粉煤灰是一種煤燃燒產物，由被驅動的微粒（燃燒燃料的細顆粒）組成與煙氣一起排出燃煤鍋爐。落到鍋爐燃燒室（通常稱為火箱）底部的灰稱為底灰。在現代燃煤電廠中，飛灰通常由靜電除塵器捕獲在煙氣到達煙囪之前或其他顆粒過濾設備。連同從鍋爐底部排出的底灰，稱為煤灰。

根據燃燒煤的來源和成分，飛灰的成分差異很大，但所有飛灰都包含大量的二氧化硅(SiO2)（非晶態和結晶態）、氧化鋁(Al2O3)和氧化鈣（CaO）是含煤巖層中的主要礦物化合物。

飛灰的微量成分取決于具體的煤層成分，但可能包括以下一種或多種微量濃度（高達數百ppm）的元素或化合物：鎵、砷、鈹、硼、鎘、鉻、六價鉻、鈷、鉛、錳、汞、鉬、硒、鍶、鉈、釩，以及極少量的二惡英和多環芳烴化合物。它還含有未燃燒的碳。

過去，飛灰通常被排放到大氣中，但現在空氣污染控制標準要求在排放前通過安裝污染控制設備將其捕獲。在美國，飛灰通常儲存在燃煤電廠或填埋場。大約43%被回收，通常用作火山灰來生產水硬性水泥或水硬性灰泥，并在混凝土生產中替代或部分替代波特蘭水泥。火山灰確保混凝土和灰泥的凝固，并為混凝土提供更多的保護，使其免受潮濕條件和化學侵蝕。

在飛灰（或底灰）不是由煤產生的情況下，例如當固體廢物在廢物發電設施中焚燒以發電時，飛灰可能含有比煤灰更高水平的污染物。在這種情況下，產生的灰燼通常被歸類為危險廢物。

飛灰材料在懸浮在廢氣中時凝固，并由靜電除塵器或過濾袋收集。由于顆粒懸浮在廢氣中時會迅速凝固，因此飛灰顆粒通常呈球形，尺寸范圍為0.5μm至300μm。快速冷卻的主要后果是很少有礦物有時間結晶，主要是無定形的淬火玻璃殘留。然而，煤粉中的一些耐火相沒有（完全）熔化，而是保持結晶。因此，粉煤灰是一種異質材料。

SiO2、Al2O3、Fe2O3和偶爾的CaO是飛灰中存在的主要化學成分。飛灰的礦物學非常多樣化。遇到的主要相是玻璃相，以及石英、莫來石和氧化鐵赤鐵礦、磁鐵礦和/或磁赤鐵礦。其他經常識別的相是方石英、硬石膏、游離石灰、方鎂石、方解石、鉀鹽、石鹽、硅酸鹽、金紅石和銳鈦礦。含鈣礦物鈣長石、鈣長石、akermanite和各種硅酸鈣和鋁酸鈣與波特蘭水泥中發現的相同，可以在富含鈣的飛灰中鑒定。汞含量可以達到1ppm，但通常包括在煙煤的0.01–1ppm范圍內。其他微量元素的濃度也因燃燒形成它的煤的種類而異。

并非所有飛灰都符合ASTMC618要求，盡管根據應用情況，這可能不是必需的。用作水泥替代品的粉煤灰必須符合嚴格的施工標準，但美國尚未制定標準的環境法規。75%的飛灰必須具有45μm或更小的細度，并且具有通過燒失量(LOI)測量的碳含量小于4%。在美國，LOI必須低于6%。由于磨煤機性能和鍋爐性能的變化，原粉煤灰的粒度分布趨于不斷波動。因此，如果在混凝土生產中以最佳方式使用粉煤灰替代水泥，則必須使用選礦對其進行處理機械空氣分級等方法。但如果在混凝土生產中使用粉煤灰作為填料替代沙子，也可以使用具有較高LOI的未選粉粉煤灰。尤其重要的是持續的質量驗證。這主要通過印度標準局標志或迪拜市的DCL標志等質量控制印章來表示。

