 0;毕继红发表的7篇核心文献主要研究了不同纤维长度、受拉状态等影响因素下钢纤维混凝土的本构模型及强度计算公式2 1 灢 2 2;卿龙邦发表核心文献6篇,其团队主要研究定向钢纤维增强水泥基复合材料(A S F R C)与普通乱向钢纤维混凝土材料的断裂性能的对比研究,可以发现A S F R C材料拥有较好的抗冲击性能以及断裂性能2 3 灢 2 4;伍凯共发表6篇核心文献,其与陈峰团队主要研究型钢钢纤维混凝土组合构件的破坏机理与损伤分析2 5 灢 2 6.上述许多核心作者的应用与研究,为国内钢纤维混凝土学科领域的发展做出了开拓性与推动性
11、的贡献.2 灡 3暋发文机构分布使用C i t e S p a c e软件对发文机构进行可视化分析,时间跨度选择“2 0 0 82 0 2 2年暠,时间切片设置为“1年暠,节点类型选择“I n s t i t u t i o n暠,绘制成“机构共现暠图谱,如图3(见5 8页)所示.图中共包含节点数N=2 3 6,连线数E=1 5 5,密度D e n s i t y为0 灡 0 0 56.选取了图3中突现强度最高的2 0家研究机构进行分析绘制,如图4(见5 8页)所示.从图3中可以看出,钢纤维混凝土(S F R C)的研究以高校为主,主要集中在西南交通大学、武汉理工大学、天津大学、东北大学、新疆
12、大学、河北工业大学.由图4可知,河北工业大学土木工程学院开始较早且研究成果较多,其余几所高校均在2 0 2 0年开始S F R C的研究,主要原因为国家于2 0 2 0年发布了规范标准G B/T 3 9 1 4 7-2 0 2 0 混凝土用钢纤维.但是,高校之间缺乏合作,研究较分散,没有形成大范围的科研合作群体.此外,研究企业较少,主要以中国铁路为5 8暋暋暋辽宁师专学报(自然科学版)2 0 2 3年第2期主,且企业之间缺乏合作,与高校之间也未形成较密切的合作关系.在今后的研究中,应多加强校企合作,带动就业.2 灡 4暋研究热点分析关键词是文章核心内容的凝练与升华.如果某个关键词频繁地在相应领
13、域的文献中出现,那么该关键词即代表着此领域目前的研究热点2 7.通过统计和分析关键词共现图谱,即可了解与分析该领域的研究热点与趋势.通过使用C i t e S p a c e软件,选择时间跨度为“2 0 0 82 0 2 2年暠,时间切片为“1年暠,绘制得到关于钢纤维混凝土的关键词共现网络图谱,采集共现连线2 9 8条,网络密度为0 灡 0 1,如图5(见5 9页)所示.其中,关键词节点的颜色深浅、节点大小和线性的宽度,分别决定了首次共现年份、关键词使用频率的高低与共现相互关联的强弱程度.利用E x 灢c e l表格工具来收集高频节点、高中心性节点的前1 0个关键词,如表1所示(见5 9页).
14、李九阳,等钢纤维混凝土研究热点与前沿趋势的可视化分析5 9暋暋暋暋暋结合图5、表1分析后可以发现,钢纤维混凝土的热门研究主要集中于抗压强度、力学性能、弯曲韧性等方面,这是由于钢纤维的掺入能够提高表1暋钢纤维混凝土前1 0高频关键词排名关键词频次中心性1钢纤维暋5 70 灡 2 12力学性能2 70 灡 1 93混凝土暋1 60 灡 2 64抗压强度1 00 灡 1 05弯曲韧性1 00 灡 0 5排名关键词频次中心性6声发射暋90 灡 0 87数值模拟80 灡 0 78模型试验70 灡 0 39隧道工程60 灡 0 61 0冻融破坏60 灡 0 4混凝土的抗压强度,改善混凝土的弯曲韧性,因此对
15、于钢纤维混凝土的研究大多数集中于力学性能.除此之外,关于钢纤维混凝土研究涉及的领域范围较广,其中声发射、数值模拟、模型试验、隧道工程与冻融破坏也逐渐成为研究热门,说明目前关于钢纤维混凝土的研究不仅仅局限于强度,正逐渐向工程的实际应用进行转变,此外对钢纤维混凝土耐久性、检测手段方向的探索,也是未来研究的热门发展趋势.暋暋C i t e S p a c e软件基于关键词共现的分析数据,通过谱聚类算法实现了关键词的自动聚类功能,生成的聚类图谱如图6(见6 0页)所示.聚类图谱相较于共现图谱,可以更深入地反映钢纤维混凝土的研究进度.根据L L R算法对聚类的标签进行分析,依据聚类明晰度与网络结构,设置
