Освоение районов Сибири с суровыми климатическими условиями предъявляет высокие требования к долговечности сооружений, возводимых здесь. Высокая долговечность не может быть обеспечена без надежной гидроизоляции. Из числа основных видов строительных работ гидроизоляционные в наибольшей степени отстают от требований современной индустрии. В настоящее время они наиболее трудоемки и всего на 15–20 % механизированы.

Новые возможности открываются в связи с развитием химической промышленности и созданием новых полимерных материалов. Но использование этих материалов в строительстве ограничено дефицитностью некоторых из них и относительно высокой стоимостью. Поэтому основными вяжущими для гидроизоляционных материалов в ближайшие годы останутся нефтяные битумы, которые в 10–15 раз дешевле полимеров. Однако прямое использование битумов снижает качество и долговечность гидроизоляции, так как они обладают ограниченным интервалом пластичности, а значит, покрытия на их основе размягчаются летом и становятся хрупкими на морозе.

Наука и практика пошли по пути создания полимербитумных композиций, имеющих значительно лучшие свойства, чем битумы, и подчас не уступающих по качеству полимерам, но значительно дешевле последних.

В связи с увеличивающимся с каждым годом объемом строительства потребность в гидроизоляционных материалах непрерывно возрастает. Поэтому изыскание новых полимербитумных материалов, сочетающих высокие физико-механические свойства полимеров с технологическими и экономическими свойствами битумов, приобретает особую актуальность.

В итоге возникает необходимость в поиске новых добавок, которые бы способствовали повышению физико-механических свойств полимербитумных материалов и одновременно снижали бы технологическую вязкость при приготовлении композиций. Для получения гидроизоляционных материалов, обладающих этими свойствами, предлагается дополнительно вводить в такие композиции этилсиликаты. В качестве полимерных добавок к битумам в работе рассмотрены жидкие каучуки и латексы, применение которых проще и экономичнее по сравнению с твердыми каучуками.

В настоящее время наиболее широкое применение в качестве гидроизоляционных материалов получили битумы, свойства которых зависят от природы нефти и качества ее переработки.

Получаемые в нашей стране битумы характеризуются повышенной хрупкостью при отрицательной температуре и малым интервалом пластичности. У лучших марок дорожных битумов интервал пластичности равен 70 °С [99]. Для эксплуатации в районах Сибири рабочий интервал битумов должен быть не менее 100 °С [99]. Следовательно, возникает необходимость в улучшении битумного вяжущего. Для того чтобы выбрать наиболее эффективный способ улучшения качества битумов, важно рассмотреть структуру битумов согласно современным представлениям о ней.

В работах по физико-химической механике П. А. Ребиндера [82] и его школы показано, что все механические свойства и долговечность материала определяются его структурой, а получение высококачественных материалов основывается на создании оптимальной структуры. Как указывает П. А. Ребиндер, под структурой тела понимается пространственная сетка, образованная взаимодействием (сцеплением) друг с другом атомов, ионов, молекул или коллоидных частиц. Такая структура может представлять собой правильную кристаллическую пространственную решетку или хаотический каркас.

Изучению физико-химических методов оценки структуры битума на основе структурно-группового анализа, методов ИК- и УФ-спектроскопии, парамагнитного и ядерного резонансов, а также рентгеноструктурного анализа посвящены работы [35; 51; 84; 85].

Прежде чем перейти к обзору современных представлений о структуре битумов, необходимо хотя бы кратко изложить сведения о химическом составе и структуре их основных компонентов – асфальтенов, смол и масел. Все эти три группы химических соединений присутствуют в битумах и различаются по составу и свойствам. Самой легкой частью являются масла, представляющие собой углеводородную фракцию битумов и содержащие сложную смесь метановых, нафтеновых и ароматических углеводородов со средней молекулярной массой 400 – 600 а.е.м. [85]. Средняя молекула содержит 2,3–3,5 ароматических и 1–3,5 нафтеновых кольца.

Смолы состоят почти исключительно из больших молекул низкомолекулярных углеводородов, преимущественно ароматических, которые соединяются в ассоциаты дипольными силами [85]. При переходе от масел к смолам увеличиваются степени конденсированности и ароматичности, содержание углерода, серы, азота и кислорода. Молекулярная масса смол составляет 800 – 1800 а.е.м. Смолы имеют разную консистенцию – от тягучей липкой массы до твердых аморфных хрупких тел. Они различаются по массе, элементному составу и структуре молекул. Температура их кипения 200–450 °С.

Асфальтены – наиболее полимолекулярная фракция битума [25; 66]. Показано, что основу их молекулярной структуры составляют полициклические ароматические системы, которые формируются в трехмерные надмолекулярные образования (пачки), состоящие из 5–6 пластин. Такие образования во многом определяют физико-химические и реологические свойства битумных материалов [1; 69]. Молекулярная масса асфальтенов составляет 600 – 4000 а.е.м. [92; 31]. Асфальтены и смолы являются структурообразующими компонентами битумов и наиболее полярными соединениями, содержащими в молекулах гетероатомы. Химический состав и строение компонентов битума определяют его структурные характеристики [63; 67].

До сих пор нет единого мнения о структуре битума. Однако большинство исследователей рассматривают его как коллоидную систему. Впервые коллоидная структура битумов была выявлена Нелленштейном и впоследствии изучена Пфайффером и другими исследователями [125]. Ниже коротко представим основные закономерности структурообразования в битуме с позиций физико-химической механики дисперсных структур, разработанной под руководством академика П. А. Ребиндера [82].

Согласно этой теории, первичными элементами коллоидной структуры битумов являются мицеллы с находящимся в углеводородной среде ядром из асфальтенов, стабилизированным адсорбированным слоем смол. Мицеллы взаимодействуют через прослойки дисперсионной среды (масел), создавая неправильной формы пространственную сетку – коагуляционную структуру. Каждая битумная мицелла, образуя узел пространственной сетки, совершает связанные колебательные движения, подобные колебаниям молекул. Если битум содержит достаточное количество смол, необходимых для образования наружных оболочек, асфальтены полностью пептизируются.

При определенном содержании этих частиц в единице объема происходит их коагуляция, способствующая образованию коагуляционной структуры [22]. Прочность таких структур зависит от расстояния между частицами и узлами пространственной сетки, а также от степени компенсации вандерваальсовых сил на границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды.

При достаточном удалении друг от друга и компенсации сил на границе раздела фаз (что наблюдается при высоких температурах) коагуляционная структура образоваться не может и частицы будут свободно перемещаться в межмицеллярной жидкости в тепловом броуновском движении. Такая система будет вести себя как истинно вязкая жидкость. В итоге образуется жидкообразный коллоидный раствор-золь.

Если в битуме недостаточно смол и нет полной компенсации вандерваальсовых сил, мицеллы взаимно притягиваются и образуют пространственную сетку, пронизывающую весь объем битума. Образуется структура геля.

В 40–50-е годы ХХ столетия Пфайффер [125] предложил классифицировать битумы по их структурно-механическим свойствам (три типа). Каждый тип характеризуется состоянием коллоидной системы (золь, золь-гель, гель-структура) и соотношением основных компонентов.