粉煤灰是从燃煤发电厂的烟道气体中收集的粉末，又称飞灰。它的颗粒直径一般为1～50μm，呈玻璃态实心或空心的球状颗粒，表面致密。
磨成一定细度的煤粉在煤粉锅炉中燃烧后，由烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰，部分烧结粘连成块从炉底排出的多孔状炉渣和粉状物称炉底灰渣。其中，粉煤灰约占灰渣总量的85%。大量的粉煤灰，若排入江河，就会堵塞水通，阻碍交通与防洪安全，若排入陆地，就会侵占耕地，减少农田，同时造成环境污染。
活性
粉煤灰的活性主要取决于玻璃体的含量，粉煤灰的成分主要是活性氧化硅和活性氧化铝，二者的质量分数之和可达60%以上。通常，对粉煤灰质量影响最大的因素是其中的碳含量，其碳含量越低时，活性就越高；5～45μm的细颗粒含量越多、低铁玻璃体越多、细小而密实球形玻璃体的含量越高时，其活性越高，质量也越好。《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）规定，水泥活性混合材料用粉煤灰的烧失量不大于8.0%，强度活性指数不小于70.0%。
分类
粉煤灰中玻璃体的形态和大小以及表面情况，对粉煤灰的性能有密切关系。粉煤灰是由形形色色的颗粒所组成，虽然其形态各异，但基本以密实的球形颗粒和多孔颗粒为主。形态相同的颗粒一般以硅、铝、铁的氧化物为主，但有的含钙很多，有的则较少。有的球形颗粒主要由氧化铁组成，具有明显的顺磁性。多孔颗粒则更复杂，有的是未燃尽的多孔碳粒，有的是由许多小的玻璃珠形成的子母球，还有球状的、壁薄中空能漂浮于水上的“漂珠”。粉煤灰颗粒在形态上的明显差异，不同粉煤灰颗粒对砂浆、混凝土性能的影响也不同。致密球状颗粒的表面比较光滑，能减少需水量，对改善混凝土性能有利。多孔颗粒表面粗糙，蓄水孔腔多，需水量较大，对混凝土强度和其他性能不利。
就粉煤灰的颗粒形态而言，大致可分为如下三类。
第一类为类球形颗粒。其外表比较光滑，为硅铝玻璃体组成，又称玻璃微珠，其大小在1～100μm。以球形颗粒为主的粉煤灰具有较高的活性，而且球形颗粒比较光滑，掺在混凝土中起滚珠润滑作用，能不增加甚至可减少混凝土拌合物的用水量。
玻璃微珠其外表光滑，尺寸大多为几微米至数十微米之间。在球形微珠中又可分为：①漂珠，一般直径为30～100μm，其壁厚为0.2～2μm；密度小于水的密度，表观密度为0.4～0.8g/cm3，所以浮在水面上。通过光学显微镜观察，65%以上的漂珠是中空的，主要由玻璃体组成，但含有少量的石英和莫来石；一般来说，漂珠含量约占0.5%～1.5%；②沉珠，一般直径为0.5μm，其密度大于水的密度，表观密度约为2.0g/cm3，大多数沉珠是中空的，表面光滑，有些沉珠，内含有大量细小的玻璃微珠，外表有不规则的突出点和气孔。它在粉煤灰中的含量约达90%，其化学成分以SiO2、Al2O3为主，大约占80%以上。矿物组成主要为玻璃体，其他是石英和莫来石；③磁珠，其中Fe2O3含量占55%左右，又称富铁微珠，外表呈近球形颗粒，内含更细小的玻璃微珠，具有磁性，表观密度大于3.4g/cm3；④实心微珠，粒径多为1～3μm，表观密度为2.8g/cm3左右。
第二类为不规则的多孔颗粒。这种颗粒包括两类：其一为多孔碳粒，是粉煤灰中未燃尽的碳，其颗粒大小不等，形状不规则，疏松多孔，吸水量大，属惰性物质，含碳多的粉煤灰，质量较差；其二为高温熔融玻璃体，这部分硅铝玻璃体也是经过高温煅烧，但是煅烧温度比形成球形颗粒时低，或经过高温煅烧时间短，或颗粒中燃气的逸出，使熔融体的体积膨胀并形成多孔，这类颗粒较大。粉煤灰中不规则的多孔颗粒含量多，需水量就要增加。