燃燒較硬、較舊的xxx煤和煙煤通常會產生F級飛灰。這種飛灰本質上是火山灰，并且含有少于7%的石灰(CaO)。F類粉煤灰的玻璃狀二氧化硅和氧化鋁具有火山灰性質，需要一種膠結劑，例如波特蘭水泥、生石灰或熟石灰，與水混合以反應并產生膠結化合物。或者，將化學活化劑如硅酸鈉（水玻璃）添加到F類灰中可以形成地質聚合物。

燃燒較年輕的褐煤或次煙煤產生的粉煤灰除了具有火山灰性質外，還具有一些自膠結性質。在有水的情況下，C類飛灰會隨著時間的推移變硬并變強。C類飛灰通常含有超過20%的石灰(CaO)。與F級不同，自粘C級飛灰不需要活化劑。堿和硫酸鹽（SO4)C類飛灰中的含量一般較高。

至少有一家美國制造商宣布了一種含有高達50%C級飛灰的飛灰磚。測試表明磚達到或超過了ASTMC216中列出的常規粘土磚的性能標準。它也在ASTMC55，混凝土建筑磚標準規范中混凝土磚的允許收縮范圍內。據估計，粉煤灰磚的生產方法將減少砌體建筑的能源消耗高達90%。磚塊和攤鋪機預計將在2009年底之前以商業數量供應。

過去，燃煤產生的飛灰只是簡單地夾帶在煙氣中并散布到大氣中。這引起了環境和健康問題，促使高度工業化國家制定了法律[在哪里？]已將飛灰排放量減少到產生的灰燼的1%以下。在全球范圍內，超過65%的燃煤發電站產生的飛灰被丟棄在垃圾填埋場和灰池中。

在室外儲存或沉積的灰燼最終會將有毒化合物浸入地下水含水層。出于這個原因，目前圍繞飛灰處理的大部分爭論都圍繞著創建專門填埋的垃圾填埋場，以防止化學化合物滲入地下水和當地生態系統。

由于幾十年來煤炭一直是美國的主要能源，因此電力公司通常將其燃煤電廠設在大都市區附近。使環境問題更加復雜的是，燃煤電廠需要大量的水來運行鍋爐，導致燃煤電廠（以及后來的飛灰儲存盆地）位于大都市附近以及附近經常用作飲用水的河流和湖泊附近城市。許多飛灰盆地沒有襯里，而且很容易從附近的河流和湖泊中溢出和泛濫。例如，北卡羅來納州的杜克能源公司已經卷入了幾起與其煤灰儲存有關的重大訴訟，并因灰燼泄漏到水盆中而發生泄漏。

近年來，由于垃圾填埋成本的增加和當前對可持續發展的興趣，粉煤灰的回收利用已成為越來越受關注的問題。截至2017年，美國的燃煤電廠報告生產了3820萬短噸（34.7×106t）的飛灰，其中2410萬短噸（21.9×106t）被重新用于各種應用。回收飛灰的環境效益包括減少對需要采石的原始材料的需求以及波特蘭水泥等材料的廉價替代品。

由于其火山灰性質，粉煤灰被用作混凝土中波特蘭水泥的替代品。飛灰作為火山灰成分的使用早在1914年就得到認可，盡管最早值得注意的對其使用的研究是在1937年。羅馬的渡槽或萬神殿等羅馬建筑使用火山灰或火山灰（具有與粉煤灰相似的特性）在其混凝土中作為火山灰。由于火山灰極大地提高了混凝土的強度和耐久性，灰燼的使用是其保存的關鍵因素。

使用粉煤灰作為波特蘭水泥的部分替代品特別適合但不限于C類粉煤灰。“F”級飛灰會對混凝土的夾帶空氣含量產生揮發性影響，導致抗凍/融破壞能力降低。粉煤灰通常可以替代高達30%質量的波特蘭水泥，但在某些應用中可以以更高的劑量使用。在某些情況下，粉煤灰可以增加混凝土的最終強度并提高其耐化學性和耐久性。