16、了模块值(Q)与平均轮廓值(S)两组数据以评价图谱绘制效果,其中Q值域在(0,1)之间,而S的值域为(-1,1).当Q值在0 灡 3以上时,说明所划分的聚团结构显著,而当Q大于0 灡 7时,聚类的信服力最高,并且S大于0 灡 5时,说明聚类基本合理2 8.所绘制的钢纤维关键词聚类图谱的Q值为0 灡 8 8 54,S值为0 灡 9 6 82,说明本次分析的聚类图谱合理且信服力强.图6中关键词聚类被划分成7个较为明显的板块,分别为模型试验(#0)、数值模拟(#1)、钢纤维(#2)、玄武岩筋(#3)、冻融循环(#4)、断裂能(#5)、劈拉强度(#6),各聚类的平均轮廓值接近1,说明聚类匹配程度较好,
17、得出在钢纤维混凝土领域的研究热点,具体如下:(1)钢纤维混凝土的力学性能研究.钢纤维的提升效果受多种因素的影响,例如钢纤维的长径比、表面形状、钢纤维自身的强度等.在混凝土中掺入钢纤维后,对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度有很明显的提升效果,可为工程的实际应用奠定基础.(2)钢纤维混凝土的模拟.随着钢纤维混凝土逐渐被普遍应用,关于钢纤维混凝土构件的模拟研究也逐渐加深.通过分析软件建立起钢纤维的模型,分析构件的破坏机理,可促进钢纤维混凝土薄弱处的研究更加深入.6 0暋暋暋辽宁师专学报(自然科学版)2 0 2 3年第2期暋暋(3)钢纤维混凝土的耐久性研究.如聚类图谱的冻融循环(#4).混凝土
18、的抗冻性是耐久性中的一个重要指标.通过对钢纤维混凝土微观结构的观察,可以更好地了解钢纤维混凝土的界面损伤形式,从而掺入特定的材料提高混凝土的寿命与安全性.2 灡 5暋前沿趋势分析普通的关键词共现密度图只能定性地对研究热点进行分析,无法显示时间变化造成的影响.利用C i t e S p a灢c e软件的关键词突现分析功能绘制关键词突现图谱,可以简洁明了地表达出不同研究热点随时间变换的规律,直观地表明前沿领域之间的相互关联与演化路程.所谓的突现词,指的是在一定时间范围内高使用频率的关键词,其作用是便于了解前沿趋势.具体操作为:在术语类型下选择“N o u nP h r a s e暠,节 点 类 型
19、 选 择“关 键 词 暠,时 间 跨 度 为“2 0 0 82 0 2 2年暠,切片长度为“1年暠,阈值(K)选用2 5,绘制了前2 0个突现词的突现图谱和关键词聚类时间图谱2 9,如图7、图8(见6 1页)所示.李九阳,等钢纤维混凝土研究热点与前沿趋势的可视化分析6 1暋暋暋暋暋通过对图7、图8的分析可知,近1 5年来我国钢纤维混凝土的研究大致可分为三个阶段:(1)第一阶段2 0 0 82 0 1 3年,突现词主要为“劈拉强度暠“压剪破坏暠“冻融循环暠等.本时期的研究热点主要为钢纤维混凝土自身的力学性能以及耐久性能等基本性能,研究较少且较为局限,是钢纤维混凝土的初步探索阶段,为未来的研究打下
20、基础.(2)第二阶段2 0 1 42 0 1 9年,该阶段有关钢纤维混凝土的研究热点逐渐发散,进行了更细化的研究,例如钢纤维自身的长径比、自身强度的研究.同时,也不断开展对钢纤维混凝土实际应用的研究,“隧道工程暠“单层衬砌暠等皆为这个阶段末期的突现词.(3)第三阶段2 0 2 02 0 2 2年,此阶段时间跨度虽然不长,但随着2 0 2 0年国家发布了规范标准G B/T3 9 1 4 7-2 0 2 0 混凝土用钢纤维后,关于钢纤维混凝土的研究更加丰富多元.主要体现在钢纤维与其他增强材料复合的研究,关键词有“玄武岩筋暠“塑钢纤维暠“复合层暠“复合理论暠等,反映钢纤维混凝土的研究逐渐深入.3暋结
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