Bentonita Cemento y Sus Aplicaciones

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Ano CXXlIl Niirn. 3130EBRERO 1976

LA BENTON ITA-C EMENTO

Y SUS APL I csc:ON ES( * )

Por LUIS DEL CANIZO PERATEDr. lng, de Carninos. Canales y Puertos

ADOLFO ERASO ROMERO0:. en Clencias Geoloqlcas y l.icenciado

en Ciencius Quirnicas

JULIAN AGUADO SOLERLlce n c iado en Crone.as Oulrnic as

La bentonita-cemento constituye un material singular, dado el tiectio de que es un

liquido tixotrootcc durante bastantes notes, antes de fraguar, y, posteriormente, es un

solido muy impermeable, con elevada resi/iencia y de una resistencia definida a voluntad

dentro de unos amplios margenes (entre 0,5 y 100 Kg/cm"). Su apticeclon a inyecciones

desde comienzos de siglo se tie extendido recientemente a otros campos de la Ingenieria

Civil, como son las pantallas blandas impermeabilizanles, las pantal/as prefabricadas 0 las

zapatas semiduras, todas elias de clara competitividad econormca ante determinadas

circunstencies.

Introducci6n.

Tanto la bentonita como el cemento son dos

materiales de propiedades muy marcadas; la

bentonita, por su tixotropia yalta plasticidad, y el

cemento, por su capacidad de fraguar, adqui-

riendo asi caracteristicas reslstentes. La com-

binaci6n de ambos constituye un nuevo mate-

rial de propiedades muy complejas, utilizadodesde hace mas de medio siglo en inyecciones,

y del que en la ultima decada han aparecido

nuevas aplicaciones en el dominio de la inge-

nieria civil, aun en fase de desarrollo, a las

cuales se refiere este articulo por el interes

tecnico que tienen y por ser aun poco cono-

cidas en Espana.

EI material esta formado por agua con un

pequefio porcentaje de bentonita (del 2 al 6 por

100, general mente) , al que se anade una can-

tidad variable de cemento, que en inyecciones

suele ser del 75 al 200 por 100, expresado en

peso de agua, e inferior at 50 por 100 en otras

aplicaciones (fig. 1). La rnezcla resultante se

mantiene en estado liquido durante cierto nu-

mero de horas gracias al poder retardador de la

bentonita, permitiendo asi su bombeo 0 ta con-

siguiente realizaci6n de una perforaci6n a su

(.) Se admiten comentarios sobre el presente artlculo,

que pueden remitirse a la Redacci6n de est a revlsta hasta

el 31 de mayo de 1976,

FEBREHO 1.976

ampara y una mayor penetrabilidad en inyeccio-

nes que la lograda por la lechada de cementa;

este lodo es tixotropico como la benton ita, pero

mas dense y de color gris, siendo susceptible

de mantener verticates y estables las paredes

100

\

Fig, 1, - Posibilidad de utilizaci6n de las mezclas de ben-

tonita-cemento sequn su dosificaci6n (sequn Fulbert 570):

a) suspensi6n inestable que sedimenta; b) suspension es-

table lemporalmente que sedimenta antes de fraguar; c)

Geles de arcilla-cerneruo poco resistente; d) suspenslones

est a bies y bombeables; e) suspension estable vlscosa y

espesa; f) mezclas no trabajables, s61idos general mente en

forma de polvo.

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Fig. 2, - Variaci6n de la viscosidad aparente, viscosidad plastica y r igidez de lodos bentonita-cemento

de diferente dosificaci6n (sequn A, Eraso).

ala CEMENTO

P-350

de la perforaci on y evitar con su viscosidad la

sedlrnentaclon del cemento. Posteriormente,

tras determinado nurnero de horas, se produce

un fraguado rente del cemento, constituyendo

un solido de densidad baja y de gran contenido

de humedad, con una extensa gama de resisten-

cias sequn sea ta relaclon agua-cemento; la ben-

tonita aporta a dicho material una mayor im-

permeabilidad y una cierta plasticidad que dis-

minuye la rigidez del solido, perrnitiendote adap-

tarse a algunos movimientos a asientos diferen-

elates sin agrietarse.

