早在硅酸盐水泥发明之前，罗马人就用石灰和火山灰(其特性首次在意大利波佐利发现)与石灰反应并使混凝土变硬，创造了令人印象深刻的混凝土结构。煤灰是由污染控制设备从燃煤发电厂的烟囱中收集的颗粒物，由于其二氧化硅和氧化铝含量，具有类似的火山灰效应。其他广泛使用的火山灰有高炉炉渣和硅灰。

硅酸盐和类似的水泥与水(水合物)发生反应，形成一种通过吸收二氧化碳而变硬的凝胶。当它变硬时，水泥将集料(通常是沙子和碎石)结合在一起，形成混凝土。硅酸盐水泥固化后，会留下一些水合石灰。添加粉煤灰或其他火山灰可以使石灰也固化(就像罗马墙一样)，使混凝土更坚固，渗透性更小。

粉煤灰和其他火山灰可以增加混凝土的耐久性，还可以通过减少混合料中硅酸盐水泥的用量来减少对环境的影响。每生产一吨硅酸盐水泥就要排放近一吨二氧化碳，而粉煤灰是能源生产的副产品。粉煤灰替代25%水泥的混合物是很常见的，一些设计师指定在某些应用中替代50%以上。大容量粉煤灰混合料在每次应用前必须进行测试，因为粉煤灰的化学成分比硅酸盐水泥的化学成分更多变。它们在固化时也必须以不同的方式进行管理，因为它们往往比掺有更多水泥的混合物固化和增强强度的速度更慢。

在美国，粉煤灰在混凝土中的使用主要由ASTM标准C618管理。该标准禁止使用残留碳过多的飞灰，这表明煤炭燃烧不够彻底。残留的碳阻碍了空气的夹带，降低了混凝土的冻融阻力。

飞灰分为F级或c级。F级飞灰主要来自于在阿巴拉契亚山脉和美国东南部发现的煤炭燃烧，在其作用上纯粹是火山灰。C级飞灰往往来自于美国西部发现的较年轻的煤炭。除了火山灰，它还具有水泥性质，所以在混合材料中使用它代替一些水泥不会对早期强度的增加产生太大影响。

所有的飞灰主要由煤的矿物成分组成，不与碳氢化合物一起燃烧，包括各种潜在危险的重金属，如汞、铅、硒、砷和镉。几乎没有证据表明这些金属会从用粉煤灰制成的混凝土中滤出，但这些有害成分是否会使混凝土的最终再利用或处理复杂化仍是问题(见EBN Vol. 17, No. 9)。