第三类为不规则颗粒。其主要由晶体矿物颗粒、碎片、玻璃碎屑及少量碳屑组成。
粉煤灰中球形颗粒越多，细度越细，起到的润滑效应越大，需水量比越小，减水效果越好；反之，不规则形态颗粒越多，需水量比就越大。因此，优质粉煤灰又被称之为混凝土固体减水剂。粉煤灰含碳量、外形不规则多孔颗粒及碎屑对混凝土用水量影响很大，因其碳粒的多孔结构，且吸附作用大，增加需水量比，致使混凝土用水量增加。所以对粉煤灰利用来说，应尽量控制这些不利因素，选用微珠含量较多的粉煤灰作掺合料。
效应
粉煤灰效应包括形态效应、活性效应、微集料效应三个方面。
（1）形态效应
粉煤灰中玻璃珠粒形完整，表面光滑，粒度较细，质地致密，这些形态上的特点，可降低水泥浆体的需水量，改善浆体的初始结构。粉煤灰颗粒形态特征对混凝土特性的影响，称为粉煤灰的第一个基本效应——形态效应。
（2）活性效应
酸性氧化物为主要成分的玻璃相，在潮湿环境中，可与氢氧化钙起反应，生成C—S—H凝胶，对硬化水泥浆体起增强作用。这种由粉煤灰活性引起的火山灰反应而产生的效应称为“活性效应”。
也就是说，粉煤灰中大多是玻璃体，具有潜在的化学势能，在碱性和硫酸盐激发剂下，能产生“二次水化反应”而具有胶凝性能。
（3）微填料效应
粒径在30μm以下的粉煤灰微粒在水泥石中可以起填充孔隙的微集料作用，使水泥石结构更加紧密，这种效应称为“微填料效应”。
在水泥混凝土中粉煤灰的形态效应、活性效应和微填料效应，是互相联系、互为补充的。
化学成分
粉煤灰的化学成分与水泥及粒化高炉矿渣的化学成分相类似，主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3，其次为CaO，还有少量的MgO、K2O、Na2O及SO3等。
①SiO2与Al2O3
二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3）是影响粉煤灰活性的有效成分，当粉煤灰中一部分呈玻璃态的SiO2和Al2O3遇到碱性激发剂时，能生成具有一定强度的、稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙，即
SiO2+xCa（OH）2+（n-1）H2O═══xCaO·SiO2 ·nH2O
Al2O3+xCa（OH）2+（n-1）H2O═══xCaO·Al2O3 ·nH2O
粉煤灰中CaO含量与粉煤灰的活性有很大关系。一般来说，CaO含量高，粉煤灰活性亦高。按照粉煤灰化学成分中CaO含量的高低，把粉煤灰分为低钙粉煤灰和高钙粉煤灰。国家标准GB/T 1596—2005规定，CaO含量在5%左右的粉煤灰称为“低钙粉煤灰”，即“F级粉煤灰”，其原煤主要是烟煤和无烟煤；CaO含量在15%以上的称为高钙粉煤灰，即“C级粉煤灰”，其原煤主要是褐煤和次烟煤。
②NaO与K2O
粉煤灰作为混凝土的掺合料，能有效地抑制骨料碱活性反应。氧化钠（Na2O）和氧化钾（K2O），这两种碱性氧化物能直接溶于水，生成氢氧化钠（NaOH）和氢氧化钾（KOH），它们是碱性激发剂，可以激发粉煤灰的早期活性。但过多的Na2O和K2O含量，对混凝土性能将会产生不利的影响。
③SO3
粉煤灰中的硫酸盐能溶于水，并与铝酸盐反应生成硫铝酸盐，对粉煤灰混凝土早期强度有利。但过多的硫酸盐则会引起混凝土体积不均匀膨胀，导致混凝土产生裂缝，因此，在国家标准中对粉煤灰不分等级地一概要求SO3含量小于3%。
矿物组成