Propiedades de la bentonita-cemento.

Las principales propiedades de este mate-

rial, que varian cuantitativamente sequn ta inte-

raci6n quimica particular de cada pareja bento-

nita-cemento, son las siguientes:

Viscosidad.

Aumenta con la dosificaci6n de bentonita y

tambien con el contenido de cementa (fig. 2).

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Es necesario para alcanzar los valores de

regimen un batido suficiente de la bentonita y

un cierto perfodo de maduraci6n del lodo hasta

conseguir la hidratacion total de la arcilla, todo

ello antes de proceder a la adicion del cemento.

Una vez fabricado el lodo de bentonita-ce-

mento, si el tiempo de maduracion ha side su-

ficiente, su viscosidad permanece constante du-

rante un cierto tiempo definible como tiempo

de espesamiento (cuando la viscosidad alcanza

100 c. p., medidos en un conslstornetro): a par-

tir de aqui comienza espontanearnents a aumen-

tar la viscosidad, iniciandose el fraguado sin so-

lucien de continuidad.Durante la perforaci6n de suelos, la incor-

poraclon al lodo de partlcutas del mismo pro-

duce un aumento de viscosidad. Cuando la re-

Iacion entre el incremento de viscosidad apa-

rente y la viscosidad aparente es proporcional

a la relaci6n entre el incremento de la viscosi-

dad ptastlca y la viscosidad plastlca la conta-

minaci6n es de tipo fisico, y si se desease efec-

tuar una correcclon debe realizarse mediante la

adicion de agua, 10 cual causara indirectamente

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una dlsrninuclon de ta resistencia por elevar la

reiaclon agua-cemento. Si por el contrario la re-

laclon entre el incremento de la viscosidad apa-

rente y esta misma es proporcional a r a relaclon

entre el incremento de rigidez y la rigidez 0

"yield point", la contamlnacion es de tipo qui-

mico (por ejemplo r a causada por agua del mar),

y el tratamiento correctivo se logra mediante elempleo de fluidificantes, los cuales suelen tener

en general tarnbien un caracter de retardadores.

Tiempo de fraguado.

Varia bastante sequn la pareja bentonita-ce-

mento y suele rnanipularse mediante retardado-

res cuando la obra 10 requiere. EI mantenimien-

to de una aqitacion retrasa considerablemente

el comienzo del fraguado. Con el lodo en repo-

so, el fraguado se inicia de media a diez horas

despues de la adiclon del cemento.

Decantaci6n.

La sedimentacion de algunas particulas de

cemento hace que decante en la superficie cier-

ta proporci6n de agua, 10 cual debe limitarse

por el menor rendimiento volurnetrlco que im-

plica, escogiendo una pareja bentonita-cernen-

to adecuada. Este tenorneno es consecuencia

del cambia de base entre Na i y Ca I . sulrido

por la benton ita, motivado por r a cal que libera

el cementa al fraguar.

Densidad.

La densidad aparente varia de 1.1 a 2, sequn

la dosificaci6n de cementa. En aquellos casos

en que esta doslflcacion es baja, el contenido

porcentual de agua es muy alto, par 10 que r a

densidad seca del material desecado en estula

puede oscilar de 0,3 a 0,6, 10 cual irnpllca se

trata de un solido rnuy ligero y poroso, formado

por un esqueleto incipiente.

Permeabilidad.

Oscila alrededor de 10 ,; cm/seg., que nor-

malmente es un valor sobrado para obtener la

impermeabilidad deseada.

Erosionabilidad.

EI peligro de erosion interna por la presen-

cia de un fuerte gradiente hidraullco es frecuen-

te en los suelos limosos de baja densidad y re-

FEBRERO 1976

sistencia. be ta experiencia acumulada no pa-

rece que este material sea propenso a que de

en el el citado tenorneno, qulza por su plastici-

dad, si bien debe actuarse con cierta prudencia

cuando se defina el espesor de una pantalla im-

permeable.

Resistencia.

