Различают природные и искусственные (нефтяные) битумы. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако чаще они пронизывают осадочные (битуминозные) горные породы. Нефтяные битумы получают путем переработки нефти. При ее нагревании выделяют легкие фракции (бензин, лигроин, керосин), а затем масла (машинные и др.). В конечном итоге остается густой смолистый остаток – гудрон. Он является исходным сырьем для получения вязкого и твердого битума, но может использоваться и в качестве битумного вяжущего, особенно в случае использования высокосмолистых нефтей. В зависимости от способа получения нефтяные битумы бывают: окисленные, получаемые окислением гудрона (продувкой воздуха); остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; крекинговые, получаемые окислением остатков, образующихся при крекинге нефти; битумы деасфальтизации, получаемые осаждением  асфальтеносмолистой части гудрона пропаном; кислотные битумы, получаемые переработкой кислых гудронов.

Химический  состав битумов. Элементарный состав (% по массе): углерод – 70-80, водород - 10-15, сера - 2-9, кислород – 1-5 и азот - 0-2. Эти элементы образуют предельные углеводороды различных рядов (ароматического, парафинового, нафтенового) от С9Н20 до С30Н62 с различной молекулярной массой  (от 300 до 5000).

Большое значение имеет групповой состав битумов. Он включает: а) масла  (35-60 %) с молекулярной массой 300 – 600, плотностью менее 1 г/см3;  они выделяются растворением в легком бензине; б) смолы – вязкопластические вещества (20-40 %) с молекулярной массой 600 – 1000, плотностью около 1 г/см3; растворяются в бензоле, хлороформе; в) асфальтены – твердая часть битума (10-40 %) с молекулярной массой     1000 – 5000, плотностью более 1 г/см3; растворяются только в горячем бензоле и четыреххлористом углероде. В битумах встречаются парафины – твердые метановые углеводороды (до 6-8 %), снижающие пластичность битума и увеличивающие его хрупкость. 

По внутреннему строению битум представляет собой коллоидную систему, дисперсионной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой – частицы асфальтенов (10-20 мкм),  окруженные оболочками убывающей плотности от смол – к маслам. При изменении группового состава битума, в том числе под влиянием внешних факторов (температуры и др.), изменяются его свойства. При понижении содержания асфальтенов и смол (при повышении температуры – за счет частичного растворения смол в маслах) структура битума становится типа «золь», с малой плотностью и вязкостью. При повышении содержания асфальтенов и смол (при понижении температуры – за счет обратного перехода) структура битума становится типа «гель», с большей плотностью и вязкостью.

Физические свойства битумов: плотность в зависимости от группового состава – 0,8-1,3 г/см3; теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м . К).

По структурно-механическим свойствам битумы являются типичными реологическими телами. Жидкие битумы при обычной температуре, а вязкие и твердые битумы при повышенных температурах ведут себя как ньютоновские и структурированные жидкости. Вязкие и твердые битумы при обычной температуре являются упруговязкими и упруговязко-пластичными телами, а при отрицательных температурах становятся упругохрупкими.

К физико-механическим (техническим) свойствам битумов относятся: глубина проникания иглы в битум, или твердость, и растяжимость, или пластичность (для твердых и вязких битумов), условная вязкость (для жидких битумов), а также температура размягчения.

Глубина проникания иглы (пенетрация) определяется (в десятых долях миллиметра – градусах) на приборе-пенетрометре при действии на иглу груза 100 г в течение 5 с при температуре 25 °С или при грузе 100 г в течение 60 с – при 0 °С.

Растяжимость (дуктильность) определяется на приборе-дуктилометре по длине нити в момент разрыва образца (в сантиметрах) при температура испытания 25 и 0 °С.

Условная вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения 50 см3 битума через отверстие вискозиметра определенного диаметра при стандартных температурах.

Температура размягчения отражает переход битума из вязкопластического состояния в жидкое. Она определяется на приборе «кольцо и шар» («КиШ»). За температуру размягчения принимается температура, при которой металлический шарик, продавливая битум  при нагревании, касается нижней  полки прибора.

Важным свойством битума является адгезия – прилипание к поверхности минеральных и органических материалов. Оценивают адгезию по визуальному методу по пятибалльной шкале. Если после кипячения в дистиллированной воде пленка  полностью сохраняется, то  адгезия оценивается пятью баллами (прилипание отличное), если пленка полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды, то прилипание оценивается одним баллом (прилипание плохое).

