Daarna vonden systematische opgravingen plaats door de amateur-archeoloog H.J. Beckers en later door de archeoloog prof. A.E. van Giffen. Toen zijn alle muurfragmenten en funderingen vrij gelegd, gedeeltelijk zelfs tot onder de funderingsaanleg. In de jaren vijftig is de site weer toegedekt om pas in 1975-’77 opnieuw blootgelegd te worden. Toen zijn de funderingen overkapt met een lichte staalconstructie, de hoofdruimte van het nieuw gestichte Thermenmuseum. 

Het was hier dus niet mogelijk om nieuw archeologisch onderzoek te verrichten, afgezien van proefsleuven om enkele aanvullende waarnemingen te verrichten en de behoudstoestand van de site vast te stellen. Er moest dus vooral gebruik worden gemaakt van bestaand archeologisch onderzoek uit de jaren veertig van de twintigste eeuw. In die periode waren de middelen en methoden minder ver ontwikkeld dan tegenwoordig. Bovendien was de vraagstelling anders dan nu. Het onderzoek was toen sterker gericht op vastlegging van funderingen. Gelukkig zijn er nog wel opmetingstekeningen, foto’s en (dag)rapporten uit de jaren veertig behouden. En er zijn veel vondsten gedaan. Dit bronnenmateriaal is uitvoerig onder de loep genomen, deels zelfs nieuw geïnterpreteerd en uitgetekend. Dat leverde veel aanvullende gegevens op ten opzichte van de bestaande publicaties.

Vervolgens zijn alle ruimten, de muurvlakken met afwerkingen aan binnen- en buitenzijde en de vloeren minutieus gedocumenteerd en geanalyseerd. Dit onderzoek was hier nog nooit zo precies uitgevoerd. Dat leverde veel nieuwe gegevens op.

Waar normaal verschillen in samenstelling van mortel wijzen op een faseverschil, was dat hier niet steeds het geval. Met name in het muurwerk van het caldarium werden vele bouwnaden gevonden op basis van mortelverschillen, die echter absoluut niet overeenkwamen met een bouwfasering. Kennelijk heeft men bij de bouw steeds kleine porties mortel aangemaakt, maar steeds in verschillende samenstelling en menging. Alleen al op het oog zijn duidelijke kleurverschillen herkenbaar.  

Op een aantal cruciale punten ontbreken delen van het gebouw (verloren gegaan bij het verval sinds de vijfde eeuw of bij de opgraving) of hebben ingrijpende herstellingen plaatsgevonden, waarmee de onderlinge samenhang van enkele ruimten niet meer is vast te stellen. Het onderzoek leek daarmee dood te lopen.

Andere onderzoeksvelden

Anders dan veel andere onderzoeken van Kees Peterse was dit een deelonderzoek. Tijdens het onderzoek hebben de verscheidene onderzoekers wel gegevens uitgewisseld, maar pas bij de uitwerking in het algehele rapport heeft een synthese plaatsgevonden. Daarbij is geconcludeerd dat het gebouw tot stand is gekomen in de periode 65-73 en uitgebreid omstreeks 100. Vanaf de derde eeuw werden delen van het gebouw buiten gebruik gesteld, totdat het in de vijfde eeuw volledig is verlaten. Daarna is het vervallen en in vergetelheid geraakt.

Een onbevredigend resultaat?

Het bouwhistorisch onderzoek heeft veel gegevens opgeleverd over het complex, vooral ook in relatie met vergelijkbare thermen. Daarmee heeft Kees Peterse veel bijgedragen aan de kennis over de opzet, ontwikkeling en het gebruik van de Heerlense thermen. Niet alle vragen konden worden beantwoord, wellicht zal dat nooit gebeuren. Er zijn teveel gegevens verloren gegaan. Wel is de grote betekenis van de thermen nogmaals onderstreept.

Ook de nadere constructieve analyse op basis van de gegevens van de archeologe Lynne Lancaster leidde niet tot eenduidige conclusies. Zij concludeerde dat bij toepassing van betonnen tongewelven de muurdikte nooit kleiner is dan een tiende deel van de overspanning, maar wel steeds tenminste twee Romeinse voet (59,2 cm). In Heerlen heeft het tepidarium een muurdikte van 60 cm bij een vrije overspanning van 554 cm, het caldarium een muurdikte van 60-69 cm bij een vrije overspanning van 633 cm. Was er dan toch sprake van een schijngewelf, dat Vitruvius omschrijft als een stelsel van ijzeren staven of bogen aan een houten balklaag waartussen terracotta platen met pleisterwerk? Resten van zo’n constructie zijn in de villa Silberberg in Bad Neuenahr-Ahrweiler aangetroffen.

Voor gegevens over het caldarium waren vooral de onderzoekingen in de thermen van Pompeï en Herculaneum van belang, alle ouder dan 79 na Chr. Daaruit bleek een radicale omslag van de opzet en uitvoering van deze ruimten te hebben plaatsgevonden in de eerste eeuw na Chr., dus precies in de periode dat de Heerlense thermen zijn gebouwd. De oudere exemplaren in die periode zijn laag en donker, de jongere exemplaren juist hoog en licht. Dit lijkt samen te hangen met de ontwikkeling van het vensterglas. Vensters met glasvulling konden belangrijk bijdragen aan de opwarming van de ruimten. De vondst van vensterglas in Heerlen doet een hoog caldarium vermoeden, waarbij de aanzet van het gewelf hoger lag dan 2,5 meter tot een maximum van 4,5 meter.