粉煤灰矿物组成是以含硅酸根离子和铝酸根离子的玻璃体为主，还有少量的石英和莫来石及碳粒。粉煤灰的活性是因在玻璃体中的硅酸根离子和铝酸根离子的离子配位数未饱和即存在不饱和价键，结构不稳定，具有一定的潜在活性。当这些硅酸根离子和铝酸根离子受到碱性激发剂和硫酸盐激发剂的激发作用时，发生水化反应，生成低碱Ⅰ型C—S—H凝胶沉积在粉煤灰颗粒表面上，与水泥颗粒粘结，形成了水泥与粉煤灰之间含有较多孔隙的不密实结构。所以，掺粉煤灰混凝土的早期强度较低。随后由于早期在粉煤灰颗粒表面上形成的Ⅰ型C—S—H凝胶密实性较低，水、氢氧根离子（OH-）和硫酸根离子不断地通过这些不大密实的覆盖层与粉煤灰中的硅酸根离子和铝酸根离子反应，使玻璃体继续分解，增加了水化反应和提高了反应速率，形成更多的水化产物进一步填充和密实了水泥石的结构。所以，掺粉煤灰的混凝土后期强度增长较高。
据不完全统计粉煤灰中SiO2含量在30%～60%，Al2O3含量在15%～35%，Fe2O3含量在1.5%～20%，CaO含量在1%～12%，个别的可达20%以上（主要是褐煤灰），MgO含量在0.5%～4%，K2O含量在0.5%～2.5%，Na2O含量在0.2%～1.0%。我国的粉煤灰国家标准，只对粉煤灰的烧失量和SO3含量作出了规定。
物理性能
（1）密度
粉煤灰的密度一般在1.95～2.40g/cm3范围内，主要与粉煤灰颗粒内部气孔有关。化学成分中Fe2O3较多时，密度也较大。粉煤灰颗粒直径与密度也有一定关系，颗粒直径越小，其密度越大。
（2）细度
粉煤灰细度是影响混凝土和易性、强度、耐久性等性能的重要因素。粉煤灰的细度越小，其球形颗粒越多，对降低混凝土的用水量和改善和易性的效果越明显。粉煤灰颗粒较细时则颗粒表层的硅、铝矿物物质的玻璃体较多，能更迅速地与水泥水化放出的氢氧化钙反应，从而能生成更多有利于强度发展的硅铝酸钙水化产物。
细颗粒含量较多的粉煤灰在混凝土中还能够起到细化孔尺寸，改善孔结构，减少干缩变形，提高抗裂性和抗冻性的作用。
（3）需水量比
需水量比是指在一定的稠度下，掺30%粉煤灰与不掺粉煤灰的水泥砂浆的用水量之比。需水量比指标，在客观上反映了粉煤灰掺入混凝土中，对混凝土用水量和拌合物流动性的影响，也关系到混凝土的其他性能。影响粉煤灰需水量比的主要因素有细度、颗粒形态及含碳量等。
（4）烧失量
烧失量是指粉煤灰中未燃烧完全的有机物，包括未燃尽的碳粒。如前所述，多孔的碳粒，不仅增加需水量比，而且具有较强的表面活性作用，对引气剂吸附强烈，在达到要求的含气量时，会使混凝土引气剂掺量增多。碳粒不仅本身属于惰性物质，而且破坏混凝土内部结构，阻碍水化凝胶体和结晶体的生长与相互间的粘结，造成内部缺陷，降低混凝土的性能，特别是降低混凝土的抗冻性。
（5）三氧化硫（SO3）
SO3在粉煤灰国家标准GB 1596—2005《用于水泥与混凝土中的粉煤灰》中限制为3%，主要是考虑过多的SO3可能引起延滞性的水化硫铝酸钙在水泥混凝土中的生成，导致产生体积膨胀的破坏作用。但是，如果在早期生成水化硫铝酸钙，对早期强度有利。我国曾对22个火电厂SO3含量进行检测，得知其最高值为1.05%，最小值为0.05%，平均值为0.37%。国外的资料表明，SO3含量也未超过3%。粉煤灰中SO3含量的多少，不仅与煤的种类有关，还可能与燃煤锅炉的燃烧类型与最高燃烧温度有关。煤粉在高温燃烧后，绝大部分硫都以SO3气体形式从烟道中排放到大气中。因此，残留在粉煤灰中的以硫酸盐形式存在的SO3含量极少。
（6）含水量
目前，水工混凝土中多使用电收尘的粉煤灰，其含水量一般都在0.2%以下。但应避免粉煤灰在储运过程中受潮，影响粉煤灰的质量。
品质指标