Varia mucho sequn la pareja bentonita-ce-

menta siendo mayor en general para los cemen-

tos de alto horno y menor para los puzolanicos.

La resistencia a cornpreslon simple R r: au-

menta con la dosiflcacion de cementa sequn

una ley de tipo potencial (fig. 3).

R , = K (C /A }/I

Siendo CIA la proporclon cemento-agua y n

un pararnetro que oscila alrededor de 3 paradosificaciones bajas de cementa y alrededor

de 2 para dosificaciones altas debiendo obte-

nerse experimentalmente en cad a caso.

Analoqamente al caso de los hormigones hi-

crauucos la resistencia aumenta proporcional-

mente al logaritmo del tiempo.

Una cierta perdida de agua por parte del ma-

terial lIeva consigo una cierta consotldaclon y

un aumento de la resistencia.

La lncorporacion de arena en pequefias can-

tidades para Iorrnar un mortero 0 la contamina-

cion por incorporacion de partlculas del suelodurante una obra de pertoracion ocasiona una

elevaci6n pequefia de la resistencia, pues, en

general, las partlculas alcanzan a poseer pocos

contactos entre sf.

Deformabilidad.

La curva de rotura a com presion simple po-

see una forma analoqa a la de las arcillas blan-

das, con un tramo elastlcc y un coda bastante

marcado.

EI modulo de elasticidad correspondiente ala primera parte es del orden de 150 a 400 veces

mayor de la resistencia a cornpreslon simple de

la mezcla, al igual que en las arcillas normal-

mente consolldadas (fig. 4).

La rama plastlca alcanza una detormaclon

del orden del 2 al 4 por 100, siendo esta mayor

cuando ia mezcla posee menor resistencia (fi-

gura 5). Se aprecia un notable alargamiento de

esta rama plastlca, hasta alcanzar incluso de-

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Fig. 3. - Resistencia a compraslon a vei ntiocho dias sobre probeta cilindrica de

diferentes mezclas de bentonita-cemento, sequn la relaci6n cemento-agua (sequn

J. Aguado y A. Eraso).

formaciones del 20 por 100 al realizar ensayostriaxiales aplicando sirnultanearnsnta una pre-

sion lateral; este hecho indica que el material

posee una elevada resiliencia y sera apto para

soportar grandes deformaciones y asientos di-ferenciales sin romper.

Realizando ensayos lentos se aprecia una

deformabilidad mucho mayor, con modulos edo-

rnetrlcos del orden de solo treinta veces la re-

sisteneia a compresion simple.

70

Plasticidad.

La mezcla bentonita-eemento es un material

de alta plasticidad, si bien se situa por debajo

de la linea A en el diagrama de plasticidad de

Casagrande. Ello se debe, por un lado, a la fuer-

te adici6n de peso de cemento, que es un ma-

terial no plastico y , por otro, at hecho de que el

cemento aetu6 quimicamente sobre la bentonita

sodica, produciendo un cambio cati6nico en la

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Fig. 4. - Correlacion entre el modulo de Young (E ) y la resistencia a cornpresion simple ( R , . ) para una

bentonita-cemento espanola. deducida sobre probela cilindrica de esbeltez dos y para una presion

mitad de la rotu ra.

misma y convirtiendola en bentonita calclca que

8S menos activa.

Durabilidad.

La adici6n de bentonita proporciona una ex-

celente protecci6n al cemento, dltrcuttando COl

su impermeabilidad ta penetraci6n de liquidos.

La experiencia acumulada en cortinas de inyec-

ciones, durante mas de medio siqlo, en recintos

de pantallas impermeables durante dos lustros,

y los ensayos de Laboratorio en condiciones ex-

tremas, permiten asegurar una gran resistencia

del material ante agentes agresivos tales como

sulfatos, materia orqanica y diversos acidos,

muy superior comparativamente a ta del mortero

de cemento.

Aplicaciones.

De las propiedades anteriores conviene re-

saltar el aspecto practico de algunas de elias:

La elevada impermeabilidad, que permite su

utilizaci6n en cortinas de inyecciones (presas)

o en pantallas blandas para formar recintos es-

tancos.