粉煤灰能顯著改善混凝土的和易性。最近，已開發出用大量粉煤灰（50%的水泥替代）替代部分水泥的技術。對于碾壓混凝土(RCC)，在印度馬哈拉施特拉邦的Ghatghar大壩項目中，加工粉煤灰的替代價值已達到70%。由于粉煤灰顆粒呈球形，它可以增加水泥的可加工性，同時減少需水量。粉煤灰的支持者聲稱，用粉煤灰代替波特蘭水泥可以減少混凝土的溫室氣體“足跡”，因為生產一噸波特蘭水泥會產生大約一噸CO2，??而不是CO2。用飛灰生成。新的飛灰生產，即煤的燃燒，每噸飛灰產生大約20至30噸CO2。由于到2010年全球波特蘭水泥的產量預計將達到近20億噸，只要將飛灰的產量作為比較一個給定的。

粉煤灰的特性在工程材料中是不尋常的。與通常用于路堤建設的土壤不同，粉煤灰具有較大的均勻系數，并且由粘土大小的顆粒組成。影響路堤中使用飛灰的工程特性包括粒度分布、壓實特性、剪切強度、可壓縮性、滲透性和霜凍敏感性。幾乎所有用于路堤的飛灰類型都是F類。

土壤穩定化是對土壤進行xxx性的物理和化學改變，以增強其物理特性。穩定可以增加土壤的剪切強度和/或控制土壤的收縮膨脹特性，從而提高路基的承載能力以支撐路面和地基。穩定劑可用于處理從膨脹粘土到粒狀材料的各種路基材料。可以使用各種化學添加劑（包括石灰、粉煤灰和波特蘭水泥）來實現穩定。適當的設計和測試是任何穩定項目的重要組成部分。這允許建立設計標準，并確定實現所需工程特性的適當化學添加劑和摻合率。穩定過程的好處包括：更高的阻力(R)值、降低可塑性、降低滲透性、降低路面厚度、消除開挖–材料運輸/處理–和基礎輸入、輔助壓實、提供進入和進入項目現場的“全天候”通道。與土壤穩定密切相關的另一種土壤處理形式是土壤改良，有時稱為“泥漿干燥”或土壤調理。盡管在土壤改良中固有地會發生一些穩定，但區別在于土壤改良只是降低土壤水分以加快施工的一種手段，而穩定可以顯著增加材料的剪切強度，從而可以將其結合到土壤中。項目的結構設計。與土壤改良與土壤穩定相關的決定因素可能是現有的水分含量、土壤結構的最終用途以及最終提供的成本效益。用于穩定和改性過程的設備包括：化學添加劑撒布機、土壤攪拌機（取料機）、便攜式氣動儲存容器、運水車、深提升壓實機、平地機。

粉煤灰還用作生產可流動填充物（也稱為受控低強度材料，或CLSM）的成分，用作自流平、自密實回填材料，以代替壓實土或顆粒填充物。可流動填充混合物的強度范圍為50至1,200lbf/in2（0.3至8.3MPa)，具體取決于相關項目的設計要求。可流動填充物包括波特蘭水泥和填充材料的混合物，并且可以包含礦物摻合料。粉煤灰可以替代波特蘭水泥或細骨料（在大多數情況下為河沙）作為填充材料。高飛灰含量的混合物幾乎包含所有飛灰，以及少量的波特蘭水泥和足夠的水以使混合物具有流動性。低飛灰含量混合物包含高百分比的填充材料和低百分比的飛灰、波特蘭水泥和水。F類飛灰最適合用于高飛灰含量的混合物，而C類飛灰幾乎總是用于低飛灰含量的混合物。

瀝青混凝土是一種由瀝青結合料和礦物骨料組成的復合材料，通常用于鋪設路面。F類和C類飛灰通常都可以用作礦物填料來填充空隙并在瀝青混凝土混合物中的較大骨料顆粒之間提供接觸點。此應用程序與其他粘合劑（例如波特蘭水泥或熟石灰）一起使用或替代其他粘合劑。對于用于瀝青路面，飛灰必須符合ASTMD242中概述的礦物填料規格。飛灰的疏水性使路面具有更好的抗剝離性。粉煤灰還被證明可以增加瀝青基體的剛度，提高抗車轍性能并增加混合料的耐久性。