粉煤灰是燃煤电厂的副产品，由于电厂所用的煤种、锅炉燃烧方式和条件、电力负荷，以及收尘设备等因素对粉煤灰的质量具有较大的影响，因此在粉煤灰作为混凝土掺合料时，根据其质量，国家标准规定了它的品质等级。
根据粉煤灰CaO含量不同分成F类与C类两类粉煤灰。F类粉煤灰为CaO含量在5%左右的低钙粉煤灰；C类粉煤灰为CaO含量大于15%的高钙粉煤灰。
根据粉煤灰细度、需水量比及烧失量不同又把粉煤灰分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级粉煤灰。
对混凝土的影响
（1）对混凝土拌合物性能的影响
对混凝土和易性影响。优质（如Ⅰ级）粉煤灰含有许多微小的球形颗粒，如同“滚球作用”，能够减少混凝土中较大的骨料之间啮合的摩阻力，减少用水量，一般优质粉煤灰可减少用水量5%～8%；另一方面，由于粉煤灰的密度较低（只相当于水泥密度的2/3），在用等量粉煤灰取代水泥时，混凝土中胶凝材料体积增加，从而增大了混凝土的塑性。由于优质粉煤灰具有减水作用，使用水量降低，同时粉煤灰的微小颗粒也能改善混凝土内部结构。这些微小粒子使混凝土内部原先相互连通的孔隙被其阻隔，内部自由水不易流动，泌水性能得到改善，富有黏聚性，从而提高拌合物的和易性和稳定性。这种良好的和易性，对于泵送混凝土十分有利。因此，在泵送混凝土中掺加一定数量粉煤灰，不仅改善混凝土的可泵性，节约水泥，还延长泵送机械的使用寿命。但是，混凝土中掺加粉煤灰后，由于含碳量增加，多孔结构的碳粒具有较强的吸附能力，能减少拌合物中含气量。比如在碾压混凝土中由于粉煤灰掺量较多，往往要使其达到一定含气量，必须掺加比普通混凝土多数倍的引气剂。掺加粉煤灰的混凝土的凝结时间也会延长，而且随着掺加量增加而延长。
（2）对混凝土强度的影响
粉煤灰对强度的影响取决于其减水效果和火山灰效应。优质粉煤灰减水效果明显，在一定的和易性和胶材用量条件下，减水意味着减小水胶比，有利于提高强度，而粉煤灰自身的胶凝性比水泥小，必须在有激发剂下产生二次水化反应。因此，掺加粉煤灰的混凝土表现为早期强度发展缓慢，后期增长率高的特点。掺加粉煤灰混凝土的3d、7d强度低于不掺的混凝土，但是到了90d，粉煤灰的水化反应加快，可能接近或达到不掺粉煤灰的混凝土。随着龄期延长，粉煤灰的活性发挥更快些，到180d就有可能超过不掺粉煤灰的混凝土。这对水工混凝土建筑物来说，利用其后期强度的发展，有利于混凝土性能改善和提高。
（3）对混凝土温升的影响
在等量取代水泥时，水泥水化热随粉煤灰掺量增加而降低，水化热降幅小于掺量。比如在42.5级中热水泥中掺30%Ⅱ级粉煤灰，7d水化热降低约15%，掺40%时降低约25%，掺50%时降低约32%，掺60%时降低约43%。
（4）对混凝土变形性能的影响
掺粉煤灰混凝土早龄期由于水化反应较低，混凝土的极限拉伸值、抗压弹性模量较低，徐变较大。随着龄期增长，粉煤灰水化速度加快，极限拉伸值也在发展，其增长率要比不掺的混凝土高。如大体积水工混凝土的极限拉伸值在90d以后还在继续增长，而不掺粉煤灰混凝土的极限拉伸值增加很小，甚至不增长。掺粉煤灰混凝土的弹性模量与普通混凝土相当，其徐变随龄期增长而变小。
（5）对混凝土耐久性的影响
粉煤灰对混凝土抗渗性影响的规律是：在粉煤灰掺量30%情况下，28d抗渗性低于不掺粉煤灰混凝土，随后到90d时抗渗性逐步提高，180d粉煤灰混凝土抗渗性有较大的改善。
（6）对抗电腐蚀性的影响
掺粉煤灰混凝土的另外一个特性是能增加混凝土的电阻值。这对于钢筋混凝土较为重要。随粉煤灰掺量增加，混凝土电阻加大，电流降低两倍以上，可以显著减少由于电腐蚀而产生的裂缝。