Su deformabilidad yalta resiliencia, que

Ie permite soportar grandes deformaciones y

FEBRERO 1976

i.I

5 10

Fig. 5. - Curvas tipicas tension-detorrnacion rnostrando

la mayor deformabilidad de la benlonila-cemenlo para

resistenclas merio.e I tansionss laterales rna-yores.

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asientos diferenciales sin perder continuidad, en

especial con cargas lentas y estado tensional

triaxial, 10 cual es de gran lnteres en las pan-

tallas blandas.

La gama de resistencias, que puede ser muy

baja en las pantallas blandas para que se auto-

cierren las posibles grietas, 0 por el contrario

puede ser suficientemente elevada para susten-

tar cargas verticales, que permite su empleo

en zapatas semiduras 0 pantallas prefabricadas.

Su caracter de liquido manejable que fragua,

que 10 hace apto para rellenar por completo ca-

vidades estrechas, 10 cual se aplica no solo en

inyecciones, sino en lnstrurnentacion y en las

pantallas prefabricadas.

Por ultimo, su baja densidad, que implica un

ahorro de materiales, con la consiguiente eco-

nomfa que se suma a la obtenida por la sencl-

lIez de su manejo.

Las aplicaciones mas interesantes son las

siguientes:

Inyecciones.

EI empleo de la bentonita-cemento como

producto de inyecclon posee las ventajas sobreta lechada de cementa de su mayor estabilidad,

penetrabilidad e impermeabilidad.

Las dosificaciones ernpleadas suelen oscilar

del 2 at 6 por 100 de benton ita y del 50 at 150

por 100 de cemento.

EI ernpleo en inyecciones desde comienzos

de siglo ha permitido desarrollar una tecnologia

para la fabricaci6n y manejo del lodo; asl como

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Fig. 6. - Perforaci6n de una pantalla de bentonlta-cemento,

72 REVISl'A D E ORRAS PUBLICAS

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una amplia gama de aditivos aptos para superar

dificultades de diversa indole.

Pan ta lfa s im p erm e ab Je s.

Se denominan tarnbien pantallas blandas,

plasticas 0 de lode autoendurecible.

Comenz6 su desarrollo en ta decada de los

aiios 60, ernpleandose la mayoria de las veces

un hormig6n de bentonita-cemento como relleno

de la pantalla, y utilizando diversos procedimien-

tos constructivos.

EI rnetcdo mas simple, que es el que se ha

generalizado, consiste en perforar una zanja pro-

funda y estrecha por parietes verticales, utili-

zando la maquinaria usual de excavacion de

pantallas continuas de hormig6n (fig. 6), pero

utilizando como f1uido de perforaci6n para con-

tener las paredes un lodo de bentonita-cementoen lugar de un lodo simple de benton ita, el cual

fragua tras cierto lapso de tiempo endureciendo

lentamente. Si la perforaci on de los paneles

contiguos es inmediata se mezclaran los dos

correspondientes, quedando una pantalla sin

juntas, realmente continua, y si se retrasa dicha

perforaci6n, se muerde el extrema aun pastoso

del panel mas anti guo (fig. 7), al cual se adhiere

perfectamente el lodo nuevo gracias a la plasti-

cidad del material de forma que tampoco Ilega

a distinguirse la junta.

EI exito del metodo radica por un lado en ta

extraordinaria calidad del producto, impermea-

ble en toda su masa gracias a la ausencia de

juntas y susceptible de adaptarse a las grandes

deformaciones que pueda provocar el cambio

de nivel del agua (en el recinto de la esclusa

de EI Havre se registraron movimientos de ta

cabeza de la pantalla de 20 a 50 ern, tanto en

horizontal como en vertical, debido al achique

del mismo, sin que se detectara un caudal apre-

ciable y creciente por ta posible aparici6n de

fisuras). Por otro lado posee un costa bastante

bajo, gracias at consumo relativamente reduci-

do de materiales y a la mecanizaci6n y simpli-

cidad de la construcci6n que consiste en una

operacion unica, rapida y continua.

