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).
68
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-
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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
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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
'-" :- , , : . .
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
"Nel AJF
PANT"1 til I'H[~AHllIC""OA
sot filA
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... '.'
Rt:P~lONITA~Cl:MENTO
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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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,
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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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