В зависимости от показателей основных свойств битумы делят на марки. Твердые и вязкие нефтяные битумы (БН) вырабатывают четырех марок: БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 (цифры дроби –  допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 °С).

Для обозначения марок битумов специального назначения вводится дополнительная буква (Д – дорожный, К – кровельный и т.д.). Битумы нефтяные дорожные (БНД) имеют марки: БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300 (цифры дроби –  допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 °С).

Для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов применяют битумы кровельные (БНК)  марок: БНК 45/180 (пропиточные), БНК 90/40 и БНК 90/30 (покровные). Здесь числитель дроби указывает среднее значение температуры размягчения, знаменатель – среднее значение пенетрации при температуре 25 °С.

Битумы строительные (БН) бывают марок БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Здесь числитель – средняя температура размягчения, знаменатель – среднее значение пенетрации.

Жидкие битумы в зависимости от скорости загустевания подразделяются на среднегустеющие (СГ), получаемые разжижением дорожных битумов жидкими нефтепродуктами, и медленногустеющие (МГ и МГО), получаемые из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или их смесей. Тот или иной класс битума определяется количеством испарившегося разжижителя при выдерживании образца битума в термостате или вакуумтермостате при определенных температурах. В зависимости от условной вязкости среднегустеющие битумы имеют марки: СГ 40/70, СГ 70/130, СГ 130/200; медленногустеющие – МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200.

Отвердевание битумов может происходить в объемном и пленочном состояниях. В объемном состоянии отвердевание идет в результате охлаждения, образования сетчатой структуры из макромолекул и повышения его вязкости. Отвердеванию битума в пленочном состоянии способствует, кроме того, физико-химическое взаимодействие его макромолекул с поверхностью зерен заполнителя и особенно порошкообразного наполнителя (минерального порошка). В жидких битумах как фактор отвердевания существенно испарение легких фракций разжижителя или самого битума. Наиболее благоприятный комплекс эксплуатационных свойств конструкционных материалов на основе битумов достигается при максимально возможном пленочном состоянии битума и минимальном количестве его в объемном состоянии.

К добавкам, улучшающим свойства битумов, относятся добавки поверхностно-активных веществ, полимеров, а также измельченной резины из отслуживших автомобильных покрышек и т.п.

Полимерные добавки можно отнести к структурирующим, которые позволяют рас­ширить интервал работоспособности материала, так как с их введе­нием повышается тепло- и морозостойкость. Однако следует иметь в виду, что иногда полимерная добавка может ускорить старение композиции под влиянием атмосферных факторов, поэтому реко­мендуется выбирать атмосферостойкие полимеры. Кроме того, по­лимеры с битумами трудно совмещаются. В настоящее время изу­чено совмещение с битумом большинства известных полимеров, хотя пока еще мало из них реально используется в производстве битумных материалов.

Полимерные добавки улучшают упругие свойства, растяжимость, когезию органических вяжущих (битумов и дегтей). Наибольшее применение получили эпоксидные смолы, поливинилацетат, поли­стирол, синтетические каучук и латекс, натуральный латекс, обычно находящиеся в состоянии растворов или латексов (водных дисперсий) и ко­личество которых в горячем битуме или дегте составляет 1-6 % от массы вяжущего. Синтетические и натуральные каучуки использу­ются для модификации вязких и жидких битумов и дегтей.

При смешивании с битумами каучуки создают в битуме само­стоятельную решетку, способную воспринимать деформации битума. Для увеличения прочности битумно-полимерного материала можно частично или полностью завулканизировать каучук, при этом ка­учук сначала набухает в битуме, а затем частично растворяется. В последнем случае снижается температура хрупкости материала с одновременным повышением его теплостойкости.

Дивинилстирольные и изопренстирольные термоэластопласты являются наиболее технологичными добавками к битумам, так как при нагревании они расплавляются и при перемешивании быстро образуют гомогенную смесь. Эти сплавы превосходят битумно-каучуковые за счет их более равномерного распределения в битумах при перемешивании.

При получении сплавов битума с полимером или каучуком не­редко добавляются стабилизаторы, вулканизирующие реагенты, ускорители и другие дополнительные компоненты.

Из отходов промышленности чаще других используют атактический полипропилен, вторичные полиэтилены, различные кубовые остатки, например кубовые остатки ректификации стирола, регене­раты резины и др.