Otros sistemas de irnperrneabtlizacion de ca-

Iidad similar 0 incluso peor, tales como las ta-

blestacas 0 las pantallas perforadas con hor-

rniqon bituminoso son mucho mas costosas, Y

aquellos de precio analoqo, como las pantallas

de horrniqon de arcilla 0 de suelo mejorado

FEBREHO 1976

suelen ser de calidad inferior por la irrequlari-

dad y dificultad de la compactaci6n y por la

existencia de juntas.

Puede afirmarse, por consiguiente, que para

establecer cualquier recinto estanco en general

la sclucion mas econ6mica y de mayor calidad

tecnica consiste en realizar una pantalla de ben-

tonita-cemento, salvo en las de cortinas de in-yecciones en roca, 0 de nucleos de arcilla le-

vantados sirnultaneamente a los espaldones en

presas de materiales sueltos, 0 de estanques

con impermeabilizaci6n superficial con laminas

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Fig. 7. - Excavaci6n continua de una pantalla blanda, sin

juntas, mediante paneles alternados.

plasticas 0 can capas de arcilla, ya que se trata

de casos en que este tipo de pantallas excava-

das no resulta viable, asi como cuando no existe

espacio para dejar un espaldon de tierras resis-

tente y es preciso recurrir a una pantalla de ta-

blestacas a de hormig6n arm ado que adernas

de ser impermeable sea capaz de resistir para

salvar el desnivel necesario.

Las limitaciones 0 inconvenientes son, en

definitiva, su talta de resistencia, el no poderse

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atravesar capas rocosas de cierto tarnafio, y el

requerir una tecnologia avanzada (fig. 8) Y un

personal especializado para su ejecucion.

EI campo de aplicaciones de este tipo de

pantallas es muy arnpllo:

Rastrillos de pres as cuando existen materia-

les qranutares cuaternarios en su base; repara-

cion de presas de materiales sueltos con el nu-

cleo agrietado.Establecimiento de recintos donde se va a

proceder a un rebajamiento del nivel treatlco,

tales como fosos de edificios industriales 0 so-

tanos de viviendas.

lrnpermeabllizacion de ataguias de material

vertido, bien para cortar un rio en la construe-

cion de una presa, 0 bien para ganar terrenos

at mar dejandolos en seco, como es el caso de

la construcci6n de un dique seco.

Separaclon de acuiferos, para evitar la con-

tamtnaclon de rios por la proximidad de una

factoria 0 para evitar r a salinizacion de un area

proxima at mar, desde donde se bombea agua

dulce.

Esta tecnlca se ha introducido en Espana

en 1974, habiendose realizado ya dos obras de

grandes dimensiones con pleno exlto.

Pantallas prefabricadas.

La ejecuclon de pantallas de horrnlqon in

situ perforando la zanja con ayuda de lodos

tixotroplcos adolece de tres defectos tecnlcos:

la dificultad de garantizar un hormigonado con-

tinuo y sin coqueras, ta calidad y estanqueidad

mediocre de las juntas entre paneles, y la ru-

gosidad de sus caras con la presencia de pan-

Fig. 8. - Central automatica de gran capacidad para la fabricaci6n de bentonita-cemento (cortesia de Kronsa).

7 4 REVIST,\ DE O BRAS PU BLICAS

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zas y exceso de recubrimiento. La idea de intro-

ducir una pieza prefabricada de horrniqon den-

tro de la pertoraclon, ya antigua, ha side desa-

rrollada hasta ahara por dos empresas construe-

toras francesas, en 1970, por otra suiza y, final-

mente, por una espanola en 1975, todas elias

con dlsenos originales. Esta sotucion resuelve

los problemas anteriores, en parte gracias a lacalidad del prefabricado, con un paramento per-

fectamente liso, con un horrnlqon vibrado de

alta resistencia y un acero con el recubrimiento

estricto y, en parte, gracias al papel de la ben-

tonita-cemento, que es aqui doble:

Rellenar el hueco que queda entre el

prefabricado y el terreno, para asi trans-

mitir tanto los empujes horizontales, evi-

tando los asientos en las areas proxirnas,

como los esfuerzos verticales al terreno

de ta base.Rellenar la junta entre paneles logrando

una estanqueidad de gran eficacia.

La dosificacion de cemento debe ser del or-

den de los 300 Kg/m:: para poder lograr resis-

tencias de 10 a 30 Kg/cm~, sequn sea la mag-

nitud de las cargas verticales.

Una variante interesante la constituyen las

pantallas mixtas, en que el panel prefabricado

no alcanza el fondo de la excavacion (fig. 9). La

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Fig. 9. - Pantalla mixta: pretabrlcada en la parte

superior con mision resistente y blanda en la parte

inferior, hasta alcanzar un astrato impermeable.

FEBR EBO 19 '(6

parte superior resiste el desnivel de tierras, y la

parte inferior solo de bentonita-cemento, mas

econornica, actua solo como pantalla plastica

para alcanzar un estrato impermeable y lograr

la estanqueidad deseada en los sotanos, Otra

posibilidad de pantalla mixta consiste en rei le-

nar la parte inferior de horrniqon hidraullco en

masa para transmitir unas fuertes cargas verti-cales at terreno duro y con ta parte superior for-

mada por paneles prefabricados que quedan se·

Ilados gracias a la bentonita-cemento. Como se

ve la flexibilidad de disefio de estas pantallas

prefabricadas es muy grande, pudiendose em-

plear el hormlqon armado, el pretensado, piezas

macizas 0 aligeradas, paneles de espesar cons-

tante 0 piezas en doble T de mayor rigidez corn-

binadas con placas delgadas intermedias, pan-

tallas de contrafuertes con las piezas prefabri-

cadas engarzadas entre sf, y, en fin, una varie-

dad de sotucion capaces de adaptarse a nece-

sidades muy diversas.

Instrumentaci6n.

Una aplicacion de poco valor comercial, pe-

ro tecnicamente interesante, y que es un ejem-

plo de las posibilidades de diverslticacion de

este material, consiste en el relleno y sella do

de taladros donde se colocan elementos de ins-

trurnentacion, tales como inctlnornetros 0 piezo-

metros, donde se pretende no dejar ninqun hue-co y que el material de relleno ofrezca una

buena estanqueidad y una deformabilidad ana-

loga al sue!o que Ie rodea.

Zapa tas sem iduras .

Consiste en excavar un pozo 0 zapata pro-

funda sin entlbacion, sustentando las paredes

con lodo de bentonita-cemento, y procediendo

seguidamente a verter y compactar gravas 0

aridos para constituir un norrniqon ptastico debentonita-cernento de 20 a 60 Kg Iern- de resis-

tencia (fi g. 10).

EI procedimiento es muy adecuado para el

caso frecuente de que exista un terreno super-

ficial rnuy flojo y aparezca el estrato resistente

a pocos metros de profundidad, pero ya bajo

el nivel treatlco, bastando la resistencia del hor-

rnlqon plastico, que solo debe trabajar a 5 0 10

kilogramos por centlmetro cuadrado.

Las otras soluciones hoy utilizadas realmen-

te estan pensadas para otras circunstancias, y

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Page 10: Bentonita Cemento y Sus Aplicaciones

5/10/2018 Bentonita Cemento y Sus Aplicaciones - slidepdf.com

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Fig, 10, - Clrnentaclon mediante zapata corrida semidur s:

excavaclon continua con bentonita-cemento y relleno pos-

terior de arido ccmpactado,

76

para salvar un desnivel de agua de quiza solo

dos metros movilizan unos medios y recursos

exagerados y , por 10 tanto, costosos, Asf ocurre

con la posibilidad de efectuar un rebajamiento

del nivel treatico, que es una operacion engo-

rrosa, 0 de recurrir a pilotes muy cortos, con

un bajo rendimiento en su construccion, 0 con

la realizacion de pozos de cirnentacion con hor-

rniqon sumergido, que suele dejar ciertas dudas

sobre su caudad, salvo si se recurre a una en-

tibacion 0 al empleo de lodos bentoniticos.

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